砂土?結構接觸面剪切特性大型直剪試驗研究

楊鑫，崔宏環(huán)，張立群，崔穎輝

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砂土?結構接觸面剪切特性大型直剪試驗研究

楊鑫1, 2，崔宏環(huán)1, 2，張立群1, 2，崔穎輝3

(1. 河北省土木工程診斷、改造與抗災重點試驗室，河北 張家口 075000；2. 河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；3. 中國鐵道科學院 鐵建所巖土室，北京 100081)

為充分開發(fā)鐵尾礦和建筑廢料在砂土地區(qū)鐵路路基工程中的價值，研究土與結構物接觸面的力學特性，對現(xiàn)有的大型直剪儀進行改造，設計試驗方案完成24組單向直剪試驗，對砂土與不同混凝土類型接觸面的應力-應變曲線及其破壞形式進行分析。研究結果表明：隨著法向應力的增加，接觸面破壞形式由接觸面發(fā)生滑動破壞到接觸面附近的砂土自身發(fā)生硬化型破壞過渡；/?近似為一次函數關系；當含水率一定時，鐵尾礦再生混凝土接觸面的剪切模量高于普通混凝土接觸面的剪切模量，同時鐵尾礦再生混凝土接觸面的黏聚力大于普通混凝土，由此表明，鐵尾礦再生混凝土接觸面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接觸面，論證了鐵尾礦再生混凝土接觸面的粗糙度大于普通混凝土接觸面這一觀點，因此，將鐵尾礦再生混凝土替代普通混凝土應用到實際工程中是可行的。

鐵路路基；鐵尾礦再生混凝土；接觸面；大型直剪試驗

近年來，我國交通運輸行業(yè)處于高速發(fā)展階段，特別是在新技術的支持下，現(xiàn)代交通運輸建設的質量和水平有了明顯的改善。路基作為鐵路最重要的組成部分，其沉降變形與火車能否高速安全的運行息息相關。其中軟弱地基的存在對鐵路路基建設有著嚴重的阻礙，因此采用科學合理的方式對軟弱地基進行處理就顯得尤為重要。目前，國內對鐵路路基處理和沉降控制進行了一系列的探索研究，主要集中于土與地下結構物相互作用的問題，而在相互作用過程中起到決定性作用的是土與結構物接觸面的力學特性[1?7]。同時，隨著我國城市化建設速度的急劇加快，在城建改造中產生了大量的建筑垃圾和廢料，其中大多數為廢棄混凝土。目前，許多國家對廢棄混凝土的二次開發(fā)利用進行了積極的探索研究，并制定了相應的規(guī)程和規(guī)范[8?10]。我國在這方面的研究雖落后于其他國家，但也取得了一定的成果，只是這些成果主要集中于再生骨料的基本物理性能以及再生混凝土的耐久性和力學性能等方面[11?13]。而將其應用于鐵路路基處理工程，研究土與結構面的力學特性相對缺乏。基于上述研究，筆者通過大型全自動直剪儀對張家口地區(qū)砂土與混凝土進行直剪試驗，分析不同含水率條件下的砂土在0，20，50和100 kPa 4個法向應力條件下與不同混凝土類型接觸面的力學特性和作用機理。

1 試驗儀器

本文試驗所采用的大型直剪儀如圖1(a)所示，為對砂土與混凝土接觸面的力學特性進行探究，需對儀器進行改造，將現(xiàn)有的剪切盒替換為自制模具，其示意圖如圖1(b)所示。模具分為上下2個裝置，其中下部分為砂土安放裝置,尺寸為200 mm×200 mm×100 mm，且底蓋可拆卸，以便安放加壓裝置。模具的上部分為混凝土澆筑裝置，尺寸為198 mm×198 mm×100 mm小于砂土安放裝置，其目的是保證混凝土完全澆筑在砂土上,以免影響試驗數據精度。同時，為了保證混凝土澆筑裝置整體的穩(wěn)定性，將其設計為長短板組合形式，并且長板內側存在3 mm寬的凹槽，用來固定短板位置，防止其移動。2根螺栓的采用，目的是利于混凝土脫模。直剪試驗裝置如圖1所示。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

試驗材料取自張家口市河北建筑工程學院試驗基地的標準中砂，以便于研究張家口地區(qū)砂土地基處理結果的評價與比較，其粒徑分布和基本物理性能見表1和表2。混凝土采用滿足地基處理的C25普通混凝土和鐵尾礦再生混凝土，其中再生骨料來源于張家口市某街區(qū)房屋拆遷的廢棄混凝土，天然骨料采用張家口市某采石場生產的碎石，基本物理性能試驗結果見表3。

