考虑粗糙度影响的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性研究

2023-02-24何菲陈航杰王旭李君善郭春香

铁道科学与工程学报 2023年1期

何菲，陈航杰，王旭，李君善，郭春香

(1. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2. 国网青海省电力公司检修公司，青海西宁 810021)

在青藏地区的铁路建设中，常采用“以桥代路”的形式来避免冻土地区的稳定状态受到破坏。其中，青藏铁路中采用“以桥代路”的桥梁工程达87.3 km，柴达尔至木里段地方铁路桥梁有 40 余座[1]。冻土区桩基础的承载力主要由桩端阻力、桩侧冻结力组成，由于水和冰的存在，冻土表现出强烈的流变特性。因此，多年冻土区桩基在服役期荷载作用下也会产生流变效应，桩基承载性能会发生劣化，表现为长期荷载作用下桩-土相对位移逐渐增大，桩基础沉降加大。冻结力是导致冻土区桩基承载力远大于融土区桩基础的主要原因[2]，桩基服役期变形的加剧除了受到冻土流变特性影响外，还需重点研究桩-冻土接触面的蠕变特性。桩-冻土接触面承载特性的研究方法主要包括冻土-混凝土接触面直剪试验、冻土桩基的抗拔试验，由于直剪试验受力机理清晰、试验操作便利，常被采用。CHOI等[3]利用直剪试验研究冻土与结构界面的抗剪强度，用以预测土的冻结强度。温智等[4]利用ZJ四联直剪仪研究了青藏粉土与混凝土、青藏粉土与玻璃钢接触面的冻结强度变化规律及其影响因素。杨平等[5]利用自制大型冻土-结构接触面循环直剪试验系统，开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究。吕鹏等[6]通过土工粗颗粒土直剪试验仪研究了冻结粉质黏土与混凝土接触面的剪切力学特性。ZHAO等[7]利用大型多功能直剪仪研究了人工冻土与结构界面的循环直剪特性。HE等[8]利用ZJ四联应变直剪仪开展了不同冻融循环次数、法向应力、试验温度等条件下的混凝土与冻土接触面冻结强度的直剪试验研究。ZHANG等[9]利用直剪试验研究了现浇混凝土与冻土界面的剪切特性。刘志强等[10]通过改进的高压直残剪仪研究了冻土-混凝土接触面在高应力、升温条件下的剪切特性。谢一鸣等[11]研究了在动荷载作用下冻结黏土与混凝土界面的动力剪切特性。综上所述，针对冻土-结构接触面力学特性的研究已成为近年来的研究热点，并形成了一系列研究成果。考虑到桩侧粗糙度的大小是影响多年冻土区摩擦桩承载特性的重要因素之一，孙厚超等[12]利用单剪试验研究了人工冻结黏土与3种粗糙度(用峰谷距定义粗糙度)钢板的剪切力学特性。王天亮等[13-14]利用应变控制式直剪仪对冻结粉土与不同凹槽钢板进行了直剪试验，研究接触面抗剪强度及其影响因素。ALDAEEF等[15]利用直剪试验研究了冻结砂土与钢接触面的抗剪强度特性，用以评价粗糙度对接触面抗剪强度的影响。然而，快速剪切试验获得的冻土-结构接触面冻结强度试验结果，并不能直接应用于桩基的长期变形研究中，不能揭示冻土区桩基础长期承载性能劣化的机制。因此，本研究采用自制的大型应力控制式剪切仪开展冻土-混凝土接触面剪切蠕变试验，旨在研究粗糙度对冻结砂土-混凝土接触面剪切蠕变特性的影响，用灌砂法量化接触面粗糙度，探究在不同粗糙度条件下接触面的剪切蠕变机理，结合试验数据建立考虑粗糙度影响的接触面现象学蠕变模型，以期为冻土区桩基础的长期服役提供理论支撑。

