土石混合体接触面力学特性的大型直剪试验研究

土石混合体接触面力学特性的大型直剪试验研究

1关于桩土相互作用的试验研究在库页岛的灾害变化中，沉积层滑动是最常见的类型。根据研究，此类滑动比例约为64%，重庆万州地区大于80%。堆积层滑坡的一个显著特点是滑体由土石混合体介质组成,该类滑坡灾害的防治是三峡工程建设的重要组成部分。当前,抗滑桩仍然是堆积层滑坡深层抗滑普遍采用的有效防治措施。三峡库区“蓄清排浊”的运行方案,使得库区两岸形成水位涨落垂直落差达30m的消落带。而库区众多滑坡加固工程的抗滑桩均全部或部分位于消落带内,如云阳张飞庙东侧滑坡64根抗滑桩桩顶高程178m,云阳宝塔滑坡前缘设置的49根抗滑桩长期浸没于水下等。因此,除了大气降雨,三峡库区众多堆积层滑坡的土石混合体和抗滑桩的相互作用受到更为复杂的消落带水环境的影响。当前的防护工程设计对于这种特殊条件下的桩土相互作用机制缺乏完善的试验和理论依据,从而使得滑坡经过治理后,工程发生再失稳甚至再滑坡也常有文献报道,如南昆铁路八渡滑坡,重庆万州地区的游泳池、黎南二线工程DK689段滑坡等。接触面力学特性及本构模型是抗滑桩和土相互作用的关键问题。当前,试验仍然是岩土力学学科研究和分析最重要的手段之一。对于土与结构接触面试验研究方面,国内外许多学者已经做了很多相关的研究并取得了一系列重要的研究成果:C.S.Desai等研制了多自由度循环剪切仪(CYMDOF)进行土与混凝土接触面的静力和动力特性研究,得出接触面摩擦角随法向应力的增大而减小;J.G.Potyondy运用直剪仪研究了土与混凝土接触面的力学特性,探讨了影响土与混凝土接触面强度的主要因素;M.Uesugi和H.Kishida对干砂与钢板的接触面进行了试验,发现不均匀系数为1.1~5.1时,不均匀系数对接触面摩擦角的影响很小;凌华和殷宗泽开展了不同含水率的非饱和土强度试验,得出其强度随着含水率的增大而减小;王伟等进行了土与混凝土接触面的室内单剪试验,研究了在不同含水率下接触面的力学性能;张明义和邓安福利用改造的直剪仪,通过室内试验,研究了桩与土之间的滑动摩擦,得出在黏性土中,桩与土滑动摩擦具有明显的时效性;高俊合等通过研制大型单剪仪,对细粒土进行了土与混凝土接触面单剪试验研究,从试验结果得出了其剪切破坏带并确定了接触面的厚度;此外,胡黎明等也利用直剪试验对堆石坝坝料与结构的接触面特性进行了探讨。上述研究主要是针对建筑桩基和水利水电工程大坝的土或土石混合介质与结构的相互作用,并且接触面介质主要为黏土或者细粒土。然而,对于三峡库区堆积层滑坡,针对桩与土石混合体接触面的力学特性的剪切试验方面的研究则鲜有文献报道。因此,本文拟针对三峡库区特殊的消落带环境,以广泛分布的堆积层滑坡土石混合体与抗滑桩接触面力学特性为对象,通过一系列不同含水率、含石量和剪切速率条件下的室内大型剪切试验,分析抗滑桩与土石混合介质的接触面力学特性,探讨接触面抗剪强度参数在库区消落带环境下的变化特征和规律。2剪切试验，土石混合体与滑动剪切体之间的关系2.1试验方法和设备考虑到土石混合体含有不同粒径砾石的特殊性,而且砾石含量和含水率对土石混合体力学特性具有较大的影响。为尽可能减小剪切试验过程中粗粒土的尺寸效应,本文的系列试验均选择在大型直剪仪上进行。试验设备为中国科学院武汉岩土力学研究所研制的现场室内两用大型直剪仪(见图1)。上下剪切盒的净空几何尺寸为500mm×500mm×410mm(长×宽×高)。本直剪仪属于大型拼装式结构,主要由上下剪切盒、水平加载系统、垂直加载系统和量测系统组成(见图2),上下剪切盒之间通过滚珠连接,以便减小2个剪切盒间的摩擦。