温度影响下透明土-混凝土接触面摩擦力学特性试验研究

孙学谨，孔纲强，李春红，曹兆虎

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)



温度影响下透明土-混凝土接触面摩擦力学特性试验研究

孙学谨1, 2，孔纲强1, 2，李春红1, 2，曹兆虎1, 2

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

摘要:基于室内土工试验，针对目前国内外常用的2种透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)与混凝土材料之间接触面的摩擦力学特性开展研究，着重分析混凝土温度变化对透明土-混凝土材料接触面摩擦力学特性的影响规律；为了对比分析，开展相同情况下砂土-混凝土材料接触面摩擦力学特性室内试验。研究结果表明，熔融石英砂和烘烤石英砂两种透明土材料-混凝土材料接触面摩擦力学特性与砂土材料-混凝土材料接触面摩擦力学特性相似，说明该2种透明土材料可以较好地模拟天然砂土-混凝土材料接触面特性；温度因素对透明土材料-混凝土材料接触面摩擦力学特性有一定影响，但影响并不明显。

关键词：透明土；砂土；桩-土接触面；温度效应；室内试验

土的变形和渗流的基本规律是岩土工程中的重要课题。传统的模型试验只能通过预埋测试元器件来监测土体变形及流体渗透问题，试验过程中土体内部的变化是不可见的。基于数字图像处理技术，利用半模试验手段可以可视化监测土体一个剖面或者表面的变形或渗流等岩土工程问题[1-2]；但是，半模试验手段仅适用于对称物理模型，而实际物理模型往往是非对称问题。基于人工合成透明土材料和数字图像处理技术，可以实现岩土工程等物理模型可视化模型试验过程的方法，逐渐得到相关研究人员的重视和应用[3-7]。但人工合成透明土材料及其模拟的天然砂土或黏土在物理力学性质方面的相似度，制配成的透明土材料的透明度等问题仍是制约该项可视化模型试验技术的主要因素。近年来，为了寻找透明度更高、与天然土体性质更接近、且制配容易的透明土材料，相关研究人员针对人工合成透明土材料的制配及其物理力学性质开展了系列研究，并取得了一些成果。Allersma[8]最早开始使用碎玻璃和具有相同折射率的流体制成的透明土来研究单剪条件下材料的应力分布。Iskander 等利用无定形硅粉和具有相应折射率的孔隙流体合成了透明土，其岩土工程性质与黏土相似；Villeneuve等利用无定形硅胶和相应折射率的孔隙流体合成透明土材料模拟天然砂土；并将其物理力学性质与天然黏土或砂土进行对比分析[9- 11]。Lo等[12]利用水族珠模拟土体，继而开展流体渗透问题试验研究；该透明土材料制配属于水溶型透明土，制配方便，但是制配成的透明土强度近似为0。吴明喜等[13-15]利用熔融石英砂和相应折射率的孔隙流体制配透明土，并开展了基本物理力学性质室内试验。孔纲强等[16]针对烘烤石英砂等制配成的透明土试样的物理力学特性进行了基本性质试验。研究结果表明，碎玻璃材料制配成的土样为半透明材料；硅胶或无定形二氧化硅颗粒的高吸水性和易塑性，容易导致颗粒吸水破裂并着色或在低围压下发生塑性变形；水族珠制配而成的水溶型透明土强度近似为0，与天然土体性质差异较大；融熔石英砂或烘烤石英砂的颗粒折射率较高，需要与之匹配的无机溶液浓度较高而不易调配，而利用有机油制配的人工合成透明土试样中存在明显的凝聚力，这与天然砂性土有一定的差异；整体而言，利用融熔石英砂或烘烤石英砂制配而成的透明土材料透明度相对更好一些，因此融熔石英砂和烘烤石英砂也是近几年最常用的2种材料。综上所述，已有文献主要是针对透明土材料本身的物理力学特性开展研究，而针对透明土材料与混凝土结构(如桩基础等)之间的摩擦力学特性研究相对较少。循环温度变化下桩-土相互作用及接触面摩擦特性是分析能量桩承载力特性的关键环节。因此，针对目前国内外常用的2种透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)与混凝土桩材料之间接触面的摩擦力学特性开展研究，着重分析混凝土桩结构温度变化对透明土-桩接触面摩擦力学特性的影响规律；为了对比分析，开展了相同情况下砂土-桩接触面摩擦力学特性室内试验。

