剪切速率对黏性土-混凝土界面抗剪强度影响的试验研究

王永洪，张明义，白晓宇，刘俊伟

(青岛理工大学 土木工程学院;蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心, 山东 青岛 266033)

受到土的种类及试验条件的影响，土与混凝土接触面的剪切机制非常复杂。这些影响因素包括土的类别及物理状态、界面粗糙度、应力历史及大小、剪切速率等[3]。关于这一课题，虽然目前已取得了众多的研究成果，但对其中的主要影响因素仍没有得到一致的结论，原因是试验材料、试验条件及试验方法的不同[4-6]。

土的种类对界面剪切特性的影响非常显著。众多学者研究了土体与混凝土界面的相互作用特性，土的种类包括砂土[7-9]、粗粒土[10]和黏性土[11-13]。张嘎等[14]、张治军等[15]、彭凯等[16]、朱俊高等[17]还研究了泥皮的存在对界面力学特性和作用机制的影响。关于界面剪切强度受剪切速率的影响，孙涛等[18]对超固结黏土在3种不同剪切速率下进行环剪试验，分析表明，剪切速率在1 cm/s时残余强度几乎与剪切速率在0.01 cm/s和0.1 cm/s一样。黄文熙[19]认为在低法向应力下，干砂的抗剪强度受剪切速率影响可以忽略不计。周杰等[20]在5种不同剪切速率和16组高法向应力试验条件下，得到了标准砂抗剪强度高、低应力分界点和快慢剪切速率分界线。徐肖峰等[21]研究了粗粒土随剪切速率变化抗剪强度和颗粒破碎的变化规律，剪切速率在5 mm/min以上时，抗剪强度随剪切速率减小而降低，剪切速率在5 mm/min以下时剪切速率越小，颗粒破碎率越大。

综上所述，目前有关剪切速率对黏性土与混凝土界面剪切强度影响的研究较少，尤其缺少桩-土界面抗剪强度受剪切速率影响的研究。笔者对黏性土-混凝土界面进行了不同剪切速率下的大型直剪试验，探讨了桩-土界面抗剪强度受剪切速率变化的影响规律。

1 试验方案

1.1 试验仪器

试验所用仪器为自行研制的大型恒刚度桩-土界面直剪仪。该试验系统由恒刚度加载系统、剪切模拟系统、传动系统以及数据采集系统4部分组成，试验系统如图1、图2、图3所示。该仪器剪切速率由滚珠丝杠实现了螺杆旋转运动变为下剪切盒直线运动，丝杠旋转一圈，下剪切盒移动10 mm。数控电机通过变频电机、减速机及变频器控制箱控制下剪切盒移动、停止及剪切速率。采用滚珠丝杠和数控电机最终实现了上剪切盒静止，下剪切盒移动，最大单向剪切位移为200 mm。大型恒刚度桩-土界面直剪仪主要参数指标见表1。

图1 恒刚度弹簧加载系统Fig.1 Main part of constant normal stiffness

图2 桩-土界面剪切模拟系统Fig.2 Shear simulation system of pile-soil

图3 大型恒刚度桩-土界面剪切仪Fig.3 Large-scale constant normal stiffness direct shear apparatus of pile-soil

剪切速率/(mm·min-1)有效接触面积/m2最大位移/mm往复单向0.15～150.21100200

1.2 土样制备

黏土取自青岛某地基坑开挖，按照《土工试验方法标准》(GB 50123—1999)[22]的要求重塑土样，原状黏土需要烘干、粉碎和0.075 mm过筛3道工序，预配含水率为28%、干密度为1.58 g/cm3的饱和土样并分5次分层击实，预配结束后静置2～3 d。试验制备黏土参数如表2所示。

表2 试验制备黏土参数Table 2 Parameters of seepage property for sandstone

1.3 传感器安装

为了测试在不同剪切速率下进行的剪切试验过程中黏性土与混凝土界面超孔隙水压力的变化情况，在留有锯齿状的混凝土块上预留孔洞，安装2个微型硅压阻式孔隙水压力传感器，测试黏性土与混凝土界面超孔隙水压力大小，孔隙水压力传感器尺寸为8 mm×15 mm。同时，在距离孔隙水压力传感器中点10 cm处安装1个微型硅压阻式土压力传感器，土压力传感器测试结果为黏性土与混凝土界面的法向应力，土压力传感器尺寸为20 mm×10 mm。孔隙水压力和土压力传感器安装如图4所示。

图4 微型硅压阻式孔隙水压力和土压力传感器安装Fig.4 Installation of silicon piezoresistive pore water pressure and soil pressure