1 试样制备及试验方法

1.1 剪切仪

剪切仪为兰州交通大学岩土实验室自制的大型应力控制式剪切仪，由剪切盒、主机框架、水平及竖向加载系统、温度控制系统、量测系统及数据采集系统等组成[16]，如图1所示。上下剪切盒内侧壁及下剪切盒内底面均放置厚度为2 cm的有机玻璃，能有效防止土样与剪切盒温度的相互影响，上下剪切盒内体积均为20 cm×20 cm×10 cm。试样法向应力由施加于主机框架横梁上的千斤顶施加，剪应力由荷重通过滑轮施加。试验时将剪切仪放置于图2所示的低温环境箱中。

图1 大型应力控制式剪切仪Fig. 1 Large-scale stress-controlled shearing apparatus

图2 低温环境箱Fig. 2 Low temperature environmental chamber

1.2 土样的选取和制备

试验用土为兰州砂土，试验前先将土样过2 mm筛，取筛下土样作为研究对象，其粒径级配曲线如图3所示，粒径大于0.075 mm的颗粒质量超过总质量的85%，定名为细砂。由土样击实试验得到最优含水率为10.5%，最大干密度为1.945 g/cm3。

图3 粒径级配曲线Fig. 3 Particle size distribution curve

土样制作时，先将土样置于烘箱中12 h以上确保土中水分烘干。随后取出烘干土样置于密封容器中冷却，依据剪切盒体积和95%压实度标准计算用土量及用水量。取定量土及水充分拌和，并置于密封容器12 h使水分充分均匀。

制样盒如图4所示，为可拆卸式钢制样盒，内部容积为20 cm的正方体。制样时先将混凝土试块置于制样盒底部，然后将拌和均匀的土样分层摊铺于混凝土上方，分层击实，层间做刮毛处理。在土与混凝土接触面处放置2个温度传感器，并在土样高度中心位置处放一个温度传感器，实时监测接触面及试样温度。将装有试样的制样盒外部套上塑料袋，置于-10 ℃低温箱中快速冻结，冻结时在试样顶部放置重物，防止冻结过程中土样冻胀的不均匀性及降低冻结过程引起的体积膨胀。冷冻24 h后，将试样取出，放置在目标温度的环境箱中做恒温处理，待温度稳定且达到目标温度时将制样盒拆除，将试样装入剪切盒，试验准备阶段完成。

图4 混凝土-土制样模具Fig. 4 Concrete-soil sample mold

1.3 粗糙度设计与评价

冻土-混凝土接触面类型影响基础结构整体的强度、稳定性，甚至会导致不同破坏类型的产生。其中，接触面粗糙度是决定冻土-结构体接触面力学特性的重要因素之一。按结构物表面的起伏状况、排列方式和形状特征等规律，可以将接触面的粗糙度划分为两大类，即“随机型”与“规则型”[17]。

在混凝土试块表面模拟粗糙度时采用凹槽比采用凸起更能保证接触面的质量，凸起常会因为混凝土成型及养护时的不当操作而产生粗糙度的破损。本试验采用“规则型”粗糙度定义方法中的灌砂法定义混凝土结构表面的粗糙度，通过混凝土表面凹槽的尺寸和数量来表征粗糙度的大小，即凹槽的总体积除以结构面表面积，用平均深度来衡量结构面粗糙度，如式(1)所示。

式中：R为粗糙度；V为凹槽体积；A为结构面表面积。

试验所用的粗糙度设计如图5所示，粗糙度共有0，0.039，0.059和0.098 mm 4种。试验用C40混凝土，通过试验确定其配合比为普通硅酸盐水泥:砂:碎石:水:外加剂=477:650:1107:176:5.72，制作与下剪切盒体积一致的混凝土用可拆卸钢模具。将混凝土试块置于标准养护室养护2 d后脱模，并继续在标准养护室中养护至28 d。

图5 混凝土试块表面粗糙度设计Fig. 5 Surface roughness design of concrete test block

1.4 试验方案及蠕变判定标准

本试验采用的试验工况如表1所示，法向应力150 kPa模拟土层深15 m处的侧向土压力，剪切应力在考虑铁砂袋的固定质量及粗糙度为0.059 mm试样快剪试验得到的抗剪强度[18](235.4 kPa)的基础上得到，蠕变剪切应力为166.65 kPa。试验时先通过千斤顶对试样进行固结，待法向位移稳定后(法向位移速率不大于0.01 mm/h)，开始施加水平荷载，水平荷载通过加载框及铁砂袋重量来实现。本试验的剪切蠕变变形稳定性判断标准为：

