接觸面大型單剪試驗(yàn)的操作及現(xiàn)象分析

1、接觸面大型單剪試驗(yàn)的操作及現(xiàn)象分析摘要：工程中廣泛存在土與結(jié)構(gòu)相互作用問題，本文總結(jié)了目前的一些研 究以及缺陷，利用河海大學(xué)研制的接觸面大型單剪儀進(jìn)行土與結(jié)構(gòu)接觸面 性質(zhì)的研究，介紹了該試驗(yàn)儀器的原理和組成系統(tǒng)，介紹了單剪試驗(yàn)中的 操作步驟及其操作方法，并說明了其中的注意事項(xiàng)，最后介紹了試驗(yàn)結(jié)果， 并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為單剪試驗(yàn)是由多個(gè)直剪試驗(yàn)組成，在一定 程度上仍存在面積減小和應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，由于目前的規(guī)范還沒有涉及接 觸面單剪試驗(yàn)，筆者根據(jù)自己的試驗(yàn)經(jīng)歷作了總結(jié)分析，以供同行參考交 流。關(guān)鍵詞：大型單剪儀；接觸面；單剪試驗(yàn)；應(yīng)力應(yīng)變1.引言在土工建筑物中，常會(huì)遇到土與結(jié)構(gòu)的交界面，如

2、水利工程中土石壩 的混凝土心墻與反濾料，防滲墻與地基覆蓋層，混凝土面板壩中面板與墊 層等，其他土工建筑物如擋土墻，樁與樁周土等等。由于接觸界面兩側(cè)材 料特性的差異，在界面兩側(cè)常存在著較大的剪應(yīng)力并發(fā)生位移不連續(xù)現(xiàn) 象，從而產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力及變形現(xiàn)象。如何合理地描述接觸面的力學(xué)特性 是能否解決土與結(jié)構(gòu)相互作用問題的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)接觸面問題進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究，先前的研究主 要集中在直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，但直剪試驗(yàn)存在接觸面破壞位置被限定的缺 陷，后來人們研制了各式各樣的單剪儀來研究接觸面的受力與變形。吳軍 帥和姜樸1 通過單剪儀對(duì)接觸面的動(dòng)力性能作了研究。盧廷浩等2作了較為詳盡的土與不同結(jié)構(gòu)的

3、試驗(yàn)，觀察了接觸面的錯(cuò) 動(dòng)位移和剪切位移。與直剪儀相比，單剪儀設(shè)計(jì)了多個(gè)疊環(huán)而不是僅有一 個(gè)上盒。試驗(yàn)時(shí)，將土樣裝在重疊的多個(gè)疊環(huán)中。剪切過程中，土樣可沿 任何疊環(huán)面產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)變形。可見，單剪儀的改進(jìn)之處在于破壞面未加以人 為限定，剪切破壞發(fā)生在實(shí)際的最軟弱面上，而且克服了直剪試驗(yàn)過程中 接觸面積不斷減少的不足。現(xiàn)行的土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999) 3未涉及接觸面單剪試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)方法沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)定。筆者根據(jù)河 海大學(xué)研制的大型單剪儀進(jìn)行粘土與混凝土接觸面的試驗(yàn)，根據(jù)自身體 會(huì)，作了一些總結(jié)和分析，以便同行之間的溝通和交流。試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備采用河海大學(xué)研制的大型單剪直剪儀(

4、DHJ-30)，其基本結(jié)構(gòu) 形式和工作原理與常規(guī)直剪儀相似。其先進(jìn)之處在于疊環(huán)尺寸大，直徑 S=300mm，能夠在很大程度上降低試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)；配有液壓加壓系統(tǒng)， 能夠提供更高的垂直壓力，能夠?qū)Ω邞?yīng)力條件下接觸面的力學(xué)性能進(jìn)行模 擬；能夠控制應(yīng)力路徑，可以模擬施工過程中接觸面的復(fù)雜加載路徑。該設(shè)備配有位移傳感器和計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，垂直位移及水平 位移均采用光柵位移傳感器完成測(cè)量，并通過計(jì)算機(jī)來存儲(chǔ)，降低了讀數(shù) 及數(shù)據(jù)處理過程中人為因素帶來的影響。配有液壓系統(tǒng)及電氣操作控制柜 以對(duì)試驗(yàn)的加載卸載過程進(jìn)行控制，垂直加載系統(tǒng)分為低壓和高壓兩個(gè)系 統(tǒng)，以便于對(duì)不同的壓力等級(jí)進(jìn)行控制。水平加載采用

