非水反應高聚物與土工材料的界面剪切特性

王鈺軻，萬永帥，劉 琪，郭成超，石明生

(1.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學 重大基礎設施檢測修復技術國家地方聯合工程實驗室，河南 鄭州 450001; 3.鄭州大學 水利與交通基礎設施安全防護河南省協同創新中心，河南 鄭州 450001; 4.中山大學 土木工程學院，廣東 廣州510275)

具有自膨脹特性的雙組分非水反應類高聚物材料在解決特定復雜的工程災害問題中有突出的效果，是目前工程領域重點關注的研究方向，已在高鐵無砟軌道、地下管道、道路、廠房等結構物抬升等工程，以及堤壩及地下工程防滲搶險中得到了廣泛應用[1-3].由于其具有安全環保、反應迅速且可調節、膨脹率高、抗滲防水、耐久性好等一系列特點且綜合性能優良，在隧道、公路、橋梁、鐵路、大壩等基礎設施的加固和維修方面展現出廣闊的發展前景[4-8].

隨著化學材料在各類土建工程中越來越廣泛的應用，對本團隊所提出的高聚物注漿材料的各項物理、化學及力學特性的深入研究顯得尤為重要.目前，已有很多學者就高聚物注漿材料的靜態力學性能、動態力學性能、耐久性、膨脹特性、水穩性、溫度穩定性、界電特性、隔振性能等方面展開了相關研究[9-16].鄭新國[7]模擬了無砟軌道結構抬升時的重力反壓作用，研究了反壓成型高聚物注漿材料的膨脹特性及其固結體的力學性能.王娟等[8]通過單軸壓縮試驗研究了軸壓荷載作用下高聚物碎石混合料的力學響應，針對不同高聚物密度和碎石粒徑對樁體強度的影響規律進行了探討.邊學成等[13]通過大型模型試驗研究了高速鐵路路基沉降高聚物注漿修復后的動態力性能.石明生等[14]研究了高聚物注漿材料的吸水特性及溫度變化對材料體積的影響，同時也探究了高聚物吸水后的脹縮特性.孟美麗等[15]采用網絡分析儀技術，對不同密度的試件在不同頻率下的介電性能進行了試驗研究和影響因素分析，研究了其介電特性和力學特性之間的關系.陳洋洋等[16]對某干涸河床一側的土壩壩頂進行了高聚物的隔振性能試驗，初步給出了高聚物注漿屏障隔振技術路徑可行性的試驗依據，為進一步的理論研究和分析工作奠定基礎.

關于高聚物漿液成型后與其他土工材料接觸界面的力學特性研究尚未見報道.而關于土工材料的界面剪切特性，已有大量的研究.如：Liu等[17]和Wang等[18]通過一系列直剪以及循環剪切試驗來探究土工格柵與土的界面特性，考慮了土顆粒粒徑、豎向應力、剪切速率和剪切位移峰值等因素對筋-土界面力學性能的影響；劉方成等[19]通過單調直剪試驗研究了接觸面粗糙度、豎向應力以及土的物理狀態對粉質黏土-混凝土界面力學性能的影響；王永洪等[20]通過直剪試驗研究了剪切速率和豎向應力對黏性土-混凝土界面抗剪強度的影響；石熊等[21]采用大型直剪儀進行紅黏土與混凝土接觸面的單向直剪試驗，研究了不同法向應力與不同混凝土表面、不同粗糙度條件下紅黏土-混凝土界面的力學特性；徐超等[22]通過直剪試驗研究了剪切速率、豎向應力和材料特性對土工合成材料-砂土界面抗剪強度的影響；黃文彬等[23]通過直剪試驗研究了剪切速率對土工合成材料-砂土界面特性的影響.

本文基于單調直剪試驗，對高聚物-土工布界面與高聚物-砂土界面的剪切特性進行研究，主要考慮剪切速率v、豎向應力p對界面剪切應力、剪切位移、抗剪強度和剪切模量的影響，旨在為非水反應類高聚物材料在實際工程中的應用提供初步的數據參考和理論支撐.

1 試驗

1.1 原材料

高聚物為非水反應類雙組分發泡體，屬于聚氨酯類材料.砂土試樣為單一粒徑(1～2mm)的石英砂，其干密度為2.65g/cm3.土工布的單位面積質量為300g/m2，橫向抗拉強度為12kN/m，縱向抗拉強度為10kN/m，橫向極限斷裂延伸率為64%，縱向極限斷裂延伸率為70%.

