相對密實(shí)度對鋼-砂界面循環(huán)剪切弱化影響研究

陳健偉,劉俊偉,*,國 振,陳建強,寇媛媛,姜正璟,鞏光磊

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,杭州 310058;3.青島海德工程集團股份有限公司,青島 266100)

近年來(lái)風(fēng)能已成為可再生能源供應的重要力量[1],我國水深小于30 m范圍內海上風(fēng)機基礎形式絕大多數為單樁[2]。隨著(zhù)海洋開(kāi)發(fā)力度加大,深水區應用單樁基礎成本過(guò)高,吸力式桶形基礎成為更優(yōu)的選擇[3]。吸力式多桶基礎在風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的傾覆荷載作用下以軸向循環(huán)受荷為主,我國濱海地區多為砂土,因此進(jìn)行鋼-砂界面循環(huán)弱化的研究具有重要意義。

針對鋼-砂界面的剪切弱化特性,國內外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究[4-7]。趙文等[8]通過(guò)可視化直剪容器進(jìn)行了不同相對密實(shí)度礫砂-混凝土管界面直剪試驗,揭示了相對密實(shí)度對界面剪切力學(xué)特性的影響。王超眾[9]開(kāi)展了不同相對密實(shí)度尾砂-塑料土工格柵界面剪切試驗,研究了界面強度特性以及剪脹剪縮特性。梁越等[10]在盒式剪切儀中進(jìn)行了鋼-土界面直剪和往復剪切試驗,探究了不同泥巖干密度對界面強度的影響。上述研究通過(guò)界面剪切試驗探究了砂土相對密實(shí)度對界面強度的影響,但相對密實(shí)度對鋼-砂界面循環(huán)弱化的影響機制還有待深入分析。

本文利用自主研發(fā)的大型界面環(huán)剪儀[5],開(kāi)展了不同相對密實(shí)度條件下鋼-砂界面循環(huán)剪切試驗,探討相對密實(shí)度對界面力學(xué)特性循環(huán)弱化的影響,分析界面循環(huán)弱化機制。

1.1 試驗裝置

環(huán)剪儀由應力加載系統、界面剪切系統、剪切傳動(dòng)系統、數據控制與采集系統4個(gè)部分組成,如圖1所示。剪切方式為下界面剪切,剪切外環(huán)為鋼化玻璃。數據控制與采集系統可調整剪切模式及參數并記錄剪切應力、法向應力和法向位移等參數。

1.2 砂土

循環(huán)剪切試驗采用的石英砂選自福建標準砂,物理參數如表1所示。為排除其他因素對試驗結果的影響,只選用0.25～0.5 mm粒徑砂土。由于干砂與飽和砂土在排水狀態(tài)時(shí)的剪切特性極為相似[11],因此選用干砂進(jìn)行試驗。

表1 砂土物理參數

1.3 鋼界面

環(huán)剪儀底環(huán)采用鋼界面,鋼環(huán)內徑為200 mm,外徑為300 mm,界面粗糙度控制為(3.25±0.1) μm。材質(zhì)選用美國鋼鐵學(xué)會(huì )標準1045號鋼,抗拉強度為600 MPa,彈性模量為210 GPa。

1.4 試驗方案

采用等剛度邊界條件研究砂土相對密實(shí)度對界面力學(xué)特性循環(huán)弱化的影響。循環(huán)剪切幅值設置為2 mm,剪切速度為5 mm/min,循環(huán)次數N=20次?？紤]10 m深度處土體應力,初始法向應力設定為100 kPa,法向剛度為197 kPa/mm[12]。

在剪切外環(huán)的內表面粘貼透明刻度尺貼紙,采用砂雨法以不同高度和移速控制砂土相對密實(shí)度。共進(jìn)行3組試驗,根據相對密實(shí)度砂土分為松散砂(Dr=26%)、中密砂(Dr=45%)、密實(shí)砂(Dr=64%)。由于裝樣后剪切開(kāi)始前應力加載系統會(huì )對砂樣有一定程度的壓實(shí),因此將Dr=64%砂土近似認為密實(shí)狀態(tài)。具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2.1 剪切應力-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖2為鋼-砂界面的剪切應力-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)。為清晰展現鋼-砂界面循環(huán)剪切弱化規律,僅選取循環(huán)次數N=1,2,5,10,20次的試驗數據作為分析對象。

由圖2(a)可知,當Dr=26%時(shí),第1次循環(huán)結束時(shí)剪應力即衰減到穩定狀態(tài)。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的剪應力極值分別為40.88,18.38,16.72,15.24,14.56 kPa,剪應力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到1.7%。由圖2(b)可知,當Dr=45%時(shí),第5次循環(huán)剪切過(guò)程剪應力才衰減到穩定狀態(tài)。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的剪應力極值分別為54.03,34.69,17.20,14.71,14.19 kPa,剪應力弱化主要發(fā)生在前5次循環(huán),經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到1.0%。由圖2(c)可知,當Dr=64%時(shí),第1次循環(huán)的滯回曲線(xiàn)比較飽滿(mǎn),從第2—20次循環(huán),滯回環(huán)由“梭形”向“平行四邊形”轉變。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的剪應力極值分別為63.12,50.68,39.67,30.63,23.54 kPa,剪應力在前20次循環(huán)不斷發(fā)生弱化,且隨循環(huán)次數增加弱化速率不斷減小,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到11.2%。

