引用本文
王天亮, 王海航, 王鸥, 何亚梦, 冯卓鑫. 粉土与凹槽结构面抗剪强度特性试验研究[J]. 北京交通大学学报, 2019,43(3): 115-121.
WANG Tianliang, WANG Haihang, WANG Ou, HE Yameng, FENG Zhuoxin. Experimental study on shear strength characteristics of silt and groove structural surface[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2019,43(3): 115-121.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.20180179  
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粉土与凹槽结构面抗剪强度特性试验研究
王天亮1a,1b, 王海航1a,1b, 王鸥2, 何亚梦1a,1b, 冯卓鑫1a,1b
1.石家庄铁道大学a.土木工程学院,b.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,石家庄 050043
2.河北工程大学 土木工程学院,河北 邯郸 056038

第一作者:王天亮(1981—),男,河北保定人,副教授,博士.研究方向为地基变形控制与特殊土路基.email:wangtl@stdu.edu.cn.

收稿日期: 2018-12-01
基金: 河北省基础研究团队专项支持项目(31100803); 石家庄铁道大学研究生创新资助项目(YC2018007)
摘要

为探究粉土与结构面抗剪强度规律以及更好地模拟结构面粗糙效果,在不锈钢试块表面设计了不同规格、数目凹槽.通过凹槽数量的变化表征接触面粗糙程度的变化.利用应变控制式直剪仪对粉土-钢板接触面进行了剪切试验,定量分析了温度、接触面凹槽规格和数量对接触面抗剪强度及其参数的影响.结果表明:在试验研究范围内,随着温度的降低土面相互作用强度显著增长,剪切强度参数增加.常温试验条件下,光滑结构面对于土面作用强度有一定的衰减作用,土面抗剪强度随着法向应力增加而增大.不同规格凹槽面对于土面作用抗剪强度参数的影响存在差异性,黏聚力和内摩擦角均随着相应凹槽数量的增加而呈现出不同程度的增长趋势.同时,当作用面法向应力较低时,随着凹槽数量的增加,剪切面土体表现出一定的剪胀性,应变软化现象显著.

关键词: 土工试验; 冻土; 土与结构; 粗糙度
中图分类号:TU411 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2019)03-0115-07
Experimental study on shear strength characteristics of silt and groove structural surface
WANG Tianliang1a,1b, WANG Haihang1a,1b, WANG Ou2, HE Yameng1a,1b, FENG Zhuoxin1a,1b
1a. School of Civil Engineering, 1b. Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China
2. School of Civil Engineering, Hebei University of Engineering, Handan Hebei 056038, China
Fund:Hebei Provincial Basic Research Team Special Support Project(31100803); Shijiazhuang Tiedao University Graduate Student Innovation Project(YC2018007)
Abstract

In order to explore the distribution law of shear strength of silty soil and structural surface, and to better simulate the roughness of structural surface, grooves with different specifications and numbers are designed on the surface of stainless steel test block. The change in the roughness of the contact surface is characterized by the change in the number of grooves. The strain-controlled direct shear apparatus is used to shear the contact surface between silty soil and steel plate. The influences of temperature, groove specification and quantity on the contact surface shear strength and its parameters are quantitatively analyzed. The results show that within the experimental research range,with the decrease of temperature, the soil surface interaction strength increases remarkably and the shear strength parameter increases. Under normal temperature, the smooth structural surface has a certain attenuation effect on the strength of the soil surface, and the shear strength of the soil surface rises with the increase of the normal stress. There are differences in the influence of the groove surface with different specifications on the shear strength parameters of the soil surface. The cohesion and internal friction angles show different degrees of growth with the increasing number of corresponding grooves. At the same time, when the normal stress of the active surface is low, as the number of grooves increases, the soil on the shear surface shows certain dilatancy, and the strain softening phenomenon is remarkable.