1.2 試件的制備

注漿模具主要由上、下中空的立方體鐵殼、鐵蓋板、長通絲以及蓋板上的注漿頭等組成。試樣制備過程為：用長通絲將上、下底面的鋼板通過螺絲固定,將2個鋼板壓在立方體的上、下2個面上，中空的立方體與上、下鋼板之間用雙層石棉紙密封并涂上潤滑油，然后通過注漿頭開始注漿，注漿量根據方案設計的高聚物密度進行確定；25℃下約1h后拆模，使高聚物漿液完全反應，并形成足夠的強度，從而確保脫模成功；將試樣在車床上進行加工，去掉邊角以及注漿頭位置處不規整的固結部分，即得到試件.試件尺寸有2種，分別為300mm×300mm×150mm和400mm×300mm×150mm，其密度均為0.2g/cm3.

1.3 試驗方法

采用改進的大型直剪儀，包括上、下2個剪切盒，其盒內凈尺寸分別為300mm×300mm×150mm、400mm×300mm×150mm.為了實現剪切過程中剪切面積的恒定，下剪切盒沿剪切方向上的長度大于上剪切盒的長度，實行位移控制的直剪試驗.剪切試驗過程中，上剪切盒固定不動，下剪切盒在剪切方向上移動，并由高精度電機帶動一系列齒輪來加以控制，其水平方向的最大剪切位移可達100mm，可控制的剪切速率范圍為0.00003～15mm/min.本試驗設定的剪切位移幅值為30mm，當剪切位移達到30mm時結束試驗.單調直剪試驗方案見表1.

表1 單調直剪試驗方案

2 結果及分析

2.1 剪切速率對剪切應力-剪切位移曲線的影響

豎向應力p分別為50、100、150kPa時，高聚物-土工布界面的剪切應力-剪切位移(τ-γ)曲線見圖1.由圖1可見：不同剪切速率下高聚物-土工布界面的剪切應力-剪切位移曲線均呈現出相似的規律，即剪切應力均隨著剪切位移的增大而增大，到達峰值以后剪切應力輕微減小后達到穩定狀態，即表現出剪切軟化的特性；不同剪切速率下τ-γ曲線走勢比較接近，但其剪切應力峰值及其對應的位移略有差別；剪切應力峰值隨著剪切速率的增大而減小，但下降幅度不大，說明剪切速率對高聚物-土工布界面的剪切特性具有一定的影響.

由圖1還可見：當豎向應力p=150kPa，剪切速率分別為2、3mm/min時，與其他加載條件下的情況不同，當剪切應力隨著剪切位移達到峰值后開始發生明顯的持續減小，這可能是由于土工布結構發生變化，因而隨著剪切位移的增大，剪切應力發生持續減小的現象.

豎向應力p=100kPa時，高聚物-砂土界面的剪切應力-剪切位移曲線見圖2.由圖2可見：與高聚物-土工布界面的剪切應力-剪切位移曲線相似，不同剪切速率下高聚物-砂土界面的剪切應力也是隨剪切位移增大而增大，到達峰值以后剪應力減小，減小到一定程度后又趨于平緩，亦呈現出剪切軟化的特性；各剪切速率下曲線的剪切應力峰值及其對應的剪切位移值差別不大.

圖1 高聚物-土工布界面的剪切應力-剪切位移曲線Fig.1 τ -γ curves of polymer-geotextile interface

圖2 高聚物-砂土界面的剪切應力-剪切位移曲線Fig.2 τ -γ curves of polymer-sand interface(p=100kPa)

2.2 豎向應力對剪切應力-剪切位移曲線的影響

由圖1(b)可見：剪切速率v=2mm/min時，不同豎向應力下高聚物-土工布界面的剪切應力-剪切位移曲線均呈現出相似的規律，即剪切應力均隨著剪切位移的增大而增大，到達峰值以后剪切應力減小，減小到一定值后又逐漸趨于平緩，表現出剪切軟化的特性；不同豎向應力下曲線的剪切應力峰值及其對應的剪切位移值差別十分明顯.