不同相對密實(shí)度砂土都在每次循環(huán)的正位移幅值處達到剪應力極值,第5次循環(huán)之后滯回曲線(xiàn)基本處于閉合狀態(tài),其最終形狀向“平行四邊形”演變。隨著(zhù)循環(huán)次數的增加剪應力不斷弱化,弱化速率不斷減小。隨著(zhù)相對密實(shí)度的增加,前5次循環(huán)中相同循環(huán)下剪應力極值增大,剪應力的弱化程度降低,循環(huán)剪切的弱化作用減小,第1次循環(huán)的剪應力衰減速率減小。松散砂的剪應力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),中密砂主要發(fā)生在前5次循環(huán),密實(shí)砂在前20次循環(huán)剪應力不斷弱化。砂土越密實(shí),剪應力-剪切位移曲線(xiàn)越飽滿(mǎn),“梭形”滯回環(huán)所占的比例越高。

循環(huán)剪切作用破壞砂土的原有骨架結構,砂顆粒位置調整與磨損、破碎過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,直到形成適應循環(huán)剪切過(guò)程的穩固結構。松散砂在循環(huán)剪切前未形成穩定的骨架結構,砂顆粒主要以層狀方式排布,砂樣孔隙率很大。剪切開(kāi)始后,砂顆粒位置劇烈調整,大孔隙率讓顆粒調整更加迅速,骨架結構更易形成,經(jīng)歷1次循環(huán)剪應力即衰減到穩定狀態(tài)。對于中密砂來(lái)說(shuō),砂樣的骨架結構在剪切前具有一定的穩定性,砂顆粒上、下交錯分布,顆粒間具有較強的咬合力和嵌鎖作用,初始骨架可以承受一定的剪切應力,砂顆粒調整需要更多的剪切過(guò)程,同時(shí)中密砂的孔隙率較松散砂小,因此骨架穩定需要5次循環(huán),第1次循環(huán)的剪應力極值比松散砂大。密實(shí)砂的孔隙率更小,砂樣初始骨架更加穩定,因此前20次循環(huán)剪應力不斷弱化,未形成穩定的骨架結構,第1次循環(huán)的剪應力極值最大。

2.2 法向應力-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖3為鋼-砂界面的法向應力-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)。

由圖3(a)可知,當Dr=26%時(shí),第1次循環(huán)結束時(shí)法向應力即衰減到穩定狀態(tài)。第1次循環(huán)的法向應力-剪切位移曲線(xiàn)成“之”字形。從第2—20次循環(huán),不同循環(huán)的法向應力-剪切位移曲線(xiàn)幾乎重合,曲線(xiàn)大致呈對稱(chēng)“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的法向應力分別為70.84,21.56,21.99,18.11,18.49 kPa,法向應力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),第2次循環(huán)弱化速率為0.6%,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到0.5%。由圖3(b)可知,當Dr=45%時(shí),第5次循環(huán)剪切過(guò)程法向應力才衰減到穩定狀態(tài)。從第5—20次循環(huán),法向應力不斷小幅弱化,曲線(xiàn)大致呈對稱(chēng)“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的法向應力分別為89.43,53.44,21.92,16.95,15.34 kPa,法向應力弱化主要發(fā)生在前5次循環(huán),隨著(zhù)循環(huán)次數的增加弱化速率不斷減小,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到1.8%。由圖3(c)可知,當Dr=64%時(shí),前20次循環(huán)法向應力不斷弱化,相鄰循環(huán)衰減幅度相近且較大。第5—20次循環(huán),關(guān)系曲線(xiàn)呈不對稱(chēng)“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的法向應力分別為98.08,79.15,63.33,49.33,35.15 kPa,法向應力在前20次循環(huán)不斷發(fā)生弱化,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到14.5%。

相對密實(shí)度越大,前5次循環(huán)中相同循環(huán)后法向應力越大,單次循環(huán)的弱化作用越小,第1次循環(huán)的法向應力衰減速率越小。松散砂的法向應力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),中密砂主要發(fā)生在前5次循環(huán),密實(shí)砂在前20次循環(huán)不斷弱化。此外,在法向應力衰減到穩定狀態(tài)之前,相對密實(shí)度越小,同一循環(huán)的法向應力-剪切位移曲線(xiàn)越伸展,法向應力弱化程度越高。砂土越密實(shí),不對稱(chēng)“蝶”形曲線(xiàn)所占的比例越高,法向應力弱化到穩定狀態(tài)需要的循環(huán)次數越多。