1材料特性与试验方案

本文试验所选用的人工合成透明土固体颗粒材料为熔融石英砂和烘烤石英砂(材料实物图如图1所示)，由徐州新沂万和矿业有限公司生产；作为对比分析的砂土，选自南京市河西地区。试验土样分3类：干样、水饱和样和油饱和样；水采用自来水，油采用正十二烷与15号白油按质量1∶4混合的油(混合油的折射率与透明固体颗粒折射率一致)。

(a)熔融石英砂；(b)烘烤石英砂图1　室内试验材料实物图Fig.1 Materials for laboratory tests

1.1试验材料物理、力学特性

透明土固体颗粒材料为有棱角的形状不规则的固体颗粒。根据《土工试验规程》[17]，对本文采用的透明土固体颗粒材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)及天然砂土进行了颗分、比重、相对密度试验。熔融石英砂、烘烤石英砂以及作为对比试验的天然砂土的颗分曲线如图2所示。

由图2可知，熔融石英砂的不均匀系数Cu=1.86，曲率系数Cc=1.10；烘烤石英砂的不均匀系数Cu=1.49，曲率系数Cc=0.93；所采用的天然砂土的不均匀系数Cu=2.50，曲率系数Cc=1.18。经2次平行测定，测得熔融石英砂透明土的平均比重约为2.238，烘烤石英砂透明土的平均比重约为2.190，分别约为标准砂比重的84.5%和82.6%(标准砂的平均比重约为2.650[17])。用漏斗法测定最小干密度，用振击法测定最大干密度，得到3种材料相对密度的试验结果，如表1所示。

图2　颗粒分析试验曲线Fig.2 Gradation curves of glass sand

编号试验材料最小干密度ρmin/(g·cm-3)最大干密度ρmax/(g·cm-3)A熔融石英砂1.2311.352B烘烤石英砂1.1511.284C天然砂土1.4681.736

1.2试验方案与工况设计

本试验使用的是常规ZJ型应变控制式直剪仪；利用水浴法控制混凝土桩材料的温度(先对拟控制温度 的混凝土桩材料进行水浴加热，然后放入直剪盒内进行试验；为尽量减少试验过程中温度消散的影响，取试验开始前和结束后温度的平均值作为试验温度值。有一定的误差，但控制的高温与低温之间有一定的差值，可以近似实现不同温度下透明土-混凝土桩材料接触面摩擦力学特性的研究)。所有土样，控制试样干密度为1.5 g/cm3；试样饱和采用加水或加油静置饱和方法。开展3种土样(熔融石英砂、烘烤石英砂和天然砂土)的不同状态(干样、水饱和样和油饱和样)、不同法向应力(100，150，250和450 kPa)以及不同温度(17 (常温)，25，50和75oC)条件下，土样的直剪试验和土样-混凝土桩材料接触面直剪试验(因为本文试验基于能量桩温度变化下桩-土接触面摩擦特性的研究，混凝土材料用于模拟桩基础，所以将混凝土材料称作混凝土桩)；土样-混凝土桩材料接触面直剪试验方案与工况设计分别如表2所示，直剪试验试样实物图如图3所示。

表2温度影响下土样-混凝土桩材料直剪试验工况

Table 2 Conditions of direct shear test of soil-pile interface under different temperature

编号试样试样状态法向应力/kPa温度/oCA1熔融干样17A2石英水饱和样100～450A3砂油饱和样25B1烘烤干样B2石英水饱和样100～45050B3砂油饱和样C1C2天然砂土干样水饱和样100～45075

图3　直剪试验实物图Fig.3 Physical map of direct shear test

2常温条件下直剪试验结果与分析

2.1土样直剪试验结果与分析

常温条件下，熔融石英砂和烘烤石英砂土样剪应力与剪切位移关系曲线如图4所示。由图4可知，融石英砂和烘烤石英砂土样剪应力与剪切位移关系曲线与常规天然土样的曲线规律类似；油饱和样熔融石英砂，直剪试验时指针读数跳动的现象相对明显，油饱和样烘烤石英砂的跳动现象相对不明显一些；这可能是由于熔融石英砂固体颗粒中不规则颗粒、偏扁长形的颗粒占的比例相对较多引起的；在直剪过程中，固体颗粒可能发生翻转，从而导致指针越容易跳动。

图4　常温下透明土样剪切力与剪切位移关系曲线(17 oC)Fig.4 Curves of shear strength versus shear displacement of soil sample under normal temperature (17 oC)

