溫度影響下透明土-混凝土接觸面摩擦力學特性試驗研究

孫學謹，孔綱強，李春紅，曹兆虎

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

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溫度影響下透明土-混凝土接觸面摩擦力學特性試驗研究

孫學謹1, 2，孔綱強1, 2，李春紅1, 2，曹兆虎1, 2

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

摘要:基于室內土工試驗，針對目前國內外常用的2種透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土材料之間接觸面的摩擦力學特性開展研究，著重分析混凝土溫度變化對透明土-混凝土材料接觸面摩擦力學特性的影響規(guī)律；為了對比分析，開展相同情況下砂土-混凝土材料接觸面摩擦力學特性室內試驗。研究結果表明，熔融石英砂和烘烤石英砂兩種透明土材料-混凝土材料接觸面摩擦力學特性與砂土材料-混凝土材料接觸面摩擦力學特性相似，說明該2種透明土材料可以較好地模擬天然砂土-混凝土材料接觸面特性；溫度因素對透明土材料-混凝土材料接觸面摩擦力學特性有一定影響，但影響并不明顯。

關鍵詞：透明土；砂土；樁-土接觸面；溫度效應；室內試驗

土的變形和滲流的基本規(guī)律是巖土工程中的重要課題。傳統(tǒng)的模型試驗只能通過預埋測試元器件來監(jiān)測土體變形及流體滲透問題，試驗過程中土體內部的變化是不可見的。基于數字圖像處理技術，利用半模試驗手段可以可視化監(jiān)測土體一個剖面或者表面的變形或滲流等巖土工程問題[1-2]；但是，半模試驗手段僅適用于對稱物理模型，而實際物理模型往往是非對稱問題。基于人工合成透明土材料和數字圖像處理技術，可以實現巖土工程等物理模型可視化模型試驗過程的方法，逐漸得到相關研究人員的重視和應用[3-7]。但人工合成透明土材料及其模擬的天然砂土或黏土在物理力學性質方面的相似度，制配成的透明土材料的透明度等問題仍是制約該項可視化模型試驗技術的主要因素。近年來，為了尋找透明度更高、與天然土體性質更接近、且制配容易的透明土材料，相關研究人員針對人工合成透明土材料的制配及其物理力學性質開展了系列研究，并取得了一些成果。Allersma[8]最早開始使用碎玻璃和具有相同折射率的流體制成的透明土來研究單剪條件下材料的應力分布。Iskander 等利用無定形硅粉和具有相應折射率的孔隙流體合成了透明土，其巖土工程性質與黏土相似；Villeneuve等利用無定形硅膠和相應折射率的孔隙流體合成透明土材料模擬天然砂土；并將其物理力學性質與天然黏土或砂土進行對比分析[9- 11]。Lo等[12]利用水族珠模擬土體，繼而開展流體滲透問題試驗研究；該透明土材料制配屬于水溶型透明土，制配方便，但是制配成的透明土強度近似為0。吳明喜等[13-15]利用熔融石英砂和相應折射率的孔隙流體制配透明土，并開展了基本物理力學性質室內試驗。孔綱強等[16]針對烘烤石英砂等制配成的透明土試樣的物理力學特性進行了基本性質試驗。研究結果表明，碎玻璃材料制配成的土樣為半透明材料；硅膠或無定形二氧化硅顆粒的高吸水性和易塑性，容易導致顆粒吸水破裂并著色或在低圍壓下發(fā)生塑性變形；水族珠制配而成的水溶型透明土強度近似為0，與天然土體性質差異較大；融熔石英砂或烘烤石英砂的顆粒折射率較高，需要與之匹配的無機溶液濃度較高而不易調配，而利用有機油制配的人工合成透明土試樣中存在明顯的凝聚力，這與天然砂性土有一定的差異；整體而言，利用融熔石英砂或烘烤石英砂制配而成的透明土材料透明度相對更好一些，因此融熔石英砂和烘烤石英砂也是近幾年最常用的2種材料。綜上所述，已有文獻主要是針對透明土材料本身的物理力學特性開展研究，而針對透明土材料與混凝土結構(如樁基礎等)之間的摩擦力學特性研究相對較少。循環(huán)溫度變化下樁-土相互作用及接觸面摩擦特性是分析能量樁承載力特性的關鍵環(huán)節(jié)。因此，針對目前國內外常用的2種透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土樁材料之間接觸面的摩擦力學特性開展研究，著重分析混凝土樁結構溫度變化對透明土-樁接觸面摩擦力學特性的影響規(guī)律；為了對比分析，開展了相同情況下砂土-樁接觸面摩擦力學特性室內試驗。

