秦 虎 賈劍青 李科技 馬 亢

(1. 河西學院 土木工程學院， 甘肅 張掖 734000； 2. 蘭州交通大學 交通運輸學院， 蘭州 730070)

鹽漬土是一種易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的特殊土[1]．鹽漬土在河西地區(qū)的酒泉、張掖、武威地區(qū)的沖積平原低洼地帶廣泛分布，其中大面積分布在季節(jié)凍土區(qū)．近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略、城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略和“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，高等級公路、高速鐵路、大型飛機場、大型水利等工程在河西地區(qū)建造和運營，鹽漬土與結構物相互作用的問題經常遇到，如大型管樁的壓入、沉井基礎的下沉等，而結構物與土體的摩擦和黏結能力與土體與土體的接觸是不同的[2]．

接觸面力學特性的研究對于正確分析土與結構體的各自變形及評價土與結構系統的穩(wěn)定具有重要意義[3]，Zhao Lianzhen等[4]利用大型多功能直剪儀，研究了4種恒定法向應力和4種負溫下人工凍土-結構界面的循環(huán)直剪特性；Shi Quanbin等[5]為了探討凍結細砂與結構物接觸面凍結強度的機理，采用直剪儀進行了一系列試驗;石泉彬等[6-7]為探究凍土與結構接觸面凍結強度影響因素及其影響規(guī)律，依據接觸面凍結強度傳統定義，應用壓樁法原理研制凍土與結構接觸面凍結強度測定系統，并利用該系統開展多影響因素條件下接觸面凍結強度測定試驗研究．目前，眾多學者就土體與工程結構接觸面力學特性從室內試驗、理論分析和數值計算等幾方面開展了廣泛的研究并取得了豐碩成果[8-19]，但這些成果主要集中在一般黏性土、粗粒土、膨潤土、砂土、凍結砂土、高塑性黏土、紅黏土、凍結粉土、黃土、建筑砂、標準砂、粉土與結構接觸面相互作用方面，而針對河西地區(qū)廣泛分布的鹽漬土這類特殊土體與工程結構接觸面的研究相對較少，缺乏相關理論研究．

土與結構接觸面的力學特性和土與結構材料的特性以及所處環(huán)境密切相關，土體與結構接觸面的力學特性是否受季凍區(qū)鹽漬土環(huán)境的影響，其影響的大小如何，需要進行試驗研究確定．鑒于此，本文選用河西季節(jié)性凍土區(qū)的硫酸鹽漬土為研究對象，采用應變控制直剪儀開展了凍結條件下鹽漬土與混凝土接觸面的剪切試驗，初步分析和探討了含鹽量對鹽漬土與混凝土接觸面剪切強度的影響規(guī)律及影響程度大小，以期為河西季節(jié)凍土區(qū)凍土工程的設計提供一些參考．

1 試驗條件

1.1 試驗材料

試驗土料取自甘肅張掖臨澤縣某工程現場的天然鹽漬土，取樣深度為0.5～1 m，密封包裝后運回實驗室對天然鹽漬土進行化學性質測定，測定結果為易溶鹽中陽離子以Na+、K+為主，陰離子以SO42-、Cl-為主，Cl-/SO42-<0.3，依據《巖土工程勘察規(guī)范》(GB500021—2001)的含鹽量分類規(guī)定，確定研究區(qū)域內的鹽漬土類型主要為硫酸鹽漬土，天然鹽漬土的物理性質指標見表1．混凝土試樣采用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、標準砂和抗凍劑，按配合比(表2)攪拌制成，并養(yǎng)護28 d后取用，標準砂的顆粒級配曲線如圖1所示．

表1 土的物理性質指標

表2 混凝土配合比 (單位：kg/m3)

圖1 標準砂顆粒級配曲線

1.2 試樣制備

河西地區(qū)環(huán)境的不同使得所取天然鹽漬土的易溶鹽含量有所不同，現場取樣測試結果表明，天然鹽漬土的易溶鹽含量在0.27%～3.06%之間，為了更好的定量分析含鹽量對鹽漬土與混凝土接觸面剪切強度的影響規(guī)律及影響程度大小，將試樣的制備分3個步驟完成．