常温条件下，透明土样(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土的抗剪强度关系曲线如图5所示。为了尽量减小误差，进行了2组平行试验，取2次试验抗剪强度平均值作为各级法向应力下的抗剪强度。由图5可知，无论在干样状态、还是在水饱和状态和油饱和状态下，熔融石英砂和烘烤石英砂的抗剪强度值均相近，且数值略比天然砂土的抗剪强度值大一些。与天然砂土含水率变化后抗剪强度值的变化率相比，透明土样含水率的变化或者孔隙流体的种类对抗剪强度值影响相对不明显。

图5　常温下土样抗剪强度曲线(17 oC)Fig.5 Curves of shear strength of soil sample under normal temperature (17 oC)

2.2土样-混凝土桩材料直剪试验结果与分析

2.2.1剪应力与剪切位移关系曲线

常温条件下，透明土样(熔融石英砂和烘烤石英砂)与混凝土桩材料间的剪应力与剪切位移关系曲线如图6所示。由图6可知，熔融石英砂和烘烤石英砂2种透明土材料与混凝土桩材料间的剪应力与剪切位移关系曲线的变化规律相似，剪应力均随剪切位移的增加而逐渐增加；相同位移值情况下，透明土材料与混凝土桩材料间的剪应力值略比相应透明土材料的剪应力值大一些。

图6　常温条件下土样-混凝土桩材料剪应力与剪切位移关系曲线(17 oC)Fig.6 Curves of shear strength versus shear displacement of sand concrete pile interface under normal temperature (17 oC)

2.2.2抗剪强度曲线

常温条件下，透明土样(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土与混凝土桩材料间的抗剪强度关系曲线如图7所示。同样，为了尽量减小误差，进行了2组平行试验，取2次试验抗剪强度平均值作为各级法向应力下的抗剪强度。由图7可知，不同土样状态(干样、水饱和样和油饱和样)下，熔融石英砂和烘烤石英砂与混凝土桩材料间的抗剪强度值相近，且数值略比天然砂土与混凝土桩材料间的抗剪强度值大一些。与天然砂土含水率变化后天然砂土与混凝土桩材料间的抗剪强度值的变化率相比，透明土样含水率的变化或者孔隙流体的种类对透明土材料与混凝土桩材料间的抗剪强度值影响相对不明显。与图5所示的土样本身的抗剪强度相比较，透明土样与混凝土桩材料间的抗剪强度值与透明土样本身的抗剪强度值相近，其数值略有增加。常温条件下，熔融石英砂与混凝土桩材料、熔融石英砂本身材料的抗剪强度对比曲线如图8所示。由图8可知，熔融石英砂与混凝土桩材料、熔融石英砂本身材料的抗剪强度值非常相近。

图7　常温下土样-混凝土桩材料抗剪强度曲线(17 oC)Fig.7 Curves of shear strength of soil - concrete pile interface under normal temperature (17 oC)

图8　常温下熔融石英砂-混凝土桩材料与熔融石英砂抗剪强度对比曲线(17 oC)Fig.8 Comparative curves of shear strength of fused silica - concrete pile interface and fused silica sample under normal temperature (17 oC)

3温度变化下土样-混凝土桩材料直剪试验结果与分析

3.1抗剪强度与法向应力的关系

温度变化条件下，不同土样状态下烘烤石英砂与混凝土桩材料间的抗剪强度关系曲线如图9所示。由图9可知，温度变化(从17oC变化到75oC)对烘烤石英砂与混凝土桩材料接触面的抗剪强度有一些影响，但是影响不明显。25oC和75oC温度条件下，透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土与混凝土桩材料间的抗剪强度关系曲线如图10所示。由图10可知，水饱和样的熔融石英砂、烘烤石英砂以及天然砂土与混凝土桩材料间的抗剪强度值对温度的影响相对不敏感。

图9　温度变化条件下烘烤石英砂-混凝土桩材料抗剪强度曲线Fig.9 Curves of shear strength of baked quartz - concrete pile interface under different temperature

图10　温度变化条件下土样-混凝土桩材料抗剪强度对比曲线Fig.10 Comparative curves of shear strength of soil sample - concrete pile interface under different temperature

