費 逸 趙春風(fēng) 王有寶 吳 悅 許 凱

(1.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092)

土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性研究是分析樁基、地下連續(xù)墻等與周圍土體相互作用的基礎(chǔ).近年來，很多學(xué)者采用直剪試驗來對土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切相互作用問題進(jìn)行了研究[1-7].龔輝等[1]利用大型直剪儀，引入界面摩擦有效系數(shù)和粘聚有效系數(shù)，分析了法向應(yīng)力歷史對黏土-混凝土界面剪切特性的影響.趙春風(fēng)[2]提出了考慮法向應(yīng)力歷史的黏土-混凝土界面力學(xué)模型，并通過大型直剪試驗進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)法向應(yīng)力的變化歷史對粘土-混凝土接觸面剪切變形特性和強度參數(shù)影響明顯.趙春風(fēng)和吳悅[3]對不同粗糙度條件的三種不同固結(jié)法向應(yīng)力下進(jìn)行了36組加、卸荷大型直剪試驗，分析了不同因素對接觸面性質(zhì)的影響.楊硯宗[4]利用大型多功能界面剪切儀研究了粗糙度對接觸面力學(xué)性質(zhì)的影響.

此外，很多學(xué)者通過理論方法研究了接觸面剪切力學(xué)模型，楊林德等[8]得出了接觸面統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型，安關(guān)峰等[9]提出了粘彈塑性接觸面本構(gòu)模型，Clough and Duncan提出的雙曲線模型[10]等.這些研究雖然分析了很多因素，但是考慮注漿影響的土與結(jié)構(gòu)接觸面相互作用力學(xué)特性研究則不多見.

錢建固等[11]采用接觸面大型直剪試驗，揭示了新型注漿成型螺紋樁抗拔承載機制.李永輝[12]在粉細(xì)砂土和混凝土界面設(shè)置膨潤土泥皮和以及水泥漿，開展了界面大型直剪試驗.以上試驗研究是以漿液平鋪方式或漿液以規(guī)則形態(tài)進(jìn)行的實驗，并未考慮漿液的注入過程.基于此，本文采用同濟大學(xué)重點實驗室改進(jìn)后可注漿的大型多功能結(jié)構(gòu)面剪切儀(SJW-200)，進(jìn)行了基于土與結(jié)構(gòu)界面在不同注漿量和不同法向應(yīng)力情況下的直剪試驗，研究了界面注漿量對接觸面力學(xué)特性的影響，并提出了考慮注漿影響的界面剪切力學(xué)模型，所得結(jié)果對樁基工程樁側(cè)后注漿的應(yīng)用具有一定參考意義.

1 直剪試驗

1.1 考慮注漿的大型多功能界面剪切設(shè)備

試驗的大型剪切儀(SJW-200)包括剪切儀、水平向和豎直向的伺服系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、承壓板、傳感器、液壓系統(tǒng)等.

為了考慮注漿影響，在剪切儀的上剪切盒兩側(cè)開孔，并通過自行研制的注漿裝置在一定注漿壓力下將漿液注入接觸界面.可注漿的直剪儀裝置已申請專利，注漿剪切整體示意圖如圖1所示，圖2為設(shè)備原始圖及雙側(cè)注漿效果圖.

1.2 試樣制備

本次試驗使用的是上海某工地的粉砂土，土體的力學(xué)參數(shù)見表1，其經(jīng)篩分后得到的顆粒級配曲線如圖3所示.

圖1 可注漿的大型多功能剪切設(shè)備示意圖

圖2 設(shè)備原始圖及雙側(cè)注漿效果圖

表1 試驗砂土的物理力學(xué)性質(zhì)

圖3 土體顆粒級配曲線

對于非飽和土的注漿漿液水灰比，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[13]規(guī)定宜為0.7～0.9，松散碎石土、砂礫宜為0.5～0.6.根據(jù)規(guī)范配制了水灰比為0.6和0.7的水泥漿進(jìn)行預(yù)注試驗，結(jié)果顯示水灰比為0.7時注漿效果良好，因此最終確定水灰比為0.7.在配置漿液中加入水泥用量的2%早強劑，加入適量藍(lán)色染色劑以區(qū)分漿液與砂土土體.漿液注入所用的注漿壓力由安捷順30 L無油靜音空氣壓縮機提供，并在0.7 MPa壓力下將漿液注入土與結(jié)構(gòu)物界面.

1.3 試驗步驟及荷載施加

本次試驗步驟主要為：

1)漿液注入.開啟直剪設(shè)備開關(guān)，下剪切盒放置60 cm×40 cm×10 cm尺寸的光滑混凝土板，上剪切盒分層倒入實驗粉砂土并夯實找平；將剪切盒安裝就位，并連接固定，在指定上覆壓力下將土體固結(jié)30 min，待固結(jié)穩(wěn)定后開始注漿.漿液注入后維持法向加壓1個小時待其穩(wěn)定，關(guān)閉剪切設(shè)備進(jìn)行為養(yǎng)護(hù).

2)注漿砂土混凝土板界面剪切.養(yǎng)護(hù)待漿液強度達(dá)到28 d齡期強度的70%后進(jìn)行剪切試驗.剪切速率為1 mm/min，法向應(yīng)力分別為90 kPa，120 kPa和150 k Pa，數(shù)據(jù)采用間隔為1 s.SJW-200剪切儀的上、下剪切盒的邊緣寬度為40 mm，且在剪切過程發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力一般在剪切位移為40 mm之前均基本穩(wěn)定，故確定最大剪切位移達(dá)到40 mm時停止試驗.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

剪切完成逐步挖開土體，觀察漿液硬化后分布特征及其破壞形態(tài).觀察發(fā)現(xiàn)，漿液在注漿壓力0.7 MPa下表現(xiàn)出壓密注漿和劈裂注漿相混合的注漿模式，在出漿口位置壓密注漿明顯，但在距離較遠(yuǎn)處則看到劈裂注漿形成的劈裂面.對于這種混合注漿模式的作用機理及對粉砂土與結(jié)構(gòu)接觸面相互作用方式分析將在后續(xù)理論研究中加以完善，本文暫不涉及.