Keyword: geotechnical test; frozen soil; soil and structure; roughness

土与结构相互作用是土工领域的重要研究内容, 其接触问题在诸多工程实际中均有体现且包含不同类型的土面作用.如各类工程中的桩体、基坑中的地连墙、涵洞隧道支承、防渗墙、挡土墙以及各类建筑物地基等.为了更好地认识土与结构相互作用规律, 有必要对该问题进行深入研究以正确合理地指导工程实际.根据土体的不同以及结构用材的不同, 土与结构相互作用的研究范围较为广泛.其中土的类型可大致分为粗粒土、砂土、细粒土等, 结构面材料目前有砂浆、混凝土、木材以及包含玻璃钢、不锈钢在内的诸多材质.

张嘎等[1, 2]通过研究发现, 粗颗粒土与结构接触面在剪切过程中有其明显的各向异性、物态演化性以及耦合性等, 且接触面对于土颗粒的位移影响是有范围的, 影响大小和土颗粒与结构面距离有关.而粗粒土与结构接触面的剪切破坏强度与法向应力满足线性关系, 可以用摩尔-库伦准则近似描述; 影响接触面力学特性的因素较多且影响程度也有所不同[3].界面粗糙度的增加能明显提高接触面的剪切强度, 但随着法向应力的增大, 粗糙度对接触面剪切强度的影响逐渐减弱.粗糙度的增大能明显提高接触面的黏聚力, 但是对接触面摩擦角的影响很小[4].法向应力以及粒径的大小对于粗粒土剪胀的影响较为明显, 当法向应力较小时, 剪切面土体会出现剪胀性[5].界面土体在剪切过程中的应力-位移关系与土颗粒粒径大小关系密切且粒径的增大会对界面黏聚力有显著影响, 但对摩擦角影响较小[6].张明义等[7]提出结构面粗糙度对结构界面阻力有一定的影响, 同时剪切位移量随界面粗糙度成正相关关系.吉延峻等[8]研究发现, 在土与结构面冻结强度的生成中, 随接触面粗糙程度增大, 内摩擦角值对冻结强度增长的贡献要大于黏聚力值.夏红春等[9]揭示了随着法向应力的增加, 粗糙度对接触面力学特性的影响降低, 且在0.02~1.2 mm/min的剪切速率范围内, 其对接触面本构关系及破坏强度无影响.

结构面粗糙度等因素影响下的接触面本构关系模型等方面的研究已有所开展[10, 11].然而, 有关常温及冻结条件下土体与结构面力学行为的对比研究相对少见, 但两者在研究思路与分析方法上相通, 均涉及温度、含水量和土质等因素影响下界面力学性能的冻结强度和本构关系等方面的研究[12].吴紫汪等[13]提出冻结条件下土体与结构基础接触面的力学性能与常温土不同, 多数学者将界面抗剪强度或界面冰胶结强度定义为冻土与结构基础间的冻结强度; 剪切过程中, 冻土与结构基础接触面在到达某一位移后剪切应力会发生较大的应力释放[14], 且该应力-应变关系符合标准双曲线模型特征[15].上述研究对冻结条件下土体与结构界面强度形成的内在机制尚不清楚, 更未开展多因素尤其是粗糙度对界面冻结强度影响规律的量化分析.

为获得常温及冻结条件下土与粗糙结构面力学强度行为规律, 本文作者以冻土地区的粉土为研究对象, 通过对粗糙度可控的钢板不同凹槽设计来模拟不同结构面粗糙效果, 从而量化结构面粗糙指标.在不同试验温度下进行多组平行试验以探究粉土与凹槽结构界面剪切作用规律, 通过规律总结使室内试验成果更好地服务指导工程实践.

1 试样制备及方案
1.1 试验材料及试样制备

试验用土选取冻土地区的低液限粉土, 采用扰动重塑土样, 级配如图1所示.依据文献[16]测定土样的各物理性质指标.其中, 冻结温度-0.46 ℃、液限22.4%、塑限15.2%、最大干密度1.82 g· cm-3、最优含水率16.6%.