表1 不同粗糙度条件下接触面剪切蠕变试验条件Table 1 Shear creep test conditions of the interface with different roughness

1) 当试样表现为衰减蠕变时，取24 h内的变形小于累计蠕变变形的5/1 000；

2) 当试样表现为稳定蠕变时，取24 h内的剪切变形速率达到恒定值；

3) 当试样表现为加速蠕变时，以接触面发生蠕变破坏为标准。

2 试验结果与讨论

2.1 接触面剪切蠕变曲线

由于本试验中的剪应力是由铁砂袋及加载框来实现的，并且为了防止铁砂袋加载过快产生冲击荷载，铁砂袋的加载需要一些时间，一般在5 min内能完成加载，荷载-时间曲线如图6(a)所示。测得的剪切位移-时间曲线如图6(b)所示，剪切位移是在开始加载及卸载前所产生的总变形，包括剪切变形及蠕变变形。考虑到加载时间的影响，取试验开始后第7 min为蠕变变形开始时间，蠕变变形量为总的剪切位移减去前6 min的剪切变形值。因此，冻结砂土-混凝土接触面的蠕变过程分为3个阶段：衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段，如图7所示。衰减蠕变阶段，在恒定荷载作用下，部分冰颗粒受剪、融化变成未冻水，土颗粒之间、土颗粒与混凝土表面之间的接触被部分破坏，接触面间局部发生错动，同时，伴随着土颗粒重新排列和未冻水的再冻结，蠕变速率逐渐较小；随着荷载作用时间的增长，蠕变速率减小到一恒定值，试样进入稳定蠕变阶段，冻土内部及冻土与混凝土间裂缝扩展，冰包裹体消融速度加快，冻土与混凝土接触面间发生大范围的错动。在荷载的进一步作用下，土颗粒逐渐被定向排列，抵抗剪切破坏作用的颗粒间黏着力、冻结力及摩阻力已不能再平衡外荷载的作用，接触面变形量会随着时间的发展逐渐增大，直至破坏。

图6 接触面剪切试验曲线Fig. 6 Shear test curve of the interface

由图7可知，在粗糙度为0.098 mm时，蠕变曲线只表现出蠕变变形的前2个阶段。在其他3个粗糙度条件下，出现接触面的加速蠕变阶段并导致接触面结构的剪切破坏。最终变形值、衰减蠕变时间是影响蠕变特性的重要参数，衰减蠕变时间随着粗糙度的增大而增长，试样进入稳定蠕变阶段的时间随粗糙度的增加而增大；粗糙度为0.098 mm试样的最终蠕变量为3.69 mm，其他3组试验均达到破坏。由此可知：随着接触面粗糙度的提高，冻结砂土-混凝土接触面的蠕变稳定性得到了增强。

图7 不同粗糙度条件下的蠕变曲线Fig. 7 Creep curves under different roughness

从图7中提取4种粗糙度条件下的共同蠕变衰减时段，并绘制该阶段部分时刻蠕变变形与粗糙度的关系(如图8)。由图8可知：在衰减蠕变阶段，对于同一种粗糙度的试样，蠕变变形的增长量随时间的增大逐渐减小；对于不同的粗糙度试样，在相同时段内蠕变增长量有所区别，粗糙度为0.098 mm的试样蠕变增量最小；对于同一时刻的蠕变量，粗糙度越大蠕变量越小，且粗糙度与蠕变量之间大致呈线性关系。

图8 衰减蠕变阶段粗糙度-蠕变变形曲线Fig. 8 Roughness-creep deformation curve in decay creep stage

由快速剪切试验获得的粗糙度为0.059 mm冻土-混凝土接触面抗剪强度为235.4 kPa，而在蠕变试验剪切力为166.65 kPa条件(约为抗剪强度的70%)下，试样在约100 h时就发生了加速蠕变破坏。而对于工程而言是不允许发生非衰减蠕变的，所以考虑安全效应的承载力设计值要远远的小于抗剪强度，因此快剪试验结果不能直接应用于桩基的长期变形研究中，而需通过蠕变试验研究基础的长期强度。

