不同工程材料與黏土界面作用試驗(yàn)研究

魏軍揚(yáng)

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200090)

隨著現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程的加快，各種材料的工程應(yīng)用越來(lái)越多。在水利、市政、土建等工程領(lǐng)域，往往一個(gè)工程是由不同材料組合而成的，而不同材料間的界面作用特性在整個(gè)工程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。工程常見(jiàn)的與回填土接觸的材料主要有混凝土、塑料、鋼板、加筋格柵、土工布、土工膜等。伴隨而來(lái)的研究也相應(yīng)產(chǎn)生，劉湘元等在文獻(xiàn)[1]中做了有紡?fù)凉げ寂c黏土的界面摩擦特性試驗(yàn)研究，得到了土工布與黏土的直剪界面強(qiáng)度和剪切界面強(qiáng)度均符合摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度型等結(jié)論；賀煒等在文獻(xiàn)[2]中進(jìn)行了非飽和土與混凝土界面摩擦特性試驗(yàn)，同時(shí)探討了土樣含水率對(duì)界面摩擦剪切強(qiáng)度及極限剪切位移的影響，得出了在不同含水率的條件下，土與混凝土界面剪切強(qiáng)度在某種程度上遵循摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，且黏性土具有一定的界面黏聚力等結(jié)論；童軍等在文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行了復(fù)合土工膜砂礫料界面摩擦特性研究，探討了相對(duì)密度及砂礫料級(jí)配對(duì)界面摩擦特性的影響，得到相對(duì)密度一定情況下粗顆粒含量越大摩擦因子越大，相同級(jí)配情況下，相對(duì)密度越高摩擦因子越大等結(jié)論；張建偉等在文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了黃泛區(qū)黏土-玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料布界面摩擦特性試驗(yàn)，分析了壓實(shí)度、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和法向應(yīng)力對(duì)界面摩擦特性的影響，得出了黏土和GFRP布的界面摩擦強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大而增大等結(jié)論；高俊麗等在文獻(xiàn)[5]中對(duì)加肋土工膜表面形態(tài)與界面剪切強(qiáng)度相關(guān)性進(jìn)行研究表明加肋土工膜與土工布界面抗剪強(qiáng)度隨著分形維數(shù)的增加而增加等結(jié)論；魏軍揚(yáng)等在文獻(xiàn)[6]中進(jìn)行了經(jīng)編格柵與不同填土界面作用特性試驗(yàn)研究，得到了經(jīng)編土工格柵與填土界面的摩擦阻力并不完全隨法向應(yīng)力的增加而增加等結(jié)論；吳海等在文獻(xiàn)[7]中對(duì)不同土工合成材料下新型加筋土界面特性做了研究，通過(guò)采取不同種類(lèi)加筋材料在不同豎向壓力下的Sandwich型加筋土界面直剪特性進(jìn)行影響分析，得到了土工格柵的加筋效果最佳，對(duì)于界面抗剪強(qiáng)度而言，格柵界面大于土工織物，且隨法向應(yīng)力的增加而增加等結(jié)論；馬偉在文獻(xiàn)[8]中也進(jìn)行了鋼-土界面特性的部分研究，得出了鋼與砂泥巖混合填土接觸界面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，界面抗剪強(qiáng)度可以用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)描述。本文分別選擇混凝土、硬塑料板、不銹鋼板三種工程常用材料與工程常用黏土分別進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)來(lái)研究其界面作用特性。得到了三種工程材料與工程常用黏土界面抗剪摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行分析對(duì)比論述，對(duì)相關(guān)工程的設(shè)計(jì)施工監(jiān)測(cè)給出一定指導(dǎo)建議。

1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)研究采用微機(jī)控制土工合成材料直剪剪切摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)，其外觀簡(jiǎn)圖如圖1所示。

本次研究試驗(yàn)儀器及操作方法參照規(guī)范[9]中相關(guān)規(guī)定，為求得摩擦強(qiáng)度指標(biāo)，一般在至少四種不同垂直荷載下進(jìn)行剪切摩擦試驗(yàn)，其中，最大一級(jí)壓力荷載應(yīng)不小于設(shè)計(jì)荷載。本試驗(yàn)研究，為保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，每組試驗(yàn)中的單個(gè)試驗(yàn)均至少三個(gè)平行試驗(yàn)，下文的試驗(yàn)曲線均是取的三組中的平均組。本次試驗(yàn)荷載等級(jí)分別為25 kPa，40 kPa，60 kPa，80 kPa，100 kPa。

2 試驗(yàn)材料基本參數(shù)

本試驗(yàn)研究使用工程常用混凝土(C35制，表面平整)，硬塑料板(常用PV材料，表面平整)，不銹鋼板作為主要界面材料，工程常用黏土作為回填料。所用黏土試樣的塑性指數(shù)為10，液限值為25.3%，塑限值為15.1%，比重為2.68。試驗(yàn)黏土經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度為ρdmax=1.65 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為wop=14.6%。試驗(yàn)時(shí)，土樣的干密度控制在1.62 g/cm3，即壓實(shí)度為95%。制樣水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16%。黏土粒徑分布如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 黏土與混凝土界面剪切試驗(yàn)?zāi)Σ翉?qiáng)度

