0.   引言

非水反应高聚物因具有反应迅速、强度高、膨胀力大的特性，已广泛应用于水利、道路等工程抢险修复，在路面、管道抬升修复、地基加固、隧道突涌水防治等方面取得了良好社会效益^[1-3]。不仅如此，近年来高聚物的工程应用领域也在逐渐拓展，比如一些学者成功将高聚物用于碎石桩^[4-5]、锚杆锚固^[6]、基坑支护^[7]工程中，取得了较好效果。

高聚物-岩土体-结构的相互作用极其复杂。例如，在防渗堵漏时，高聚物作为栓塞体，起到堵塞渗流通道的作用，但在长时间水压作用下，高聚物与周围介质界面会发生剪切变形，严重时会导致高聚物被冲出，栓塞失效。高聚物用于锚杆时，高聚物与钢筋和周围介质相互黏结，提供锚固力，在岩土体发生变形时，拉拔力会使钢筋-高聚物黏结界面和高聚物-岩土体界面发生剪切作用，当拉拔力超过一定阈值后，界面会发生剪切破坏，导致锚杆加固作用丧失。高聚物用作碎石桩等桩基时，高聚物除了充当碎石胶结体外，还会与周围土体存在黏结作用，在上覆荷载作用下，高聚物与土体界面会发生剪切作用。基坑支护中，在钢面板后注入高聚物，高聚物与土体和钢板接触，在土体沉降或浮力作用下，界面也存在剪切效应。因此在工程应用中，除了要研究高聚物本身的性质外，还要考虑高聚物与不同材料界面的剪切特性。

不同于一般的混凝土材料，高聚物在工程应用过程中是利用注浆设备将两种原料混合后注入岩土体中，高聚物快速膨胀反应，达到特定强度。高聚物本身在反应过程中会与土体或结构发生黏结，黏结力对界面剪切强度的提升效果目前研究较少，传统的界面剪切试验，如混凝土与土体，多采用混凝土预先成型的方式，与高聚物材料的作用机制存在较大差异。

目前已有部分学者开展了高聚物与土体和钢筋的黏结特性研究，如刘恒等^[8]针对高聚物注浆锚杆，研究了高聚物密度，锚固体长度等对黏结强度的影响，分析了高聚物与螺纹钢筋、粉土和混凝土的黏结强度。Li等^[9]利用直剪设备研究了高聚物与膨润土界面的剪切行为，考虑了法向应力、含水率和高聚物密度对界面的剪切强度的影响，且采用了高聚物非预成型方式，与工程实际更加符合。王钰轲等^[10]采用高聚物预先成型方式研究了高聚物-土工布界面、高聚物-砂土界面的剪切特性。Lin等^[11]将高聚物的堵水失效机制简化为高聚物的切削破坏，研究了切削深度和尖端半径的影响，并提出了注浆材料选择和优化的预测模型，对高聚物用于岩体有较好的适用性。

直剪试验是研究岩土材料界面剪切特性的常用手段，Potyondy^[12]最早利用改进的直剪型设备来开展界面剪切试验，得出影响接触面力学特性的4个主要因素为含水率、表面粗糙度、土体类别和法向压力。之后很多学者从这4个因素出发，利用直剪设备研究了不同含水率、不同粗糙度界面，不同法向压力与不同土体类别互相组合情况下的接触面力学特性^[13-15]。如Clough等^[16]利用直剪设备开展了砂与混凝土界面的剪切试验，建立了经典的双曲线模型。Farhadi等^[17]研究了粗糙度对砂土-钢板的界面剪切的影响。Liu等^[18]利用循环直剪仪研究了混凝土桩、钢桩与砂土界面的循环剪切特性。成浩等^[19]研究了颗粒粒度和级配对土体与混凝土界面剪切性能的影响。杨忠平等^[20]研究了粗糙度对土石混合料和基岩界面的影响。

综上所述，高聚物与不同介质界面广泛存在于不同的工程中，但其界面剪切特性研究还存在不足，与混凝土、钢等材料与土体界面研究相比，还处于起步阶段，需要开展进一步研究。基于此，本文开展了室内直剪试验，考虑了土体含水率、法向应力、界面类型、高聚物密度和成型方式等因素对界面剪切强度的影响，并对比了不同界面的剪切强度大小。

1.   界面直剪试验

1.1   试验仪器与材料

试验采用ZJ-4常规四联直剪仪，其技术指标如下：试样的横截面积为30 cm²，垂直载荷为25~400 kPa，杠杆比为1∶24，采用手动加载方式，水平剪切力为0~1.2 kN，剪切速率为0~5 mm/min，本文试验采用的剪切速率为0.04 mm/min，开展剪切试验时土体表面放置透水石。

