平均粒徑和粗糙度對砂-玻纖網格布界面剪切特性

姚超偉,王 凱,王 璐,王念秦,袁 林,張 寧

(1.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054;2.陜西省地質環境監測總站,陜西 西安 710054;3.陜西地礦區研院有限公司,陜西 咸陽 712000;4.黑龍江省生態地質調查研究院,黑龍江 哈爾濱 150030;5.西安中地環境科技有限公司,陜西 西安 710054;6.中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710061)

0 引 言

土-結構物界面剪切特性一直是巖土工程領域的研究熱點[1],如土-樁界面[2]、土-筋界面[3]、土-巖界面[4]的剪切等。跨海、跨河大橋和海上風力發電等大型工程以及礦區開發式治理工程迅速發展,其地基層中多見砂土層。結構表面粗糙度和砂土顆粒組成大小對界面的摩擦特性有重要影響[5],研究不同粗糙界面和砂土顆粒粒徑的力學特性對工程建設具有重要意義[6-8]。

接觸面(結構物表面)粗糙度是界面剪切行為研究的主要變量之一。胡黎明等[9]利用直剪儀進行了砂土-鋼界面剪切試驗,分析了界面剪切破壞的變形機理,定義了臨界粗糙度。部分學者進行了砂土-鋼、砂土-混凝土界面直剪、單剪試驗,研究表明接觸面的相對粗糙度存在臨界值,當相對粗糙度小于臨界值時,接觸面摩擦系數與相對粗糙度呈正相關關系,當其大于臨界值時,摩擦系數不再增加,并趨于土顆粒自身的摩擦因數[10-11]。還有學者提出了新的粗糙度定義,認為接觸面粗糙度對界面剪切強度和剪切行為有顯著影響[12]。成浩通過灌砂法定量評價了混凝土表面粗糙度,并進行了3種土與混凝土的界面剪切試驗,發現剪切強度隨粗糙度的增大顯著增大的變化規律[13]。

界面剪切行為不僅受接觸面粗糙度影響,同時也受土體粒徑級配的影響。有學者通過土石混合體凍融交界面的直剪試驗發現,30%碎石含量可作為界面剪切強度的閾值[14]。部分學者研究發現級配良好的砂土與格柵界面抗剪最大,并且剪切帶為砂土顆粒平均粒徑的7～14倍,隨著法向壓力的增大,剪切帶厚度越大[15-16]。芮圣潔等開展了一系列鈣質砂-鋼界面剪切試驗,研究結果表明,對于粒徑均一的砂,存在粒徑分界點,使得剪切強度變化出現轉折點[17]。胡順洋等研究砂土內部及土-鋼接觸面的剪切試驗,結果表明隨著顆粒粒徑的增大,剪切軟化特征減弱,硬化特征增強[18]。

有學者開展了更為系統的界面剪切行為試驗。DOVE和JARRETT通過砂土-鋼界面直剪試驗,發現接觸面存在“最優槽寬”,認為接觸面峰值摩擦系數隨凹槽腰角、槽深與顆粒平均粒徑的比值增加而增大[19];SU等使用直剪儀對不同相對粗糙度Rn和平均粒徑D50的砂-鋼界面進行直剪試驗,發現界面剪切摩擦角受平均粒徑D50和相對粗糙度Rn共同影響[20];金子豪等開展了砂土-混凝土的界面剪切試驗,提出了一種考慮界面幾何參數與平均粒徑D50影響的剪切帶厚度計算方法,發現峰值應力比隨粗糙度線性增大[21]。

為了探究平均粒徑和粗糙度對砂-玻纖網格布界面剪切特性的影響,設計了5種平均粒徑砂和4種粗糙接觸面的直剪試驗,根據試驗結果分析界面剪切行為,并與砂體內部剪切試驗結果進行對比,探討平均粒徑和粗糙度對界面剪切特性的影響。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料

砂土作為常用的巖土材料,具有材質均勻、硬度大、取材便捷等特點。為了得到多種剪切特性材料,選用多種單一粒徑的標準砂,配置了5種粒徑的砂試樣(干燥、無黏性),其平均粒徑D50分別為0.09、0.25、0.54、0.79和1.06 mm。

選取3種玻纖網格布制作粗糙接觸面(網格孔徑分別為12 mm、6 mm、3 mm,厚度均為0.5 mm)。采用熱熔膠粘的方式將玻纖網格布固定在尺寸為φ61.8 mm×9.5 mm的圓形有機玻璃表面作為粗糙接觸面(圖1中M2～M4),并使用尺寸為φ61.8 mm×10 mm的圓形有機玻璃作為光滑接觸面(M1)。

