先期固结压力对土与结构材料界面摩擦性能的影响.pdf

岩土工程界 第11卷 第2期检测与分析 〔 收稿日期 〕 2007 - 7 - 23 先期固结压力对土与结构材料界面摩擦 性能的影响 肖俊华 1 张晓锋 2 张邦花 1 1. 山东建筑大学 2.上海市基础工程公司 摘 要 利用直剪仪对原状土与结构材料钢块进行界面摩擦试验,发现土体的先期固压力对界面摩擦 行为具有重要的影响,当土体的先期固结压力大于试验时的固结压力也即正应力时,土与钢块的 界面之间具有较高的表观摩擦系数,反之则小。对此现象从土体结构损伤的角度进行了合理的 分析与探讨。将超固结压力对界面摩擦的影响同平面应变试验结果进行了对比,发现先期固结 压力对土体内外力学性质影响具有相似性,利用相似性可对不同试验结果进行相互验证。 关键词 界面摩擦试验 先期固结压力 表观摩擦系数 结构损伤 通常认为,先期固结压力是指土曾经受到的最 大自重应力值,以pc表示。王清等认为 [1 ] ,土体的 先期固结压力不仅由上覆荷载作用所致,还与土体 的结构与环境因素密切相关。土体从微观上来说都 是具有结构性的,沈珠江 [2 ]认为 ,对于原状结构性 土pc与有效垂直压力p0之比不宜称为超固结比, 理应称为结构应力比。陈金波等 [3 ]认为 ,传统方法 测定的先期固结压力应为结构屈服压力 σk,结构屈 服压力σk是先期固结压力 pc与结构强度q之和, 而结构强度是由于土沉积过程中的物理化学因素使 颗粒相互接触产生的固化联结键而形成的。 岩土工程界就先期固结压力对土体性质的影响 进行了大量的研究。邱青长等 [4 ]通过对软粘土的 固结快剪试验,认为其抗剪强度随Pc增大而增长, 相同固结压力,内摩擦角随固结度变化较大,粘聚力 与固结压力呈线性增长,内摩擦角随先期固结压力 增大到一定值时趋于稳定。余红等 [5]通过对两种 固结状态下的粘性土的直剪试验研究,得到其剪应 力与相对位移关系曲线在正常固结时呈逐渐硬化类 型,超固结时呈峰值后软化类型。叶朝汉等 [6 ]对常 规三轴条件下及平面应变条件下前期固结压力对土 体力学性质的影响也进行了有益的探讨。丁树云 等 [7 ]利用电磁式振动三轴仪研究固结比对饱和粉 土液化性能的影响。然而以上对前期固结压力的研 究,都局限于对土体本身动静力学性质的影响,包括 对土体强度、 变形及液化特性的影响。 在工程实践中,常常会遇到超固结土与结构材 料界面接触并产生摩擦时的情况,如桩土接触问题, 地下连续墙与土体的接触问题。为了研究前期固结 压力对土与结构材料界面摩擦性能的影响,选择了 两种有代表性的土样,进行了土与钢块的界面摩擦 试验研究,并将试验结果同以前土体的平面应变试 验结果进行了对比,得到了一些探索性的结论。下 文中提到的先期固结压力pc既包含了土体曾受到 的最大上覆有效应力,也包含了结构强度。 1 试验方法与土样 采用应变控制式盒式直剪仪进行固结快剪试 验,剪切室上下盒内径为6118cm。试验时上盒放土 样,下盒放结构材料钢块。制备的钢块其表面光 滑程度尽量接近钢桩表面。钢块与盒壁周围有微小 空隙,允许固结过程中排水。钢块装样过程中,通过 下面垫滤纸或调整试样盒周围的螺丝使钢块与下盒 的顶面高度一致,以确保剪切时沿着土与钢块的界 面发生。 直剪试验前先对土样进行固结,每组土样的固 结压力分别取50、100、200、300kPa,固结时间为 24h。然后进行界面剪切试验,剪切速率为018mm min - 1。直剪试验初始阶段 剪切位移s≤1mm , 每产生011mm剪切位移记录一次剪应力读数;之后 s1mm每产生012mm剪切位移记录一次剪应力 读数,剪切位移达到6～8mm时结束试验。 试验时选取了上海有代表性的两种天然土层 第 ② 层褐黄色粉质粘土层及第 ④ 层灰色淤泥质粘土 层。取土器外径为108mm。两层土的物理力学参 数见表1。 