1.4 试验过程

直剪试验方案如表3所示。首先，给各土样都施加法向应力200 kPa，使土体固结稳定至超孔隙水压力基本保持不变。然后，将法向应力分别卸至25、50、100、150 kPa，由于试验土样是低塑性的黏性土，对黏性土结构性影响小，不考虑因形成不同超固结比造成的影响。最后，保持法向应力不变，在0.4、0.6、0.8、1.0、2.0、5.0 mm/min剪切速率下进行大型直剪试验。

表3 直剪试验方案Table 3 Program of direct shear test

2 试验结果分析

2.1 黏性土与混凝土界面超孔隙水压力变化曲线

试验之前将硅压阻式孔隙水压力传感器置于水中15 min，使传感器透水石内充满水。首先给土体施加法向应力200 kPa，此时两个孔隙水压力传感器读数均较大。进行剪切试验前记录法向应力分别卸载至25、50、100、150 kPa时的两个传感器读数，即初始超孔隙水压力，两个传感器读数基本一致，法向应力越大，超孔隙水压力越大，此规律与桩-土界面产生的超孔隙水压力随沉桩深度(上覆压力)增加而增大的规律相似[23-24]，不同法向应力时的初始超孔隙水压力大小如图5所示。

选择大小适中、无病虫害侵染的薯块洗净自然晾干后，采用75 %乙醇表面消毒后晾干，切成厚约1 cm的薯片，把切好的薯片放入配好的孢子悬浮液内浸一下，取出薯片晾干表面水分，再放入无菌培养皿内培养，期间采用纸巾或棉花团保湿纸，将接种的薯块置于25 ℃恒温培养箱中培养5～6 d，薯片表面长满浅灰色的分生孢子，用30 mL无菌水冲洗，纱布过滤去除菌丝后，测量孢子悬浮液中目镜10倍及物镜20倍显微镜下一个视野内孢子数，设置3个重复，每个重复制片3张。该方法设为对照组②。

图5 不同法向应力时的初始超孔隙水压力大小Fig.5 Variation curves of initial excess pore water pressure under different normal

以0.4 mm/min剪切速率为例，超孔隙水压力与剪切位移变化曲线如图6所示，由图可见，超孔隙水压力变化不大，在法向应力25、50 kPa时，剪切位移在0～5 mm超孔隙水压力呈上升趋势，剪切位移增大时，超孔隙水压力出现波动，最后趋于稳定；在法向应力100、150 kPa时，超孔隙水压力随着剪切位移增大缓慢上升，最后趋于稳定，但超孔隙水压力变化均没超过2 kPa。由此可见，超孔隙水压力剪切发生时，既没有消散，也没有因超孔隙水压力过大而产生土体隆起破坏的现象。其他剪切速率下超孔隙水压力随剪切位移变化曲线没有一一列出，超孔隙水压力随着剪切速率变大而变大。

图6 剪切速率0.4 mm/min时超孔隙水压力与剪切位移变化曲线Fig.6 Variation curves of excess pore water pressure versus shear strain with the shear rate of 0.4 mm/min

2.2 不同剪切速率下的剪应力-剪切位移曲线

根据有效应力原理，有效法向应力等于总应力减去孔隙水压力，超孔隙水压力随着剪切速率提高而变大，从图7可以看出剪应力-剪切位移曲线在不同剪切速率下大体一致，在同一剪切速率下，剪切峰值强度和剪切破坏位移随有效法向应力增大而增大。

图7 不同剪切速率下的τ-u曲线Fig.7 Shear stress-shear displacement curves under different shear

2.3 剪切速率对剪应力-剪切位移曲线的影响

图8为不同总法向应力剪应力-剪切位移(τ-u)曲线。由图8可见，剪切峰值强度需要克服越来越大的剪应力才能达到稳定，其对应的剪切破坏位移也越来越大，剪切破坏位移在25 kPa和150 kPa时分别为2～3 mm和10～12 mm。

当总法向应力为25、50 kPa时，τ-u曲线在不同剪切速率下基本重合，但剪切速率5.0 mm/min的曲线在最下方，当总法向应力增大到100、150 kPa时，τ-u曲线在不同剪切速率下产生了一定的偏离，且总法向应力越大偏离越明显，剪切速率越大偏离越大，剪切速率5.0 mm/min的曲线仍是在最下方。如图8(d)所示，总法向应力150 kPa时，在剪切速率5.0 mm/min时，应变软化现象最明显。可以认为剪切速率越大，超孔隙水压力来不及消散，土颗粒间没有进行定向排列，越容易出现软化现象，由此推断，τ-u曲线与剪切速率有关[18]。

图8 不同总法向应力下的τ-u曲线Fig.8 Shear stress-shear displacement curves under different effective normal