图1 粉土级配曲线Fig.1 Gradation curve of silt

将扰动土配置成含水率16%的试验用土, 密封静置一昼夜使土体含水均匀.试验用凹槽钢板为直径61.6 mm, 高10 mm的圆饼状试块.钢板部分成品如图2所示, 各钢板类型以符号$R_{(H-L)}$ 表示(H为凹槽深度, L为凹槽条数).制样时将钢板凹槽面向上置于直径61.8 mm、高20 mm的环刀内, 由于不同凹槽面的存在, 各试样用土量根据不同凹槽板槽间体积变化进行调整并重新计算实际用土, 从而保证各个试样密实度相同, 试样严格依据文献[16]要求进行扰动细粒土的试样制备.

图2 3种系列不同类型钢板Fig.2 3 series of different types of steel plate

1.2 方案及过程设计

试验选用DZ-1型应变控制式直剪仪, 通过试验设计, 选定在15个不同特征凹槽结构面, 4个试验温度20 ℃、-2 ℃、-5 ℃、-8 ℃及4个特征法向应力50、100、200、300 kPa下, 分别进行土与凹槽面的直剪试验.试验用试样选定尺寸为直径61.8 mm、高20 mm的上土下钢复合试样.制样时将配置好土体搅拌均匀装入环刀中并均匀击实, 最终试样以土面与环刀顶面平齐为准.试样成品见图3.

图3 试样成品Fig.3 The sample of finished product

常温20 ℃试验环境下, 试样制备完毕后将制样用环刀放置在直剪盒进行脱模处理, 脱模时保证钢板凹槽走向与剪切方向垂直, 脱模操作尽量迅速以减少试样在空气中的暴露时间从而减少水分散失, 并且尽可能减少脱模过程中对试样造成的不必要扰动以防造成土面分离影响试验的准确性.土与钢板复合试样按照水平切向速率1.2 mm/min进行控制加载.对装入直剪盒的试样进行10 min的短期固结后方可进行剪切试验, 该固结过程的目的是保证试样顶端法向应力向试样内部充分传递.负温环境下, 对脱模试样使用食品保鲜膜密封并置于高低温冻融环境试验箱进行恒温冻结处理, 冻结温度按试验设计温度设定, 冻结24 h后取样试验.为保证准确模拟环境温度, 低温直剪试验均在高低温环境控制试验舱中进行.

2 试验结果

通过一系列常温、低温直剪试验得到粉土与凹槽结构面的剪应力-剪切位移关系曲线图, 以光滑结构面和凹槽深度 RH=2 mm( R2系列)的粗糙结构面为例, 低温冻结状态下选取剪应力-剪切位移关系曲线峰值强度作为抗剪强度值, 试验关系曲线见图4~图6所示.

图4 常温下不同钢板面剪应力-剪切位移曲线Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of different steel sheets under normal temperature

图5 不同温度下R2-5钢板面剪应力-剪切位移曲线Fig.5 Shear stress-shear displacement curves of R2⁃5 steel plate under different temperatures

图6 常温下接触面剪切强度拟合曲线Fig.6 Fitting curves of the shear strength of the contact surface under normal temperature

通过对图4~图6分析可以得出以下结论:

1)土与结构面抗剪强度随着法向应力的增加呈增长趋势, 两者表现出较好的正相关关系.由图4可知, 凹槽深度为2 mm的钢板面中, 随着凹槽条数的增加, 在50 kPa低法向应力下剪应力-剪切位移曲线峰值现象愈发明显, 剪胀性显现.从而可以推断, 土的剪胀性不仅与法向应力大小有关, 同时与土-结构接触面粗糙程度有关, 即法向应力越小, 结构面越粗糙, 剪胀性越明显.图5中曲线可以看出, 随着试验温度的降低, 土与凹槽结构面相互作用强度显著增大.同时, 在相同法向应力下, 温度越低, 试样破坏点愈加后移即对应剪切位移越大, 土与凹槽结构面相互作用的残余强度也越大.