根據圖2和圖3可以看出,法向應力的改變是影響界面剪應力大小的重要因素。法向應力增大時(shí),砂樣剪切帶區域與鋼界面之間的正壓力增大,由滑動(dòng)摩擦原理可知,界面剪應力增大,同理法向應力減小時(shí)剪應力減小。此外,法向應力的增大、減小與砂樣法向位移變化密切相關(guān)。等剛度條件下,當發(fā)生剪縮時(shí),剪切帶厚度和砂樣高度減小,土骨架結構坍塌,法向應力隨之減小,因此,法向應力變化的根本原因是循環(huán)剪切過(guò)程中砂顆粒的位置調整、磨損和破碎引起的體積變化。

2.3 法向位移-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖4為鋼-砂界面的法向位移-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn),法向位移增大表示砂樣發(fā)生剪縮。

由圖4(a)可知,當Dr=26%時(shí),第1次循環(huán)法向位移持續增大,不同循環(huán)的法向位移-剪切位移曲線(xiàn)近似平行層狀分布。第1,2,5,10,20次循環(huán)結束時(shí)的法向位移分別為0.50,0.71,0.94,1.16,1.35 mm,前5次循環(huán)法向位移增長(cháng)量較大,法向位移隨循環(huán)次數增加不斷增大,法向位移的增長(cháng)速率和增長(cháng)幅度逐漸減小,整體表現為剪縮。由圖4(b)可知,當Dr=45%時(shí),第1次循環(huán)剪切過(guò)程砂樣就開(kāi)始剪脹。第1,2,5,10,20次循環(huán)結束時(shí)的法向位移分別為0.26,0.37,0.46,0.57,0.70 mm,前5次循環(huán)法向位移增長(cháng)量較大,所有循環(huán)都存在剪縮、剪脹同時(shí)發(fā)生的情況。由圖4(c)可知,當Dr=64%時(shí),法向位移的變化較復雜,第1次循環(huán)剪切過(guò)程砂樣剪脹現象更加明顯,從第2—20次循環(huán),法向位移-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)出現交錯分布。第1,2,5,10,20次循環(huán)結束時(shí)的法向位移分別為0.12,0.17,0.17,0.20,0.25 mm,前2次循環(huán)即有較大的剪縮量。

相對密實(shí)度越大,相同循環(huán)下砂土的法向位移越小,最終剪縮量也越小,砂土越不容易被壓縮擠密,第1次循環(huán)砂土剪脹所需剪切位移越小,剪脹現象越明顯。隨相對密實(shí)度增大,單次循環(huán)法向位移變化幅值減小,法向位移-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)由平行層狀分布向交錯分布演變。

密實(shí)砂的法向位移變化較松散砂和中密砂更為特殊。對于松散砂和中密砂,隨著(zhù)相對密實(shí)度的增加,法向位移的增長(cháng)幅度逐漸減小,而密實(shí)砂為先減小后增大。分析認為,密實(shí)砂的第2—5次循環(huán)剪切過(guò)程是砂樣變化由以位置調整為主向以顆粒破碎為主的過(guò)渡階段。砂土處于松散或中密狀態(tài)時(shí),孔隙率較大,循環(huán)剪切使顆粒間距減小,法向位移逐漸增大。但由于砂樣逐漸密實(shí),位置調整逐漸困難,因此法向位移的增長(cháng)幅度逐漸減小。當砂土處于密實(shí)狀態(tài)時(shí),有限的空隙只允許砂顆粒在前2次循環(huán)內進(jìn)行位置調整。第2次循環(huán)之后,砂樣在原有粒徑條件下無(wú)法繼續密實(shí),后續的循環(huán)剪切導致砂顆粒邊角磨損、發(fā)生破碎,破碎后的小粒徑顆粒進(jìn)入到大粒徑顆粒形成的空隙中,砂樣繼續密實(shí),法向位移增長(cháng)幅度開(kāi)始由小變大。

本文利用大型界面環(huán)剪儀,開(kāi)展了一系列不同相對密實(shí)度砂-鋼界面循環(huán)剪切試驗,主要結論如下:

1) 隨著(zhù)相對密實(shí)度的增加,相同循環(huán)下剪應力極值增大,單次循環(huán)的弱化作用減小,第1次循環(huán)的剪應力衰減速率減小,剪應力弱化到穩定狀態(tài)需要的循環(huán)次數增加,“梭形”滯回環(huán)所占的比例增大。

2) 相對密實(shí)度越大,相同循環(huán)下法向應力越大,第1次循環(huán)的法向應力衰減速率越小,弱化到穩定狀態(tài)需要的循環(huán)次數越多,不對稱(chēng)“蝶”形曲線(xiàn)所占的比例越高。

3) 相對密實(shí)度越大,相同循環(huán)下砂土的法向位移越小,最終剪縮量也越小,第1次循環(huán)砂土剪脹越明顯。