本文研究的是钢板-高聚物-土体界面剪切特性，涉及到的材料主要有3种：钢板、高聚物和土体。采用的钢板材料为Q235钢，为了减少粗糙度的影响，对钢板进行了抛光打磨处理，表面极其光滑。高聚物主要由多元醇和异氰酸酯两种材料组成，同时外掺适量发泡剂及催化剂，属于双组份非水反应类聚氨酯材料。高聚物本身具有优良的抗渗性能，渗透系数约为10^-10~10^-8 cm/s，基本属于不透水材料。高聚物试样是利用注浆设备将两种材料混合后注入特定模具，充分反应后拆开模具得到。土体取自华南地区粉土质砂，该土样的塑限为18.2%，液限为39.6%，塑性指数为21.4，内摩擦角为31°，黏聚力为24 kPa，最优含水率为19.6%。试验采用的土样干密度为1.6 g/cm³，渗透系数为2×10^-4 cm/s。钢板和高聚物的横截面积为30 cm²，高度为2 cm。

高聚物需要在模具内成型，模具设计参考文献[21]中的方法，采用Q235钢制作，壁厚为10 mm，内部直径为61.8 mm，高度为40 mm，上部焊接注浆头，预留排气孔，模具中间采用对开设计，方便脱模。上下盖板通过螺栓进行连接，并切割出3 mm厚的圆柱凹槽，方便卡住中间对开部分。模具成品如图 1（a）所示。

图  1  界面剪切试验样品示意图

Figure  1.  Schematic diagram of interface shear test sample

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试验中试样的制作过程如下：

（1）模具制作完成后，在模具内表面涂抹凡士林，为方便脱模，在模具内表面粘贴保鲜膜，组装模具底部和侧面。由于模具采用对开设计，为了在内部击实土样，采用加强喉箍箍紧对开部分。对于高聚物与钢板黏结试样，直接在模具内放入钢块。对于高聚物与土体黏结试样，首先称量一定含水率的土样，在模具内分层击实到指定厚度，每层击实后刮毛土样表面，组装模具上部，等待注浆，如图 1（b）所示。

（2）将室内注浆设备的注浆枪连接到模具注浆头上，注入定量的高聚物，放在室温下充分反应2 h。

（3）反应完成后，先拆除模具上下盖板，然后拆下喉箍，小心打开对开模具，防止破坏黏结界面，取出样品，并验证高聚物密度。成型后的样品尺寸为$\mathrm{\varnothing }$$\phi$61.8×40 mm，其中高聚物成型尺寸为$\phi$61.8×20 mm，土样或钢板尺寸为$\phi$61.8×20 mm。样品示意图如图 1（c）所示。

1.2   试验方案

（1）钢板-高聚物界面

考虑的主要因素为高聚物密度$\rho$和法向应力$p$。高聚物密度大小选取应当适中，密度过小时剪切过程中破坏将发生在高聚物内部，界面不发生破坏；密度过大时，界面黏结强度大，直剪仪剪切力不足，剪切试验无法开展。此外，高聚物用于基坑支护时，其密度通常为0.1~0.3 g/cm³。因此，对于钢板-高聚物界面其密度宜设为0.2~0.5 g/cm³内。本次试验分别设置0.22，0.37，0.47 g/cm³三种密度和100，200，300 kPa三种法向应力。

（2）高聚物-土体界面

考虑的主要因素有高聚物密度$\rho$、高聚物成型方式、土体含水率$w$和法向应力$p$。高聚物与土界面在工程中比较常见，涉及到的高聚物密度范围比较广，因此试验时设置的密度跨度较大，分别为0.3，0.5，0.7 g/cm³三种密度，土体设置为12%，16%，20%，24%共4种含水率，法向应力设置为100，200和300 kPa。高聚物成型方式分为非预成型和预成型两类；其中非预成型高聚物是指在模具底部填满一定质量的土样，并击实到指定高度，确保土样干密度为1.6 g/cm³。土体表面击实平整，无碎屑颗粒夹杂。由于模具采用对开设计，为了在内部击实土样，采用加强喉箍箍紧对开部分。在土样上部注入高聚物反应浆液，高聚物在模具内与土体胶结成型。预成型高聚物是由非预成型高聚物-土体黏结试样剪切破坏后，清除高聚物表面残留土体得到。

