单一粒径砂-混凝土单剪试验研究.pdf

4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 9期( 总第 1 7 1期 ) 单一粒径砂一 混凝土单剪试验研 究 刘江元 ， 韩晓雷 ， 王海刚 ( 西安建筑科技大学土木工程学院 西安7 1 0 0 5 5 ) 【 摘要】 通过单剪试验 ， 研究了不同单一粒径砂与混凝土接触面的力学特性。试验结果表明， 不同单一粒 径砂的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移随粒径的增加而增加 ； 在法向压力较低时， 剪切应力 一位移关系曲线 呈现应变软化型； 随着法向压力的增高， 剪切应力 一 位移关系曲线逐步呈现应变硬化型 ； 此时， 单一粒径砂与混凝 土界面剪应力 一位移曲线可看成由一条斜直线、 一条双曲线和一条水平直线三部分组成。随着法向压力的增大， 试样剪胀性逐渐减弱， 试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。 【 关键词】 大型单剪仪； 单一粒径； 接触面厚度； 剪胀 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 90 0 0 4 0 3 砂垫层隔震是村镇建筑隔震减震的热点方向， 其减震 效果与垫层材料以及基础接触面的力学特性有着直接关 系。赵少伟， 窦远明通过振动台实验探讨了不同粒径砂 垫层的隔震情况 ， 发现单一粒径比连续级配的砂垫层减振 效果好且粒径较大效果更好。但是， 对于单一粒径材料与 结构接触面的力学特性， 却鲜有描述。 单剪试验已成为研究接触面力学特性的常用试验。 U e s u g i 、 K i s h i d a 率先采用单剪仪进行了干砂与钢板接触 面特性的单剪实验。殷宗泽等 通过单剪试验认为接触面 破坏是一个由边缘向内部逐渐扩展的过程。周小文等 对 砾石垫层与混凝土接触面的力学特性进行了试验研究。 接触面的相对粗糙度， 接触面材料的颗粒级配， 形状以 及作用在接触面上 的正应力是影 响接触 面抗剪强 度的主要 因素。为此， 对 3种不同的单一粒径砂与混凝土接触面的强 度和破坏特性 、 接 触面的应力应变特性等 问题进行 了研究 。 1 试 验方法 ( 1 ) 试验仪器： 试验设备为西安建筑科技大学岩土工 程研究所研制的大型单剪仪。该设备具有试样尺寸大( 直 径 D=5 0 0 m m) 、 施加荷载大( 法向5 0 0 k N， 切向 5 0 0 k N ) 等特 点， 适用于粒径 6 0 ra m以下的各类土与结构接触面相互作用 的试验研究 。单剪 仪 的下剪 切盒 由钢板 制成 ， 尺 寸 5 0 0 m m x 1 5 0 m m( 直径 x 高) 。上盒高度亦采用 1 5 0 m m， 由 l O个叠 环组成 ， 每个 叠环厚度为 1 5 m m， 内径 为 5 0 0 ra m， 叠环通过 由 平面滚针来减少摩擦。 图 1为单剪仪试验原理示意图。单剪仪每层叠环及下 部盒体的前端都装有测量水平位移变化的位移计 ， 最大允 许剪切位移 1 0 0 mm， 水平加载采用液压泵供油应变控制方 式； 垂直荷载、 水平推力及水平位移、 竖向位移数据由计算 机 自动采集 。 ( 2 ) 试验方案： 文中试验所用土样为不 同粒径的砂 土， 在不同法向应力下 ， 对单一粒径的砂土与具有相同表面 粗糙度的混凝土面板之问的接触 面力学 特性进 行了深入研 究。试验采用单一粒径的砂土， 相对密实度为 D =7 0 ， 试 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 1 0 8 3 7 0 ) 验方案如表 1 所示。 