76 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 检测与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 表1 土的物理力学性质表 层序 土层 名称 取样深度 /m 含水量 ω/ 重度 γ/kNm- 2 比重 G 孔隙比 e0 液限 wL/ 塑限 wp/ 塑性指数 Ip 液性指数 IL 压缩模量 Es011 - 012/MPa 直剪固快峰值 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 φ / 比贯入阻力 pc/MPa ② 褐黄色 粉质粘土 110～21327151819 2173 018035132016141701465162023100182 ④ 灰色淤 泥质粘土 1210～121348171619 2174 1136421223141818113521281010150160 在三角洲地区,地层沉积后由于环境因素的影 响,即长期的地表蒸发颗粒间的胶结作用增强,在地 表往往形成“ 硬壳层 ”,上海第 ② 层褐黄色粉质粘土 层即属此种类型的土层。该层的先期固结压力不仅 仅是上覆地层压力,还应包括环境因素对先期固结 压力的“ 贡献 ”,有时结构强度所占的比例是可观 的。 第 ④ 层灰色淤泥质粘土为地质历史时期形成的 软土层,由于其沉积时呈絮状结构,因此固结过程缓 慢,结构性强,其结构性主要是由于化学键的联结引 起的。在地面无明显变动的情况下可以认为其天然 状态下的先期固结压力即为其上覆土压力或略大于 上覆土压力。根据其埋深及地下水位情况推测灰色 淤泥质粘土的先期固结压力约120kPa。 2 试验结果及分析 2. 1 先期固结压力对的剪力-相对位移归一化关 系曲线的影响 两种土的剪应力也即界面摩擦力τ与相对 位移s之间的关系曲线如图1、2所示。 由图1可见,对褐黄色粉质粘土,在试验固结压 力也即界面剪切时的正应力σs为50、100、 200kPa时,τ-s曲线上剪力值先达到某一峰值强 度,然后略有下降,但这种界面弱化的现象并不明 显。这是否由于先期固结压力pc大于试验时的固 结压力σn、 结构强度在起作用而导致微弱的峰值现 象,无法作出明确判断。由图2可见,对灰色淤泥质 粘土,τ-s曲线逐渐上升直至峰值,无界面弱化现 象。 为了探讨先期固结压力对界面摩擦的影响,对 以上曲线进行归一化处理,以 τ/σn为纵坐标,以s 为横坐标,则得到图3及图4所示的归一化曲线。 归一化曲线簇集中在更小的带状范围之内。 对归一化曲线,令 μ τ σn ,则 μ值为界面剪应 力与正应力之间的比例系数,它是一种表观摩擦系 数,既包含了界面之间粘聚力的贡献,也包含了土体 钢块糙面间的咬合力贡献,还可能受结构强度的影 86 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩土工程界 第11卷 第2期检测与分析 响。 由图3可见,对褐黄色粉质粘土,当 σn为50、 100、200kPa时,τ/σn-s曲线有峰值现象。σn越小 曲线越位于曲线簇的上方,μ值越大,界面充分滑移 达摩擦稳定时的表观摩擦系数越大。σn为200、 300kPa时,达摩擦稳定时两条曲线近于重合。由图 4可见对于灰色淤泥质粘土,τ/σn-s曲线虽不具峰 值现象,但仍表现为 σn越小越位于上方。σn为 50kPa时的曲线明显偏离其他三条线,其他三条线 后段近于重合,但 σn为300kPa时的曲线略高于为 σn为100、200kPa时的两条线。 2. 2 先期固结压力对土与钢块界面力学特性影响 的理论分析 要合理解释先期固结压力pc对土与钢块界面 摩擦性能的影响,需要尽可能准确推断土样在天然 状态时所获得的先期固结压力,并对试验时土体所 处的固结状态作出判断。魏道垛等 [8]根据试验结 果的计算分析得出,上海金山某地地表以下5m内, 褐黄色亚粘土层的pc值在200～100kPa之间,向下 线性递减。根据土性及结构强度的来源,可以推测 褐黄色粉质粘土先期固结压力与之相近。因此,初 步可以推断,在进行界面摩擦试验时,对褐黄色粉质 粘土埋深仅110～213m ,σn为50、100kPa时,其 值远小于前期固结压力pc值;对灰色淤泥质粘土, σn为50kPa,其值小于先期固结压力pc值,σn为 100kPa时,其值接近于先期固结压力pc值约 120kPa。 土体与钢块的界面摩擦行为取决于摩擦材料与 外部因素。当结构材料确定为钢块时,界面摩擦行 为主要受所施加的外力及土体本身性质的影响。土 体在界面上所产生的摩擦力也即测试得到的剪力由 三部分组成即真实的粘聚力,土与结构材料间真实 咬合摩擦力以及结构强度的贡献。土体结构性的损 伤既可以产生于试验时的固结阶段,也可以在直剪 过程中产生。