圖1 接觸面細觀(圖中比例尺為10 mm)Fig.1 Amplified image of contact surface

采用算術平均值法(Ra)計算接觸面粗糙度,結果見表1。

表1 接觸面粗糙度計算

1.2 試驗方案

采用直剪試驗儀進行界面剪切試驗,剪切盒尺寸為φ61.8 mm×20 mm,將4種接觸面(有機玻璃+玻纖網格布)放入直剪儀下剪切盒,玻纖網格布中空部分均勻填入試驗砂(圖2)。

圖2 界面直剪試驗原理示意Fig.2 Sketch of interface shear test

上剪切盒內控制砂土試樣干密度為1.50 g/cm2。設計法向荷載為50,100和200 kPa,剪切速率為0.8 mm/min,數據采集為10次/min,剪切應變達到12%時終止試驗。在結果處理中,應變軟化型曲線取其峰值作為界面抗剪強度,對于應變硬化型曲線取剪切位移4.0 mm(應變6.47%)處對應的剪應力作為界面的抗剪強度[22]。試驗內容為:①5種粒徑砂土(D50為0.09,0.25,0.54,0.79,1.06 mm)與4種粗糙度接觸面(Ra為0,0.11,0.16,0.24 mm)的界面剪切試驗(稱界面剪切)共60組;②砂土內部的直剪試驗(稱砂剪切)共15組,作為對比組。

2 試驗結果

2.1 剪切行為特征

通過直剪試驗得到砂剪切、砂-玻纖網格布界面剪切的抗剪強度-位移曲線和軸向位移-剪切位移曲線(簡稱軸向位移-位移曲線)。

2.1.1 平均粒徑對砂剪切的影響

以100 kPa法向壓力下抗剪強度-位移曲線、軸向位移-位移曲線為例進行分析。D50變化對砂的抗剪強度-位移曲線形態影響不大,抗剪強度達到最大值后進入塑性屈服階段,抗剪強度沒有明顯的降低(圖3(a))。隨著D50的增加砂土發生屈服時所對應的位移更小,彈性變形階段曲線更陡,抗剪強度更大。當D50為0.09,0.25,0.54,0.79和1.06 mm時對應的抗剪強度分別為70.94,65.97,73.64,79.76和93.90 kPa。

圖3 D50變化下砂剪切曲線Fig.3 Shear curves of sand at differing D50

在剪切試驗中,定義軸向位移負為剪縮,正為剪脹。當D50為0.09,0.25,0.54和0.79 mm時,軸向位移隨著位移的增加均表現出剪縮現象,且隨著位移的增加,剪縮現象越明顯(圖3(b))。只有在D50為1.06 mm時的初始剪切階段產生了微弱的剪脹現象,且隨著位移的增加逐漸出現剪縮現象,在D50為0.25 mm時剪縮現象最明顯。

2.1.2 平均粒徑對界面剪切的影響

以Ra為0.16 mm,法向壓力為100 kPa的抗剪強度-位移曲線、軸向位移-位移曲線為例進行分析。D50的變化對抗剪強度-位移曲線形態影響不大,剪切曲線多數表現為應變硬化型。隨著剪切位移的增加,抗剪強度持續增大(圖4(a))。D50越大,砂-玻纖網格布界面抗剪強度越大,在D50分別為0.09,0.25,0.54,0.79和1.06 mm對應的抗剪強度分別為110.64,113.16,128.14,142.60和161.58 kPa。

圖4 D50變化下Ra為0.16 mm的界面剪切曲線Fig.4 Shear curves of the interface with Ra=0.16 mm at differing D50

當D50為0.09 mm時,曲線在剪切的整個過程都表現出剪縮現象。而當D50為0.25,0.54,0.79和1.06 mm時,在剪切初期表現出顯著的剪脹現象,隨著剪切位移的增加,剪脹現象減弱,轉變為剪縮現象,且D50越大這一特征越顯著(圖4(b))。

2.1.3 接觸面粗糙度對界面剪切的影響

接觸面粗糙度對剪切曲線影響較大,砂內部剪切和Ra為0的抗剪強度-位移曲線為應變軟化型,而Ra為0.11,0.16和0.24 mm時抗剪強度-位移曲線均為應變硬化型(圖5)。

圖5 Ra變化下D50為0.54 mm的界面剪切曲線Fig.5 Shear curves of the interface with D50=0.54 mm at differing Ra

