基金项目:国家自然科学基金项目(51608436); 陕西省自然科学基础研究计划(2022JM246);
第一作者:刘 华(1983—),男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事环境岩土工程方面研究.E-mail:liuhua029@xauat.edu.cn
(1.西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055; 2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室,陕西 西安 710055; 3.西安理工大学 土木工程学院,陕西 西安 710048)
(1.School of Civil Engineering, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an 710055, China; 2.Shaanxi Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering, Xi'an 710055, China; 3.School of Civil Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048 China)
Contaminate loess; Recompacted loess; Interface characterize; Direct shear test
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2023.01.014
土体与建(构)筑物等结构面的相互接触作用是工程体致灾与否的关键因素之一[1].接触面单元在两侧不同的介质[2]、孔隙水状态[3]、环境温度[4]、应力水平[5]等作用下产生的滑移、摩擦等行为,使得这种相互作用关系较单一材料而言更为复杂.考虑土体中孔隙水成分诱发的强度变化[6]与结构物界面几何表征[7]等特性存在较大的变化,两者相互作用时接触面附近的土体会受到结构物表面强烈约束而影响,表现出独特的变化结果[8].因此,水化学污染黄土在与结构物接触时的本构关系及接触特征参数是进行设计计算的基础.
目前,国内外学者[9-10]对土-岩石、土-混凝土、岩石-混凝土等界面强度演变开展了一系列的研究工作.1968年Goodman[11]提出了Goodman节理单元,有效解决了土与结构面的相互作用机理问题,但由于法向刚度的人为调整而引起的计算偏差,Desai[12]于1984年提出了薄层单元计算模式,进行了法向和切向刚度之间的协调.邵伟等[13]提出了非线性薄层单元模式,综合考虑了法向和切向的非线性模式.Clough和Duncan等[14]提出的剪切应力-水平位移的双曲线模型,目前仍得到了广泛的应用.进一步地,Brandt[15]对该双曲线模型进行了简化.上述研究从力学机制和计算模式上进行了引领性的探索.
在不同应力工况的加载模式方面,冯大阔等[16]探讨了循环单剪条件下的界面剪切特性,王伟等[17]探讨了反向单剪条件的界面间接行为,FENG等[18]研究了砂砾土-钢结构接触面的动力剪切行为.陆勇等[19]、张雅慧等[20]探讨了不同粗糙度下粗颗粒土与混凝土的接触面剪切特征演变结果.在环境土工与特殊土工程方面,石熊等[21]探讨了红黏土与混凝土界面的剪切特性,徐泽友等[22]探讨了高塑性黏土与混凝土界面的剪切特性,申艳军等[23]探讨了岩石-混凝土界面的冻融循环条件的劣化机制,牟春梅等[24]探讨了碱液污染土的强度劣化演变结果,以上研究均为特殊环境工况下的界面剪切特征得出了有益的结果.
考虑到黄土地区工程体与周边土体的共存现状和地表径流与地下水化学环境的可能变化,本文对黄土-混凝土界面的直剪行为进行试验研究,探讨不同种类、浓度的酸碱溶液对土-混凝土界面剪切特征的演变规律和结果,以期为酸碱溶液等孔隙水化学变化条件下的界面剪切特征进行分析,为工程建设、运营和环境治理与灾害预判提供参考.
本次试验所用土样取自西安市三爻街道某待建场地的基坑内,土样为原状Q3黄土,土料特征为褐黄色,有少量虫孔.按照《土工试样方法标准》[25]将所取土样进行粉碎、晾晒、过筛(2 mm)、烘干四个程序,制备成所需的重塑土样.取土现场见图1,土样的基本物理参数见表1.
将过筛烘干后的土样进行水化学配置,含水率水平取土样的天然含水率18%.试样分为蒸馏水对照组和酸碱溶液污染组,以蒸馏水为配制基液,分别配制摩尔浓度为:0.1、0.5、1、2 mol/L的HCL和NaOH溶液,进行配水后按照标准击实的程序和步骤进行击实,并对击实后的重塑土样进行密封静置保存48 h,以便土-水体系充分反应.静置完成后,将土样切削至300 mm×300 mm×100 mm尺寸装入直剪仪上盒,见图2.