5、等應(yīng)變速率加載， 由計(jì)算機(jī)控制變頻電機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)加載。設(shè)備配置自動(dòng)化程度高，降低 了人為因素對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響，操作方便。試樣用料本次試驗(yàn)采用某大壩工程心墻高塑性粘土，比重Gs = 2.75，液限WL =49%，塑限WP = 18%。首先將風(fēng)干的土樣過5mm篩，配置各含水率 下的土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出最優(yōu)含水量為18% ,最大干密度pd =1.65g/cm3。為接近工程實(shí)際，試樣含水量按18%配制，干密度取 1.64g/cm3。試驗(yàn)中的接觸面為混凝土一高塑性粘土接觸面，試驗(yàn)機(jī)下盒放 置混凝土板，板面保持自然粗糙，上層為取自該擬建大壩工程高塑性粘土 土樣。試驗(yàn)方法試驗(yàn)在五級(jí)不同的法向應(yīng)力下分別進(jìn)

6、行，法向應(yīng)力on分別取100kPa、 200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa。剪切速率設(shè)定為 0.6mm/min，在每級(jí) 法向壓力下首先進(jìn)行固結(jié)，待固結(jié)基本穩(wěn)定后保持法向壓力不變進(jìn)行剪切 試驗(yàn)，采用固結(jié)快剪方式，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)讀垂直位移和水平位移以及水平剪 力。4.1裝樣4.1.1 土樣擊實(shí)單剪試驗(yàn)的裝樣空間不是一個(gè)整體，而是由多個(gè)疊環(huán) 重疊形成一個(gè)圓柱體空間。在制作疊環(huán)時(shí)，應(yīng)在平面邊緣對(duì)角線的位置預(yù) 布兩個(gè)圓孔，安裝時(shí)用螺栓插入與底坐固定在一起,以保證各環(huán)同心，防止 裝樣過程中疊環(huán)之間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，裝樣完成后再取出。為了達(dá)到工程中土的 干密度，裝樣的過程中土樣要分層擊實(shí)，土樣擊實(shí)過

7、程中，必須采取相應(yīng) 措施防止土粒進(jìn)入疊環(huán)間的夾層。否則，疊環(huán)不能嚴(yán)密接觸，必將對(duì)該二 疊環(huán)間形成軟弱面。筆者采取的是在裝土空間四周貼一層薄膜，以起到隔 離土粒的作用。由于疊環(huán)厚度小，剛度差，擊實(shí)過程應(yīng)注意防止疊環(huán)變形。采用輕型 擊實(shí)，且嚴(yán)格分層。每層試樣高度宜相等，兩層交界處的土面應(yīng)刨毛。擊 實(shí)完成后，高出部分用小刀輕輕削去。土樣擊實(shí)并修平上表面后，在其上 放一塊圓形透水布和一塊帶孔鋼板，再在其上放置傳力板。傳力板必須有 相當(dāng)剛度，并與最上面的疊環(huán)緊密接觸。4.1.2位移傳感器安裝為了記錄固結(jié)過程中的垂直位移和剪切過程中的垂直位移與水平位 移，需要在傳力板上方和疊環(huán)側(cè)面安裝傳感器。為了準(zhǔn)確測(cè)量

8、位移，垂直 光柵共裝四支，應(yīng)注意使光柵呈正方形均勻布置，安裝在垂直壓力傳壓板 的外邊緣，保證其垂直。準(zhǔn)確測(cè)量水平位移更是單剪試驗(yàn)的主要目的，在 每一個(gè)疊環(huán)旁及混凝土板旁安裝光柵位移傳感器。光柵必須確保水平，注 意光柵計(jì)是否有足夠的量程以量測(cè)疊環(huán)和混凝土板的位移。4.2固結(jié)根據(jù)工程實(shí)際和土的種類確定是否施加固結(jié)及固結(jié)時(shí)間。固 結(jié)開始前先手動(dòng)拉動(dòng)各光柵，并觀察電腦記錄數(shù)據(jù)是否有相應(yīng)跳動(dòng)，如果 跳動(dòng)說明能夠測(cè)讀位移。對(duì)各位移記錄進(jìn)行清零，然后按設(shè)定的垂直壓力 進(jìn)行加載。加載時(shí)小心調(diào)整上升旋鈕，至接近目標(biāo)荷載后改用微調(diào)旋鈕， 防止操作不慎垂直壓力超過設(shè)定壓力值。記錄下不同垂直荷載作用下的沉 降，以便于