（3）钢板-土体界面

考虑的主要因素为土体含水率$w$和法向应力$p$，土体共设置为12%，16%，20%，24%四种含水率，法向应力设置为100，200，300 kPa。

（4）土体自身

考虑的主要因素为土体含水率$w$和法向应力$p$，土体共设置为12%，16%，20%，24%四种含水率，法向应力设置为100，200，300 kPa。

2.   试验结果与分析

2.1   法向应力对剪切强度的影响

为了分析法向应力对界面剪切特性的影响，图 2给出了不同界面的剪应力-剪切位移关系曲线。

图  2  不同法向应力下各界面剪应力-剪切位移曲线

Figure  2.  Shear stress-displacement curves of interfaces under different normal stresses

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由图 2可以看出，对于不同界面，抗剪强度和对应剪切位移均随着法向应力的增大而增大，但界面破坏形式存在差异。对于钢板-高聚物界面（图 2（a）），在初始剪切阶段，剪应力值随着剪切位移的增大迅速增大，当剪切位移达到一定值后，剪应力瞬间减小至零，并伴随着剧烈的破碎声，此时表示界面完全发生破坏。钢板-高聚物界面黏结强度较大，在剪切位移值小于2 mm时剪应力已经达到峰值。

分析钢板-高聚物黏结试样剪切破坏形态可以发现，剪切完全发生在钢板与高聚物的黏结界面处，剪切破坏后高聚物与钢块完全分离，界面较光滑。对于非预成型高聚物-土体界面和预成型高聚物-土体界面（图 2（b），（c）），在初始剪切阶段，随着剪切位移的增大，剪应力值迅速增大，但随着剪切位移继续增大，剪应力减小，界面出现应变软化现象。随着法向应力增大，应变软化现象更显著。对于钢板-土体界面（图 2（d）），法向应力为100和200 kPa时剪应力-剪切位移曲线呈现软化型，当法向应力为300 kPa时趋近于硬化型。对于土体-土体界面（图 2（e）），界面抗剪强度随着法向应力的增大而增大。

提取不同界面的剪应力峰值作为该界面的抗剪强度，对于剪应力-剪切位移曲线上不存在峰值的情况，取剪切位移为4 mm时所对应的剪应力作为界面的抗剪强度。以法向应力为横坐标，抗剪强度为纵坐标，绘制接触面抗剪强度与法向应力的关系曲线，通过引入Mohr-Coulomb准则进行线性拟合，得到不同界面的抗剪强度指标如表 1所示，其中$\varphi$为界面的内摩擦角，c为黏聚力，R²为线性拟合优度。

表  1  不同界面抗剪强度指标值

Table  1.  Values of shear strength indexes of different interfaces

界面类型	含水率/%	$\varphi$/(°)	$c/{\text{kPa}}$	R2
钢板-高聚物	—	46.7	280.7	1.00
非预成型高聚物-土体	16	50.1	16.3	0.99
预成型高聚物-土体	12	26.8	35.7	0.99
	16	24.9	27.3	0.98
	20	30.8	1.3	1.00
	24	30.3	6.0	1.00
钢板-土体	12	24.0	5.0	0.98
	16	19.8	4.0	1.00
	20	23.0	0.3	1.00
	24	22.3	2.3	0.97
土体	12	31.0	24.3	1.00
	16	32.2	16.7	1.00
	20	31.4	16.3	1.00
	24	31.6	10.3	1.00

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2.2   高聚物密度对剪切强度的影响

为了分析高聚物密度对界面剪切特性的影响，分别绘制了钢板-高聚物界面和非预成型高聚物-土体界面的剪应力-剪切位移曲线，如图 3所示。

图  3  不同密度下各界面剪应力-剪切位移曲线

Figure  3.  Shear stress-displacement curves of interfaces under different densities

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由图 3可以看出，当法向应力一致时，钢板-高聚物界面和高聚物-土体界面剪切强度均随着高聚物密度的增大而增大。这是因为随着密度的增大，高聚物膨胀力增大，使高聚物与钢板、土体结合更加紧密。除此之外，高聚物密度较小时，内部泡孔形状呈多边形，体积大，泡孔壁薄。随着高聚物密度的增大，泡孔形状趋于圆形，体积变小，泡孔壁增厚，能承受的剪应力增大^[9]。因此，随着高聚物密度的增大，高聚物与钢板、土体的黏结力增强，抗剪强度增大。

