土壤结构界面剪切强度的降低
B.Tiwari1，Ph.D.，M.ASCE，B.Ajmera1，G.Kaya2
- 摘要
在设计与岩土工程相关的结构，包括但不仅是浅基础，桩，挡土墙，板桩的设计等时，土壤结构界面剪切强度是非常重要的。虽然界面剪切强度非常重要，但是设计师在设计这种结构时会利用自己的经验。关于界面剪切强度的数值模拟值有许多文献可以用来参考。然而近年来对于不同类型的土壤和结构的界面阻力研究却很少。采用多次反转直剪仪测试不同土样的抗剪强度，测定土壤-混凝土块，土壤-木块，土壤-钢块界面的抗剪强度。根据USCS系统，研究的土壤类型包括SP，SW，SM，SP-SM，MH，ML和CL。结果表明，土壤结构界面的表层抗力取决于结构的表面材料和土壤的类型。干燥的土壤的特性不同于饱和土壤的特性。
- 背景
在设计包括但不仅是深基础——桩和钻轴，浅基础-展开基础和垫层，挡土墙，板桩等的各种岩土结构时，土壤和结构材料之间的剪切强度是很重要的。然而，建立土壤结构抗剪强度的研究却很少。大部分设计都是基于经验，即表面摩擦或粘附力与基础土的内摩擦或内聚力之比。Potyondy（1961）进行了一项研究，分别测量表层摩擦力和粘附力与土壤摩擦力和内聚力之比。他对混凝土，钢和木材与砂，沙质淤泥，粘性土，石粉（称之为淤泥）和粘土进行了直剪试验。他对某些预先设定好水分含量的样品以及干燥的样品进行了测试。他得出的结论是，土壤的摩擦阻力取决于砂的比例。他还提出了建筑材料与土壤设计摩擦阻力的比值是饱和松砂为0.4，饱和密砂为1.0。Coyle和Sulaiman（1967）研究了砂和钢之间的摩擦阻力，Kulhaway和Peterson（1979）测量了砂和混凝土的摩擦阻力。 包括但不仅有Evgin和Fakharian（1996），Hryciw和Irsyam（1993），Uesigi和Kishida（1988）以及Hu和Pu（2004）的其他一些研究人员对钢或混凝土和砂之间的界面进行了直剪试验，测量界面摩擦阻力。除直接剪切装置外，Paikowsky等人（1995）开发了一种双界面装置，而Yoshimi和Kishida（1981）开发了一种环形剪切装置来测量较大变形的界面摩擦阻力。虽然有许多文献对土壤和建筑材料的界面摩擦阻力进行了评估，但是Potyondy（1961）是唯一一篇对土壤结构界面进行大量实验研究的文献。然而，Potyondy（1961）对主要控制土壤结构界面间剪切特性的几个问题的研究并不清楚。这些问题是：
- 尽管大多数测试是在粘土砂界面上进行的，但粘土的活性还不清楚。活性是塑性指数与粘土百分比的比值。
- 虽然测试是在不同类型的土壤上进行的，但是根据目前的统一土壤分类系统（USCS）分类，其中大部分都属于有限的几种土壤类型。
- 虽然测试是在控制湿度的情况下完成的，但对于部分饱和的情况，标准吸力的影响还不清楚。
- 测试是用一个非常小的剪切块完成的，这个试块可能会造成很大的机械误差。
- 大部分的测试只用了两个标准压力进行。
- 由于在界面处没有提供排水通道，因此界面之间的排水不能得到保证。
本研究对USCS系统中不同类型土的各种建筑材料的界面抗剪强度进行了较为系统的研究。此外，试样的初始空隙率保持恒定，以便我们可以系统地比较结果。剪切块的面积是Potyondy（1961）所用面积的3倍，并在结构块上制作了几个排水孔，用来检查排水对界面摩擦阻力的影响。
- 研究方法
为了评测土壤与结构体之间的界面摩擦阻力，准备了三种类型的建筑材料：a）普通混凝土，b）胶合板，和c）钢。这三种试块的尺寸是100mmtimes;100mmtimes;6.25mm。 所有试块都有足够数量的排水孔，以确保排水。三种材料的试块如图1到3所示。
用一个全自动的直接剪切装置来研究。上部和下部剪切块的尺寸均为100mmtimes;100mmtimes;6.25mm。垂直位移，水平位移和剪切力分别通过垂直线性可变差动变压器（LVDT），水平LVDT和测力传感器分别记录在独立的数据采集通道中。装置中的装载臂被设置成使得在标准应力下可以实现10：1的机械优势。下面的试块完全被建筑材料——混凝土块，钢块和木块堵住了。准备不同类型的土壤来测量与建筑物结构的界面处的土壤的抗剪切力。为了比较强度，还通过从下面的试块中取出建筑材料块来测量土壤样本的剪切强度。用于研究的土壤样本是：a）分级不好的砂（SP）（渥太华沙用于此目的），b）从混凝土集料获得的分级好的砂（SW），c）粉砂（SM）通过在施工砂中混入淤泥制成，d）在建筑材料中混合淤泥而制成的具有淤泥的不良分级砂（SP-SM），e）弹性淤泥（MH），f）淤泥（ML）和g ）贫粘土（CL）。MH和CL材料是通过将适当比例的高岭土和膨润土与砂混合而制成的。如图4所示的是SP，SW和SM材料的颗粒尺寸分布曲线。类似的图表也可以用于其他样本。
图1.用于研究的木块的照片
图2.用于研究的混凝土块的照片
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