通過表3可以看出，再生骨料的含水率、吸水率均高于天然骨料，這是由于廢棄混凝土在初配階段吸收了大量的水，即使經過拆遷擱置了很長時間，它的含水量仍然較高。同時在破碎廢棄混凝土形成再生骨料的過程中，不僅會產生許多裂縫和棱角，而且大量的水泥砂漿也會包裹在骨料表面。這些因素使得再生骨料的吸水率和含水率均高于天然骨料。因此鐵尾礦再生混凝土的配制需要考慮再生骨料含水率和吸水率高的特點，應在配制普通混凝土所需用水量的基礎上再增加一部分用水量，這部分用水量稱為附加水量?；炷僚浜媳纫姳?。

表2 砂土的基本物理性能

表3 粗骨料的基本物理性能

表4 混凝土配合比

2.2 試樣制備及試驗方案

按砂土最優(yōu)含水率10%±2%進行初步配制，并用保鮮袋和保鮮膜進行包裹，保養(yǎng)1~2 d，使砂土充分吸收水分后，將其分層填入砂土填埋裝置，并壓實。安裝混凝土澆筑裝置，分別將不同類型的混凝土(普通混凝土、鐵尾礦再生混凝土)裝入模具，并振搗密實。24 h后拆除混凝土澆筑裝置，并放入標準養(yǎng)護室，進行為時14 d養(yǎng)護。

利用全自動大型直剪儀通過控制法向應力(5，20，50和100 kPa)對不同含水率的土體與不同混凝土類型接觸面進行24個單向直剪試驗，在試驗過程中，將制備完畢的試樣顛倒放置，上部為試驗土體，下部為混凝土，其目的是在施加法向應力后，保證試驗進行時，剪切位置仍在接觸面上，同時試樣安裝完畢后，將土體填埋裝置向上提升2~3 mm，以免澆筑在土體上的混凝土存在凸起部分，在剪切時，卡到模具影響試驗數據準確性。接觸面試驗如圖1所示。

3 試驗結果及分析

3.1 接觸面剪應力-剪切位移曲線

通過參照前人的試驗結果，發(fā)現(xiàn)法向應力對接觸面的剪切特性有極其重要的影響。當砂土的含水率一定時，由于施加在接觸面上法向應力的異同，接觸面的應力?應變曲線特性有明顯的差異。根據上述試驗方案進行大型直剪接觸面試驗測得不同法向應力條件下應力?應變曲線，其試驗結果如圖2~4所示。

(a) τ?w曲線；(b) w/τ?w曲線

(a) τ?w曲線；(b) w/τ?w曲線

(a) τ?w曲線；(b) w/τ?w曲線

1) 通過圖2可以看出，對于含水率為8%的砂土與混凝土的接觸面：當作用在接觸面上的法向應力≤50 kPa，?曲線都存在明顯的峰值，并且在達到峰值后，隨著試驗的進行，?曲線趨于水平；當法向應力增加至100 kPa時，此時?曲線有明顯的不同，不存在峰值且表現(xiàn)為雙曲線型。

2) 對于含水率為10%和12%的砂土與混凝土的接觸面：當作用在接觸面上的法向應力≤20 kPa時，?曲線特性與含水率為8%的情況一致；當法向應力增加至≥50 kPa時，?曲線特性表現(xiàn)為雙曲線型。

綜上所述：法向應力對接觸面的剪切特性影響較大，并且當作用在接觸面上的法向應力較小時，?曲線為峰值型，這是由于在試驗初期階段，試樣抵抗剪切能力較強，此時砂土與混凝土接觸面的抗滑動能力大于砂土自身抗剪強度，接觸面附近的砂土首先發(fā)生軟化型破壞，并且當破壞至一定程度，迅速進入到接觸面滑動破壞階段，此時砂土與混凝土接觸面的抗滑動能力小于砂土自身抗剪強度，接觸面發(fā)生滑動破壞，表現(xiàn)為?曲線趨近于水平；當作用在接觸面上的法向應力較大時，?曲線為雙曲線型，原因是此時法向應力較大，砂土與混凝土接觸面被充分壓密，導致接觸面抗滑動能力增大，且遠大于砂土自身的抗剪強度，接觸面附近的砂土發(fā)生硬化型破壞，且接觸面未發(fā)生破壞。其破壞示意圖如圖5所示，由于砂土組成中砂粒含量較高，并且這些砂粒會填充到混凝土骨料縫隙之間，所以當在接觸面發(fā)生滑動破壞時，并不能看到接觸面處的混凝土。但是通過圖5仍然可以看出，包裹在混凝土上的砂土明顯雙曲線型破壞形式要多一些，即雙曲線型破壞形式所處的破壞位置距離接觸面更遠一些，因此上述分析結果是合理的。