1材料特性與試驗方案

本文試驗所選用的人工合成透明土固體顆粒材料為熔融石英砂和烘烤石英砂(材料實物圖如圖1所示)，由徐州新沂萬和礦業(yè)有限公司生產；作為對比分析的砂土，選自南京市河西地區(qū)。試驗土樣分3類：干樣、水飽和樣和油飽和樣；水采用自來水，油采用正十二烷與15號白油按質量1∶4混合的油(混合油的折射率與透明固體顆粒折射率一致)。

(a)熔融石英砂；(b)烘烤石英砂圖1　室內試驗材料實物圖Fig.1 Materials for laboratory tests

1.1試驗材料物理、力學特性

透明土固體顆粒材料為有棱角的形狀不規(guī)則的固體顆粒。根據《土工試驗規(guī)程》[17]，對本文采用的透明土固體顆粒材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)及天然砂土進行了顆分、比重、相對密度試驗。熔融石英砂、烘烤石英砂以及作為對比試驗的天然砂土的顆分曲線如圖2所示。

由圖2可知，熔融石英砂的不均勻系數Cu=1.86，曲率系數Cc=1.10；烘烤石英砂的不均勻系數Cu=1.49，曲率系數Cc=0.93；所采用的天然砂土的不均勻系數Cu=2.50，曲率系數Cc=1.18。經2次平行測定，測得熔融石英砂透明土的平均比重約為2.238，烘烤石英砂透明土的平均比重約為2.190，分別約為標準砂比重的84.5%和82.6%(標準砂的平均比重約為2.650[17])。用漏斗法測定最小干密度，用振擊法測定最大干密度，得到3種材料相對密度的試驗結果，如表1所示。

圖2　顆粒分析試驗曲線Fig.2 Gradation curves of glass sand

編號試驗材料最小干密度ρmin/(g·cm-3)最大干密度ρmax/(g·cm-3)A熔融石英砂1.2311.352B烘烤石英砂1.1511.284C天然砂土1.4681.736

1.2試驗方案與工況設計

本試驗使用的是常規(guī)ZJ型應變控制式直剪儀；利用水浴法控制混凝土樁材料的溫度(先對擬控制溫度 的混凝土樁材料進行水浴加熱，然后放入直剪盒內進行試驗；為盡量減少試驗過程中溫度消散的影響，取試驗開始前和結束后溫度的平均值作為試驗溫度值。有一定的誤差，但控制的高溫與低溫之間有一定的差值，可以近似實現不同溫度下透明土-混凝土樁材料接觸面摩擦力學特性的研究)。所有土樣，控制試樣干密度為1.5 g/cm3；試樣飽和采用加水或加油靜置飽和方法。開展3種土樣(熔融石英砂、烘烤石英砂和天然砂土)的不同狀態(tài)(干樣、水飽和樣和油飽和樣)、不同法向應力(100，150，250和450 kPa)以及不同溫度(17 (常溫)，25，50和75oC)條件下，土樣的直剪試驗和土樣-混凝土樁材料接觸面直剪試驗(因為本文試驗基于能量樁溫度變化下樁-土接觸面摩擦特性的研究，混凝土材料用于模擬樁基礎，所以將混凝土材料稱作混凝土樁)；土樣-混凝土樁材料接觸面直剪試驗方案與工況設計分別如表2所示，直剪試驗試樣實物圖如圖3所示。

表2溫度影響下土樣-混凝土樁材料直剪試驗工況

Table 2 Conditions of direct shear test of soil-pile interface under different temperature

編號試樣試樣狀態(tài)法向應力/kPa溫度/oCA1熔融干樣17A2石英水飽和樣100～450A3砂油飽和樣25B1烘烤干樣B2石英水飽和樣100～45050B3砂油飽和樣C1C2天然砂土干樣水飽和樣100～45075

圖3　直剪試驗實物圖Fig.3 Physical map of direct shear test

2常溫條件下直剪試驗結果與分析

2.1土樣直剪試驗結果與分析

常溫條件下，熔融石英砂和烘烤石英砂土樣剪應力與剪切位移關系曲線如圖4所示。由圖4可知，融石英砂和烘烤石英砂土樣剪應力與剪切位移關系曲線與常規(guī)天然土樣的曲線規(guī)律類似；油飽和樣熔融石英砂，直剪試驗時指針讀數跳動的現象相對明顯，油飽和樣烘烤石英砂的跳動現象相對不明顯一些；這可能是由于熔融石英砂固體顆粒中不規(guī)則顆粒、偏扁長形的顆粒占的比例相對較多引起的；在直剪過程中，固體顆粒可能發(fā)生翻轉，從而導致指針越容易跳動。

圖4　常溫下透明土樣剪切力與剪切位移關系曲線(17 oC)Fig.4 Curves of shear strength versus shear displacement of soil sample under normal temperature (17 oC)