2.2 蠕变速率曲线

蠕变过程中，蠕变速率随时间的增长发生变化，蠕变速率-时间曲线如图9所示。衰减蠕变初期，蠕变速率最大，随着时间的增长，蠕变速率快速减小，试样进入稳定蠕变阶段。当试样进入稳定蠕变阶段时，蠕变速率基本保持恒定，因此，稳定蠕变速率是表征冻土-混凝土流变特性的重要指标。

图9 蠕变速率-时间曲线Fig. 9 Creep rate-time curves

粗糙度为0.098 mm试样的最终蠕变速率为0，稳定蠕变速率随粗糙度的增大而减小(如图10所示)，且接近于线性变化规律，说明在长期荷载作用下可通过增加粗糙度的方法来增加接触面的抗变形能力。将图10中粗糙度与稳定蠕变速率进行线性拟合，认为拟合线与横坐标的交点对应着稳定蠕变速率为零的临界粗糙度(临界粗糙度为0.093 mm)，在其他条件不变时，大于该临界粗糙度的接触面粗糙度试样均会发生衰减蠕变，反之则会发生非衰减蠕变。当接触面受到的应力超过接触面的流动极限时，在长时间受荷条件下，接触面抵抗荷载的能力逐渐减小，蠕变速率逐渐增大，直至加速破坏。稳定蠕变速率越低，进入稳态变形时间越长，抗变形能力也越强。

图10 粗糙度-稳定蠕变速率曲线Fig. 10 Curve of roughness-stable creep rate

2.3 粗糙度对接触面的蠕变影响机理

由以上内容可知，粗糙度越大，接触面的瞬时蠕变变形越小，稳定蠕变速率越小，接触面的蠕变稳定性越好，冻土-结构接触面微观示意图如图11所示。首先，增加混凝土表面粗糙度，会增加进入凹槽中的土颗粒及冰颗粒的数量，可以有效提高冻结砂土-混凝土的接触面积。其次，增加混凝土表面粗糙度，增加了混凝土与土颗粒及冰颗粒的咬合作用。从承载机理角度考虑，表面光滑的混凝土与冻土接触面的承载主要由接触面的摩阻力及冰晶的冻结力承担，表面粗糙的混凝土-冻土接触面承载机理除了接触面冻结摩阻力外，还包括接触面一定范围内(即剪切带)中冻土的抗剪强度，凹槽使得剪切带中冻土在剪切过程中形成被动阻力，在上述力的共同作用下起到阻碍接触面的相对滑动的作用，因此增大接触面粗糙度会提高蠕变的稳定性。多年冻土工程中的现浇混凝土桩形成过程中，由于混凝土的水化热、混凝土中粗骨料及冻土中粗颗粒的共同作用，导致桩表面形成不规则的凹凸面，与桩周冻土形成良好的接触关系。桩侧粗糙度增加，有效提高了桩-冻土的接触面积，从而提高桩与冻土的冻结摩阻力，同时粗糙度增加导致桩-土界面凹凸面不容易产生剪切变形，在上部荷载作用下剪切面逐渐向桩侧冻土中偏移，由于桩-冻土接触面的抗剪强度远小于冻土的抗剪强度。因此，粗糙度增加会降低桩的蠕变速率，有效抑制桩基的蠕变变形，从而起到控制桩基长期沉降的作用。

图11 冻土-结构接触面微观示意图Fig. 11 Microscopic-schematic diagram of frozen soil-structure interface

