泥漿固結弱膨脹土與混凝土接觸面研究綜述

摘要：地下工程施工和運營過程中，因為土體和結構物兩者強度以及變形特性差異明顯，在荷載作用下接觸面上會產(chǎn)生較大的剪應力，并且會發(fā)生既不同于土體與土體，又不同于結構物與結構物的力學表現(xiàn)。這些特性最終會對工程結構造成不同程度的負面影響。因此土與結構物之間的相互作用問題一直是巖土工程領域中一個研究熱點。本文就弱膨脹土與混凝土接觸面的實驗儀器，土體性質，結構體性質和本構模型等問題展開論述，并對研究方向作了總結。

關鍵詞：泥漿固結；弱膨脹土；界面剪切

在工程施工和運營過程中，或多或少都會涉及到結構物與土體之間的接觸問題。因為土體和結構物兩者強度以及變形特性差異明顯，所以在荷載作用下接觸面上會產(chǎn)生較大的剪應力，發(fā)生既不同于土體、又不同于結構的力學特性。這些特性最終會對工程結構造成不同程度的負面影響。由于土與結構接觸面力學特性和變形特性方面的研究具有重要的理論意義和實踐背景。本文就弱膨脹土土與混凝土接觸面的實驗儀器，土體性質，結構體性質和本構模型等問題展開論述，并對研究方向作了總結。

1.弱膨脹土

膨脹土作為一種特殊粘土，具有吸水膨脹軟化，失水收縮開裂、超固結性和多裂隙性等特點。其孔隙比、含水率及垂直壓力等對與結構接觸面剪切性狀具有較大影響。目前，已有學者開展相關研究。

然而，膨脹土的特殊性與復雜性決定其與結構界面剪切作用力學行為較難認知。就目前而言，相關研究仍較為缺乏，尚無涉及泥漿固結膨脹土與結構物接觸面剪切力學特性的研究。眾所周知，不同的制土樣方式對土樣及其與結構接觸作用的試驗結果具有明顯影響。泥漿固結膨脹土雖制樣復雜，但其相對壓實或原狀膨脹土而言，均勻性較好，也易于重復，能較真實的反應膨脹土的本質，采用泥漿固結膨脹土樣開展其與結構接觸面剪切試驗，對認識該類土與結構界面剪切力學特性具有顯著意義。

2.混凝土界面

近些年來，有關土體與結構物相互作用的問題，已受到廣大巖土工作者的關注。樁、擋土墻等采用最多的材料便是混凝土。對于土與結構面的接觸研究，土體-混凝土界面的研究一直是最常用的研究方向，將混凝土界面視為接觸面的情況最為常見。

Yin等（1995）開展了土與混凝土接觸面大型直剪試驗，試驗結果表明，緊靠接觸面邊界的測點首先發(fā)生了相對位移，當荷載繼續(xù)增加，遠離邊界的各點依次發(fā)生錯動，從而驗證了接觸面的破壞是一個由邊緣向內部逐步發(fā)展的過程。張明義等（2017）通過黏性土與不同表面粗糙度混凝土板的室內直剪試驗，模擬預制樁的界面受力性態(tài)，其利用微型硅壓阻式傳感器測定界面孔隙水壓力和土壓力的變化，定量分析了表面粗糙度對界面抗剪強度參數(shù)、界面阻力-剪切位移曲線的影響。

土與混凝土結構接觸面的研究能夠普遍適用于目前正在建設的大多是基礎工程，水利工程，公路橋涵工程，因此選擇混凝土界面為土體接觸面最具有普適性。

3.接觸面本構模型

接觸面本構模型是接觸面研究中最基礎、最重要的內容，正確建立并合理應用接觸面本構模型， 基于土與結構物接觸面剪切試驗揭示的接觸面受力變形基本規(guī)律，結合理論分析，國內外學者建立了多種界面荷載傳遞模型，如線性模型、雙線性硬化模型、三折線軟化模型、指數(shù)函數(shù)模型、Ramberg-Osgood模型等