其中：，與，值有關，需要進行試驗并且擬合數據得到。

4) 當砂土的含水率和施加在接觸面上的法向應力保持一定時，通過圖2~4可以看出，砂土與鐵尾礦再生混凝土接觸面的?曲線均高于砂土與普通混凝土接觸面的?曲線，這是由于再生骨料棱角多的特點，直接將鐵尾礦再生混凝土澆筑在砂土上，經過振搗，再生骨料的棱角會扎入砂土中，其接觸面的粗糙度和試樣的完整性高于砂土與普通混凝土接觸面的粗糙度和試樣的完整性，致使接觸面剪應力增大。

(a) 峰值型破壞形式；(b) 雙曲線型破壞形式

當法向應力一定，對于不同含水率條件下的砂土和不同混凝土類型接觸面的?曲線如圖6所示。由圖6可知：

1) 含水率對接觸面的剪切特性影響較大：含水率較小時(8%)，?曲線在法向應力≤50 kPa，表現(xiàn)為峰值型，當法向應力增加至100 kPa，表現(xiàn)為雙曲線型；含水率較大(10%和12%)時，?曲線在法向應力≤20 kPa，表現(xiàn)為峰值型，≥20 kPa時全部表現(xiàn)為雙曲線型。

2) 同時，從圖6中還可以看出，當法向應力和含水率一定時，鐵尾礦再生混凝土接觸面的初始剪切模量高于普通混凝土接觸面的初始剪切模量，剪切模量概念圖見圖7，其具體數值見表5。由此表明，鐵尾礦再生混凝土接觸面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接觸面，從另一個角度再一次論證了鐵尾礦再生混凝土接觸面的粗糙度是大于普通混凝土的，因此將鐵尾礦再生混凝土替代普通混凝土應用到實際工程中是可行的。

剪切模量可用剪應力與剪切位移之間的關系來表示，其關系式如式(2)：

圖7 剪切模量概念圖

經過上述分析可知，當法向應力較小時接觸面的破壞形式表現(xiàn)為：接觸面附近少部分砂土發(fā)生軟化型破壞，并且破壞至一定程度迅速進入接觸面發(fā)生滑動破壞階段，通過圖2~4可看出，砂土發(fā)生軟化階段時間較短，因此可近似認為此破壞形式為接觸面發(fā)生滑動破壞；當法向應力較大時接觸面破壞形式表現(xiàn)為：接觸面附近砂土自身發(fā)生硬化型破壞。綜上所述，隨著法向應力的增加，接觸面破壞形式由接觸面發(fā)生滑動破壞到接觸面附近的砂土自身發(fā)生硬化型破壞過渡。為了驗證此分析是否準確，補充最優(yōu)含水率(10%)條件下砂土自身的剪切試驗，并與接觸面試驗結果進行對比，其試驗裝置與結果如圖8~9所示。

表5 接觸面剪切模量

圖8 砂土自身剪切試驗裝置

圖9 接觸面與砂土對比圖

由圖9可以看出：當作用在接觸面或砂土上的法向應力不同時，在試驗的初期階段，砂土自身的?曲線與接觸面的?曲線基本重合，但是這一階段過后，接觸面的?曲線從砂土?曲線分離出來。法向應力≤20 kPa時，砂土自身的?曲線達到峰值后，剪應力下降，而接觸面的?曲線達到峰值后趨近于水平；法向應力增至≥50 kPa時，砂土自身的?曲線和接觸面的?曲線都表現(xiàn)為雙曲線，并且隨著法向應力增加到100 kPa，2條曲線幾乎重合。由此說明隨著法向應力的增加，接觸面破壞形式由接觸面發(fā)生滑動破壞到接觸面附近的砂土自身發(fā)生硬化型破壞過渡的結論是正確的。

3.2 接觸面抗剪強度

通過上述試驗分析可知，法向應力和砂土的含水率對接觸面的應力?應變特性有較大的影響。當法向應力較小時，此時在試驗初期階段，砂土自身的抗剪強度小于接觸面的抗滑動強度，砂土發(fā)生軟化型破壞，因此?曲線的峰值即為此破壞類型下接觸面的抗剪強度；當法向應力增加到≥50 kPa時，?曲線為雙曲線型，此時砂土自身的抗剪強度小于接觸面的抗滑動強度，砂土發(fā)生硬化型破壞，根據參考常規(guī)直剪試驗規(guī)范，取剪切位移為試樣直徑的1/15~1/10時所對應的剪應力為接觸面的抗剪強度[14]，但是通過查閱前人研究結果發(fā)現(xiàn)剪切位移在10 mm以內，試樣即可認定破壞[15]，因此綜合考慮本次試驗結果，選取剪切位移10 mm所對應的剪應力為此類型下的抗剪強度。