第1步為鹽漬土試樣的制備．將采集的天然鹽漬土進行全脫鹽處理使之成為素土，然后風干碾碎過2 mm篩，采用Na2SO4質量百分比0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%制備相應濃度的鹽溶液與素土攪拌，按設定的含鹽量制備初始含水率分別為11%、13%、15%、17%的土樣放入保鮮袋中密封悶料48 h，為避免土體中鹽分的不均勻分布，制備鹽溶液時采取了加熱處理的方式．本試驗中土體含鹽量的設定，充分考慮了河西地區(qū)土體含鹽量的變化范圍，以及土體鹽漬化程度進一步加劇的變化規(guī)律．

第2步為混凝土試塊的制備．使用甘肅山丹水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，用環(huán)刀制備直徑61.8 mm，高度為10 mm，強度等級為C30的混凝土試塊(為保持所有試樣條件的一致性，全部試驗均采用巖石磨面機按相同操作及步驟對表面進行了統一光滑處理，保證試驗表面光滑平整，肉眼下未見混凝土缺陷、裂縫及顆粒起伏，粗糙度低)，為了避免鹽漬土試樣和混凝土試塊接觸時水分流失，將制作好的混凝土試塊飽和處理．

第3步為鹽漬土與混凝土組合試樣的制備．為使鹽漬土與混凝土充分接觸，將飽和處理的混凝土試塊放入制樣器下部，然后按照設計指標稱取相應重量的土料，控制土體的壓實度為80%、85%、90%、95%，然后采用靜力壓實法將鹽漬土和飽和處理的混凝土試塊一次成型制備成直徑為61.8 mm、高度為20 mm的鹽漬土與混凝土整體試樣，確保其初始力學性質相同，如圖2所示．制樣的過程嚴格控制了接觸面水平，確保了剪切發(fā)生在鹽漬土與混凝土接觸面上，最后將鹽漬土與混凝土組合的整體試樣放入低溫冷凍箱，在-15℃環(huán)境下凍結12 h后取出進行直剪試驗．

圖2 鹽漬土與混凝土組合試件

1.3 試驗方法

目前，用于土與結構面接觸特性研究的設備主要有直剪儀、單剪儀、環(huán)剪儀及大型直剪儀等．由于大型直剪儀一般對于現場粗顆粒土試驗使用較多，故對于小試樣土工試驗往往采用直剪儀，本文試樣尺寸較小，所以采用直剪儀即可滿足要求．雖然直剪儀有其固有缺陷，但是由于其構造簡單且土樣制備相對容易，經常被用于進行界面研究[20]．本文剪切強度試驗參照土工試驗方法標準(GB/T 50123—1999)進行，設備采用南京土壤儀器廠生產的ZJ應變控制式直剪儀和低溫冷凍試驗箱，量力環(huán)測量精度為0.01 mm，溫度控制精度為±0.5℃．試驗法向應力分別為100、200、300、400 kPa，為保障試驗在凍結條件下進行，將冷凍處理后的鹽漬土與混凝土組合試樣迅速置于直剪儀上施加所需法向應力，控制剪切速度0.8 mm/min進行快剪試驗，以獲得凍結條件下鹽漬土與混凝土接觸面的剪切強度．為了保證數據的可靠性，每個試驗條件下進行3組平行試驗，取最相近的兩組平均值作為最終結果，試樣的剪切強度取剪切應力-位移曲線的峰值點或者取剪切位移6 mm所對應的剪應力為抗剪強度．

2 試驗結果

2.1 剪切應力-剪切位移關系

本文通過對比分析鹽漬土自身(為了研究方便，約定土體自身內部的剪切面稱為土體內部接觸界面[16])以及鹽漬土-混凝土接觸面的剪切特性，來確定鹽漬土-混凝土接觸面之間的力學行為．圖3為凍結條件下鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的接觸面剪切應力與剪切位移關系曲線．受篇幅限制，文中僅給出了法向應力分別為100、200、300、400 kPa，壓實度為85%，鹽漬土含鹽量為0.0%(無鹽土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%，剪切后實測土體含水率為13.5%的剪切應力與剪切位移關系曲線如圖3所示．