早在20世紀70年代，Clough等根據(jù)直剪試驗結果，認為τ-ω關系呈雙曲線關系。該模型由于參數(shù)易確定，直到現(xiàn)在還應用廣泛。Brandt經(jīng)過深入的室內試驗和現(xiàn)場研究，提出1個簡化模型描述接觸面切向應力和變形，用2條折線描述（τ/σ）-ω曲線。陳慧遠認為，當剪切應力小于摩擦力時，τ-ω為線彈性關系；當剪切應力大于或等于摩擦力時，接觸面進入摩擦滑移階段，τ-ω為塑性關系。胡黎明根據(jù)土與結構物接觸面直剪試驗結果，建立了粗糙接觸面損傷力學本構模型。該模型能夠反映接觸面剪切變形過程中的應變軟化和剪脹現(xiàn)象。張嘎等根據(jù)大量的粗粒土與結構接觸面靜動力學試驗觀測結果，總結歸納了粗粒土與結構接觸面靜動力學特性的5條基本規(guī)律，并在此基礎上，建立了一個粗粒土與結構接觸面彈塑性損傷模型，可以統(tǒng)一地描述單調和循環(huán)荷載作用下接觸面的響應。

正確建立并合理應用接觸面本構模型，對有效模擬土與結構相互作用具有重要意義，通過未來的研究，希望能有適用性更加廣泛的本構模型出現(xiàn)。

4.總結

膨脹土具有吸水膨脹軟化，失水收縮開裂、超固結性和多裂隙性等特點，其孔隙比、含水率及垂直壓力等對與結構接觸面剪切性狀具有較大影響。泥漿固結膨脹土制樣復雜，但其相對壓實或原狀膨脹土而言，均勻性較好，也易于重復，能較真實的反應膨脹土的本質，采用泥漿固結膨脹土樣開展其與結構接觸面剪切試驗，對認識該類土與結構界面剪切力學特性具有顯著意義。

土與結構接觸面剪切試驗通常采用直剪儀、單剪儀及環(huán)剪儀等儀器，直剪儀構造簡單，操作方便，因此，在制備泥漿固結弱膨脹土樣的基礎上，采用直剪儀開展泥漿固結弱膨脹土與混凝土接觸面剪切試驗具有獨創(chuàng)性。試驗時，通過改變土樣孔隙比、混凝土界面粗糙度，探討其對泥漿固結弱膨脹與混凝土接觸面剪切強度、剪切位移與剪切應力等的影響規(guī)律，通過研究以期為弱膨脹土與結構物接觸面剪切作用特性研究提高試驗及理論補充，也為相關工程實踐提供有益參考。

參考文獻：

[1]王明軒，等. 影響土與結構接觸面靜力特性的因素[J].建筑科學，2001（31）：84-85.

[2] 趙聯(lián)楨，等. 土與結構接觸面行為研究綜述[J].交通科技，2012（5）：84-85.

[3] 周愛兆，等. 土與結構接觸面力學特性研究現(xiàn)狀與展望[J]. 河海大學學報（自然科學版），2007.35（5）：84-85.

[4]POTYONDY J G.Skin friction between various soils and construction materials[J].Geotechnique，1961，11（4）：339-353.

[5]胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面物理力學特性試驗研究[J].巖土工程學報，2001，，23（4）：431-435.

[6]UESUGI M，KISHIDAH.Influential factors of friction between steel and sands[J].Soils and Foundations，1986，26（2）：33-46.

[7]盧廷浩，鮑伏波.接觸面薄層單元耦合本構模型[J].水利學報，2000（2）：71-75.

[8]王偉.基于能量耗散原理的土與結構接觸面模型研究和應用[D].南京：河海大學，2006.

[9]曾維德等.紅黏土—混凝土光滑接觸面直剪試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2015.12（4）：796-799

作者簡介：

李亞龍（1996.11.12-）男，漢族，湖北省襄陽市，身份證號：42068419961112351X，本科生，研究方向：城市地下空間工程