3 考虑粗糙度影响的接触面现象学蠕变模型

3.1 衰减蠕变阶段

3.1.1 粗糙度函数

由2.1节可知，在衰减蠕变阶段蠕变变形与粗糙度呈线性关系，又由于系数j和k随时间发生变化(如图12所示)，因此得到衰减蠕变阶段变形与粗糙度满足式(2)。

图12 系数j与系数k随时间的变化曲线Fig. 12 Curve of coefficient j and coefficient k with Time

式中：R为粗糙度，mm；t为时间，min。

3.1.2 时间函数

在衰减蠕变阶段，不同粗糙度下的变形速率-时间函数具有很好的相似性，变形速率随时间不断减小(图9)，其变化趋势符合关系式(3)。

对式(3)积分，不考虑积分常数项，得到衰减蠕变阶段蠕变变形的时间函数为式(4)。

式中：a((μm/min)-1)，b((μm)-1)为试验系数。

3.1.3 衰减蠕变阶段蠕变变形

由现象学理论中的时效理论可知，由不同函数组成的蠕变方程要求只有在恒定的温度和荷载条件下才能使用[19]。而在本试验的蠕变过程中，在整个加载过程中荷载是恒定的，而且整个加载过程中温度也是恒定的。因此，由组合形式得到的现象学理论适用于进行冻土-混凝土接触面的蠕变研究。本文中蠕变变形量函数仅与粗糙度及时间有关，因此，某时刻的应变应是粗糙度函数与时间函数的乘积，即衰减蠕变阶段t的变形满足式(5)。

式中：A(mm)，B(量纲为1)，C((μm/min)-1)，D((μm)-1)为试验系数。

3.2 稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段

由2.2节中图10可知，在稳定蠕变阶段稳定蠕变速率与粗糙度呈线性关系，因此得到稳定蠕变速率与粗糙度满足式(6)。加速蠕变阶段的蠕变速率在稳定蠕变速率的基础上急剧增大，且随时间的增大而增大，满足式(7)。

稳定蠕变阶段的变形与时间的一次方呈正比，满足式(8)。

加速蠕变阶段的蠕变变形满足式(9)。

式(9)中：ti为蠕变时间，min；e，n(无量纲)，f(无量纲)均为试验系数。

3.3 现象学蠕变方程的建立

结合蠕变各阶段的蠕变变形表达式，建立考虑粗糙度影响的冻结砂土-混凝土接触面统一蠕变方程为式(10)。

式中：A，B，C和D同式(5)；r0为初始蠕变，mm；R为粗糙度，mm；t为蠕变时间，min；J(mm/min)，F(10-3/min)，n(无量纲)，H(无量纲)，m(无量纲)为模型系数，其中m与粗糙度有关。

3.4 模型验证

将本试验中的3种粗糙度(即粗糙度为0，0.039和0.059 mm)蠕变试验数据代入式(10)，反演得出拟合系数如表2所示。为了验证模型的正确性，本文补做了混凝土表面粗糙度为0.02 mm(即混凝土表面只有一个凹槽，位于混凝土表面的中心处)的冻结砂土与混凝土接触面蠕变试验，其他试验条件与第1节中所述试验条件相同，其蠕变-时间曲线如图13所示。同时，结合表2中的参数及式(10)，得到粗糙度为0.098 mm和0.02 mm的计算曲线如图13所示。将粗糙度为0.098 mm和0.02 mm试样的试验曲线及计算曲线进行对比，可以看出试验值与计算曲线吻合较好，说明采用本文中的蠕变模型能较好地模拟冻土-混凝土的蠕变过程。

由于式(10)采用的蠕变模型计算蠕变量时，仅与时间及粗糙度有关，因此，该蠕变模型也可用于预测一定粗糙度的蠕变变形规律。由试验中稳定蠕变速率与粗糙度的关系可知，当粗糙度在0～0.098 mm时，稳定蠕变速率与粗糙度呈线性关系，粗糙度越大稳定蠕变速率越小，因此结合式(10)的现象学蠕变方程可对粗糙度为0～0.098 mm的蠕变规律进行预测(如图13中粗糙度0.05 mm预测曲线)，计算时，结合表2中参数m与粗糙度呈线性关系，从而可得到相关粗糙度下的参数m。又由于冻结砂土-混凝土的抗剪强度远小于冻结砂土的抗剪强度[20]，因此，粗糙度增加会降低蠕变速率，有效抑制接触面的蠕变变形，因此也可预测粗糙度大于0.098 mm的情况(图13中粗糙度0.15 mm预测曲线)。