对归一化曲线τ/σn-s低固结压力时 偏高、 高固结压力时偏低的现象,可按以下几种情况 进行分析 情况1当σnpc时,σn既可以使土体在先期 固结压力作用下获得的结构强度绝大部分或全部损 伤,又可以使土体在固结和剪切的过种中获得一部 分固结强度,因此界面表观摩擦 μ系数是升高还是 降低取决于失去和获得的强度之比率。对于褐黄色 粉质粘土,σn300kPa时的情况与上一级正应力下 的情况相比,失去和获得的强度增量相等,因此 σn 300kPa和 σn 200kPa时的曲线近于重合,即充 分滑移达界面摩擦稳定时的表观摩擦系数μ近于相 等。相比之下对于淤泥质粘土,其原有的结构强度 较小,损伤也小,而其初始孔隙比较大,在较大的正 应力σn300kPa的作用下,试验过程中获得了较大 的强度增量,因此与上一级正应力下的情况相比,稳 定时的μ值略有增高。 2. 3 界面摩擦试验与土体平面应变试验的对比 同济大学开展上海软粘土平面应变条件下剪切 带形成的试验研究 [10 ] ,在试验结果的分析整理过程 中,发现了先期固结压力对土体性质的影响。试验 所采用的土样取自上海第 ③ 层淤泥质粉质粘土,介 于上海土层第 ② 层褐黄色粉质粘土层与第 ④ 层灰色 淤泥质粘土层之间。淤泥质粉质粘土的基本物理指 标为含水量w4411 ,容重γ17. 0kNm - 3 ,孔 隙比e11483,饱和度Sr0195,比重ds2174,塑 性指数IP1617,液性指数IL 1137。土样埋深为 5m,上覆土自重约50kPa,考虑结构强度的影响,则 50kPa应为先期固结压力的下限值。试验采用平面 应变固结不排水剪试验,试验过程中通过孔隙水压 力的测量来计算有效应力。应力-应变的归一化图 如图5所示。 由图5可见,围压 σ3为25kPa、50kPa时,归一 化曲线明显明显位于上方,即土体达到塑性屈服时, 需要较高的归一化偏应力值。这是因为试验固结阶 段,固结压力σ3小于土的先期固结压力pc值,因而 土体能够保持其全部或部分结构强度。在试验的剪 96 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 检测与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 图5 平面应变试验的应力-应变归一化关系 切阶段,这部分结构强度继续发挥作用,需较大的偏 应力值才能使土体达到塑性屈服。而其他两种围压 条件100kPa和200kPa时,围压超出了土体天然状 态下所获得的先期固结压力,试验固结阶段土体的 结构强度遭到破坏,因而曲线位于下方。 将平面应变试验的应力-应变归一化图同土体 的剪力-位移归一化图相比较,可以看出,土体的先 期固结压力对土体内外力学性质的影响是相似的, 在高先期固结压力及试验时低固结压力低围压 条件下,土样试验过程中能保持其结构强度,因而表 现为较高的表观摩擦系数或时较高的塑性屈服偏应 力值。由界面摩擦试验及平面应变试验结果,根据 归一化曲线的的分布情况,也可以反推土体的先期 固结压力值。 3 结论与建议 本次试验取样多,尽可能排除天然土样土质突 变的干扰及试验过程中的各种误差,选取具有普遍 规律的数据进行分析,并同平面应变试验结果进行 了对比,可以得到以下结论或建议 1土体的先期固结压力不仅来自于土体沉积 过程中的上覆土压力,还有物理化学作用所形成的 胶结及化学键力的联结等所带来的结构强度,这种 结构强度对土体内外力学性质的影响不可忽视。 2先期固结压力对土与结构材料界面摩擦性 状的影响表现为,当先期固结压力大于直剪时的固 结压力时,界面充分滑移达到稳定时的表观摩擦系 数较大;反之则小。 3先期固结压力对平面应变试验的影响表现 为,当先期固结压力大于试验时的固结压力时,土体 达塑性屈服需要较高的归一化偏应力值。 4先期固结压力对土体力学性质的影响可以 从土体结构损伤的角度进行合理的解释。 5在不同的试验条件下,先期固结压力对土 体力学性质的影响具有相似性,利用这种相似性可 以进行试验结果间的相互验证。 6应开展进一步的试验研究工作,通过原状 土与重塑土的对比来研究先期固结压力对土体力学 性质的影响,并将对先期固结压力的定性认识逐渐 上升到定量化。 参考文献 [1 ] 王 清,陈剑平,蒋惠忠.先期固结压力理论的新认识[J ].长 春地质学院学报, 1996 1 59 - 63. 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