3.2抗剪强度与混凝土桩材料温度的关系

温度变化条件下，干样和水饱和样状态下的熔融石英砂、烘烤石英砂和天然砂土与混凝土桩材料间的抗剪强度值与混凝土桩材料温度的关系曲线分别如图11所示。由图11可知，无论是干样还是水饱和样状态下，烘烤石英砂-混凝土桩材料抗剪强度值大于熔融石英砂-混凝土桩材料抗剪强度值和天然砂土-混凝土桩材料抗剪强度值；抗剪强度值提高约为10%。不同土样状态下，熔融石英砂和烘烤石英砂与混凝土桩材料间的抗剪强度值与混凝土桩材料温度的关系曲线分别如图12所示。由图12可知，土样的状态对抗剪强度有一些影响，但是影响不明显。由图11～12可知，本文试验条件下，桩体温度的变化，对土样与混凝土桩材料之间接触面的抗剪强度值影响不明显；这可能是由于桩体材料温度维持时间不够长所造成的。

(a)干样；(b)水饱和样图11　不同试样状态下抗剪强度与混凝土桩材料温度关系曲线Fig.11 Curves of shear strength versus the temperature of concrete pile material under different sample condition

(a)熔融石英砂；(b)烘烤石英砂图12　不同材料下抗剪强度与混凝土桩材料温度关系曲线Fig.12 Curves of shear strength versus the temperature of concrete pile material with different soil sample

3.3试验误差分析

常规ZJ型应变控制式直剪仪的仪器精度相对较低，仪器的读数和控制误差很容易导致试验结果的偏差；因此，开发控制精度更高、试验试样尺寸更合理的直剪仪对于研究温度影响下透明土-混凝土材料接触面摩擦特性问题非常有必要。

同时，混凝土桩材料采用水浴法来控制温度；水浴本身的温度容易控制，试验室温度可以通过恒温恒湿室得以控制，但是混凝土材料的温度不易控制，且混凝土材料离开水浴之后温度消散问题更不可控。剪切试验过程中，混凝土材料本身的真实温度不得而知。同时，本文试验过程中，混凝土桩材料温度控制时间比较短，桩体的温度很难有效、迅速的传递到土体材料中，也是导致温度变化对抗剪强度值影响相对不明显的原因之一。因此，有必要在直剪过程中，对混凝土材料的温度进行实时控制；即透明土-混凝土材料直剪过程中，维持混凝土材料的温度控制系统。

4结论

1)本文试验条件下，常温下熔融石英砂和烘烤石英砂透明土材料本身的抗剪强度值相近，且均比天然砂土材料本身的抗剪强度值大一些。常温下熔融石英砂、烘烤石英砂透明土材料与混凝土桩材料接触面抗剪强度值相近，且均与天然砂土与混凝土桩材料接触面力学特性相似，其数值略比天然砂土大一些。相同材料与混凝土桩材料间的抗剪强度值比材料本身的抗剪强度值略大一些。

2)本文试验条件下，不同试样状态下，温度对透明土材料与混凝土桩材料接触面的抗剪强度均无明显影响；与天然砂土与混凝土桩材料接触面抗剪强度值受温度影响的规律基本一致。

3)由于受直剪试验仪器精度和混凝土桩材料水浴法温度控制精度等因素影响，同时由于试验过程中，混凝土桩材料温度控制时间比较短，桩体的温度很难有效、迅速的传递到土体材料中，从而导致温度变化对抗剪强度值影响相对不明显；因此，本文试验条件下所得结果建议做定性分析之用。

参考文献：

[1] Lehane B M, Gill D R. Displacement fields induced by penetrometer installation in an artificial soil[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, 2004, 1(1): 25-36.

[2] 邵龙潭，刘潇，郭晓霞，等. 土工三轴试验试样全表面变形测量的实现[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(3): 409-415.

SHAO Longtan, LIU Xiao, GUO Xiaoxia. et al. Whole surface deformation measurement of triaxial soil specimen based on digital image processing[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(3): 409-415. [3] Ni Q, Hird C C, Guymer I. Physical modelling of pile penetration in clay using transparent soil and particle image velocimetry[J]. Géotechnique, 2010, 60(2): 121-132.

[4] 赵红华，葛玉宁，李鹏飞. 粒子测速技术和透明土在土与结构动力相互作用研究中的应用[J]. 西北地震学报, 2011, 33(增): 148-154.

