不同工程材料与黏土界面作用试验研究

魏军扬

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090)

随着现代工业化进程的加快，各种材料的工程应用越来越多。在水利、市政、土建等工程领域，往往一个工程是由不同材料组合而成的，而不同材料间的界面作用特性在整个工程中发挥关键作用。工程常见的与回填土接触的材料主要有混凝土、塑料、钢板、加筋格栅、土工布、土工膜等。伴随而来的研究也相应产生，刘湘元等在文献[1]中做了有纺土工布与黏土的界面摩擦特性试验研究，得到了土工布与黏土的直剪界面强度和剪切界面强度均符合摩尔库仑强度型等结论；贺炜等在文献[2]中进行了非饱和土与混凝土界面摩擦特性试验，同时探讨了土样含水率对界面摩擦剪切强度及极限剪切位移的影响，得出了在不同含水率的条件下，土与混凝土界面剪切强度在某种程度上遵循摩尔库仑破坏准则，且黏性土具有一定的界面黏聚力等结论；童军等在文献[3]中进行了复合土工膜砂砾料界面摩擦特性研究，探讨了相对密度及砂砾料级配对界面摩擦特性的影响，得到相对密度一定情况下粗颗粒含量越大摩擦因子越大，相同级配情况下，相对密度越高摩擦因子越大等结论；张建伟等在文献[4]中进行了黄泛区黏土-玻璃纤维增强聚合物复合材料布界面摩擦特性试验，分析了压实度、水的质量分数和法向应力对界面摩擦特性的影响，得出了黏土和GFRP布的界面摩擦强度随着压实度的增大而增大等结论；高俊丽等在文献[5]中对加肋土工膜表面形态与界面剪切强度相关性进行研究表明加肋土工膜与土工布界面抗剪强度随着分形维数的增加而增加等结论；魏军扬等在文献[6]中进行了经编格栅与不同填土界面作用特性试验研究，得到了经编土工格栅与填土界面的摩擦阻力并不完全随法向应力的增加而增加等结论；吴海等在文献[7]中对不同土工合成材料下新型加筋土界面特性做了研究，通过采取不同种类加筋材料在不同竖向压力下的Sandwich型加筋土界面直剪特性进行影响分析，得到了土工格栅的加筋效果最佳，对于界面抗剪强度而言，格栅界面大于土工织物，且随法向应力的增加而增加等结论；马伟在文献[8]中也进行了钢-土界面特性的部分研究，得出了钢与砂泥岩混合填土接触界面的应力-应变关系曲线未出现明显的应变软化现象，界面抗剪强度可以用摩尔-库仑强度准则来描述。本文分别选择混凝土、硬塑料板、不锈钢板三种工程常用材料与工程常用黏土分别进行室内剪切试验来研究其界面作用特性。得到了三种工程材料与工程常用黏土界面抗剪摩擦强度与法向应力的关系，同时进行分析对比论述，对相关工程的设计施工监测给出一定指导建议。

1 试验仪器及试验方法

本次试验研究采用微机控制土工合成材料直剪剪切摩擦试验系统，其外观简图如图1所示。

本次研究试验仪器及操作方法参照规范[9]中相关规定，为求得摩擦强度指标，一般在至少四种不同垂直荷载下进行剪切摩擦试验，其中，最大一级压力荷载应不小于设计荷载。本试验研究，为保证试验结果的稳定性，每组试验中的单个试验均至少三个平行试验，下文的试验曲线均是取的三组中的平均组。本次试验荷载等级分别为25 kPa，40 kPa，60 kPa，80 kPa，100 kPa。

2 试验材料基本参数

本试验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)，不锈钢板作为主要界面材料，工程常用黏土作为回填料。所用黏土试样的塑性指数为10，液限值为25.3%，塑限值为15.1%，比重为2.68。试验黏土经标准击实试验得到的最大干密度为ρdmax=1.65 g/cm3，对应的最优含水率为wop=14.6%。试验时，土样的干密度控制在1.62 g/cm3，即压实度为95%。制样水的质量分数分别为16%。黏土粒径分布如图2所示。

