相对密实度对钢-砂界面循环剪切弱化影响研究

陈健伟,刘俊伟,*,国 振,陈建强,寇媛媛,姜正璟,巩光磊

(1.青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525;2.浙江大学 建筑工程学院,杭州 310058;3.青岛海德工程集团股份有限公司,青岛 266100)

近年来风能已成为可再生能源供应的重要力量[1],我国水深小于30 m范围内海上风机基础形式绝大多数为单桩[2]。随着海洋开发力度加大,深水区应用单桩基础成本过高,吸力式桶形基础成为更优的选择[3]。吸力式多桶基础在风、浪、流产生的倾覆荷载作用下以轴向循环受荷为主,我国滨海地区多为砂土,因此进行钢-砂界面循环弱化的研究具有重要意义。

针对钢-砂界面的剪切弱化特性,国内外学者进行了一系列的研究[4-7]。赵文等[8]通过可视化直剪容器进行了不同相对密实度砾砂-混凝土管界面直剪试验,揭示了相对密实度对界面剪切力学特性的影响。王超众[9]开展了不同相对密实度尾砂-塑料土工格栅界面剪切试验,研究了界面强度特性以及剪胀剪缩特性。梁越等[10]在盒式剪切仪中进行了钢-土界面直剪和往复剪切试验,探究了不同泥岩干密度对界面强度的影响。上述研究通过界面剪切试验探究了砂土相对密实度对界面强度的影响,但相对密实度对钢-砂界面循环弱化的影响机制还有待深入分析。

本文利用自主研发的大型界面环剪仪[5],开展了不同相对密实度条件下钢-砂界面循环剪切试验,探讨相对密实度对界面力学特性循环弱化的影响,分析界面循环弱化机制。

1.1 试验装置

环剪仪由应力加载系统、界面剪切系统、剪切传动系统、数据控制与采集系统4个部分组成,如图1所示。剪切方式为下界面剪切,剪切外环为钢化玻璃。数据控制与采集系统可调整剪切模式及参数并记录剪切应力、法向应力和法向位移等参数。

1.2 砂土

循环剪切试验采用的石英砂选自福建标准砂,物理参数如表1所示。为排除其他因素对试验结果的影响,只选用0.25～0.5 mm粒径砂土。由于干砂与饱和砂土在排水状态时的剪切特性极为相似[11],因此选用干砂进行试验。

表1 砂土物理参数

1.3 钢界面

环剪仪底环采用钢界面,钢环内径为200 mm,外径为300 mm,界面粗糙度控制为(3.25±0.1) μm。材质选用美国钢铁学会标准1045号钢,抗拉强度为600 MPa,弹性模量为210 GPa。

1.4 试验方案

采用等刚度边界条件研究砂土相对密实度对界面力学特性循环弱化的影响。循环剪切幅值设置为2 mm,剪切速度为5 mm/min,循环次数N=20次。考虑10 m深度处土体应力,初始法向应力设定为100 kPa,法向刚度为197 kPa/mm[12]。

在剪切外环的内表面粘贴透明刻度尺贴纸,采用砂雨法以不同高度和移速控制砂土相对密实度。共进行3组试验,根据相对密实度砂土分为松散砂(Dr=26%)、中密砂(Dr=45%)、密实砂(Dr=64%)。由于装样后剪切开始前应力加载系统会对砂样有一定程度的压实,因此将Dr=64%砂土近似认为密实状态。具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2.1 剪切应力-剪切位移关系曲线

图2为钢-砂界面的剪切应力-剪切位移关系曲线。为清晰展现钢-砂界面循环剪切弱化规律,仅选取循环次数N=1,2,5,10,20次的试验数据作为分析对象。

由图2(a)可知,当Dr=26%时,第1次循环结束时剪应力即衰减到稳定状态。第1,2,5,10,20次循环正位移幅值处的剪应力极值分别为40.88,18.38,16.72,15.24,14.56 kPa,剪应力弱化主要发生在第1次循环,经历20次循环后弱化速率下降到1.7%。由图2(b)可知,当Dr=45%时,第5次循环剪切过程剪应力才衰减到稳定状态。第1,2,5,10,20次循环正位移幅值处的剪应力极值分别为54.03,34.69,17.20,14.71,14.19 kPa,剪应力弱化主要发生在前5次循环,经历20次循环后弱化速率下降到1.0%。由图2(c)可知,当Dr=64%时,第1次循环的滞回曲线比较饱满,从第2—20次循环,滞回环由“梭形”向“平行四边形”转变。第1,2,5,10,20次循环正位移幅值处的剪应力极值分别为63.12,50.68,39.67,30.63,23.54 kPa,剪应力在前20次循环不断发生弱化,且随循环次数增加弱化速率不断减小,经历20次循环后弱化速率下降到11.2%。