ZHAO Honghua, GE Yuning, LI Pengfei. Application of PIV and transparent soil in the study of the dynamic soil-structure interaction[J]. Northwestern Seismological Journal, 2011, 33(S): 148-154. [5] Sun J Z, Liu J Y. Visualization of tunneling-induced ground movement in transparent sand[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40(2): 236-240.

[6] 曹兆虎，孔纲强，刘汉龙，等. 基于透明土材料的沉桩过程土体三维变形模型试验研究[J].岩土工程学报，2014，36(2): 395-400.

CAO Zhaohu, KONG Gangqiang, LIU Hanlong, et al. Model test on 3-D soil deformation during pile penetration using transparent soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(2): 395-400.

[7] S Preibisch, Saalfeld S, Schindelin J. et al. Software for bead based registration of selective plane illumination microscopy data[J]. Nature Methods, 2010, 9: 418-419.

[8] Allersma H G B. Photo-elastic stress analysis and strains in simple shear[C]// Proceedings, IUTAM Symposium on Deformation and Failure of Granular Materials, Delft, edited by Vermeer P A and Luger H J, 1982:345-353.

[9] de Villeneuve V W A, Dullens R P A , Aarts D G A, et al. Colloidal hard-sphere crystal growth frustrated by large spherical imputitices[J]. Science, 2005, 309(5738): 1231-1233.

[10] Iskander M , Lai J , Oswald C , et al. Development of a transparent material to model the geotechnical properties of soils[J]. Geotechnical Testing Journal, 1994, 17(4): 425-433.

[11] Sadek S , Iskander M , Liu J. Geotechnical properties of transparent silica[J]. Geotechnical Testing Journal, 2002, 39(1): 111-124.

[12] Lo H , Tabe K , Iskander M , et al. A transparent water-based polymer for simulating multiphase flow[J]. Geotechnical Testing Journal, 2010, 33(1): 1-13.

[13] 吴明喜. 人工合成透明砂土及其三轴试验研究[D]. 大连： 大连理工大学, 2006.

WU Mingxi. Study on transparent synthetic sand and its triaxial test[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2006.

[14] Ezzein F M , Bathurst R J . A transparent sand for geotechnical laboratory modeling[J]. Geotechnical Testing Journal, 2011, 34(6): 590-601.

[15] Guzman L , Iskander M , Suescun-Florez E, et al. A transparent Aqueous-saturated sand surrogate for use in physical modeling[J]. Acta Geotechnica, 2014, 9(2): 187-206.

[16] 孔纲强，刘璐，刘汉龙，等. 玻璃砂透明土变形特性三轴试验研究[J]. 岩土工程学报，2013，35(6): 1140-1146.

KONG Gangqiang, LIU Lu, LIU Hanlong, et al. Triaxial tests on deformation characteristics of transparent glass sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(6): 1140-1146.

[17] SL237—1999土工试验规程[S].

SL237—1999, Specification of soil test[S].

Experimental on interface mechanical of transparent sand concrete influenced by temperatureSUN Xuejin1, 2, KONG Gangqiang1, 2, LI Chunhong1, 2, CAO Zhaohu1, 2

(1. Key Laboratory of Geomechanics and Emban km ent Engineering (Hohai University), Ministry of Education, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：Based on transparent sand material and digital image processing technology, the visualization of model test method for geotechnical engineering was gradually applied. However, the researches focused on the mechanical properties of interface between transparent sand and concrete structures (such as, pile foundation) were relatively little. Besides, the researches focused on the transparent sand concrete pile interface mechanical properties influenced by temperature effect was relatively less. Based on laboratory tests, two transparent sand materials (fused silica and baked quartz), which are commonly used at home and abroad, were chosen for studies. The interface mechanical properties between these two transparent sand and concrete influenced by temperature was taken out. For comparison, the interface mechanical properties between sand and concrete influenced by temperature was also carried out. The results show that the interface mechanical properties between these two transparent materials and concrete material are similar with those between sand material and concrete. It indicates that these two types of transparent sand materials can be used in the simulation of natural sand - concrete interface characteristics. It also shows that the values of interface mechanical properties are influenced by temperature effect un-obviously.

Key words：transparent sand; sand; pile-soil interface; temperature effect; laboratorial test

中图分类号：TU375

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0632-07

通讯作者：孔纲强(1982-)，男，浙江金华人，教授，博士，从事桩-土相互作用及能量桩技术方面的教学与科研；E-mail: gqkong1@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278170，51478165)

收稿日期：2015-08-01