圖3 剪切應力-剪切位移關系曲線

由圖3可知，在凍結條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切應力-剪切位移曲線整體呈非線性變化，在試驗的初始階段剪切應力增長較快，表現在剪切應力-剪切位移曲線上即曲線較陡，且接觸面達到峰值強度時對應的法向應力越大，說明接觸面的剪切強度與法向應力密切相關，接觸面破壞時對應的法向應力越大，剪切強度越高．可以認為，法向應力一方面使土體本身越密實，另一方面使土顆粒嵌入混凝土凹凸表面，使得界面剪切強度大大提高．

接觸材料類型不同，使得剪切應力-剪切位移關系曲線表現明顯不同．在對圖3試驗結果進行分析后發(fā)現，凍結條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切特征表現存在明顯的區(qū)別．剪切過程中鹽漬土體自身在發(fā)生屈服后，剪切應力隨著剪切位移的增加基本趨于穩(wěn)定，直到試驗結束也不存在明顯的應力峰值，表現出明顯的應變硬化特征，這主要是由于土粒的破碎隨剪切位移的增大而增多，孔隙比逐步減小，密度增大，因此剪切強度提高．

鹽漬土與混凝土組合體試樣在達到剪切破壞前接觸面始終保持著膠結狀態(tài)，剪應力達到剪切強度時試樣突然破壞，剪切應力-剪切位移表現為脆性破壞特征，存在明顯的峰值應力，可能是在水平推力的作用下，當剪切應力達到鹽漬土與混凝土接觸面剪切強度時，接觸面間的膠結狀態(tài)突然發(fā)生破壞，鹽漬土相對混凝土突然滑動，使得接觸面強度得到充分發(fā)揮，在實驗過程中也能觀察到測力計指針明顯倒退甚至歸零現象．而鹽漬土自身剪切破壞后，上下剪切盒中的土體又會產生再膠結，在剪應力達到抗剪強度后繼續(xù)產生黏滑，土體表現為較強的塑形變形能力．這種現象也說明在低溫條件下鹽分在土中的相態(tài)變化直接影響鹽漬土的力學特性，進而影響鹽漬土與混凝土接觸面的力學特性．在相同條件下，與鹽漬土的剪切相比，鹽漬土與混凝土接觸面的剪應力到達剪切強度時所需的位移較小，這種現象在各級法向應力下均表現得較為明顯．

2.2 剪切強度-法向應力關系

通過試驗觀察發(fā)現，鹽漬土自身剪切試驗時接觸面的破壞發(fā)生在土體中，試驗測得的是鹽漬土的剪切強度指標；鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切破壞發(fā)生在土與結構的接觸界面上，試驗測得的是鹽漬土與混凝土接觸面的剪切強度指標．以法向應力為橫坐標，剪切強度為縱坐標，繪制凍結條件下，土體壓實度85%，含水率13.5%、鹽漬土含鹽量為0.0%(無鹽土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的土體自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切強度-法向應力關系曲線，如圖4所示．

圖4 剪切強度-法向應力關系曲線

由圖4可知，在各級法向應力作用下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切強度-法向應力曲線的變化規(guī)律是相似的，剪切強度隨著法向應力的增大而增大，但鹽漬土與混凝土組合試樣界面的剪切強度低于鹽漬土自身的剪切強度，說明界面處比土體更容易發(fā)生破壞．這主要歸因于鹽漬土的破壞是土顆粒自身的剪切破壞，屬于土體材料的結構性破壞，鹽漬土與混凝土組合試樣在界面的破壞屬于滑移型破壞，屬于弱面破壞，兩者具有本質差異，由于本次研究混凝土界面均作了光滑處理，這對于實際工程中統一標準下生產的預制樁與土界面比較適合，對于現澆混凝土工程不一定適合．