其中,混凝土试样制备过程共5步:①使用箱体尺寸400 mm×300 mm×100 mm为作为模具,在箱体内壁均匀涂抹一层凡士林,四周用角钢进行加肋增强; ②使用PO32.5普通硅酸盐水泥拌合粗细骨料制作混凝土试块,水泥、粗骨料、细骨料和水比例为0.38:1.1:1:2.72,由于试样的缩尺要求,确保试样尺寸达到骨料最大粒径10倍以上; ③将混凝土均匀的装入箱体中,振捣抹平使试样厚度与箱体高度相同; ④将浇筑完成的混凝土试样按照标准程序养护28 d,并测试28 d龄期强度为35.6 MPa; ⑤试样拆模后,测量试样尺寸,略微打磨试块不平整面,最终作为测试用的混凝土试块.
试验采用测试仪器为土工大型界面剪切仪.包括大型直剪系统Shear Trac Ⅲ和计算机控制系统,可基于微步进马达施加水平荷载自动完成土和混凝土界面的直剪试验,从而确定土和混凝土界面的摩擦特性.试验仪器原理图如图3所示:
整个试验中,,每次试验结束都对混凝土试块表面进行清理、烘干.试验严格按照以及《土工试验方法标准》(GB50123—2019)进行.在试验过程中.法向压力分为4个水平:50、100、200、300 kPa.在加载过程中,控制剪切速率为0.8 mm/min,一直加载到接触面破坏为止(或以15%应变为止),记录整个法向和切向应力-位移过程.
考虑到黄土试样被不同酸碱溶液污染侵蚀的预设条件,土体颗粒表面被水化学环境溶蚀,颗粒组构进行重组和内部表面摩擦特征的演变,为探寻孔隙水污染状态对土-混凝土接触面强度特征的影响,得到了不同孔隙水污染工况下土-混凝土界面剪应力-水平位移曲线.其中,将水平位移为40 mm时对应的剪切应力作为最终剪切强度.
由图4可见蒸馏水环境下的土-混凝土界面的剪切曲线形态为应变硬化型,剪应力-水平位移曲线符合双曲线模型,其形态具体表达式见式(1).曲线的切线模量表达式见式(2).由图5可见切线模量呈现出显著的指数型函数关系特征,其值随着水平位移的增大而迅速衰减,且初始切线模量随着法向应力的增大而增大.
τ=(ΔUs)/(m+nΔUs)(1)
Ks=m/((m+nΔUs)2)(2)
式中:m为Ksi-1,即初始切线模量的倒数,单位为mm×kPa-1; n为试验参数,单位为kPa-1; Ks为切线模量,单位为MPa; ΔUs为水平位移,单位为mm.
图4 蒸馏水工况下剪应力-水平位移曲线
Fig.4 The relationship between shear stress and shear displacement under distilled water
对比盐酸溶液污染下的剪切应力-水平位移曲线,由图6可知,随着法向应力的增大,强度随之增大,但同一法向应力条件下随着污染液浓度的增大,强度反而降低.
图6 HCL溶液污染下剪切应力与水平位移曲线
Fig.6 The relationship between shear stress and shear displacement under acid solution
这表明随着盐酸污染液浓度增高,污染土与混凝土界面的剪切强度逐步衰减(见图7).
图7 HCL溶液污染下表观黏聚力与内摩擦角演变
Fig.7 The relationship between apparent cohesion and friction angle under acid solution
且在低法向应力条件下这种差异并不显著,随着法向应力的增大,这种差异越来越显著.黄土中存在大量碳酸钙胶结物,此类钙质胶结物是构成黄土颗粒表面和孔隙填充物的重要组成部分.在酸性溶液侵蚀作用下,土中钙质胶结物逐渐被溶蚀形成析出盐,在法向应力的影响下试样中的大孔隙逐渐减小,且随着酸性溶液浓度越高,土中钙质胶结物被溶蚀的比例越大、越充分,进而将黄土的架空结构体系逐步改善为散粒结构,间接增强了机械咬合和摩擦的难度,使得表观黏聚力反而呈增大的趋势.反之,颗粒间接触的破坏和孔隙的重构,使得颗粒表面的接触更加光滑,呈现出内摩擦角随着浓度的增大而降低.但是,从剪切破坏的结果来看,内摩擦角的降低影响要远远大于表观黏聚力增大的影响,使得剪切强度从宏观上随着浓度的增大而降低.强度指标演变规律详见表2.