2.3   土体含水率对剪切强度的影响

土体含水率的不同会导致土体强度发生改变，进而影响界面的剪切特性。图 4给出了不同含水率下各界面的剪应力-剪切位移曲线。由图 4可以看出，当法向应力不变时，不同界面的剪应力均随着土体含水率的增大而逐渐减小。

图  4  不同土体含水率下各界面剪应力-剪切位移曲线

Figure  4.  Shear stress-displacement curves of interfaces under different moisture contents of soil

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对于非预成型高聚物-土体界面（图 4（a）），当土体含水率为12%，16%，20%时，界面剪切强度呈应变软化型，且含水率不同导致界面剪应力值差异较大，但当含水率继续增大到24%时，界面剪切强度出现轻微应变硬化，剪切强度与含水率20%时差异较小，主要是因为随着含水率的增大，高聚物对土体的黏结强度减弱，界面剪切强度主要由土体和界面粗糙度控制。因为试验采用非固结剪切，剪切过程中土体会不断排水，强度变高，含水率越大强度提升越明显，所以界面破坏形式从应变软化型逐渐过渡到应变硬化型。对于预成型高聚物-土体界面（图 4（b）），当法向应力一定时，随着土体含水率的增大，界面剪应力值逐渐减小，这是因为含水率的增大，土体强度降低，而且预成型高聚物是由非预成型高聚物-土体试样剪切破坏后形成，含水率较低时，破坏发生在土体内部，高聚物界面比较粗糙，随着含水率的增大，土体破坏后高聚物界面趋向于光滑（见图 5（c），（d）），粗糙度的不同也导致了不同含水率土体界面剪切强度的差异。对于钢板-土体界面（图 4（c）），当含水率为12%，16%时，界面呈现应变软化现象，但当含水率为20%，24%时，剪应力值随着剪切位移的增大逐渐增大，呈现应变硬化趋势，一方面是因为在剪切过程中土体会排水，强度增大，另一方面剪切盒也是由钢制成，剪切过程中，错动的土体会与剪切盒接触，含水率较大时，吸附力也会增大，最终导致界面剪切强度逐渐增大。这是因为对于钢板-土体界面来说，当含水率较小时，土体内水分较少，界面处积聚的水分也较少，对钢板的吸附作用较小。随着土体含水率超过最优含水率后，在装样以及剪切过程中，界面处就会积聚大量水分，水的吸附力增大，吸附作用对界面的抗剪强度影响显著。对于土体-土体界面（图 4（d）），变化趋势较一致，随着含水率的增大，界面抗剪强度减弱。

图  5  剪切破坏后高聚物界面图

Figure  5.  Polymer interfaces after shear failure

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根据表 1作出不同界面内摩擦角和黏聚力随含水率的变化关系曲线，如图 6所示。

图  6  不同界面抗剪强度参数与含水率关系曲线

Figure  6.  Curves of shear strength parameters and moisture content of different interfaces

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由图 6可看出，预成型高聚物-土体界面和钢板-土体界面内摩擦角和黏聚力变化趋势一致，当土体含水率由低到高时，内摩擦角呈现先减小后增大再轻微减小的趋势，这是因为当含水率为12%时，高聚物表面较粗糙（见图 5（c）），增大了界面的抗剪强度，导致内摩擦角偏大。对于钢板-土体界面，含水率为12%时，土体与钢板主要依靠摩擦提供抗剪强度，剪切盒的影响会使界面强度增大，导致内摩擦角偏大，随着含水率的增大，剪切盒对内摩擦角的影响逐渐减弱。当含水率从20%增大到24%时，预成型高聚物-土体界面、钢板-土体界面内摩擦角分别从30.8°和23°降低到32.3°和22.3°，这是因为试验选用土体最优含水率接近20%，随着含水率的增大，水起到润滑作用，导致内摩擦角减小。由图 6（b）可以看出，随着含水率的增大，界面的黏聚力表现为先减小后增大的趋势，这是因为下剪切盒内的高聚物和钢块均为不透水体，剪切过程中水分不易排出，积聚在界面处，导致界面黏聚力降低。当含水率从20%增大到24%时，界面黏聚力增大是因为此时界面的黏聚力主要由水的吸附作用提供，下剪切盒对界面黏聚力的影响增大。含水率对土体自身的内摩擦角影响较小，但会使黏聚力逐渐降低。非预成型高聚物-土体接触面内摩擦角较大，黏聚力与土体一致，这是因为含水率16%时，剪切破坏发生在土体内部，高聚物对土体的胶结作用主要影响内摩擦角的值，对黏聚力影响较小。