水 法向压力 法向荷重传感器 图1单剪仪试验原理示意图 表 1 单剪试验方案 试验方案 试样条件 试样 1 试样 2 试样 3 粒径小 于 0 I m m的砂 ， e =I 5 2 g e m 粒径 1 0 ram- 2 0 ram的粗砂 ， e =I 6 4 g e ra 粒径 2 0-5 0 ra m的砾砂 ， e =1 7 6 g , e m 一 图2 试样1 试验前 图3 混凝土面板 接触 面粗糙 度则 是影 响接 触面 力学性 质 的重要 因素 。 对于土与混凝土面板的接触面， 定义 为混凝土面板测点 的峰谷距的均方根值。试验前， 以混凝土面板某一角点为 起始点， 沿 3 0 m m 3 0 m m的网格 ， 将位移传感器逐次移动到 各网格点上 ， 并求得所有每相邻两点相对高程差的绝对值 ， 再求均方根值 ， 即为文中描述接触面的粗糙度 R 。经统计 计算 ， 文中试验混凝土接触面的粗糙度 R 为0 3 0 7 m m。 刘江元等 ： 单一粒径砂一 混凝土单剪试验研究 5 试验时下盒采用自制的尺寸为 6 2 0 m m 6 0 0 m n1 5 0 m m ( 长 宽 高) 的 C 3 0混凝土面板。试验正应力分别采用5 O 、 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0 k P a 。剪切速率为0 4 m m m i n ， 当剪力基本保持 不变或接触面相对剪切位移达到2 0 m m时， 停止试验。 2试验结果 昌 墟 剪切位移 ram 巨 髓 韫 匡 三 50莲kP篓a 粪 5 1 0 1 5 2 0 2 5 剪切位移 mm ( 1 ) 接触面厚度的确定。接触面厚度的影响因素很 多， 如粒径、 颗粒级配、 密度、 接触面粗糙程度 以及施加于接 触面上的法向应力等。通过试验 ， 3种方案与混凝土接触面 试验得到的试样破坏荷载峰值时水平位移沿试样高度的分 布按次序如图4所示。 剪切位移 m m E 宣 韫 图4 试样剪切位移梧试样高度分布 剪切位移 m m 剪切位移 n u n 剪切位移 m m 图5 试样接触面剪切应力一 位移关系 曲线 通常认为接触面厚度是土体剪应变( 或位移 ) 发生突变 的点到接触界面的距离， 通过对 3种方案接触面水平位移沿 试样高度的变化规律的分析 ， 可以发现以下规律 ： 随着粒径 的增大， 接触面的高度明显呈上升趋势。从图4中可以看出 试样 1接触面厚度约为 3 T m m， 试样 2接触面厚度约为 1 O 2 0 ra m， 试样 3接触面厚度约为 1 53 0 ra m。 ( 2 ) 接触面剪切应力 一位移关系和抗剪强度分析。 从图5中可以看出： 依据剪切应力与剪切变形的关系， 在试 验中有两种形式的变化曲线： 一种是在剪切过程 中其剪切 应力与剪切位移呈应变硬化型； 另一种是剪切应力与剪切 位移呈 应 变 软化 型。试 验结果 表 明 在垂 直 压力 较低 ( 5 0 k P a ) 时 ， 剪切应力 一位移关系曲线呈现应变软化型； 垂 直压 力越 高 ， 剪 切应力 一位移关 系 曲线呈 现应 变硬 化 型趋 势越明显， 此时 ， 不同单一粒径的砂土与混凝土界面剪应力 0 4 措 蛙 - 1 2 1 6 剪应变 ， 5 0k Pa l O O kP a 2 0 0 k Pa 3 00 k Pa 一 位移曲线可看由三部分组成 ： 初始弹性应变直线 阶段， 弹 塑性应变双曲线阶段 ， 塑性应变直线段。 剪切破坏时在接触面附近土体应变局部化 ， 产生剪切 带， 剪切带内土颗粒剪切位移较大， 并伴有应变软化和剪胀 等特征。对这3种试样砂与混凝土接触面的剪切位移， 随着 垂直压力的增大， 剪应力达到峰值时对应的剪切位移也逐 渐增大， 由试验结果可 以看出： 法向压力较低 ( 5 0 、 l O O k P a 时) 试样破坏剪切位移为 35 n u n ， 法向压力较高( 2 0 0 k P a 、 3 0 0 k P a时) 试样破坏剪切位移为6一l O m m。 ( 3 ) 单剪试验剪胀性分析。对这 3种不同方案的试 样， 在不同荷载作用下， 试验中通过竖向位移传感器来量测单 剪过程中土样的体应变 8 ， 通过水平位移传感器来量测相应 的剪应变 ， 体应变 8与剪应变 y 关系曲线中取剪胀为负， 压 缩为正， 3种不同方案的试样的 8 关系曲线如图6所示。 剪应变 ， 图6 试样 1关系曲线 对这 3种不同方案的试样， 由于初始干密度较高， 试验 时在所施加垂直压力范围内都出现了不同程度的剪胀 ， 由 呻一 5 O k P a _ l 0 0 k Pa 一 2 0 0 k P a - _3 0 0 k P a 0 o0 0O 5 0 1 0 O 1 5 0 2 0 剪应变， ， 图6单剪试验 sy关系曲线可以看出： 垂直压力越低剪胀 越明显； 随着垂直压力的增大， 试样剪胀性逐渐减弱； 剪胀 6 低温建筑技术 2 0 1 2年第 9期 ( 总第 1 7 1 期 ) 自密实混凝土模板侧压 力测试方法研 究 张嘉新 ， 高小建 ， ( 1 黑龙江省寒地建筑科学研究院。 哈尔滨1 5 0 0 8 0； 王子龙 ， 朱卫中 2 哈尔滨工业大学土木工程学院 哈尔滨1 5 0 0 0 6) 【 摘要】 研制了一种可准确、 定量评价不同浇注速度和高度条件下 自密实混凝土模板侧压力的实验装置 与测试方法。利用此实验装置对不同粉煤灰掺量的自密实混凝土模板侧压力进行测试， 结果表明： 白密实混凝土 产生的模板侧压力远远低于理论计算的静水压力值。在流动性相同条件下， 掺粉煤灰对自密实混凝土的模板侧 压力影 响不大。 【 关键词】 自密实混凝土； 模板侧压力； 实验装置； 测试方法 ； 粉煤灰 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 0 6 0 3 自密实混凝土( S C C) 是为了达到快速施工、 提高混凝土 浇注质量， 并且在致密钢筋的构件浇注中也能完全达到密 实效果的高性能混凝土 0 J ， 近年来已成为研究与施工应用 热点， 但工程实践发现， 由于 S C C自身流动性好， 易于下落 滑动， 施工过程中对于模板的稳定性会产生一定影响， 故通 常认为， 在 S C C浇注施工过程中， 由于其高流动性， 会使整 个薪拌混凝土产生的静水压力全部施加到模板上。因此 ， S C C施工常采用更多加肋的模板和密集加强的支撑系统 ， 拆 模时间也相对较晚。近期研究发现 ， S C C模板侧压力因 不同配合比混凝土的流变性 能和触变性不同而有很大差 异， 同时受浇注速度、 浇注高度等因素影响而使得模具系统 设计复杂 ， 且要求高， 费用多， 成本大。因此， 研究 S C C的模 板侧压力成为近年来国际上的热点课题 J 。测试混凝土 模板侧压力采用何种方法更为科学则是该课题研究的难 题 ， A s s a a d - 6 等采用圆柱体的侧面不同高度处安装可反映重 力变化的传感器法通过电子信号的转化来获取侧模板压力 表征信 号模拟值 ， 具体 圆柱体 的尺寸为 西 2 o o 2 8 0 0和 中2 0 o1 1 0 0两种， 由于尺寸效应所限， 该法仅能评价有效高 度条件下浇注S C C的侧模板压力， 而对于快速浇注的 S C C 在一次浇注高度为 1 01 2 m时则推断不 出其测试的准确 性。因此， 必须研究出一个新的方法来测试 S C C并反映出 S C C浇注在不同高度条件下的新拌混凝土对模板侧压力作 用的试验装置。