黏土與混凝土界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。黏土與混凝土界面的τf-p曲線見(jiàn)圖4。從圖3中可以看出，黏土與混凝土界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線一般有峰值，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，峰值過(guò)后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會(huì)有太大波動(dòng)變化；峰值對(duì)應(yīng)的摩擦阻力τf隨法向應(yīng)力增大而增大，從圖4可以得出，這種關(guān)系大致呈線性關(guān)系，大致函數(shù)關(guān)系為τf=0.438 6p+1.803 3。

3.2 黏土與硬塑料板界面的剪切摩擦強(qiáng)度

黏土與硬塑料板界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。黏土與硬塑料板界面τf-p的曲線見(jiàn)圖6。從圖5中可以看出，黏土與硬塑料板界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線一般有峰值，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，峰值過(guò)后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會(huì)有太大波動(dòng)變化；峰值對(duì)應(yīng)的摩擦阻力τf隨法向應(yīng)力增大而增大，從圖6可以得出，這種關(guān)系大致呈線性關(guān)系，大致函數(shù)關(guān)系為τf=0.266 2p+1.742 1。

3.3 黏土與不銹鋼板的剪切摩擦強(qiáng)度

黏土與不銹鋼板界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。黏土與不銹鋼板界面的τf-p曲線見(jiàn)圖8。從圖7中可以看出。黏土與不銹鋼板界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線一般有峰值，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，峰值過(guò)后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會(huì)有太大波動(dòng)變化；峰值對(duì)應(yīng)的摩擦阻力τf隨法向應(yīng)力增大而增大，從圖8可以得出，這種關(guān)系大致呈線性關(guān)系，大致函數(shù)關(guān)系為τf=0.558 7p-5.325 6。

3.4 試驗(yàn)總結(jié)分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

對(duì)比以上三次試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合各組剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線可知各個(gè)試驗(yàn)組界面剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線一般有峰值，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，峰值過(guò)后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會(huì)有太大波動(dòng)變化，這主要是各個(gè)試驗(yàn)組摩擦阻力在一定法向應(yīng)力條件下，試驗(yàn)初期，抗剪強(qiáng)度沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，隨著試驗(yàn)進(jìn)行剪切位移增大，抗剪強(qiáng)度逐漸發(fā)揮出來(lái)，主要體現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦；峰值對(duì)應(yīng)的摩擦阻力τf隨法向應(yīng)力增大而增大，這也主要體現(xiàn)了兩物體間摩擦系數(shù)一定，剪切應(yīng)力隨法向應(yīng)力線型增大的滑動(dòng)摩擦計(jì)算方法；對(duì)比以上三次試驗(yàn)結(jié)果，可以看出三個(gè)實(shí)驗(yàn)組相同豎向荷載試驗(yàn)條件下的自身材料與填土界面摩擦強(qiáng)度大小為塑料板試驗(yàn)組<鋼板試驗(yàn)組<混凝土試驗(yàn)組，反映出工程常用硬塑料板、鋼板、混凝土與工程黏土界面的摩擦系數(shù)大小順序?yàn)樗芰习逶囼?yàn)組<鋼板試驗(yàn)組<混凝土試驗(yàn)組，雖然本次試驗(yàn)的τf與p的關(guān)系是一次線性關(guān)系，線性關(guān)系系數(shù)塑料板試驗(yàn)組最小為0.266 2，其次是混凝土試驗(yàn)組為0.438 6，鋼板試驗(yàn)組為0.558 7，但鋼板試驗(yàn)組常數(shù)項(xiàng)較混凝土試驗(yàn)組小，這也體現(xiàn)了不同材料界面特性的復(fù)雜性。因此，在相關(guān)工程施工時(shí)應(yīng)合理施工，注意選材，尤其對(duì)于材料間界面摩擦要求較高的工程，更應(yīng)做好界面特性的處理加固措施，可以通過(guò)表面鋸割拉毛加糙等措施增強(qiáng)摩擦特性。

4 結(jié)論及建議

1)黏土分別與硬塑料板、鋼板、混凝土界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線一般有峰值，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，峰值過(guò)后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會(huì)有太大波動(dòng)變化。

2)對(duì)于同一試驗(yàn)組，峰值對(duì)應(yīng)的摩擦阻力隨法向應(yīng)力增大而增大。

3)相同豎向荷載試驗(yàn)條件下各個(gè)試驗(yàn)組的抗剪強(qiáng)度大小關(guān)系為塑料板試驗(yàn)組<鋼板試驗(yàn)組<混凝土試驗(yàn)組。

4)在相關(guān)工程施工時(shí)應(yīng)合理施工，注意選材，尤其對(duì)于材料間界面摩擦要求較高的工程，更應(yīng)做好界面特性的處理加固措施，可以通過(guò)表面鋸割拉毛加糙等措施增強(qiáng)摩擦特性，以滿足工程需要。