2.4 剪切速率对抗剪强度的影响

根据不同剪切速率下黏性土与混凝土界面抗剪强度试验值，图9给出了在4种不同总法向应力状态下黏性土与混凝土界面抗剪强度随剪切速率的变化情况。从图9可以看出：总法向应力为25、50 kPa时，抗剪强度在最大和最小剪切速率下的差值小于10%。但当总法向应力为100、150 kPa时，在0.4～5.0 mm/min剪切速率范围内抗剪强度变化可达15%以上。

本文的研究结果与周杰等[20]和徐肖峰等[21]的试验结果类似，周杰的试验表明：剪切速率增大抗剪强度减小，且随着法向应力增大，减小的速率越快。徐肖峰的粗粒土的大型直剪试验结果表明：剪切速率由5 mm/min增大到10 mm/min，抗剪强度反而明显减小约14%。与孙涛等[18]的直剪试验结果稍有差别，孙涛的超固结饱和黏土环剪试验结果随着剪切速率增大，剪切峰值强度和稳定残余强度及对应的剪切破坏位移反而增加。

根据已有研究成果及直剪试验结果可尝试性的总结两点结论：1)在一定的剪切速率下，如文中的1.0～5.0 mm/min和周杰的1.0 mm/min对界面抗剪强度产生影响；2)就黏性土而言，在快速剪切条件下，超固结饱和黏性土对剪切速率可能更加敏感，此时黏性土的应力历史对黏性土与混凝土界面抗剪强度的影响很大。

图9 抗剪强度与剪切速率的关系曲线Fig.9 Curves of shear strength with shear

2.5 剪切速率对强度参数的影响

黏性土与混凝土界面的抗剪强度参数在抗剪强度曲线上得以体现。图10为试验中不同剪切速率时黏性土与混凝土界面的抗剪强度拟合直线。由图10可知，黏性土与混凝土界面抗剪强度随着有效法向应力的增大呈线性增加，拟合直线相关系数分别为：0.998、0.969、0.996、0.994、0.995、0.996，遵循摩尔库伦强度破坏准则

τf=σ′tanφ′+c′

(1)

式中：τf定义为黏性土与混凝土界面抗剪强度,kPa；σ′定义为黏性土与混凝土界面有效法向应力,kPa；φ′定义为黏性土与混凝土界面有效摩擦角；c′定义为黏性土与混凝土界面有效粘着力,kPa。

图10 不同剪切速率下黏性土-混凝土界面τf-σ′曲线Fig.10 Shear strength-effective normal stresses curves of cohesive soil-concrete interface under different shear

为了分析黏性土与混凝土界面的抗剪强度参数受剪切速率的影响，将4种剪切速率下黏性土与混凝土界面的抗剪强度拟合直线进行比较。剪切速率不同，抗剪强度拟合直线斜率稍有变化，黏性土与混凝土界面在剪切速率增大时，抗剪强度拟合直线斜率减小，如图11(a)所示，即黏性土与混凝土界面摩擦系数受到了剪切速率的影响，剪切速率从0.4 mm/min增加至5.0 mm/min，摩擦系数减小0.1。

黏性土与混凝土界面在剪切速率增大时有效黏聚力出现波动，如图11(b)所示，但剪切速率由0.4 mm/min增加至0.6 mm/min时，有效黏着力增加0.87 kPa，剪切速率由0.6 mm/min增加至5.0 mm/min时，有效黏着力减小5.93 kPa。

由以上分析可知，剪切速率影响黏性土与混凝土界面抗剪强度参数，这与根据图9所得到的结论一致。

图11 不同剪切速率下的摩擦系数和有效黏着力Fig.11 Friction coefficient and effective adhesive force under different shear

3 结论

基于不同剪切速率下的黏性土-混凝土界面直剪试验，可以得出如下结论：

1)黏性土-混凝土界面超孔隙水压力同时受法向应力和剪切速率的影响，随着法向应力增大和剪切速率的提高，超孔隙水压力逐渐增大。

2)随着剪切速率提高，剪应力-剪切位移曲线走向大体一致，在相同剪切速率下，剪切峰值强度和剪切破坏位移随效法向应力增大而增大。

3)在法向应力较小时，剪应力-剪切位移曲线在各剪切速率下基本重合，法向应力增大，较快剪切速率下曲线出现明显偏离，剪切速率5.0 mm/min的曲线在最下方，剪切破坏位移由2～3 mm增大到10～12 mm。较快剪切速率下曲线产生了明显的应变软化现象，在剪切速率5.0 mm/min时，应变软化现象最明显。

4)总法向应力为25、50 kPa时，剪切速率增大，抗剪强度会略有减小，抗剪强度的差值小于10%，当总法向应力为100、150 kPa时，抗剪强度受剪切速率影响，变化可达15%以上。

5)黏性土与混凝土界面摩擦系数有效黏着力受到了剪切速率的影响，剪切速率从0.4 mm/min增加至5.0 mm/min，摩擦系数减小0.1，有效黏着力随着剪切速率的增大出现波动。