2.3 剪切速率對抗剪強度的影響

界面的抗剪強度σs為界面剪切應力-剪切位移曲線的剪切應力峰值.由圖1可見：當p=50kPa，剪切速率為2、3mm/min時，高聚物-土工布的界面抗剪強度值相比于剪切速率為1mm/min時減小了約20%；當p=100kPa 時，界面的抗剪強度在最大剪切速率下比剪切速率1、2mm/min下減小了約10%；當p=150kPa 時，界面的抗剪強度在剪切速率為1mm/min時最大，在剪切速率為3mm/min時最小，最小值比最大值減小了約2.5%.由此可見：在施加相同豎向應力的條件下，高聚物-土工布界面的抗剪強度隨著剪切速率的增大而減小，但是減小的幅值不大；抗剪強度減小的幅值在豎向應力等于50kPa時最大，并且隨著豎向應力的增大而減小；在豎向應力等于150kPa時，不同剪切速率下界面的抗剪強度幾乎相同.由圖2可見：當剪切速率v為2、3mm/min時，界面抗剪強度與v=1mm/min時相比，變化范圍在9%以內；在v=2mm/min 時所得抗剪強度最大.

綜上，在豎向應力給定的情況下，剪切速率對高聚物-土工布界面和高聚物-砂土界面的抗剪強度具有一定影響，但是影響不大.

2.4 豎向應力對抗剪強度的影響

由圖1可見：相同剪切速率下，界面的剪切應力峰值隨著豎向應力的增大而增大，且增加幅度很大；在剪切速率v=2mm/min下，隨著豎向應力由50kPa 增加至150kPa，高聚物-土工布界面的抗剪強度由15kPa增至46kPa.表明豎向應力對高聚物- 土工布界面的抗剪強度具有明顯的影響.

2.5 剪切速率對強度參數的影響

不同剪切速率下，高聚物-土工布界面的抗剪強度與豎向應力的擬合直線見圖3.由圖3可見：高聚物-土工布界面的抗剪強度隨著豎向應力的增大呈近似線性增加，擬合直線相關系數為0.980，擬合度較好，表明該界面抗剪強度與豎向應力之間表現出了良好的線性相關性，遵循摩爾-庫倫準則：

圖3 高聚物-土工布界面的抗剪強度與豎向應力的擬合直線Fig.3 Relationship between shear strength and normal stress levels of polymer-geotextile interface

σs=ptanφ′+c′

(1)

式中：φ′為高聚物-土工布界面有效摩擦角；c′為高聚物-土工布界面似黏聚力.經計算可得，該界面似黏聚力均近似為0kPa，摩擦角為16.5°.

2.6 剪切速率對剪切模量的影響

高聚物-土工布界面的剪切模量(G)見圖4.由圖4可見，相同豎向應力作用下，隨著剪切速率的增加，高聚物-土工布界面的剪切模量均呈逐漸增大的趨勢，但增加幅度不大.由此可見，剪切速率對高聚物- 土工布界面的剪切模量影響較小.

圖4 高聚物-土工布界面的剪切模量Fig.4 Shear modulus of polymer-geotextile interface

2.7 豎向應力對剪切模量的影響

由圖4還可見，相同剪切速率下，隨著豎向應力的增加，高聚物-土工布界面的剪切模量均呈明顯增大的趨勢.這表明豎向應力對高聚物-土工布界面的剪切模量影響較大.

3 結論

(1)在給定的豎向應力和剪切速率下，隨著剪切位移由0mm增加到30mm，高聚物-土工布界面與高聚物-砂土界面均發生了剪切軟化現象.

(2)豎向應力對高聚物-土工布界面的抗剪強度及剪切模量的影響顯著.在剪切速率v=2mm/min下，隨著豎向應力由50kPa增加到150kPa，高聚物-土工布界面的抗剪強度由15kPa增至46kPa；高聚物-土工布界面的抗剪強度與豎向應力之間表現出了良好的線性相關性；不同豎向應力p(50、100、150kPa)下的高聚物-土工布界面剪切模量差值較大，即豎向應力對高聚物-土工布界面的剪切模量影響較大.

(3)在豎向應力p=100kPa條件下，隨著剪切速率由1mm/min增加至3mm/min，高聚物-砂土界面的抗剪強度僅發生小范圍波動；高聚物-土工布界面的抗剪強度變化亦較小，其剪切模量均呈逐漸增大的趨勢，但增加幅度不大，表明剪切速率對高聚物-砂土界面的抗剪強度影響不大，對高聚物-土工布界面的剪切強度和模量影響亦較小.