不同相对密实度砂土都在每次循环的正位移幅值处达到剪应力极值,第5次循环之后滞回曲线基本处于闭合状态,其最终形状向“平行四边形”演变。随着循环次数的增加剪应力不断弱化,弱化速率不断减小。随着相对密实度的增加,前5次循环中相同循环下剪应力极值增大,剪应力的弱化程度降低,循环剪切的弱化作用减小,第1次循环的剪应力衰减速率减小。松散砂的剪应力弱化主要发生在第1次循环,中密砂主要发生在前5次循环,密实砂在前20次循环剪应力不断弱化。砂土越密实,剪应力-剪切位移曲线越饱满,“梭形”滞回环所占的比例越高。

循环剪切作用破坏砂土的原有骨架结构,砂颗粒位置调整与磨损、破碎过程同时进行,直到形成适应循环剪切过程的稳固结构。松散砂在循环剪切前未形成稳定的骨架结构,砂颗粒主要以层状方式排布,砂样孔隙率很大。剪切开始后,砂颗粒位置剧烈调整,大孔隙率让颗粒调整更加迅速,骨架结构更易形成,经历1次循环剪应力即衰减到稳定状态。对于中密砂来说,砂样的骨架结构在剪切前具有一定的稳定性,砂颗粒上、下交错分布,颗粒间具有较强的咬合力和嵌锁作用,初始骨架可以承受一定的剪切应力,砂颗粒调整需要更多的剪切过程,同时中密砂的孔隙率较松散砂小,因此骨架稳定需要5次循环,第1次循环的剪应力极值比松散砂大。密实砂的孔隙率更小,砂样初始骨架更加稳定,因此前20次循环剪应力不断弱化,未形成稳定的骨架结构,第1次循环的剪应力极值最大。

2.2 法向应力-剪切位移关系曲线

图3为钢-砂界面的法向应力-剪切位移关系曲线。

由图3(a)可知,当Dr=26%时,第1次循环结束时法向应力即衰减到稳定状态。第1次循环的法向应力-剪切位移曲线成“之”字形。从第2—20次循环,不同循环的法向应力-剪切位移曲线几乎重合,曲线大致呈对称“蝶”形。第1,2,5,10,20次循环正位移幅值处的法向应力分别为70.84,21.56,21.99,18.11,18.49 kPa,法向应力弱化主要发生在第1次循环,第2次循环弱化速率为0.6%,经历20次循环后弱化速率下降到0.5%。由图3(b)可知,当Dr=45%时,第5次循环剪切过程法向应力才衰减到稳定状态。从第5—20次循环,法向应力不断小幅弱化,曲线大致呈对称“蝶”形。第1,2,5,10,20次循环正位移幅值处的法向应力分别为89.43,53.44,21.92,16.95,15.34 kPa,法向应力弱化主要发生在前5次循环,随着循环次数的增加弱化速率不断减小,经历20次循环后弱化速率下降到1.8%。由图3(c)可知,当Dr=64%时,前20次循环法向应力不断弱化,相邻循环衰减幅度相近且较大。第5—20次循环,关系曲线呈不对称“蝶”形。第1,2,5,10,20次循环正位移幅值处的法向应力分别为98.08,79.15,63.33,49.33,35.15 kPa,法向应力在前20次循环不断发生弱化,经历20次循环后弱化速率下降到14.5%。