2)由图5可知, 法向应力与试验温度严重影响着剪切应力-剪切位移曲线的破坏模式、峰值应力和残余应力.随着试验冷却温度的逐渐降低, 以-2 ℃为分界点, 土与结构界面剪切应力-剪切位移关系曲线由应变硬化逐渐转变为应变软化模式, 土体的软化特性逐渐增强.较低的负温条件下, 剪切应力随剪切位移的增加呈现近似线性比例增长且斜率较大, 为弹性变形阶段, 其相应的剪切位移在1.5 mm以内; 随着剪切位移继续增加, 冻土与结构基础接触面在达到某一位移后剪切应力会发生明显的应力释放, 降幅可达到峰值应力的75%以上, 然后进入缓慢减小阶段.分析原因为, 冻结状态下土与结构界面的强度主要来自于土中水结晶成冰与结构界面的胶结作用, 当土与结构界面形成的薄膜冰以及界面冻土累积剪切变形时, 应变能发生集聚, 试验剪切速率条件下, 当累积应变达到限值时, 界面力学平衡破坏产生突变式剪切破坏, 无法形成二次冰胶结, 剪切应力迅速衰减.

3)由图6曲线可知, 光滑面的土面抗剪强度较小于粉土自身抗剪强度, 光滑结构面对土面作用强度有一定的衰减作用, 主要表现在黏聚力的衰减上, 内摩擦角对其产生的影响较小.同时, 图6中曲线可划为3大类, 分别为粉土曲线、 R0曲线以及R2系列曲线, 而3类曲线与3类剪切面正好对应, 即土体自身剪切面、土与光滑结构面和土与凹槽结构面.从各类曲线走势看出, 结构面由光滑递变至含凹槽时, 土面抗剪强度参数均会随之发生变化, 具体为:粗糙面的存在导致内摩擦角增加, 而黏聚力随着剪切面凹槽数量的增加而增大.

3 抗剪强度参数分析

通过对3类凹槽面土面剪切强度拟合曲线的计算分析, 得到对应常温状态下土与凹槽结构面相互作用的抗剪强度参数变化规律, 关系见图7.以 R2系列凹槽钢板面为例, 在不同温度条件下土与结构面相互作用的抗剪强度参数变化规律, 关系见图8.

图7 常温下各系列抗剪强度参数曲线Fig.7 Series of shear strength parameter curves under normal temperature

图8 不同温度下R2系列结构面抗剪强度参数曲线Fig.8 Shear strength parameter curves of R2 series structural surgace under different temperatures

通过计算得到常温环境粉土在15种不同特征钢板面条件下的剪切强度及其参数值如表1所示.

表1 常温下低液限粉土与各钢板面抗剪强度参数 Tab.1 Shear strength parameters of low liquid limit silt and steel plate under normal temperature

由图7及表1可知, 常温试验环境条件下, 粉土与凹槽面抗剪强度特性依据结构面的不同呈现出一定的规律性和差异性.

1)规律性表现在:当结构面凹槽深度相同时, 土面作用的内摩擦角和黏聚力均会随着凹槽条数的增加而呈现一定的线性增长规律, 但内摩擦角增长幅值较小.同时, 无论何种结构面, 土面抗剪强度值均随着法向应力的增加而增加.