本研究针对 A s s a a d法的缺陷， 取美国西北 大学 A C B M法之长， 通过反复测试 自己研究了一种可模 基金项目】 高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金课题( 2 0 1 0 C E M O 1 3 ) ； 先进土木工程材料教育部重点实验室开放基金课题 ( K 2 0 1 0 0 3 ) 0 OO oO oO OO O O 0O 0 O O0 O O OO OO OO OO OO O O O0 OO OO o O 0O OO OO OO OO OO OO O O O0 OO OO OO OO oO O O OO oO O O Oo OO 0O OO OO OO O0 O 0 O 并不是从一开始就发生的， 而是在垂直压力的作用下先发生 压缩， 待试样压缩到一定程度后， 才开始发生剪胀。对试样 发生剪胀时剪应力与垂直压力进行分析可以发现， 随着垂直 压力的增大， 试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。 3结语 ( 1 ) 通过对 5种方案接触面水平位移沿试样高度的 变化规律的分析， 得出： 00 1 a m单一粒径粉砂接触面厚 度约为 3 7 m m； 1 0 2 0 m m单一粒径粗砂接触面厚度约 为 1 0 2 0 mm； 2 05 0 ram单一粒径砾砂接触面厚度约为 1 5 3 0 mm； 接触面厚度随粒径的增加而增加。 ( 2 ) 在法向压力较低( 5 0 k P a ) 时， 剪切应力 一位移关 系曲线呈现应变软化型； 随着法向压力的增高 ， 剪切应力 一 位移关系曲线逐渐呈现应变硬化型。此时， 不同单一粒径的 土与混凝土界面剪应力 一位移曲线可看成由一条斜直线、 一 条双曲线和一条平直线 3部分组成。 ( 3 ) 随着垂直压力的增大， 剪应力达到峰值时对应的 剪切位移也逐渐增大 ， 法向压力小于 1 0 0 k P a时， 试样破坏剪 切位移为 3 5 ra m； 法向压力较高( 2 0 0 、 3 0 0 k P a ) 时， 试样破 坏剪切位移为 61 0 mm。 ( 4 ) 单剪试验的 s 关系曲线显示， 垂直压力越低 剪胀越明显； 随着垂直压力的增大， 试样剪胀性逐渐减弱。 参 考文献 1 赵少伟， 窦远明， 等 砂垫层隔震性能的试验研究 J 】 河北工 业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 3 ) ： 9 2 9 7 2 U e s u g i M，K i s h i d a H F ri c t i o n a l r e s i s t a n c e a t y i e l d b e t w e e n d r y s a n d a n d m i l d s t e e l J S o i l s a n d F o u n d a t i o n s ，1 9 8 6 ，2 6( 4) ： 1 3 9 1 4 9 3 K i s h i d a H，U e s u g i M T e s t s o f t h e i n t e r f a c e b e t w e e n s a n d a n d s t eel i n t h e s im p l e s h e a r a p p a r a t u s J G e o t e e h n i q u e ， 1 9 8 7 ， 3 7 ( 1 ) 4 殷宗泽 ， 朱 泓， 许国华 土与结构材料接触面的变形及其数学 模拟 J 岩土工程学报 ，1 9 9 4， 6 ( 3 ) ：l 42 2 5 周小文 ， 龚壁卫， 等 砾石垫层 一 混凝土接触面力学特性单剪 试验研 究 J 岩土工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7( 8 ) ： 8 7 68 8 0 收稿日期】 2 0 1 2 0 4 1 7 作者简介 刘江元( 1 9 8 5一)， 男 ， 河北邯 郸人 ， 硕 士， 研究 方 向： 地基处理和基础设计理论研究。