魏軍揚

(中船第九設(shè)計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)用越來越多。在水利、市政、土建等工程領(lǐng)域，往往一個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工程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。工程常見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研究，得到了土工布與黏土的直剪界面強度和剪切界面強度均符合摩爾庫侖強度型等結(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，同時探討了土樣含水率對界面摩擦剪切強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度在某種程度上遵循摩爾庫侖破壞準(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，探討了相對密度及砂礫料級配對界面摩擦特性的影響，得到相對密度一定情況下粗顆粒含量越大摩擦因子越大，相同級配情況下，相對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-玻璃纖維增強聚合物復(fù)合材料布界面摩擦特性試驗，分析了壓實度、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和法向應(yīng)力對界面摩擦特性的影響，得出了黏土和GFRP布的界面摩擦強度隨著壓實度的增大而增大等結(jié)論；高俊麗等在文獻(xiàn)[5]中對加肋土工膜表面形態(tài)與界面剪切強度相關(guān)性進(jìn)行研究表明加肋土工膜與土工布界面抗剪強度隨著分形維數(shù)的增加而增加等結(jié)論；魏軍揚等在文獻(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]中對不同土工合成材料下新型加筋土界面特性做了研究，通過采取不同種類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，對于界面抗剪強度而言，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，界面抗剪強度可以用摩爾-庫侖強度準(zhǔn)則來描述。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)剪切試驗來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度與法向應(yīng)力的關(guān)系，同時進(jìn)行分析對比論述，對相關(guān)工程的設(shè)計施工監(jiān)測給出一定指導(dǎo)建議。

1 試驗儀器及試驗方法

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

本次研究試驗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，其中，最大一級壓力荷載應(yīng)不小于設(shè)計荷載。本試驗研究，為保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性，每組試驗中的單個試驗均至少三個平行試驗，下文的試驗曲線均是取的三組中的平均組。本次試驗荷載等級分別為25 kPa，40 kPa，60 kPa，80 kPa，100 kPa。

2 試驗材料基本參數(shù)

本試驗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。試驗黏土經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗得到的最大干密度為ρdmax=1.65 g/cm3，對應(yīng)的最優(yōu)含水率為wop=14.6%。試驗時，土樣的干密度控制在1.62 g/cm3，即壓實度為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 試驗結(jié)果及分析

3.1 黏土與混凝土界面剪切試驗?zāi)Σ翉姸?/h3>

黏土與混凝土界面間的剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線見圖3。黏土與混凝土界面的τf-p曲線見圖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，且隨著試驗的進(jìn)行，峰值過后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會有太大波動變化；峰值對應(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)系曲線見圖5。黏土與硬塑料板界面τf-p的曲線見圖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，且隨著試驗的進(jìn)行，峰值過后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會有太大波動變化；峰值對應(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)系曲線見圖7。黏土與不銹鋼板界面的τf-p曲線見圖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，且隨著試驗的進(jìn)行，峰值過后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會有太大波動變化；峰值對應(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 試驗總結(jié)分析

試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗結(jié)果匯總表

對比以上三次試驗結(jié)果，結(jié)合各組剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線可知各個試驗組界面剪切位移ΔL與摩擦阻力τ關(guān)系曲線一般有峰值，且隨著試驗的進(jìn)行，峰值過后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會有太大波動變化，這主要是各個試驗組摩擦阻力在一定法向應(yīng)力條件下，試驗初期，抗剪強度沒有完全發(fā)揮出來，隨著試驗進(jìn)行剪切位移增大，抗剪強度逐漸發(fā)揮出來，主要體現(xiàn)為滑動摩擦；峰值對應(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)力線型增大的滑動摩擦計算方法；對比以上三次試驗結(jié)果，可以看出三個實驗組相同豎向荷載試驗條件下的自身材料與填土界面摩擦強度大小為塑料板試驗組<鋼板試驗組<混凝土試驗組，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)大小順序為塑料板試驗組<鋼板試驗組<混凝土試驗組，雖然本次試驗的τf與p的關(guān)系是一次線性關(guān)系，線性關(guān)系系數(shù)塑料板試驗組最小為0.266 2，其次是混凝土試驗組為0.438 6，鋼板試驗組為0.558 7，但鋼板試驗組常數(shù)項較混凝土試驗組小，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)工程施工時應(yīng)合理施工，注意選材，尤其對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，可以通過表面鋸割拉毛加糙等措施增強摩擦特性。

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，且隨著試驗的進(jìn)行，峰值過后較為平穩(wěn)，摩擦阻力τ隨剪切位移ΔL的發(fā)展不會有太大波動變化。

2)對于同一試驗組，峰值對應(yīng)的摩擦阻力隨法向應(yīng)力增大而增大。

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

4)在相關(guān)工程施工時應(yīng)合理施工，注意選材，尤其對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，可以通過表面鋸割拉毛加糙等措施增強摩擦特性，以滿足工程需要。