本文試驗所得各種法向應力、含水率以及混凝土類型下的接觸面破壞類型和抗剪強度見圖2~4，其值如表6所示。各種情況下接觸面的抗剪強度與法向應力關系如圖9所示。

表6 接觸面抗剪強度

通過圖10可知，在試驗法向應力范圍內，接觸面的抗剪強度與法向應力擬合后呈線性關系，并且接觸面的抗抗剪強度可表示為與土摩爾?庫倫剪切強度相似的關系式：=+tan，其中和分別為接觸面的黏聚力和內摩擦角。通過圖9中的擬合強度包線，可得出不同類型混凝土接觸面在不同含水率條件下的抗剪強度指標，見表7。

由表7可知：當含水率一定時，鐵尾礦再生混凝土接觸面的黏聚力都大于普通混凝土，結合上文：鐵尾礦再生混凝土接觸面的?曲線均高于砂土與普通混凝土接觸面的?曲線、鐵尾礦再生混凝土接觸面的初始剪切模量高于普通混凝土接觸面的初始剪切模量這2點結論，由此表明鐵尾礦再生混凝土接觸面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接觸面，論證了鐵尾礦再生混凝土與砂土的接觸面粗糙度大于砂土與普通混凝土接觸面的粗糙度這一觀點，因此將鐵尾礦再生混凝土替代普通混凝土應用到實際工程中是可行的。

(a) 普通混凝土；(b) 鐵尾礦混凝土

表7 接觸面抗剪強度指標

4 結論

1) 法向應力、含水率和混凝土類型是影響接觸面應力?應變曲線的重要因素。當法向應力較小時，?曲線有明顯的峰值，并且在達到峰值后，隨著試驗的進行，應力?應變曲線趨于水平，這意味著在試驗初期階段砂土發(fā)生軟化型破壞，并且當砂土破壞至一定程度，迅速進入接觸面滑動破壞階段；隨著法向應力增加到≥50 kPa時，接觸面應力?應變曲線無峰值，并表現(xiàn)為雙曲線，意味著砂土自身發(fā)生硬化型破壞形式。

3) 隨著法向應力的增加，接觸面破壞形式由接觸面發(fā)生滑動破壞到接觸面附近的砂土自身發(fā)生硬化型破壞過渡。

4) 當含水率一定時，鐵尾礦再生混凝土接觸面的?曲線均高于砂土與普通混凝土接觸面的?曲線，鐵尾礦再生混凝土接觸面的初始剪切模量高于普通混凝土接觸面的初始剪切模量，鐵尾礦再生混凝土接觸面的黏聚力都大于普通混凝土，通過上述結論說明鐵尾礦再生混凝土接觸面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接觸面，論證了鐵尾礦再生混凝土與砂土的接觸面粗糙度大于砂土與普通混凝土接觸面的粗糙度這一觀點，因此，將鐵尾礦再生混凝土替代普通混凝土應用到實際工程中是可 行的。

[1] 趙少飛, 戴志廣, 劉鑫, 等. 擾動土?結構接觸面抗剪強度特性試驗研究[J]. 地下空間與工程學報, 2018, 14(1): 67?71. ZHAO Shaofei, DAI Zhiguang, LIU Xin, et al. Experimental research of shear strength characteristics on disturbed soil-structure interfaces[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2018, 14(1): 67? 71.

[2] 成浩, 陳曉斌, 張家生, 等. 紅黏土?混凝土結構接觸面殘余強度特性試驗研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2017, 48(9): 2458?2464. CHENG Hao, CHEN Xiaobin, ZHANG Jiasheng, et al. Experimental research on residual shear strength of red clay-concrete structure interface[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2017, 48(9): 2458?2464.

[3] 成浩, 王晅, 張家生, 等. 顆粒粒度與級配對碎石料與結構接觸面剪切特性的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2018, 49(4): 925?932. CHENG Hao, WANG Xuan, ZHANG Jiasheng, et al. Effects of particle size and gradation on shear behavior of interface between crushed stone and structure[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2018, 49(4): 925?932.

[4] Sawicki A, Chybicki W. On accuracy of prediction of pre-failure deformations of granular soils[J]. Computers & Geotechnics, 2009, 36(6): 993?999.