在剪切初期,粗糙度對抗剪強度的影響并不顯著,隨著剪切位移的增加,Ra越大的試樣應變硬化特征越顯著。隨著Ra的增加,抗剪強度逐漸增大。在D50為0.54 mm條件下,砂剪切的抗剪強度為73.36 kPa,僅大于Ra為0的抗剪強度46.47 kPa,當Ra為0,0.11,0.16和0.24 mm時,抗剪強度分別為46.47,98.15,126.83和152.87 kPa。

2.1.4 法向壓力對界面剪切的影響

法向壓力對剪切曲線影響較小,在不同法向壓力變化下的抗剪強度-位移曲線均為應變硬化型(圖6)。在法向壓力為50,100,200 kPa下對應的抗剪強度分別為86.03,126.97,236.58 kPa?？梢?增大法向壓力,會使砂顆粒越密實,彼此之間的咬合作用增加,砂與玻纖網格布界面的摩擦阻力增大,增加了界面剪切強度。

圖6 法向壓力變化下D50為0.54 mm,Ra為0.16 mm的界面剪切曲線Fig.6 Shear curves of the interface with D50=0.54 mm and Ra=0.16 mm at differing normal stress

2.2 剪切力學特征

2.2.1 平均粒徑對抗剪強度的影響

以D50為橫坐標,各試驗工況下抗剪強度峰值為縱坐標,繪制關系曲線,如圖7所示。

圖7 D50對抗剪強度的影響Fig.7 Effect of D50 on shear strength

在砂剪切和砂-玻纖網格布界面剪切中,同一法向壓力下,隨著D50的增加,抗剪強度呈現增大的趨勢。且在D50小于0.54 mm時,抗剪強度增長緩慢,在D50大于0.54 mm時,抗剪強度增長較快(圖7(a)、(c)、(d)和(e))。然而當Ra為0 mm時,隨著D50的增加,抗剪強度先小幅增大后逐漸減小(圖7(b))。法向壓力的增加會增大抗剪強度增長的幅度,但是不會改變其規律。

2.2.2 接觸面粗糙度對抗剪強度的影響

以Ra為橫坐標,不同法向壓力和不同D50條件下的抗剪強度峰值為縱坐標,繪制關系曲線,如圖8所示。

圖8 Ra對抗剪強度的影響Fig.8 Effect of Ra on shear strength

在砂-玻纖網格布界面剪切中,同一法向壓力下,隨著Ra的增加,抗剪強度呈現逐漸增大的趨勢。且在Ra小于0.16 mm時,抗剪強度增長較快,在Ra大于0.16 mm時,抗剪強度增長緩慢(圖8(a)、(b)、(c)、(d)和(e))。甚至在法向壓力為50 kPa時,D50為0.25,0.54,0.79和1.06 mm條件下,抗剪強度在Ra大于0.16 mm時出現了降低。法向壓力的增加引起抗剪強度的增加,但是不會改變其規律。

2.3 界面黏聚力、內摩擦角變化規律

2.3.1 平均粒徑對黏聚力、內摩擦角的影響

以D50為橫坐標,不同法向壓力和不同D50條件下的黏聚力和內摩擦角為縱坐標,繪制關系曲線,如圖9所示。在砂-玻纖網格布界面剪切中,隨著D50的增加,黏聚力和內摩擦角均呈現逐漸增大的趨勢。且D50小于0.54 mm時內摩擦角增長緩慢,D50大于0.54 mm時內摩擦角增長較快,黏聚力隨著D50均勻增加,沒有明顯拐點。說明在D50大于0.54 mm時,抗剪強度的快速增加主要是因為內摩擦角的增大。在砂剪切和界面剪切Ra為0時,黏聚力均為0,這是由于試驗材料中細砂不具備黏聚力。在砂剪切時,內摩擦角有著緩慢增大后逐漸減小的趨勢。

圖9 D50對黏聚力、摩擦角的影響Fig.9 Effect of D50 on cohesion and internal friction angle

2.3.2 接觸面粗糙度對黏聚力、摩擦角的影響

以Ra為橫坐標,不同法向壓力和不同D50條件下的黏聚力和內摩擦角為縱坐標,繪制關系曲線,如圖10所示。在砂-玻纖網格布界面剪切中,隨著Ra的增加,黏聚力和內摩擦角均呈現逐漸增大的趨勢。且Ra小于0.16 mm時黏聚力和內摩擦角快速增長,Ra大于0.16 mm時黏聚力和內摩擦角增長緩慢。例如在D50為0.54 mm時,Ra為0,0.16,0.24時黏聚力分別為0,31.24,35.56 kPa,內摩擦角分別為24.75°,45.15°,46.39°,可以明顯看出Ra大于0.16 mm時黏聚力和內摩擦角增長緩慢。