2.4   高聚物成型方式对剪切强度的影响

由于高聚物在工程应用中是采用现场注浆的方式，高聚物会与结构或土体黏结，提供较强的抗剪强度，为了表征高聚物成型方式对接触面剪切强度提升的效果，本文对比了100 kPa法向应力下两种成型方式对高聚物-不同含水率土体的影响效果，具体分析结果如图 7所示。

图  7  成型方式对高聚物-不同含水率土体接触面的影响

Figure  7.  Effects of molding method on interface between polymer and soil with different moisture contents

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由图 7可以看出，当法向应力和土体含水率一定时，非预成型高聚物-土体界面剪切强度大于预成型高聚物-土体界面，但土体含水率不同时，高聚物成型方式对高聚物-土体界面的剪切强度影响存在较大差异。当土体含水率为12%，16%，20%，24%时，非预成型高聚物-土体界面剪切强度比预成型高聚物-土体界面分别提高了377%，261%，54%，6%。当施加的法向应力相等时，随着含水率的增大，非预成型高聚物-土体界面剪应力软化强度逐渐减小。这是因为当土体含水率较小时，高聚物与土体界面黏合较强，对界面的剪切强度贡献较大，表现为界面剪切强度值较大，但随着土体含水率的增大，高聚物对土体的黏结强度减弱，黏结力对界面的剪切强度贡献减小，表现为剪切强度值较小。因此，对于实际工程中含水率较大的土体，开展室内界面剪切特性研究时，可以采用高聚物预先成型的方式，能有效减少工作量。

2.5   界面类型对剪切强度的影响

本文开展了钢板-高聚物界面、非预成型高聚物-土体界面、预成型高聚物-土体界面、钢板-土体界面和土体自身的剪切试验，因为在实际工程中高聚物均采用现场注浆方式，较少涉及预成型高聚物，所以重点分析其他界面的剪切强度。由图 4（a）可以看出，当含水率为12%时，非预成型高聚物-土体界面剪切强度最大，此时对应的高聚物密度为0.5 g/cm³，因为钢板-高聚物界面不涉及含水率的影响，所以将密度为0.47 g/cm³时钢板-高聚物界面与含水率为12%时各界面剪切强度作为一类比较。将不同界面的剪应力-剪切位移曲线进行对比分析，结果如图 8所示。

图  8  不同界面的剪应力-剪切位移关系曲线对比

Figure  8.  Comparison of shear stress-displacement curves of different interfaces

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由图 8可以看出钢板-高聚物界面剪切强度大于非预成型高聚物-土体界面剪切强度。当土体含水率较小时，非预成型高聚物-土体界面剪切强度明显大于钢板-土体界面和土体自身，但随着含水率的增大，差值逐渐减小，当含水率为24%时，非预成型高聚物-土体界面剪切强度已逐渐接近于土体自身。当其它条件一致时，钢板-高聚物界面、非预成型高聚物-土体界面、土体自身、钢板-土体界面的剪切强度依次减小。高聚物的使用有效提升了钢板-土体界面的剪切强度，钢板-高聚物-土体界面的抗剪强度明显地优于单纯钢板-土体界面。高聚物加钢面板复合支护结构最易发生破坏的位置位于土体内部，当含水率从12%增长到24%时，高聚物的应用将界面抗剪强度分别提高了73%，108%，125%，115%。

3.   结论

（1）不同界面的剪切强度与高聚物密度、法向应力和土体含水率存在关系。随着高聚物密度和法向应力的增大，界面剪应力值增大，当法向应力一定时，随着含水率的增大，界面剪应力值减小。

（2）当含水率较小时，高聚物成型方式对界面抗剪强度的影响较大，但随着含水率的增大，成型方式的影响逐渐减弱。当土体含水率为12%，16%，20%，24%时，非预成型高聚物-土体界面剪切强度比预成型高聚物-土体界面分别提高了377%，261%，54%，6%。因此，对于工程中含水率较大的土体，开展高聚物与土体界面剪切试验时，可以采用高聚物预先成型的方式，能有效减少工作量。

（3）当其它条件一致时，钢板-高聚物界面、高聚物-土体界面、土体自身和钢板-土体界面的剪切强度依次减小。高聚物加钢面板复合支护结构最易发生破坏的部分位于土体内部，而单纯钢板结构最易发生破坏的部分为钢板-土体界面。高聚物应用后，整体结构抗剪强度分别提高了73%，108%，125%，115%，钢板-高聚物-土体界面的抗剪强度明显地优于单纯钢板-土体界面。