DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.034

红黏土与混凝土接触面剪切特性试验研究

石熊¹，张家生¹，刘蓓²，孟飞¹，邓国栋¹

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京，102600)

摘要：采用大型直剪仪进行红黏土与混凝土接触面的单向直剪试验，研究不同法向应力与混凝土表面、不同粗糙度条件下接触面的力学特性，对红黏土与混凝土接触面的应力、应变及破坏形式进行分析。研究结果表明：随着接触面粗糙度的增大，接触面的抗剪强度以及残余强度增大，黏聚力增大，内摩擦角减小；在剪切初始，法向位移随着切向位移的增大而减小，表现为剪缩，之后随着切向位移的继续增大，法向位移增大，表现为剪胀，剪胀速率基本相同；在剪缩阶段，剪缩速率随着法向应力或粗糙度的增大而增大；在剪胀阶段，剪胀速率也随着粗糙度的增大而增大，随着法向应力的增大，剪胀速率基本不变。

关键词：红黏土；接触面；粗糙度；大型直剪试验

中图分类号：TU44            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)05-1826-06

Experimental research on shearing properties of interface between red clay and concrete

SHI Xiong¹, ZHANG Jiasheng¹, LIU Bei², MENG Fei¹, DENG Guodong¹

 (1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Beijing 102600, China)

Abstract: The mechanical behaviors of interface between red clay and concrete were investigated by unidirectional direct shear tests under different normal stress conditions and different roughnesses. The stress, strain and failure modes of interface were analyzed according to the test. The results show that with the increase of roughness, shear strength of the structure surface and residual stress become larger, cohesion increases and the friction angle decreases increasingly close to the friction angle of the soil. Normal displacement has certain shear shrinkage in the initial stages, and then becomes shear dilation during the shearing process. The rate of shear contraction becomes larger with the increase of normal stress or roughness of contact surface, the rate of shear dilation also becomes larger as the roughness of contact surface increases, while the dilatancy rate is almost the same when the normal stress increases.

Key words: red clay; interface; roughness; large scale direct shear test

土体与混凝土结构间的相互作用问题一直是岩土工程界研究的重要课题^[1]。近年来，随着大型工业与民用建筑建设的发展，土体与混凝土接触面的问题越来越突出^[2]，对其问题的研究显得尤为迫切。土体与混凝土接触面的问题涉及土力学中的各个方面，如土体与混凝土桩的接触面问题、土体与锚杆的接触问题、土体与混凝土挡土墙的接触面问题等^[3-5]。土体和混凝土的力学性能差异很大，在外部荷载的作用下，两者受力和变形的差异性也很大，在接触面上就会产生较大的力，能够明确接触面上的受力特性、变形机理及剪切破坏形式，并进行合理计算，对土体与混凝土结构接触面的研究是至关重要的^[6-8]，因此，有必要对接触面的受力特性及其破坏形式进行深入研究与分析。国内外许多学者对此进行了广泛研究，并取应了相应的研究成果。杨有莲等^[9]利用环剪仪对土与混凝土接触面力学特性进行了研究，结果表明不同接触面的应力-应变特性差异很大，泥皮的存在明显改变了接触面的性状；彭凯等^[10-11]采用单剪仪对接触面在泥皮条件下进行剪切试验，得出当存在混合土泥皮时，曲线出现明显的软化现象，无泥皮低法向应力下出现明显的剪胀现象，有泥皮时试样均表现为剪缩。高俊合等^[12]利用大型单剪仪对细粒土进行土和混凝土接触面单剪试验，得出剪切破坏带及其厚度，从而提出了接触面剪切滑移薄层单元及其本构关系，并给出其参数的确定方法。周小文等^[13]采用叠环式单剪仪对面板与砾石垫层间接触面的力学特性进行了试验研究，结果表明接触面强度和剪切劲度受粗糙度影响较大，无保护接触面的粗糙度最大，摩擦角和剪切劲度也最大，砂浆保护接触面的粗糙度与乳化沥青保护接触面的粗糙度相近。张嘎等^[14-15]通过试验研究分析总结了粗粒土与结构接触面的基本力学特性和受力变形机理，发现接触面受剪时表现出明显的相对法向位移，其变化趋势与法向应力有关，接触面的变形可分解为同时发生、互相影响的土与结构交界面上的滑移变形以及结构面附近的土在结构面约束之下的剪切变形2部分，而后者是引起相对法向位移的主要原因。本文作者采用大型直剪仪对长沙地区红黏土与混凝土结构接触面进行单向直剪试验，分析不同法向应力与不同混凝土表面粗糙度条件下结构接触面的力学特性和变形机理。