常溫條件下，透明土樣(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土的抗剪強度關系曲線如圖5所示。為了盡量減小誤差，進行了2組平行試驗，取2次試驗抗剪強度平均值作為各級法向應力下的抗剪強度。由圖5可知，無論在干樣狀態(tài)、還是在水飽和狀態(tài)和油飽和狀態(tài)下，熔融石英砂和烘烤石英砂的抗剪強度值均相近，且數值略比天然砂土的抗剪強度值大一些。與天然砂土含水率變化后抗剪強度值的變化率相比，透明土樣含水率的變化或者孔隙流體的種類對抗剪強度值影響相對不明顯。

圖5　常溫下土樣抗剪強度曲線(17 oC)Fig.5 Curves of shear strength of soil sample under normal temperature (17 oC)

2.2土樣-混凝土樁材料直剪試驗結果與分析

2.2.1剪應力與剪切位移關系曲線

常溫條件下，透明土樣(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土樁材料間的剪應力與剪切位移關系曲線如圖6所示。由圖6可知，熔融石英砂和烘烤石英砂2種透明土材料與混凝土樁材料間的剪應力與剪切位移關系曲線的變化規(guī)律相似，剪應力均隨剪切位移的增加而逐漸增加；相同位移值情況下，透明土材料與混凝土樁材料間的剪應力值略比相應透明土材料的剪應力值大一些。

圖6　常溫條件下土樣-混凝土樁材料剪應力與剪切位移關系曲線(17 oC)Fig.6 Curves of shear strength versus shear displacement of sand concrete pile interface under normal temperature (17 oC)

2.2.2抗剪強度曲線

常溫條件下，透明土樣(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強度關系曲線如圖7所示。同樣，為了盡量減小誤差，進行了2組平行試驗，取2次試驗抗剪強度平均值作為各級法向應力下的抗剪強度。由圖7可知，不同土樣狀態(tài)(干樣、水飽和樣和油飽和樣)下，熔融石英砂和烘烤石英砂與混凝土樁材料間的抗剪強度值相近，且數值略比天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強度值大一些。與天然砂土含水率變化后天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強度值的變化率相比，透明土樣含水率的變化或者孔隙流體的種類對透明土材料與混凝土樁材料間的抗剪強度值影響相對不明顯。與圖5所示的土樣本身的抗剪強度相比較，透明土樣與混凝土樁材料間的抗剪強度值與透明土樣本身的抗剪強度值相近，其數值略有增加。常溫條件下，熔融石英砂與混凝土樁材料、熔融石英砂本身材料的抗剪強度對比曲線如圖8所示。由圖8可知，熔融石英砂與混凝土樁材料、熔融石英砂本身材料的抗剪強度值非常相近。

圖7　常溫下土樣-混凝土樁材料抗剪強度曲線(17 oC)Fig.7 Curves of shear strength of soil - concrete pile interface under normal temperature (17 oC)

圖8　常溫下熔融石英砂-混凝土樁材料與熔融石英砂抗剪強度對比曲線(17 oC)Fig.8 Comparative curves of shear strength of fused silica - concrete pile interface and fused silica sample under normal temperature (17 oC)

3溫度變化下土樣-混凝土樁材料直剪試驗結果與分析

3.1抗剪強度與法向應力的關系

溫度變化條件下，不同土樣狀態(tài)下烘烤石英砂與混凝土樁材料間的抗剪強度關系曲線如圖9所示。由圖9可知，溫度變化(從17oC變化到75oC)對烘烤石英砂與混凝土樁材料接觸面的抗剪強度有一些影響，但是影響不明顯。25oC和75oC溫度條件下，透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強度關系曲線如圖10所示。由圖10可知，水飽和樣的熔融石英砂、烘烤石英砂以及天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強度值對溫度的影響相對不敏感。

圖9　溫度變化條件下烘烤石英砂-混凝土樁材料抗剪強度曲線Fig.9 Curves of shear strength of baked quartz - concrete pile interface under different temperature

圖10　溫度變化條件下土樣-混凝土樁材料抗剪強度對比曲線Fig.10 Comparative curves of shear strength of soil sample - concrete pile interface under different temperature

3.2抗剪強度與混凝土樁材料溫度的關系

溫度變化條件下，干樣和水飽和樣狀態(tài)下的熔融石英砂、烘烤石英砂和天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強度值與混凝土樁材料溫度的關系曲線分別如圖11所示。由圖11可知，無論是干樣還是水飽和樣狀態(tài)下，烘烤石英砂-混凝土樁材料抗剪強度值大于熔融石英砂-混凝土樁材料抗剪強度值和天然砂土-混凝土樁材料抗剪強度值；抗剪強度值提高約為10%。不同土樣狀態(tài)下，熔融石英砂和烘烤石英砂與混凝土樁材料間的抗剪強度值與混凝土樁材料溫度的關系曲線分別如圖12所示。由圖12可知，土樣的狀態(tài)對抗剪強度有一些影響，但是影響不明顯。由圖11～12可知，本文試驗條件下，樁體溫度的變化，對土樣與混凝土樁材料之間接觸面的抗剪強度值影響不明顯；這可能是由于樁體材料溫度維持時間不夠長所造成的。

