纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响_郭聚坤.pdf
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1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响郭聚坤,王瑞,寇海磊,尹锡军,魏道凯,雷胜友(长安大学公路学院,西安 ;山东交通职业学院公路与建筑系,山东潍坊 ;中国海洋大学工程学院,山东青岛 ;日喀则市交通运输局公路工程项目管理中心,西藏日喀则 )摘要:结构物表面纹理形态与土体颗粒分布对结构物土体界面剪切性状具有显著影响。利用自行改制的直剪仪对钢标准砂界面剪切特性进行研究,分析剪切应力剪切位移关系、不同纹理深度下的峰值剪切应力变化规律及界面抗剪强度指标变化规律。结果表明:试验峰值剪切应力与法向应力呈正相关关系;垂直纹理方向剪切的峰值剪切应力大于顺纹理方向的峰值剪切应
2、力;试验峰值剪切应力随纹理深度的增加而增加,之后保持某一稳定值上下波动;纹理深度存在临界值,集中在 范围内,值集中在 范围内;粗糙界面的摩擦角比光滑界面大;界面摩擦角随纹理深度的增加而增大,大于临界值时,界面摩擦角将保持一稳定值。关键词:砂;钢;纹理深度;剪切应力;界面摩擦角;临界值中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():,(,;,;,;,):,:;收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金资助项目();西藏自治区科技计划项目();西藏自治区自然科学基金资助项目();山东省交通运输厅科技计划项目();潍坊市高新区科技惠民计划项目()第一作者:郭聚坤(),男,博士研究生
3、,主要研究方向为结构物与土体相互作用通信作者:雷胜友,教授,主要研究方向为岩土工程、岩石力学,结构物与土体间的相互作用常见于基础工程、隧道工程、加固工程等多个领域。室内界面剪切试验是研究结构物与土体间相互作用的重要方法之一,抗剪强度指标的获取及界面剪切机理的研究对指导工程设计及实践具有重要意义。众多学者基于改进的室内土工直剪设备或研发新型直剪设备对结构物颗粒土界面力学特性展开了一系列试验研究。等、胡黎明等将纹理几何 形 状 设 置 为 非 规 则 型,最 大 峰 谷 距 ,并以 与平均粒径()的比值来定义结构物表面的相对粗糙度,砂为中粗砂,指出相对粗糙度存在临界值且在粗糙界面处砂中出现了剪切带
4、;闫澍旺等也将纹理几何形状设置为非规则型,以表面轮廓线最高点与最低点的距离来定义表面粗糙度,提出可以通过抗剪糙度和土体自身抗剪强度推算界面抗剪强度;赵春风等采用凸起的梯形高度来定义结构物表面粗糙度,土样为灰色粉砂,指出粗糙度对界面 软 化 特 性 的影响 存 在临 界值;金子豪等提出考虑形状为梯形凹槽的几何参数、槽内土体扰动深度和槽宽修正的粗糙度计算方法,土样为第期郭聚坤,等:纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响粗砂,指出界面峰值应力比和归一化摩擦因数均随界面粗糙度()的增加呈线性增长。在上述研究中,结构物表面规则型纹理的制作主要考虑纹理的形状、宽度和深度,纹理方向与剪切方向多数为垂直关系,但在
5、实际工程中结构物表面纹理方向是杂乱无章的,即结构物表面纹理方向与剪切方向的角度是任意的,在相同纹理体积的条件下,界面剪切特性随纹理方向的不同会如何表现是值得进 一 步 探 究 的。为 此,周 国 庆 等和 等 将室内直剪仪的下盒空间用刻有纹理的结构物代替,通过改变结构物旋转角度和纹理深度来模拟不同的粗糙度,研究了界面抗剪强度、剪胀特性随界面粗糙度的变化规律。为进一步研究不同纹理特征下的界面剪切特性,本文利用自行改制的直剪仪进行标准砂钢界面剪切试验,研究剪切应力剪切位移的关系和不同纹理深度下峰值剪切应力及界面抗剪强度指标的变化规律。试验 试验设备钢砂界面剪切试验所用仪器设备经室内直剪仪下剪切盒改
6、造而成,如图所示,改进的直剪仪上下剪切盒如图所示。将直剪仪下剪切盒()掏空,放入加工好的钢护环(),为保证钢护环与下剪切盒紧密连接,通过六角螺栓()进行固定,钢护环内部放置结构物(),结构物尺寸与钢护环内尺寸保持一致,且保证结构物可在钢护环内进行 范围内的任意转动。为保证试验过程中结构物在某一角度下不发生转动,通过拧紧穿过事先打好下剪切盒和钢护环侧壁圆孔的六角螺栓()将结构物固定住,为避免因结构物与钢护环贴合紧密产生气压,导致取放结构物困难,在下剪切盒底部中心位置打一贯通圆孔。为保证在向上剪切盒()放置土样时土体与结构物不发生相对移动,预先在下剪切盒的钢护环对角位置打个连接上剪切盒的螺栓孔()
7、,通过螺栓()将上下剪切盒连接起来,在装样和预压土样结束后将其取下。上剪切盒放置的土样直径为 ,而下剪切盒放置的结构物直径为,可以保证直剪试验剪切位移在 范围内土体与结构物的接触面积始终保持不变,满足试验要求。图界面剪切示意图 下剪切盒;钢护环;下剪切盒与钢护环的连接螺栓;结构物;固定下剪切盒结构物的六角螺栓;连接上剪切盒的螺栓孔;上剪切盒;连接上下剪切盒的螺栓图改进的直剪仪上下剪切盒 试验材料试验所用砂为福建标准砂,经筛分得到粒组为 的细砂作为试验用砂,如图所示。试验用砂的主要物理力学指标按照 公路土工试验规程()获取,见表。图试验用砂 表标准砂主要物理力学指标 ()()试验所用钢板采用 碳
8、素结构钢,钢板为圆柱体,直径为 ,高为 ,钢板共计块,如图所示。其中块表面光滑,定义为光滑界面;其余块用机械设备在其表面分别加工道纹理,纹理形状为倒三角形,宽度均为,深度分别为、,将刻有纹理的种表面分别定义为粗糙界面、。为研究不同纹理方向对界面剪切特性的影响,设置纹理长度方向与界面剪切方向呈 和 这个角度。粗糙界面 纹理角度如图所示。试验方案将光滑界面()和粗糙界面(、)的钢板分别放入改进的直剪仪下剪切盒,上剪切盒加入经烘箱烘干后的标准砂和透水石,为保证同一界面和同一转动角度下砂状态的一致性,每次装砂的质量和预压时间均保持一致,在法向应力()分别为、作用下进行钢砂界面剪切试验,中 国 科 技
9、论 文第 卷图试验用钢板 图粗糙界面纹理角度 试验共计 组,试验预压时间均为 ,试验剪切速率控制在 。试验结果分析 剪切应力剪切位移关系不同表面形态的钢板与砂的界面剪切应力剪切位移关系曲线如图所示,限于篇幅和曲线走势的相近性,以界面和界面为例。分析可知:剪切应力在试验初始阶段随剪切位移的增加而增大,且增速较快,随着试验的进行,剪切应力增加幅度减小,直至剪切应力到达峰值点,峰值剪切位移过后剪切应力出现轻微的软化并伴随小幅度的波动;试验峰值剪切应力随法向应力的增大而增大,呈正相关关系;粗糙界面的峰值剪切应力与光滑界面相比出现较大幅度的增加,说明界面形态的不同对界面剪切强度产生了影响;在同一粗糙界面
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