冻结砂土与混凝土接触面的剪切蠕变特性试验研究

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桩基础由于其良好的承载性能和结构优势,在冻土区得到了广泛地应用,成为了冻土区最常用的基础形式之一。而冻土由于其特殊性,明确冻土与混凝土间的承载特性,关系到桩基在冻土中的长期承载性能和变形稳定性,同时也关系到上部高层建筑、高速铁路、高速公路等重点工程的结构安全。本论文以冻结砂土与混凝土接触面的剪切蠕变特性为研究对象,在-2℃温度下,以不同剪应力模拟上部荷载,不同法向应力模拟桩周土侧向土压力及冻结力,研究剪应力、法向应力、冻土含水率、接触面粗糙度等四个因素对接触面剪切蠕变特性的影响,分析蠕变规律,探究接触面蠕变机理,建立接触面蠕变模型。本文主要采用分别加载的方式,进行恒温恒压下的常蠕变剪切试验,分别对四种剪应力水平(54.15 k Pa、110.4 k Pa、166.65 k Pa、222.9 k Pa)、三种法向应力水平(100 k Pa、150 k Pa、200 k Pa)、三种混凝土粗糙度条件(粗糙度0 mm、0.059 mm、0.098 mm)、七种含水率条件(包括6%、12%、16%等3种低含冰量冻土和23%、36%、60%、80%等4种高含冰量冻土)下的冻结砂土与混凝土接触面的剪切蠕变特性进行了对比分析,共计14组常蠕变剪切试验。另外,为了确定接触面剪应力条件,在与常蠕变试验相同条件下进行了1组接触面快剪试验;为了对比分析分别加载与分级加载的区别,进行了1组接触面分级加载剪切蠕变试验。剪应力水平的提高会直接影响接触面的变形稳定性。当剪应力水平从54.15 k Pa提升到222.9 k Pa时,接触面剪切蠕变曲线从衰减蠕变转变到了非衰减蠕变,剪应力为222.9k Pa时试样从加载到破坏的总时间是剪应力为166.65 k Pa时的三分之一。换言之,剪应力越大,接触面变形越不稳定,相应的瞬时蠕变量也就越大,稳定蠕变持续时间越短,稳定变形速率越大,试样越容易破坏。而法向应力由于能够提高界面接触力,使得冻结砂土与混凝土面的接触更加紧密,所以法向应力水平对接触面剪切蠕变特性的影响规律与剪应力水平的影响规律正好相反。即法向应力越大,接触面的变形越稳定,法向应力的提高能够显著增强接触面的蠕变强度。随着冻土含水率的增加,相同时间内接触面的蠕变变形呈现先减小后增大的变化趋势,当含水率为16%时的接触面在相同试验条件下的变形最小。同时由于含水率增加引起冻结砂土中未冻水含量的增加,当冻结砂土含水率达到80%时,接触面的变形发展表现出明显的粘性特征。从冻结砂土与不同粗糙度混凝土接触面的试验研究中可以发现,粗糙度的提高能够明显地改善接触面的承载性能,在一定范围内粗糙度越大,接触面变形越稳定。应用分别加载和分级加载方式研究接触面蠕变特性时,发现在较低剪应力水平下(54.15 k Pa和110.4 k Pa),二者相差不大,可以得到相似的研究规律;但当剪应力水平提高到166.65 k Pa时,由于前两级荷载下接触面变形的累积发展,分级加载试验在加完第三级荷载后快速发生了破坏,分级加载并不能真实反映高应力水平下接触面的剪切蠕变特性。在试验研究和接触面剪切蠕变规律分析的基础上,本文通过模型适用性分析,探讨了冻结砂土与混凝土接触面的剪切蠕变机理,建立了符合试验规律的蠕变模型。分析发现,伯格斯模型和西原模型能够揭示接触面在较小应力下的衰减蠕变现象,和应力较大时不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶段的蠕变过程,但对加速蠕变试验规律并不能进行很好的描述。本文基于现象学理论,通过分析不同剪应力条件下蠕变速率和时间的关系,得出了具有较好的模型适用性的接触面现象学蠕变模型。通过验证,模型计算得到的值和试验值的吻合度较高。
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