(a)干樣；(b)水飽和樣圖11　不同試樣狀態(tài)下抗剪強度與混凝土樁材料溫度關系曲線Fig.11 Curves of shear strength versus the temperature of concrete pile material under different sample condition

(a)熔融石英砂；(b)烘烤石英砂圖12　不同材料下抗剪強度與混凝土樁材料溫度關系曲線Fig.12 Curves of shear strength versus the temperature of concrete pile material with different soil sample

3.3試驗誤差分析

常規(guī)ZJ型應變控制式直剪儀的儀器精度相對較低，儀器的讀數和控制誤差很容易導致試驗結果的偏差；因此，開發(fā)控制精度更高、試驗試樣尺寸更合理的直剪儀對于研究溫度影響下透明土-混凝土材料接觸面摩擦特性問題非常有必要。

同時，混凝土樁材料采用水浴法來控制溫度；水浴本身的溫度容易控制，試驗室溫度可以通過恒溫恒濕室得以控制，但是混凝土材料的溫度不易控制，且混凝土材料離開水浴之后溫度消散問題更不可控。剪切試驗過程中，混凝土材料本身的真實溫度不得而知。同時，本文試驗過程中，混凝土樁材料溫度控制時間比較短，樁體的溫度很難有效、迅速的傳遞到土體材料中，也是導致溫度變化對抗剪強度值影響相對不明顯的原因之一。因此，有必要在直剪過程中，對混凝土材料的溫度進行實時控制；即透明土-混凝土材料直剪過程中，維持混凝土材料的溫度控制系統(tǒng)。

4結論

1)本文試驗條件下，常溫下熔融石英砂和烘烤石英砂透明土材料本身的抗剪強度值相近，且均比天然砂土材料本身的抗剪強度值大一些。常溫下熔融石英砂、烘烤石英砂透明土材料與混凝土樁材料接觸面抗剪強度值相近，且均與天然砂土與混凝土樁材料接觸面力學特性相似，其數值略比天然砂土大一些。相同材料與混凝土樁材料間的抗剪強度值比材料本身的抗剪強度值略大一些。

2)本文試驗條件下，不同試樣狀態(tài)下，溫度對透明土材料與混凝土樁材料接觸面的抗剪強度均無明顯影響；與天然砂土與混凝土樁材料接觸面抗剪強度值受溫度影響的規(guī)律基本一致。

3)由于受直剪試驗儀器精度和混凝土樁材料水浴法溫度控制精度等因素影響，同時由于試驗過程中，混凝土樁材料溫度控制時間比較短，樁體的溫度很難有效、迅速的傳遞到土體材料中，從而導致溫度變化對抗剪強度值影響相對不明顯；因此，本文試驗條件下所得結果建議做定性分析之用。

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Experimental on interface mechanical of transparent sand concrete influenced by temperatureSUN Xuejin1, 2, KONG Gangqiang1, 2, LI Chunhong1, 2, CAO Zhaohu1, 2

(1. Key Laboratory of Geomechanics and Emban km ent Engineering (Hohai University), Ministry of Education, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：Based on transparent sand material and digital image processing technology, the visualization of model test method for geotechnical engineering was gradually applied. However, the researches focused on the mechanical properties of interface between transparent sand and concrete structures (such as, pile foundation) were relatively little. Besides, the researches focused on the transparent sand concrete pile interface mechanical properties influenced by temperature effect was relatively less. Based on laboratory tests, two transparent sand materials (fused silica and baked quartz), which are commonly used at home and abroad, were chosen for studies. The interface mechanical properties between these two transparent sand and concrete influenced by temperature was taken out. For comparison, the interface mechanical properties between sand and concrete influenced by temperature was also carried out. The results show that the interface mechanical properties between these two transparent materials and concrete material are similar with those between sand material and concrete. It indicates that these two types of transparent sand materials can be used in the simulation of natural sand - concrete interface characteristics. It also shows that the values of interface mechanical properties are influenced by temperature effect un-obviously.

Key words：transparent sand; sand; pile-soil interface; temperature effect; laboratorial test

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0632-07

通訊作者：孔綱強(1982-)，男，浙江金華人，教授，博士，從事樁-土相互作用及能量樁技術方面的教學與科研；E-mail: gqkong1@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278170，51478165)

收稿日期：2015-08-01