通過對試驗數據的回歸分析，本文選用線性關系描述凍結條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣抗剪強度與法向應力關系如下式：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣接觸面抗剪強度(kPa)；c為接觸面黏聚力(kPa)；σ為法向荷載(kPa)；φ為接觸面內摩擦角(°)．

式(1)說明鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣強度準則均符合莫爾-庫侖強度準則．

表3為不同法向應力條件下鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣接觸界面的抗剪強度參數．

表3 各界面的抗剪強度參數

從表3可以看出，在凍結條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面間的內摩擦角均隨著土體含鹽量的增大表現為先增大后減小的趨勢，變化范圍不大，鹽漬土的內摩擦角變化范圍在28.14°～33°之間，鹽漬土與混凝土接觸面的內摩擦角變化范圍在27.63°～30.69°之間，而鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面的黏聚力隨著土體含鹽量的增大表現為先減小后增大的趨勢，且變化范圍較大，鹽漬土在27.56～54.81 kPa間變化，接觸面在18.88～46.99 kPa間變化，說明在凍結條件下，土體含鹽量對鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面剪切強度指標均有影響，且對黏聚力的影響大于內摩擦角的影響．另一方面也說明鹽漬土與混凝土接觸面間的黏聚力和內摩擦角是由鹽漬土、結構共同控制的，而不僅僅取決于鹽漬土體或結構本身．

從表3還可以看出，凍結條件下鹽漬土自身的黏聚力和內摩擦角均大于鹽漬土與混凝土接觸面的黏聚力和內摩擦角，說明鹽漬土與混凝土接觸面間的剪切強度是由鹽漬土中的冰晶和接觸面間的膠結力以及土體與接觸面間的內摩擦角和黏聚力共同決定，而膠結力的存在弱化了鹽漬土與接觸面間內摩擦角和黏聚力對接觸面剪切強度的貢獻，在剪切試驗結束后，混凝土表面光滑且殘留肉眼可見的冰晶可以驗證這一點．

在土與結構的相互作用研究中，龔輝，趙春風，陶幗雄，等[19]運用了量綱一的界面摩擦有效系數E和黏聚有效系數C來表征界面抗剪強度，如式(2)、(3)所示．

(2)

(3)

式中：tanδ，tanφ分別為界面和土體摩擦因素；Ca，C分別為界面和土體的黏聚力．

圖5為界面摩擦有效系數、界面黏聚有效系數與土體含鹽量關系曲線．

圖5 界面摩擦、黏聚有效系數與含鹽量關系曲線

由圖5可知，界面摩擦有效系數和黏聚有效系數與土體含鹽量的變化趨勢相似，均隨含鹽量增大而降低，界面黏聚有效系數隨含鹽量的增大近線性下降，含鹽量3%時降幅達到了38.4%，而界面摩擦有效系數減小降幅不大，不同含鹽量的界面摩擦有效系數均在1左右，說明土體含鹽量對界面黏聚有效系數的影響比界面摩擦有效系數的影響大．

3 結 論

通過凍結條件下(-15℃)鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的室內剪切對比試驗發(fā)現：

1)凍結條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切特征存在明顯的區(qū)別，鹽漬土的剪切應力-剪切位移曲線呈應變硬化特征，而鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切應力-剪切位移表現為脆性破壞特征；

2)凍結條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣強度準則均符合莫爾-庫侖強度準則；

3)凍結條件下，土體含鹽量對鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面剪切強度指標均有影響，且對黏聚力的影響大于內摩擦角的影響，鹽漬土與混凝土接觸面間的黏聚力和內摩擦角是由鹽漬土、結構共同控制的，而不僅僅取決于鹽漬土或結構本身；

4)界面摩擦有效系數和黏聚有效系數與土體含鹽量的變化趨勢相似，均隨含鹽量增大而降低，但含鹽量對界面黏聚有效系數的影響比界面摩擦有效系數的影響大．

需要說明的是，以上結果僅根據本次試驗得出，對于其他土體與混凝土的接觸面是否適用，還有待進行深入研究．