表2 不同污染状态下界面的表观黏聚力和内摩擦角
Tab.2 The apparent cohesion and friction angle under different contaminate conditions
对比图5和图8可知,切线模量的曲线形态基本一致,但是随着污染液浓度的增大,初始切线模量随之减小.考虑到从地表向下,自重应力逐渐增大,污染液下渗的浓度逐渐减小,高浓度污染液影响下的强度快速衰减,同样初始切向模量也快速衰减.同时,其破坏强度比Rf也随着法向应力和溶液浓度呈现出不同的变化趋势.不同污染状态的切向有关拟合参数详见表3.
图8 HCL溶液污染工况下切向模量与水平位移曲线
Fig.8 The relationship between tangent modulus and shear displacement under acid solution
NaOH溶液污染黄土与混凝土的界面剪切特征曲线也呈现出硬化型的形态.随着法向应力的增大,土体剪切强度也随之增大.但低法向应力、高浓度的试样却小于高法向应力、低浓度的剪切强度.对比图6、图9和图 12可知.同一法向应力下,同浓度的碱液污染土样强度要比蒸馏水强度增强,酸液污染土样的强度要比蒸馏水减弱.而污染液浓度即使降低,但是随着法向应力的增大,其强度也随之增大.可以看出法向应力对于最终界面剪切强度的影响要大于污染液的影响.
表3 不同污染状态切向有关拟合参数
Tab.3 Tangent relative parameters for interface under different contaminate conditions
图9 NaOH溶液污染下剪切应力与水平位移曲线
Fig.9 The relationship between shear stress and shear displacement under alkali solution
图 10 NaOH溶液污染下表观黏聚力与内摩擦角演变
Fig.10 The relationship between apparent cohesion and friction angle under alkali solution
而相较于HCL污染溶液的抗剪强度指标,随着碱液浓度的增大,表观黏聚力却衰减,内摩擦角却增大.这是由于碱液与碳酸盐与硫酸盐反应生成的难溶盐集聚在颗粒表面和孔隙中,进一步增大了颗粒滚动和平移的难度,间接增大了内摩擦角.而形成的难溶盐与颗粒的连接却随着生成物的增加而降低.
同理由图 10 可见,低法向应力下的强度变化较小,而随着法向应力的增大,其宏观剪切强度随着浓度的增大而增大较多.
由图 11可见,尽管随着碱液浓度的增大,但剪切模量也是受法向应力的主要控制,成指数函数衰减.但对比图8可知,同浓度的酸碱溶液,其碱液诱发的初始剪切模量要较酸液的初始剪切模量要大.从宏观上体现为碱液污染的黄土-混凝土界面抗剪强度更高.
图 11 NaOH溶液污染工况下切向模量与水平位移曲线
Fig.11 The relationship between tangent modulus and shear displacement under alkali solution
接着,图 12为不同法向应力下两种浓度污染的黄土-混凝土剪切应力-水平位移对比曲线.可以明显地看出其强度差异对比.法向应力增大,剪切强度增大,碱液增强了界面剪切强度,而酸液降低了界面剪切强度.
通过上述试验研究,得到了以下几点结论:
(1)重塑污染黄土与混凝土界面的摩擦特征曲线在剪切方向均呈现出显著的双曲线关系,且切向刚度及拟合参数与法向应力和污染物浓度、种类密切有关,切向刚度随水平位移呈指数函数递减;
(2)HCL污染溶液随着浓度的增大,表观黏聚力增大,内摩擦角减小; NaOH溶液则相反.但剪切强度均呈现出碱液增强,酸液减弱的趋势;
(3)对比蒸馏水状态的土-混凝土界面剪切特征,提出了考虑土样孔隙水污染的强度指标变化特征,可为污染黄土与混凝土界面接触行为分析提供参考.