9、此后計(jì)算土體的壓縮系數(shù)等指標(biāo)。4.3剪切剪切前，先設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)。設(shè)定采集數(shù)據(jù)的頻率為每10秒鐘讀一次 數(shù)據(jù)。剪切速率的設(shè)定是相當(dāng)重要的一環(huán)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際設(shè)定合適的剪 切速率。河海大學(xué)研制的該單剪儀可從01.0mm/s任意設(shè)置，可滿足各種 需要，本次試驗(yàn)?zāi)M固結(jié)快剪過程，剪切速率設(shè)定為0.6mm/s。參數(shù)設(shè)定 后，施加水平力于土樣底板，剪切開始，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)垂直位移及各疊環(huán) 和混凝土板的水平位移進(jìn)行測(cè)讀。4.4卸載試樣達(dá)到破壞后，要卸除對(duì)試樣的載荷。水平荷載和垂直荷載的卸除 是有先后順序的，先解除水平荷載，后解除垂直荷載。如果先卸除垂直荷 載，水平力會(huì)繼續(xù)拉動(dòng)剪切盒移動(dòng)，并且水平位移會(huì)急劇增加

10、，會(huì)給儀器 帶來損壞。4.5拆樣由于疊環(huán)發(fā)生了錯(cuò)位，圓柱體土樣也隨之發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)變形。拆樣后可 清楚地看到土樣在邊緣上產(chǎn)生的一系列臺(tái)階。根據(jù)臺(tái)階寬度的大小可確定 錯(cuò)動(dòng)位移最大的平面，也就可定性地判斷其為軟弱破壞面。同時(shí)，根據(jù)土 樣彎曲后的形狀繪圖，找到其上的拐點(diǎn)，對(duì)于接觸面薄層單元計(jì)算中厚度 t的取值作為參考。試驗(yàn)結(jié)果單剪試驗(yàn)通常用于模擬土與結(jié)構(gòu)接觸面的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。由于接觸面 的滑動(dòng)破壞并不是僅發(fā)生在一個(gè)面上，而是帶動(dòng)一定的土體而形成一個(gè)剪 切錯(cuò)動(dòng)帶，因此，通過單剪試驗(yàn)測(cè)得各級(jí)垂直壓力P下剪力T及對(duì)應(yīng)的 剪切位移&并確定接觸面厚度t，則可通過式(1-1)、(1-2)和(1-3)求得剪應(yīng) 變Y、

11、正應(yīng)力on和剪應(yīng)變T，式中A為試樣的截面積。試驗(yàn)現(xiàn)象分析雖然單剪試驗(yàn)較直剪試驗(yàn)而言有了很多的改進(jìn)，但是我們通過對(duì)試驗(yàn) 后的土樣觀察發(fā)現(xiàn)，單剪試驗(yàn)中仍然存在試驗(yàn)過程中接觸面積減小和應(yīng)力 分布不均勻現(xiàn)象，如圖3所示。其實(shí)，單剪試驗(yàn)是由一系列的直剪試驗(yàn)組 成，每相鄰的兩個(gè)疊環(huán)之間形成一個(gè)小型的直剪試驗(yàn)，所以也存在直剪試 驗(yàn)所存在的問題，像疊環(huán)之間土體接觸面積減小、應(yīng)力不均勻現(xiàn)象。但是 由于接觸面的錯(cuò)動(dòng)位移由多個(gè)疊環(huán)之間的錯(cuò)動(dòng)位移共同分擔(dān)，因此接觸面 積減小和應(yīng)力不均勻現(xiàn)象沒有直剪試驗(yàn)的那么明顯。如果疊環(huán)越多，并且 疊環(huán)的厚度越小，直剪試驗(yàn)中的現(xiàn)象在單剪試驗(yàn)中就體現(xiàn)的越不明顯。但 是用的疊環(huán)越多會(huì)導(dǎo)致

12、疊環(huán)之間的摩擦力影響試驗(yàn)測(cè)得的剪力，所以也不 是越多越好。7.結(jié)論迄今為止，尚未有關(guān)于接觸面單剪試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范出臺(tái)，而且現(xiàn)有的 單剪儀大多為各高校或科研院所自行研制，在儀器規(guī)格、操作方式上都存 在著差異，所得到的試驗(yàn)結(jié)果也存在一定的差異。本文針對(duì)河海大學(xué)研制 的大型單剪儀操作方法、注意事項(xiàng)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了介紹，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn) 象的觀察認(rèn)為接觸面單剪試驗(yàn)是由一系列的直剪試驗(yàn)組成，雖然相對(duì)直剪 試驗(yàn)有很大的改進(jìn)，但仍然存在面積減小和應(yīng)力不均勻的現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)吳軍帥，姜樸.土與混凝土接觸面的動(dòng)力剪切特性J.巖土工程 學(xué)報(bào)，1992, 14(2)： 61-66.張冬霽，盧廷浩.一種土與結(jié)構(gòu)接觸面模型的建立及應(yīng)用J.巖 土工程學(xué)報(bào)，1998, 20(6)： 62-66.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) Standard for soil test method, GB/T 50123-1999.沈晨，土工試驗(yàn)中的一些體會(huì)J.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，2