2)差异性表现在:凹槽类型的不同对于土与凹槽面抗剪强度参数的影响效果不同.在试验研究范围内, 槽深 RH=1 mm土面作用的内摩擦角整体较大而黏聚力相对较小, 分析原因是因其结构面的槽面深度较小且槽内土体较少, 导致试样上部土体与槽内土体黏结效果较差进而表现为黏聚力偏小, 摩擦强度此时成为抗剪强度的主要部分; 槽深 RH=3 mm土面作用黏聚力的增长较快, 整体较大, 内摩擦角相对较小, 分析原因是由于其结构面的槽面深度较大且槽内土体较多, 导致试样上部土体与槽内土体黏结效果较强进而表现为黏聚力偏大, 黏结强度此时成为抗剪强度的主要部分; 而在3类凹槽面中, 槽深 RH=2 mm土面作用黏聚力和内摩擦角均较大, 即综合抗剪强度参数最大, 分析原因是由于其结构面的表面“ 粗糙” 程度在包括光滑结构面的4类接触面中最大, 该种工况下, 土与结构面间的摩擦强度以及土体间黏结强度都得到了有效发挥.因此推断, 在土与结构接触面剪切过程中, 结构面一侧结构形式的差异性会导致剪切带的不同进而表现出的抗剪强度效果也有所不同.

由图8分析可知, 随着钢板面凹槽数量的增加及试验温度的降低, 土与结构面相互作用的抗剪强度参数均有不同程度的增加, 即结构面抗剪强度参数与试验温度的降低、凹槽数量的增加呈现正相关关系, 温度效应显著.

4 结论

1)常温试验研究范围内, 粉土与凹槽结构面抗剪强度随着法向应力的增加而增加, 光滑结构面的土面抗剪强度最小, 对土面作用强度衰减效果最为显著.并且土体剪胀性不仅与法向应力大小有关, 同时还与结构面一侧粗糙程度有关:法向应力越小, 结构面越粗糙, 剪胀性越明显.

2)以常温直剪试验为例, 凹槽结构面对土面抗剪强度参数产生的影响, 根据结构面类型的不同, 其主要影响效果也不同.槽深 RH=1 mm结构面主要影响内摩擦角, 槽深 RH=3 mm结构面主要影响黏聚力, 槽深 RH=2 mm结构面对于黏聚力和内摩擦角的综合影响效果最大.

3)结构面凹槽数量及试验温度对结构面的土面抗剪强度参数有着显著的影响.试验研究范围内, 温度越低、凹槽数量越多, 土面抗剪强度参数的黏聚力和内摩擦角也越大.同时, 冻结条件下土与结构界面剪应力-剪切位移规律较常温状态发生显著变化, 冻结条件下试样破坏形式常常表现为“ 突变式” 脆性破坏, 应力释放量随着环境温度降低和法向应力增加而增加, 土面作用的温度效应显著.

4)试验研究范围内, 不同结构面凹槽的存在, 可对土面作用产生不同程度的加强效果.因此, 在实际工程中, 应合理利用土与结构面作用规律来优化施工工艺, 通过有效控制结构面粗糙水平来满足工程设计使用要求, 从而使室内试验结论更好地服务指导工程实践.