1  接触面试验

1.1  试验材料

土料采用长沙地区红黏土，对土料进行击实试验和静三轴试验。据击实试验结果得出红黏土的最大干密度为1.81 g/cm³，最优含水率为14.08%，试验曲线见图1，通过静三轴试验得出红黏土的黏聚力c为95.71 kPa，内摩擦角φ为32.18°。混凝土试块采用C40混凝土，混凝土配置强度f_cu.o为49.9 MP_a，水灰比为0.43，1 m³混凝土的用水量为195 kg。将混凝土表面的粗糙度分为3级，制作不同粗糙度下的混凝土接触面，利用自制的粗糙度测定仪对其进行测定^[16]，得出粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ混凝土表面的平均深度分别为0.578，1.893和2.444 mm。

图1  击实试验曲线

Fig. 1  Curve of compaction test

1.2  试验方案

采用中南大学岩土工程所与长春朝阳试验仪器有限公司合作研制TJW-800大型直剪试验机^[17]，上、下剪切盒长×宽×高均为500 mm×500 mm×150 mm，利用直剪试验机通过控制法向应力(100，200和300 kPa)和混凝土接触面粗糙度(粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ)对红黏土与混凝土接触面进行9个单向直剪试验。在试验过程中，上剪切盒为试验土料，下剪切盒为混凝土试块。

2  抗剪强度分析

2.1  法向应力对剪应力-剪位移曲线的影响

国内外研究表明：作用在红黏土-混凝土接触面上的法向应力是决定接触面剪切特性的重要因素之一。在其他条件(土性、结构面粗糙程度、剪切速率等)相同的情况下，由于作用在其上的法向应力不同，接触面的剪应力-剪位移关系曲线和表现形式明显不同。依据试验方案通过大型直剪试验得出不同法向应力时剪应力-剪位移曲线如图2所示。

由图2可知：在粗糙度相同时，随着法向应力的增加，应变软化特性逐渐减弱而应变硬化特性逐渐增强，法向压力越大，接触面初始剪切模量越高，最终的剪切强度及其对应的破坏剪应变越大；在法向应力相同时，随着接触面粗糙度增大，红黏土与混凝土接触面的抗剪强度峰值增大，趋于水平后的残余应力也有所增大。

图2  不同法向应力时的剪应力-剪位移曲线

Fig. 2  Shear stress-shear displacement curves under different normal stresses

从图2可见：剪应力-剪位移曲线主要表现出折线型和双曲线型，分别对应于接触面在剪切过程中存在的滑移破坏和弹塑性破坏2种不同形式。剪切滑移破坏为土体在接触面处直接滑动破坏，剪切弹塑性破坏为接触面在剪切过程中土体内部形成剪切滑动带 破坏。

2.2  粗糙度对剪应力-剪位移曲线的影响

影响红黏土-混凝土接触面剪切力学特性的另一重要因素为混凝土接触面的粗糙度，在其他条件相同的情况下，由于混凝土接触面粗糙度不同，接触面的剪应力-剪位移曲线的表现形式明显不同。不同粗糙度时剪应力-剪位移曲线如图3所示。

图3  不同粗糙度时的剪应力-剪位移曲线

Fig. 3  Shear stress-shear displacement curves under different roughnesses

由图3可知：在法向应力相同时，混凝土接触面的粗糙度对剪应力-剪位移曲线特性影响较大，红黏土与混凝土接触面的抗剪强度峰值随着接触面粗糙度的增大而增大，趋于水平后的残余应力也随着接触面粗糙度的增大有所增大。

在粗糙度为Ⅰ时剪应力-剪位移曲线相比在粗糙度为Ⅱ和Ⅲ时有更明显的转折点，更趋于折线型，而在粗糙度为Ⅱ和Ⅲ时剪应力-剪位移曲线表现为双曲线型。在法向应力相同时，剪应力-剪位移曲线表现形式的差异性随着粗糙度的增加而减小；在法向应力为200 kPa和300 kPa时，粗糙度为Ⅱ和Ⅲ的剪应力-剪位移曲线基本一致。不同粗糙度下的剪应力-剪位移曲线在初始阶段即弹性阶段基本重合，即初始剪切刚度基本不变，此后由于结构接触面粗糙度不同，剪应力-剪位移曲线在残余摩擦阶段、应变软化阶段、弹塑性阶段略有不同。