试验施加的水平力通过变频减速系统完成,法向力通过液压千斤顶施加,试验过程中的荷载与位移的变化分别通过荷载与位移传感器测得,然后通过数据自动采集仪记录并导入到电脑中读取。2.2土石混合体试验方案设计依据实际滑坡加固工程中抗滑桩和土石混合体的接触特征,试验时设计将下剪切盒设置成混凝土结构,模拟混凝土抗滑桩的界面,而上剪切盒内装入不同配比的土石混合体扰动样。抗滑桩设计采用C25强度等级混凝土,为模拟现场实际接触工况,下剪切盒混凝土配比与抗滑桩一致(水∶水泥∶砂∶石子=0.44∶1∶1.42∶3.17)。为探讨消落带内桩和土石混合体接触面的力学特性受到含水率和含石量的影响特征,设计了如表1所示的试验方案。试验的土石混合体样取自湖北巴东岩湾桥西堆积层滑坡体,进行了常规土工试验,获得相应的物性参数为:试样天然含水率为17%~25%,湿密度为1.93g/cm3,液限为37.8%,塑限为19.4%。试验前将土石混合体试样晾晒风干后进行筛分,获得的粒径级配曲线如图3所示。制样时根据所取原状样的基本物理性质,刨除粒径大于20mm的块石,并根据试验方案设计配制不同含水率和含石量的试样。将土样配制好后进行装样,并根据试样的密度和剪切盒的体积确定装样的质量,每次装样分3次击实,每次击实后对土样表面进行刮毛处理,使上下2层土样整合在一起,形成均质体。3试验结果及分析3.1不同含水率下接触面的强度三峡库区季节性水位涨落和大气降雨最终影响到滑坡体内含水率的变化,为此,试验过程中保持含石量(35.7%)不变,进行了含水率10%,18%和25%条件下的土石混合体与混凝土桩接触面剪切试验,剪切速率为0.006mm/s,获得相应的剪应力–剪切位移曲线如图4所示。从试验结果来看,各试验条件下接触面的剪应力均出现了明显的峰值,同一含水率条件下随着法向力的增大,接触面的峰值强度也不断增大。而对于不同含水率情况下,随着含水率的增大,接触面的抗剪强度峰值逐渐减小。这是因为在含水率较低情况下的剪切过程中,砾石受法向力作用在接触面产生挤压、翻滚并被部分剪碎,此时接触面剪切带是砾石与混凝土作用占主导,因而此时接触面的剪切强度主要受控于砾石的抗剪强度。当含水率增大到25%时,土体已接近饱和,一方面由于土体软化导致其本身黏聚力减小,另一方面由于砾石在剪切过程中容易被挤压进土体中,此时接触面上主要是黏土与混凝土的接触,其抗剪强度主要受控于黏土自身的抗剪强度。图5给出了典型的不同含水率下的接触面图形试验后照片。由此可见,在含水率低(18%)的情况下,接触面上残留有明显的外露砾石的痕迹,同时有些砾石在剪切的过程中被挤压破碎。而随着含水率的增大(25%),土石混合体相对软化,因此在剪切的过程中,砾石在法向力和切向力共同作用下被推挤进入土体中,因而在接触面照片上基本上看不到残留砾石的痕迹。这一结果也说明了接触面抗剪强度的变化在宏观机制方面主要受黏土或砾石控制的推断。3.2桩-土石混合体接触面力学特性由于三峡库区堆积层滑坡体夹杂有大量不同粒径的砾石,而含石量是影响土石混合体力学特性的重要参数之一。因而探讨不同含石量下接触面的抗剪强度并分析相关的力学特性,对于研究三峡库区该类滑坡及其加固工程有着重要的意义。为此,试验保持18%的含水率,设计了14.2%,19.6%,35.7%,42.1%四种含石量,剪切速率为0.006mm/s,得到不同含石量剪应力–剪切位移曲线见图6。从剪应力与剪切位移曲线(见图6)分析,由于土石混合体介质本身含不同粒径砾石的特殊性,使得桩土接触面力学特性受到砾石、黏土与混凝土面接触状态的控制,还受到试验剪切过程中砾石可能的滑动、滚动等运动状态的影响,区别于百分表的间歇性数据测读,通过电子传感器捕获系统实时采集得到的剪应力和剪切位移曲线具有显著的波动特性。