参考文献
[1] 张嘎, 张建民. 粗粒土与结构接触面三维本构关系及数值模型[J]. 岩土力学, 2007, 28(2): 288-292.
ZHANG Ga, ZHANG Jianmin. Three-dimensional model of interface between structure and coarse grained soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(2): 288-292. (in Chinese) [本文引用:1]
[2] 张嘎, 张建民. 夹有泥皮粗粒土与结构接触面力学特性试验研究[J]. 岩土力学, 2005, 26(9): 1374-1378.
ZHANG Ga, ZHANG Jianmin. Experimental study on behavior of soil-structure interface with slurry[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(9): 1374-1378. (in Chinese) [本文引用:1]
[3] 冯大阔, 侯文峻, 张建民. 粗粒土与结构接触面三维力学特性的直剪试验研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(5): 169-175.
FENG Dakuo, HOU Wenjun, ZHANG Jianmin. Large-scale direct shear test investigation of the 3D behavior of a gravel- structure interfaces[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(5): 169-175. (in Chinese) [本文引用:1]
[4] 王佳, 曾国东, 成浩. 界面粗糙度对桩土界面剪切特性的影响研究[J]. 公路工程, 2018, 43(5): 205-208.
WANG Jia, ZENG Guodong, CHENG Hao. Experimental investigation on the influence of surface roughness on shear behavior of soil-pile interface[J]. Highway Engineering, 2018, 43(5): 205-208. (in Chinese) [本文引用:1]
[5] 胡顺洋, 李文帅, 吴健, 等. 砂土-钢接触面力学特性的直剪试验研究[J]. 工业建筑, 2018, 48(8): 118-121.
HU Shunyang, LI Wenshuai, WU Jian, et al. Research on mechanical properties of sand and steel interface by direct shear test[J]. Industrial Construction, 2018, 48(8): 118-121. (in Chinese) [本文引用:1]
[6] 成浩, 王晅, 张家生, 等. 颗粒粒径对粗粒土-混凝土接触面剪切特性影响试验研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2018, 26(1): 145-153.
CHENG Hao, WANG Xuan, ZHANG Jiasheng, et al. Effects of particle size on shear behavior of interface between coarse-grained soil and concrete[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2018, 26(1): 145-153. (in Chinese) [本文引用:1]
[7] 张明义, 白晓宇, 高强, 等. 黏性土中桩-土界面受力机制室内试验研究[J]. 岩土力学, 2017, 38(8): 2167-2174.
ZHANG Mingyi, BAI Xiaoyu, GAO Qiang, et al. Experimental study on interfacial bearing mechanism of piles in cohesive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(8): 2167-2174. (in Chinese) [本文引用:1]
[8] 吉延峻, 贾昆, 俞祁浩, 等. 现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究[J]. 冰川冻土, 2017, 39(1): 86-91.
JI Yanjun, JIA kun, YU Qihao, et al. Direct shear tests of freezing strength at the interface between cast-in-situ concrete and frozen soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2017, 39(1): 86-91. (in Chinese) [本文引用:1]
[9] 夏红春, 周国庆. 土-结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验[J]. 中国矿业大学学报, 2010, 39(6): 831-836.
XIA Hongchun, ZHOU Guoqing. Experimental study of the shear mechanical characteristics at a soil-structure interface and the factors affecting them[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2010, 39(6): 831-836. (in Chinese) [本文引用:1]
[10] MORTARA G, FERRARA D, FOTIA G. Simple model for the cyclic behavior of smooth sand -steel interfaces[J]. Journal for Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2010, 136(7): 1004-1009. [本文引用:1]
[11] CHEN Z, SCHREYER H L. Simulation of soil-concrete interfaces with nonlocal constitutive models[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1987, 113(11): 1665-1677. [本文引用:1]
[12] CHOI C H, KO S G. A study for predicting adfreeze bond strength from shear strength of frozen soil[J]. Journal of the Korean Geotechnical Society, 2011, 27(10): 13-23. [本文引用:1]
[13] 吴紫汪, 刘永智. 冻土地基与工程建筑[M]. 北京: 海洋出版社, 2005: 114-121.
WU Ziwang, LIU Yongzhi. Frozen subsoil and engineering[M]. Beijing: China Ocean Press, 2005: 114-121. (in Chinese) [本文引用:1]
[14] ZHAO L Z, YANG P, WANG J G, et al. Cyclic direct shear behaviors of frozen soil-structure interface under constant normal stiffness condition[J]. Cold Regions Science and Technology. 2014, 102: 52-62. [本文引用:1]
[15] 杨平, 赵联桢, 王国良. 冻土与结构接触面循环剪切损伤模型[J]. 岩土力学, 2016, 37(5): 1217-1223.
YANG Ping, ZHAO Lianzhen, WANG Guoliang. A damage model for frozen soil-structure interface under cyclic shearing[J]. Rock and Soil Mechanics. 2016, 37(5): 1217-1223. (in Chinese) [本文引用:1]
[16] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 铁路工程土工试验规程: TB 10102-2010[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2011.
China Railway First Survey & Design Institute Group Co. , Ltd. Code for soil test of railway engineering: TB 10102-2010[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2011. (in Chinese) [本文引用:2]