3 试验结果及分析

3.1 黏土与混凝土界面剪切试验摩擦强度

黏土与混凝土界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线见图3。黏土与混凝土界面的τf-p曲线见图4。从图3中可以看出，黏土与混凝土界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线一般有峰值，且随着试验的进行，峰值过后较为平稳，摩擦阻力τ随剪切位移ΔL的发展不会有太大波动变化；峰值对应的摩擦阻力τf随法向应力增大而增大，从图4可以得出，这种关系大致呈线性关系，大致函数关系为τf=0.438 6p+1.803 3。

3.2 黏土与硬塑料板界面的剪切摩擦强度

黏土与硬塑料板界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线见图5。黏土与硬塑料板界面τf-p的曲线见图6。从图5中可以看出，黏土与硬塑料板界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线一般有峰值，且随着试验的进行，峰值过后较为平稳，摩擦阻力τ随剪切位移ΔL的发展不会有太大波动变化；峰值对应的摩擦阻力τf随法向应力增大而增大，从图6可以得出，这种关系大致呈线性关系，大致函数关系为τf=0.266 2p+1.742 1。

3.3 黏土与不锈钢板的剪切摩擦强度

黏土与不锈钢板界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线见图7。黏土与不锈钢板界面的τf-p曲线见图8。从图7中可以看出。黏土与不锈钢板界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线一般有峰值，且随着试验的进行，峰值过后较为平稳，摩擦阻力τ随剪切位移ΔL的发展不会有太大波动变化；峰值对应的摩擦阻力τf随法向应力增大而增大，从图8可以得出，这种关系大致呈线性关系，大致函数关系为τf=0.558 7p-5.325 6。

3.4 试验总结分析

试验结果见表1。

表1 试验结果汇总表

对比以上三次试验结果，结合各组剪切应力与位移关系曲线可知各个试验组界面剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线一般有峰值，且随着试验的进行，峰值过后较为平稳，摩擦阻力τ随剪切位移ΔL的发展不会有太大波动变化，这主要是各个试验组摩擦阻力在一定法向应力条件下，试验初期，抗剪强度没有完全发挥出来，随着试验进行剪切位移增大，抗剪强度逐渐发挥出来，主要体现为滑动摩擦；峰值对应的摩擦阻力τf随法向应力增大而增大，这也主要体现了两物体间摩擦系数一定，剪切应力随法向应力线型增大的滑动摩擦计算方法；对比以上三次试验结果，可以看出三个实验组相同竖向荷载试验条件下的自身材料与填土界面摩擦强度大小为塑料板试验组<钢板试验组<混凝土试验组，反映出工程常用硬塑料板、钢板、混凝土与工程黏土界面的摩擦系数大小顺序为塑料板试验组<钢板试验组<混凝土试验组，虽然本次试验的τf与p的关系是一次线性关系，线性关系系数塑料板试验组最小为0.266 2，其次是混凝土试验组为0.438 6，钢板试验组为0.558 7，但钢板试验组常数项较混凝土试验组小，这也体现了不同材料界面特性的复杂性。因此，在相关工程施工时应合理施工，注意选材，尤其对于材料间界面摩擦要求较高的工程，更应做好界面特性的处理加固措施，可以通过表面锯割拉毛加糙等措施增强摩擦特性。

4 结论及建议

1)黏土分别与硬塑料板、钢板、混凝土界面间的剪切位移ΔL与摩擦阻力τ关系曲线一般有峰值，且随着试验的进行，峰值过后较为平稳，摩擦阻力τ随剪切位移ΔL的发展不会有太大波动变化。

2)对于同一试验组，峰值对应的摩擦阻力随法向应力增大而增大。

3)相同竖向荷载试验条件下各个试验组的抗剪强度大小关系为塑料板试验组<钢板试验组<混凝土试验组。

4)在相关工程施工时应合理施工，注意选材，尤其对于材料间界面摩擦要求较高的工程，更应做好界面特性的处理加固措施，可以通过表面锯割拉毛加糙等措施增强摩擦特性，以满足工程需要。