2.3  红黏土与混凝土接触面强度

从图2和图3得出各个粗糙度的结构接触面在不同法向应力作用下的抗剪强度峰值及其拟合强度包线，如图4所示。

图4  不同粗糙度接触面抗剪强度

Fig. 4  Shear strength of contact surface under different roughnesses

从图4可以看出：结构接触面的抗剪强度与法向应力存在较好的线性关系，其拟合强度包线的相关系数均在98.7%以上。混凝土接触面的抗剪强度可以用莫尔-库仑准则中的黏聚力c和内摩擦角φ表示。通过图4中的拟合强度包线，可得出混凝土接触面在粗糙度为Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ时的抗剪强度，见表1。

表1  接触面的抗剪强度指标

Table 1  Shear strength Indexes of contact surface

从表1可见：随着接触面粗糙度的增大，结构接触面的黏聚力c增大，而内摩擦角φ减小，且越来越趋近于土体自身的内摩擦角，由此可表明接触面的剪切破坏由滑移破坏逐渐向在土体内部形成的剪切滑动带破坏过渡。

3  变形特性分析

3.1  法向应力对法向变形的影响

通过大型直剪试验得出各个粗糙度的结构接触面在不同法向应力作用下的切向位移-法向位移曲线如图5所示。

图5  不同法向应力时的切向位移-法向位移曲线

Fig. 5  Shear displacement-normal deformation curves under different normal stresses

由图5可知：在红黏土与混凝土接触面的大型直剪试验过程中，在剪切的初始阶段，法向位移随着切向位移的增大而减小，出现一定的剪缩；随后，法向位移随着切向位移的增大而增大，出现一定的剪胀。这是因为在剪切的初始阶段，土颗粒间空隙减小，彼此更加紧贴，土体体积稍减少，表现为剪缩；之后，随着土颗粒之间的错动，土体体积增加，表现为剪胀。

在粗糙度相同时，初始剪缩阶段的剪缩速率随着法向应力的增大而增大；随后，剪胀阶段的剪胀速率基本相同，法向应力越大；剪切过程中的剪缩量峰值越大，最终剪胀量峰值越小。

3.2  粗糙度对法向变形的影响

在相同法向应力作用下，不同粗糙度的结构接触面切线位移-法向位移曲线如图6所示。

图6  不同粗糙度时的切向位移-法向位移曲线

Fig. 6  Shear displacement-normal deformation curves under different roughnesses

由图6可知：在相同法向应力作用下，初始剪缩阶段的剪缩速率随着粗糙度的增大而增大，剪胀阶段的剪胀速率也随着粗糙度的增大而增大；随着法向应力的增加，混凝土接触面的粗糙度对切向位移-法向位移的曲线的影响减弱。从图6(a)和图6(b)可以看出：当法向应力为100 kPa和200 kPa时，最终剪胀量随着粗糙度的增大明显增大。从图6(c)可以看出：在法向应力为300 kPa时，3种粗糙度的在切向位移-法向位移曲线在剪胀阶段基本重合，最终剪胀量也基本相同。

4  结论

1) 随着法向应力的增加，应变软化特性逐渐减弱而应变硬化特性逐渐增强，法向压力越大，接触面初始剪切模量越高，最终的剪切强度及其对应的破坏剪应变越大。

2) 随着接触面粗糙度的增大，接触面的抗剪强度峰值以及趋于水平后的残余应力增大，黏聚力也增大，而内摩擦角减小，且越来越趋近于土体自身的内摩  擦角。

3) 剪切初始阶段法向位移随着切向位移的增大而减小，表现为剪缩；之后，随着切向位移的继续增大，法向位移增大，表现为剪胀，剪胀速率基本相同。

4) 在剪缩阶段，剪缩速率随着法向应力或粗糙度的增大而增大；在剪胀阶段，剪胀速率也随着粗糙度的增大而增大，而随着法向应力的增大，剪胀速率基本不变。随着法向应力的增加，混凝土结构接触面粗糙度对切向位移-法向位移曲线的影响减弱。法向应力越大，则剪切过程中的剪缩量峰值越大，最终剪胀量峰值越小。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-06-10；修回日期：2014-08-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378514)；高速铁路建造技术国家工程实验室基金资助项目(2008G031-Q) (Project(51378514) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2008G031-Q) supported by High Speed Railway Construction of Technology National Engineering Laboratory)

通信作者：石熊，博士研究生，从事高速铁路路基动力学研究；E-mail: shixiong126@126.com