[5] Evgin E, Fakharian K. Effect of stress paths on the behaviour of sand-steel interfaces[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(33): 853?865.

[6] Kruyt N P. Micromechanical study of plasticity of granular materials[J]. Comptes Rendus Mécanique, 2010, 338(10): 596?603.

[7] 陳俊樺, 張家生, 李鍵. 接觸面粗糙度對紅黏土?混凝土接觸面力學性質的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2016, 47(5): 1682?1688. CHEN Junhua, ZHANG Jiasheng, LI Jian. Influence of interface roughness on mechanical properties of red clay-concrete interface[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(5): 1682? 1688.

[8] 陸凱安. 我國建筑垃圾的現(xiàn)狀與綜合利用[J]. 施工技術, 1999, 28(5): 15?16. LU Kaian. Status quo and comprehensive utilization of refuse produced from construction and removal of buildings in China[J]. Construction Technology, 1999, 28(5): 15?16.

[9] 文華, 李曉靜. 建筑垃圾在道路工程領域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 施工技術, 2015, 44(16): 81?84. WEN Hua, LI Xiaojing. Build slag in road engineering research present situation and development trend[J]. Construction Technology, 2015, 44(16): 81?84.

[10] 王羅春, 趙由才. 建筑垃圾處理與資源化[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004. WANG Luochun, ZHAO Youcai. Disposal and resource of construction waste[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004.

[11] Somna R, Chai J, Rattanachu P, et al. Effect of ground bagasse ash on mechanical and durability properties of recycled aggregate concrete[J]. Materials & Design, 2012, 36: 597?603.

[12] 丁天庭, 李啟華, 陳樹東. 再生混凝土的強度及耐久性能研究[J]. 硅酸鹽通報, 2017, 36(3): 846?850. DING Tianting, LI Qihua, CHEN Shudong. Basic mechanics and durability of recycled concrete[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society 2017, 36(3): 846?850.

[13] 夏陽. 淺析建筑垃圾再生混凝土應用的耐久性[J]. 混凝土, 2017(7): 151?153. XIA Yang. Durability of recycled concrete with waste is analyzed[J]. Concrete, 2017(7): 151?153.

[14] 中華人民共和國水電部. 土工試驗方法標準[M]. 北京:中華計劃出版社, 1989. Ministry of Water and Electricity of the People’s Republic of China. Beijing: Standard for geotechnical test methods[M]. Beijing: China Plan Press, 1989.

[15] 閆澍旺, 林澍, 賈沼霖, 等. 海洋土與鋼樁界面剪切強度的大型直剪試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2018(3): 495?501. YAN Shuwang, LIN Shu, JIA Zhaolin, et al. Large-scale direct shear tests on shear strength of interface between marine soil and steel pile[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018(3): 495?501.

(編輯 涂鵬)

Large direct shear test on the contact surface of regenerated concrete from fine sand-iron tailings

YANG Xin1, 2, CUI Honghuan1, 2, ZHANG Liqun1, 2, CUI Yinghui3

(1. Hebei Key Laboratory for Diagnosis Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China; 3. Geotechnical Chamber of the Institute of Railway Construction, Chinese Academy of Railway Sciences, Beijing 10081, China)

In order to fully develop the value of iron tailings and construction waste in railway subgrade engineering in fine sand area, the mechanical properties of the interface between soil and structure were studied, modification of the existing large direct shear apparatus, the design test scheme completed 24 unidirectional direct shear tests, and the stress-strain curves and failure forms of the contact surfaces of fine sand and different concrete types were analyzed. The results show that with the increase of normal stress, the failure form of contact surface changes from sliding failure of contact surface to hardening failure transition of sand soil near contact surface;/?is approximately a function of one time; When the water content is constant, the shear modulus of reclaimed concrete contact surface of iron tailings is higher than that of ordinary concrete contact surface, at the same time, the cohesive force of the contact surface of regenerated concrete in iron tailings is greater than that of ordinary concrete, suggesting that iron tailings recycled concrete interface shear stress resistance higher than that of ordinary concrete interface, it is proved that the roughness of the surface of regenerated concrete in iron tailings is greater than that of ordinary concrete, Therefore, it is feasible to apply regenerated concrete from iron tailings instead of ordinary concrete in practical engineering.

railway subgrade; iron tailings recycled concrete; contact surfaces; large-scale direct shear test

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.013

TU43

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1207 ? 09

2018?07?07

國家自然科學基金資助項目(41731288，41701088)；河北省教育廳重點項目(ZD2018101)

崔宏環(huán)(1974?)，女，河北張家口人，教授，從事非飽和土基本性質與本構模型研究；E?mail：cuihonghuan729@163.com