相對密實度對鋼-砂界面循環剪切弱化影響研究

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 土木工程學院,青島 266525;2.浙江大學 建筑工程學院,杭州 310058;3.青島海德工程集團股份有限公司,青島 266100)

近年來風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范圍內海上風機基礎形式絕大多數為單樁[2]。隨著海洋開發力度加大,深水區應用單樁基礎成本過高,吸力式桶形基礎成為更優的選擇[3]。吸力式多桶基礎在風、浪、流產生的傾覆荷載作用下以軸向循環受荷為主,我國濱海地區多為砂土,因此進行鋼-砂界面循環弱化的研究具有重要意義。

針對鋼-砂界面的剪切弱化特性,國內外學者進行了一系列的研究[4-7]。趙文等[8]通過可視化直剪容器進行了不同相對密實度礫砂-混凝土管界面直剪試驗,揭示了相對密實度對界面剪切力學特性的影響。王超眾[9]開展了不同相對密實度尾砂-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。上述研究通過界面剪切試驗探究了砂土相對密實度對界面強度的影響,但相對密實度對鋼-砂界面循環弱化的影響機制還有待深入分析。

本文利用自主研發的大型界面環剪儀[5],開展了不同相對密實度條件下鋼-砂界面循環剪切試驗,探討相對密實度對界面力學特性循環弱化的影響,分析界面循環弱化機制。

1.1 試驗裝置

環剪儀由應力加載系統、界面剪切系統、剪切傳動系統、數據控制與采集系統4個部分組成,如圖1所示。剪切方式為下界面剪切,剪切外環為鋼化玻璃。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時的剪切特性極為相似[11],因此選用干砂進行試驗。

表1 砂土物理參數

1.3 鋼界面

環剪儀底環采用鋼界面,鋼環內徑為200 mm,外徑為300 mm,界面粗糙度控制為(3.25±0.1) μm。材質選用美國鋼鐵學會標準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度對界面力學特性循環弱化的影響。循環剪切幅值設置為2 mm,剪切速度為5 mm/min,循環次數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度。共進行3組試驗,根據相對密實度砂土分為松散砂(Dr=26%)、中密砂(Dr=45%)、密實砂(Dr=64%)。由于裝樣后剪切開始前應力加載系統會對砂樣有一定程度的壓實,因此將Dr=64%砂土近似認為密實狀態。具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2.1 剪切應力-剪切位移關系曲線

圖2為鋼-砂界面的剪切應力-剪切位移關系曲線。為清晰展現鋼-砂界面循環剪切弱化規律,僅選取循環次數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,第1次循環結束時剪應力即衰減到穩定狀態。第1,2,5,10,20次循環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,剪應力弱化主要發生在第1次循環,經歷20次循環后弱化速率下降到1.7%。由圖2(b)可知,當Dr=45%時,第5次循環剪切過程剪應力才衰減到穩定狀態。第1,2,5,10,20次循環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,剪應力弱化主要發生在前5次循環,經歷20次循環后弱化速率下降到1.0%。由圖2(c)可知,當Dr=64%時,第1次循環的滯回曲線比較飽滿,從第2—20次循環,滯回環由“梭形”向“平行四邊形”轉變。第1,2,5,10,20次循環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次循環不斷發生弱化,且隨循環次數增加弱化速率不斷減小,經歷20次循環后弱化速率下降到11.2%。

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

循環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、破碎過程同時進行,直到形成適應循環剪切過程的穩固結構。松散砂在循環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,經歷1次循環剪應力即衰減到穩定狀態。對于中密砂來說,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程,同時中密砂的孔隙率較松散砂小,因此骨架穩定需要5次循環,第1次循環的剪應力極值比松散砂大。密實砂的孔隙率更小,砂樣初始骨架更加穩定,因此前20次循環剪應力不斷弱化,未形成穩定的骨架結構,第1次循環的剪應力極值最大。

2.2 法向應力-剪切位移關系曲線

圖3為鋼-砂界面的法向應力-剪切位移關系曲線。

由圖3(a)可知,當Dr=26%時,第1次循環結束時法向應力即衰減到穩定狀態。第1次循環的法向應力-剪切位移曲線成“之”字形。從第2—20次循環,不同循環的法向應力-剪切位移曲線幾乎重合,曲線大致呈對稱“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環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生在第1次循環,第2次循環弱化速率為0.6%,經歷20次循環后弱化速率下降到0.5%。由圖3(b)可知,當Dr=45%時,第5次循環剪切過程法向應力才衰減到穩定狀態。從第5—20次循環,法向應力不斷小幅弱化,曲線大致呈對稱“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環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生在前5次循環,隨著循環次數的增加弱化速率不斷減小,經歷20次循環后弱化速率下降到1.8%。由圖3(c)可知,當Dr=64%時,前20次循環法向應力不斷弱化,相鄰循環衰減幅度相近且較大。第5—20次循環,關系曲線呈不對稱“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環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次循環不斷發生弱化,經歷20次循環后弱化速率下降到14.5%。

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

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,砂樣剪切帶區域與鋼界面之間的正壓力增大,由滑動摩擦原理可知,界面剪應力增大,同理法向應力減小時剪應力減小。此外,法向應力的增大、減小與砂樣法向位移變化密切相關。等剛度條件下,當發生剪縮時,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剪切過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-剪切位移關系曲線

圖4為鋼-砂界面的法向位移-剪切位移關系曲線,法向位移增大表示砂樣發生剪縮。

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

相對密實度越大,相同循環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次循環砂土剪脹所需剪切位移越小,剪脹現象越明顯。隨相對密實度增大,單次循環法向位移變化幅值減小,法向位移-剪切位移關系曲線由平行層狀分布向交錯分布演變。

密實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,隨著相對密實度的增加,法向位移的增長幅度逐漸減小,而密實砂為先減小后增大。分析認為,密實砂的第2—5次循環剪切過程是砂樣變化由以位置調整為主向以顆粒破碎為主的過渡階段。砂土處于松散或中密狀態時,孔隙率較大,循環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,位置調整逐漸困難,因此法向位移的增長幅度逐漸減小。當砂土處于密實狀態時,有限的空隙只允許砂顆粒在前2次循環內進行位置調整。第2次循環之后,砂樣在原有粒徑條件下無法繼續密實,后續的循環剪切導致砂顆粒邊角磨損、發生破碎,破碎后的小粒徑顆粒進入到大粒徑顆粒形成的空隙中,砂樣繼續密實,法向位移增長幅度開始由小變大。

本文利用大型界面環剪儀,開展了一系列不同相對密實度砂-鋼界面循環剪切試驗,主要結論如下:

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

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

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