相对密实度越大,前5次循环中相同循环后法向应力越大,单次循环的弱化作用越小,第1次循环的法向应力衰减速率越小。松散砂的法向应力弱化主要发生在第1次循环,中密砂主要发生在前5次循环,密实砂在前20次循环不断弱化。此外,在法向应力衰减到稳定状态之前,相对密实度越小,同一循环的法向应力-剪切位移曲线越伸展,法向应力弱化程度越高。砂土越密实,不对称“蝶”形曲线所占的比例越高,法向应力弱化到稳定状态需要的循环次数越多。

根据图2和图3可以看出,法向应力的改变是影响界面剪应力大小的重要因素。法向应力增大时,砂样剪切带区域与钢界面之间的正压力增大,由滑动摩擦原理可知,界面剪应力增大,同理法向应力减小时剪应力减小。此外,法向应力的增大、减小与砂样法向位移变化密切相关。等刚度条件下,当发生剪缩时,剪切带厚度和砂样高度减小,土骨架结构坍塌,法向应力随之减小,因此,法向应力变化的根本原因是循环剪切过程中砂颗粒的位置调整、磨损和破碎引起的体积变化。

2.3 法向位移-剪切位移关系曲线

图4为钢-砂界面的法向位移-剪切位移关系曲线,法向位移增大表示砂样发生剪缩。

由图4(a)可知,当Dr=26%时,第1次循环法向位移持续增大,不同循环的法向位移-剪切位移曲线近似平行层状分布。第1,2,5,10,20次循环结束时的法向位移分别为0.50,0.71,0.94,1.16,1.35 mm,前5次循环法向位移增长量较大,法向位移随循环次数增加不断增大,法向位移的增长速率和增长幅度逐渐减小,整体表现为剪缩。由图4(b)可知,当Dr=45%时,第1次循环剪切过程砂样就开始剪胀。第1,2,5,10,20次循环结束时的法向位移分别为0.26,0.37,0.46,0.57,0.70 mm,前5次循环法向位移增长量较大,所有循环都存在剪缩、剪胀同时发生的情况。由图4(c)可知,当Dr=64%时,法向位移的变化较复杂,第1次循环剪切过程砂样剪胀现象更加明显,从第2—20次循环,法向位移-剪切位移关系曲线出现交错分布。第1,2,5,10,20次循环结束时的法向位移分别为0.12,0.17,0.17,0.20,0.25 mm,前2次循环即有较大的剪缩量。

相对密实度越大,相同循环下砂土的法向位移越小,最终剪缩量也越小,砂土越不容易被压缩挤密,第1次循环砂土剪胀所需剪切位移越小,剪胀现象越明显。随相对密实度增大,单次循环法向位移变化幅值减小,法向位移-剪切位移关系曲线由平行层状分布向交错分布演变。

密实砂的法向位移变化较松散砂和中密砂更为特殊。对于松散砂和中密砂,随着相对密实度的增加,法向位移的增长幅度逐渐减小,而密实砂为先减小后增大。分析认为,密实砂的第2—5次循环剪切过程是砂样变化由以位置调整为主向以颗粒破碎为主的过渡阶段。砂土处于松散或中密状态时,孔隙率较大,循环剪切使颗粒间距减小,法向位移逐渐增大。但由于砂样逐渐密实,位置调整逐渐困难,因此法向位移的增长幅度逐渐减小。当砂土处于密实状态时,有限的空隙只允许砂颗粒在前2次循环内进行位置调整。第2次循环之后,砂样在原有粒径条件下无法继续密实,后续的循环剪切导致砂颗粒边角磨损、发生破碎,破碎后的小粒径颗粒进入到大粒径颗粒形成的空隙中,砂样继续密实,法向位移增长幅度开始由小变大。

本文利用大型界面环剪仪,开展了一系列不同相对密实度砂-钢界面循环剪切试验,主要结论如下:

1) 随着相对密实度的增加,相同循环下剪应力极值增大,单次循环的弱化作用减小,第1次循环的剪应力衰减速率减小,剪应力弱化到稳定状态需要的循环次数增加,“梭形”滞回环所占的比例增大。

2) 相对密实度越大,相同循环下法向应力越大,第1次循环的法向应力衰减速率越小,弱化到稳定状态需要的循环次数越多,不对称“蝶”形曲线所占的比例越高。

3) 相对密实度越大,相同循环下砂土的法向位移越小,最终剪缩量也越小,第1次循环砂土剪胀越明显。