2.2 剪切應(yīng)力-位移關(guān)系

圖4分別給出了法向應(yīng)力為90 k Pa，120 k Pa，150 kPa條件下砂土與混凝土板界面在0.0 L，0.2 L，0.3 L，0.4 L注漿量下的切向位移與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系曲線.

圖4 不同注漿量與法向應(yīng)力條件下砂土與混凝土板界面剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線

由圖4可以看出，在法向應(yīng)力不變的情況下，隨著注漿量的增加，接觸面的初始剪切模量逐漸增大，剪應(yīng)力的峰值也相應(yīng)增大.如圖4(c)所示，不注漿條件下的峰值剪應(yīng)力為82.9 k Pa，當(dāng)注漿量為0.2 L時，剪切峰值達(dá)到了92.8 kPa，相比提高了11.94%；當(dāng)注漿量為0.4 L時，剪切峰值達(dá)到了103.1 k Pa，增幅24.36%，說明注漿顯著提高了接觸面的抗剪強度.且當(dāng)注漿量為0.3 L時，剪切峰值為98.89 k Pa，其相對0.2 L注漿量的峰值增強幅度為6.45%；0.4 L相對0.3 L時的峰值提升4.36%，說明接觸面強度提升效果隨著注漿量的增大而有減弱的趨勢.在相同法向應(yīng)力條件下，剪切應(yīng)力-位移曲線均未出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力狀態(tài)后均趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出非線性關(guān)系.

3 砂土-混凝土后注漿接觸面模型

3.1 不同注漿量下法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力的關(guān)系

在本試驗中，提取出相同注漿量下的法向應(yīng)力σ和峰值剪應(yīng)力值τ，可用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則表示：

式中，c為接觸面粘聚力；φ為接觸面摩擦角.

砂土與混凝土板在不同注漿量下的法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系曲線如圖5所示，由此得出砂土與混凝土板接觸面強度參數(shù)以及由曲線擬合得到的粘聚力與摩擦角，見表2.

圖5 法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線

結(jié)合圖5和表2可知，在同一注漿量情況下，接觸面的法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力表現(xiàn)為明顯的線性關(guān)系.隨著注漿量的增大，接觸面上的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線斜率不斷減小.采用線性擬合得到的不同注漿量接觸面的粘聚力隨注漿量的增大粘聚力增大，而摩擦角則有減小的趨勢.

表2 考慮注漿的砂土與混凝土接觸面強度參數(shù)

3.2 砂土-混凝土后注漿接觸面模型

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，使用修正摩爾庫倫摩擦模型來描述該接觸面的剪切行為，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，τ為接觸面剪切應(yīng)力，σn為接觸面法向應(yīng)力，w為剪切相對位移，μ、C為確定界面剪切行為的兩個模型參數(shù)，且與法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、剪切變形情況等無關(guān)[14].μ是反映界面位移特性的參數(shù)，其物理定義為界面極限側(cè)摩阻力與法向應(yīng)力之比，即μ=τn/σn；C是反映界面位移特性的指標(biāo)，其值為界面剪切應(yīng)力達(dá)到峰值剪切應(yīng)力的1/2時界面的剪切位移.由數(shù)據(jù)擬合得到的修正摩爾庫倫模型的μ、C取值見表3.

表3 修正摩爾庫倫模型的μ、C取值

將樁側(cè)后注漿直剪試驗的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合所得到的曲線與原試驗數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行比對，比對結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出，本文模型形式較為簡單，較好擬合了大型直剪試驗結(jié)果，具有一定理論意義.

圖6 τ-w試驗曲線的模擬擬合

4 結(jié) 論

本文利用同濟大學(xué)自行研制的可雙側(cè)注漿的大型多功能界面剪切儀，進(jìn)行了不同注漿量以及法向應(yīng)力條件下的砂土與混凝土板界面剪切試驗，研究了注漿量對接觸面力學(xué)特性的影響，主要得出如下結(jié)論：

1)界面注漿呈壓密注漿與劈裂注漿相伴隨出現(xiàn)的形式.界面注漿顯著提高了接觸面的抗剪強度，隨著注漿量的增大，抗剪強度增大，但接觸面強度的增大幅度隨著注漿量的增大而減小.

2)在相同法向應(yīng)力條件下，不同注漿量的剪切應(yīng)力-位移曲線均未出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力狀態(tài)后均趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出非線性關(guān)系.

3)隨著注漿量的增大，接觸面上的法向應(yīng)力和峰值剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線斜率不斷減小.采用線性擬合得到的不同注漿量接觸面的粘聚力隨注漿量的增大粘聚力增大，而摩擦角則有隨之減小的趨勢.

4)采用修正摩爾庫倫模型對考慮注漿的砂土混凝土板界面剪切力學(xué)特性進(jìn)行了分析，列出了相關(guān)參數(shù)取值.該模型有效地模擬了注漿界面大型直剪試驗的剪切力學(xué)特性，對樁側(cè)后注漿工程應(yīng)用研究有一定借鑒意義.

本文只分析了在注漿情況下砂土與混凝土板界面的剪切行為，對于其他土體與混凝土界面注漿力學(xué)特性還有待于進(jìn)一步研究.