圖10 Ra對黏聚力、摩擦角的影響Fig.10 Effect of Ra on cohesion and internal friction angle

3 砂剪切和界面剪切強度增強機理

3.1 砂剪切和界面剪切的細觀運動

通過微觀觀察,在剪切后的有機玻璃表面出現劃痕,這也代表著砂顆粒的運動形式,在有機玻璃-砂界面過程中不僅有滾動,也有明顯的滑動(圖11)。在砂剪切過程中,由于砂體結構疏松,隨著剪切位移的增加,在剪切面附近的砂顆粒通過滑移和滾動的方式發生移動,一些較小的顆粒將通過這種移動填入大顆粒間的孔隙,使得砂體出現剪縮現象。處于收縮狀態下的顆粒結構更加密實,抗剪強度逐漸增大[23]。當剪切應力達到顆粒結構所能承受的最大強度時,剪切面附近的顆粒結構變得穩定,砂顆粒運動轉變為以滑移為主,抗剪強度逐漸趨于穩定(圖12(a))。

圖11 剪切后界面劃痕Fig.11 Post-shear interface scratches

圖12 砂剪切和界面剪切的細觀運動Fig.12 Mesoscopic motion of sand shear and interfacial shear

在砂-玻纖網格布界面剪切過程中,砂顆粒之間,砂顆粒與接觸面之間交錯排列,剪切位移的增加會導致砂顆粒發生滾動、滑動,伴隨著砂體積改變、結構重新排列[24-25]。在剪切初期,受剪切力作用,部分砂顆粒組合形成了穩定的結構,在周邊砂顆粒的擠壓下,這種穩定結構中的砂顆粒會形成力鏈抵抗結構破壞[26],導致剪切面附近的砂顆粒受力鏈約束,必須以重心提升的方式[27],沿著力鏈邊緣滾動,因此在界面上出現剪脹現象。當顆粒進一步移動,界面附近的砂出現更多的相對位移,砂顆粒間的填充和嵌入現象增加,砂體出現剪縮現象,在玻纖網格布的約束下,形成了更多的穩定結構,導致力鏈增加,使得界面上不可移動的顆粒增加,甚至剪切面范圍增加,位移受阻,抵抗力增加[28]。導致砂-玻纖網格布界面抗剪強度-剪切位移曲線為應變硬化(圖12(b))。

3.2 平均粒徑和粗糙度對剪切強度的影響

當平均粒徑較小時,單一格柵空隙中能容納更多數量的砂顆粒,顆粒間的接觸關系復雜,在外力作用下容易發生顆粒的相互錯動,不能形成穩定結構,從而導致抗剪強度較小。隨著平均粒徑的增加,格柵孔隙中的砂顆粒減少,砂顆粒之間、砂顆粒與格柵界面能更好的進行鑲嵌,容易形成穩定結構,抗剪強度增大,并且當平均粒徑超過某一界限值后,砂顆粒之間、砂顆粒與格柵界面咬合作用增強,力鏈增加,顆粒越不易相互錯動、翻滾,從而抗剪強度有較大提升[29-30](圖13(a))。

圖13 平均粒徑和粗糙度條件下剪切強度增強機理Fig.13 Shear strength enhancement mechanism under conditions of average particle size and roughness

粗糙度變化的界面剪切強度主要由單位體積內約束邊界,及充填的砂體體積相關[30-32]。隨著粗糙度的增加、單位體積內的約束邊界增多,顆粒與約束邊界形成的力鏈增多,使得界面上不可移動的顆粒增加,導致剪切面凹凸不平,剪切面范圍增大,從而抗剪強度增加。當粗糙度進一步增加,凹槽內充填的砂體減少,形成力鏈數量增加緩慢,導致剪切面范圍增加較少,抗剪強度增加較少(圖13(b))。

4 結 論

1)砂剪切和界面剪切均通過剪切面附近砂顆粒滑移和滾動,使得砂體出現剪縮、剪脹現象。砂剪切多為剪縮現象,而界面剪切多為先剪脹后剪縮現象。

2)在剪切試驗中,當D50大于0.54 mm時,抗剪強度增長較快。當Ra大于0.16 mm時,抗剪強度增長緩慢。黏聚力和內摩擦角表現出相同的變化。

3)在界面剪切中,剪切面附近砂顆粒受力鏈約束,必須以重心提升的方式,沿著力鏈邊緣滾動,出現剪脹現象,隨著剪切位移增加,砂顆粒的填充和嵌入現象增加,砂體出現剪縮現象。隨著粗糙度的增大,單位體積內約束邊界增加,顆粒與約束邊界形成的力鏈增多,從而抗剪強度增加。