根据试验结果统计不同含石量条件下法向应力为400kPa时峰值强度曲线如图7所示。由此可见,随着含石量的增加,接触面抗剪强度呈现先减小后增大的抛物线型变化趋势,当含石量为35.7%时为拐点位置。显然,在含石量增大的初期,接触面逐渐由混凝土–黏土接触转化为混凝土–部分砾石接触,此时抗剪强度减小,接触面力学特性主要由黏土特性控制。但当砾石含量达到一定水平后,接触面逐渐由混凝土–黏土接触转化为混凝土–砾石接触,此时接触面力学性质主要由砾石特性控制,所以使得抗剪强度增大。这一点从图8中可以清楚看出,含石量35.7%和42.1%两种条件下的接触面出露明显的砾石。3.3剪切速率对试验结果的影响为探讨试验过程中不同剪切速率对接触面的力学特性的影响,设计了0.006和0.06mm/s两种剪切速率,保持相同的含水率(18%)和含石量(35.7%),得到不同法向应力σ下的接触面剪应力–剪切位移关系曲线如图9所示。上述试验结果表明,不同的剪切速率对接触面抗剪强度有显著的影响。剪切速率大的情况下其相同法向应力下的抗剪强度明显大于剪切速率小的情况。同为400kPa法向应力下,剪切速率0.006,0.06mm/s的峰值抗剪强度分别为150,190kPa,黏聚力c分别为23.5,25.5kPa,而内摩擦角ϕ分别为16.3°,20.7°。然而,在法向应力比较低的情况下,抗剪强度受剪切速率的影响相对较小。随着法向应力的增大,同水平法向应力下的抗剪强度增幅也随之增大。根据试验结果,在法向应力较低(100kPa)的情况下其增幅约为20%,当法向应力升高到400kPa后,增幅最大可达到40%。同时剪切速率增加后试验过程中剪应力的波动明显减小。这是因为当剪切速率增大后,接触面上的砾石来不及发生移动或翻滚便可能被挤压破碎,因而抗剪强度变化的幅度较小,由此得到图9(b)所示的曲线较为平滑。3.4含水率的影响根据上述试验结果,统计每种试验条件下记录的法向应力(σ)和剪应力峰值(τmax),通过拟合法向应力和剪应力关系曲线,得到不同含石量和不同含水率条件下的接触面抗剪强度参数(c,ϕ),其变化曲线分别如图10,11所示。从图10可以看出,随着含石量的增大,黏聚力c值逐渐减小,而内摩擦角ϕ值的变化则存在有一个临界值,低于该值时ϕ值逐渐减小,高于该值时ϕ值增大。将试验结果进行多项式拟合后可得如下的函数关系:式中:m为含石量(%)。从图11可以看出,随着含水率的增大,黏聚力c呈现缓步减小的趋势,曲线斜率逐渐变小,而内摩擦角ϕ呈现快速线性减小的趋势。当含水率增大使得土石混合体趋近饱和时,c值的减小趋势则渐趋平稳。将试验结果进行多项式拟合后可得如下函数关系:式中:w为含水率(%)。4土石混合体与抗剪强度参数对连续工艺参数影响分析通过不同含水率、不同含石量和不同剪切速率条件下的土石混合体与混凝土桩的接触面力学特性试验,得到以下几方面的结论:(1)接触面的抗剪强度随着含水率的增大,c,ϕ值均减小,但ϕ值的下降速率显著大于c值;而抗剪强度随着含石量的增大,呈现出先减小后增大的趋势,所得的强度参数中c值减小,ϕ值先减小后增大。(2)土石混合体与抗滑桩的接触面力学特性还受到剪切速率的影响,剪切速率越大,抗剪强度也随之增大,此外,剪切速率增大后,试验过程中抗剪强度的波动则明显减小。(3)由于土石混合体介质本身的特殊性,使得接触面力学特性受到砾石、黏土与混凝土面接触状态的控制,并且还受到试验剪切过程中砾石可能的滑动、