DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.09.026

红黏土-混凝土结构接触面残余强度特性试验研究

成浩¹，陈晓斌¹，张家生¹，李键²，张标¹

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 天津市市政工程设计研究院，天津，300051)

摘要：进行红黏土与混凝土结构接触面大型直剪试验，研究粗糙度对接触面残余强度的影响。试验结果表明：红黏土-混凝土结构接触面剪切应力-剪切位移曲线特征为应变软化型，结构面粗糙度增加能够明显提高接触面残余剪切强度，但这种影响随法向应力的增大而逐渐弱化；接触面残余摩擦因数(即残余强度与法向应力比值)随粗糙度增大而增大，最终接近或者超过土体内部残余摩擦因数，此时，接触面的剪切破坏发生在土体内部；结构面粗糙度对接触面的残余黏聚力的影响较大，而对残余摩擦角的影响较小。

关键词：粗糙度；结构接触面；大型直剪试验；残余强度

中图分类号：TU44        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)09-2458-07

Experimental research on residual shear strength of red clay-concrete structure interface

CHENG Hao¹, CHEN Xiaobin¹, ZHANG Jiasheng¹, LI Jian², ZHANG Biao¹

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

2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute, Tianjin 300051, China)

Abstract: A series of large direct shear tests were carried out to investigate the effect of roughness on residual shear strength of red clay-concrete interface. The results show that the shear stress-shear displacement curves are characterized as strain softening and the residual shear strength increases with the increase of the surface roughness. The roughness on residual strength decreases with the increase of the magnitude of normal stress. The residual friction coefficient of interface (i.e. residual strength divides by normal stress) increases with the increase of roughness and eventually approaches internal friction coefficient of soil, indicating the internal shear failure of soil occures. The residual cohesion of interface dramatically increases while the residual friction angle increases as a results of the increase of roughness.

Key words: roughness; structure interface; large scale direct shear test; residual strength

土体与桩基、大坝和大型深基坑支护结构等构筑物之间的相互作用问题一直是岩土工程领域的重要研究内容^[1]。由于土与混凝土的性质差异很大，在外部荷载作用下，两者的受力和变形也会产生较大差异，因此，明确接触面上的力学特性、剪切破坏模式及其影响因素对研究土与结构物相互作用问题显得尤为重要^[2-3]。现有研究表明法向应力、接触面粗糙度和土的类型是影响接触面力学特性的重要因素^[4-7]。陆勇等^[8-9]研究了接触面粗糙度对土与结构物接触面力学特性的影响。胡黎明等^[10]研究了接触面相对粗糙度对砂土与结构物接触面力学性质的影响，并提出采用临界相对粗糙度将接触面划分为光滑和粗糙2种类型。HUCK等^[11]采用环剪仪测试土与混凝土接触面强度时发现，随着接触面粗糙度的增大，接触面剪切强度增大。李登华等^[12-13]分析了土与混凝土接触面的相互作用机理，发现结构物表面粗糙度对接触面抗剪强度影响显著。在这些研究中，抗剪强度都是针对接触面峰值的剪切强度，而在实际工程中，当挡土墙或边坡发生滑动时，保持残余变形和继续抵抗外部荷载的能力由比峰值强度小的残余强度来提供^[14]，因此，在土与结构物相互作用问题中，若只考虑接触面的峰值抗剪强度显然与实际不符。关于接触面的残余强度研究，杨果林等^[15-16]通过格宾网加筋煤矸石和密砂-混凝土接触面的大型直剪试验，得出接触面抗剪残余强度与法向应力之间呈线性关系。刘希亮等^[17]研究了不同土质与不同基底的接触面剪切性质，认为法向应力对接触面残余强度影响最大，其次是接触面粗糙度。粗糙度作为土与结构物接触面力学性质的重要影响因素，目前针对粗糙度对接触面残余强度的影响研究较少，因此，有必要进行粗糙度对土与结构接触面残余强度特性影响的研究。为此，本文作者采用大型直剪仪对不同粗糙度和法向应力下红黏土-混凝土结构接触面的残余强度特性进行试验研究，采用工程中常用的平均灌砂深度作为结构表面粗糙度的表征指标，并采用摩尔库仑强度公式对接触面残余强度进行描述，分析粗糙度对接触面残余黏聚力与残余摩擦角的影响。

1  试验设备与材料

1.1  试验设备

本试验采用中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室的大型界面直剪试验仪TAW-800，见图1。该直剪设备可施加最大竖向荷载800 kN和最大水平荷载400 kN，仪器竖向最大位移为600 mm，水平最大位移为300 mm，上、下剪切盒长×宽×高均为500 mm×500 mm×150 mm，能够进行单向剪切、循环剪切等不同应力路径的剪切试验。

1.2  试验材料及方案

试验土样采用长沙地区重塑红黏土，该地区红黏土的主要矿物成分为石英和高岭石，主要由黏粒组成。其中粒径小于0.075 mm的颗粒质量分数约为85%，粒径小于0.005 mm的颗粒质量分数约为92%。

图1  大型界面直剪试验仪示意图

Fig. 1  Schematic diagram of large direct shear apparatus

根据TB 10102—2010“铁路工程土工试验规程”，对其进行一系列常规土工试验和重型击实试验，获得主要物理力学参数见表1。试验中配制土样含水率为14.08%，将较大的黏土团块碾碎并过孔径为5 mm的圆孔筛，保证土样能够被均匀压实。

表1  红黏土物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical properties of red clay

试验混凝土试块采用C40素混凝土制成，混凝土配制强度f_cu,o=49.9 MPa，试块长×宽×高为570 mm×570 mm×170 mm。为了保证试验过程中土与混凝土试块有效接触面积不变，且剪切过程中有足够大的剪切位移，混凝土试块沿剪切方向长度比上剪切盒长70 mm。通过在混凝土表面预制不同数量的直径为5 mm的半圆形凹槽来模拟不同粗糙度，得到4种具有规则形状的混凝土表面如图2所示。

目前，常用的结构表面粗糙度评定方法有灌砂法、硅粉堆落法和分数维法等^[18]。灌砂法由于其简单实用，在工程实际中得到广泛应用^[19]，其实质是用平均灌砂深度R来表示混凝土表面粗糙度：

                   (1)

式中：V为灌入标准砂体积；S为混凝土表面面积。采用灌砂法评定本次试验中混凝土试块表面粗糙度，当平均灌砂深度R为0，1.96，5.89和9.81 mm时，混凝土表面粗糙度分别为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ。认为粗糙度R为0 mm的混凝土试块表面是光滑的。试验时，先将混凝土试块吊入直剪仪并置于下剪切盒所在位置，然后将土样分5层装入上剪切盒，按压实度为93%的要求分层进行整平、夯实，通过剪切盒内土样高度控制压实度，最终形成红黏土-混凝土结构接触面。SKEMPTON^[20]在研究土体残余强度时认为，残余强度是土以缓慢的剪切速率经历足够大的剪切位移后所达到的稳定的剪应力。由于大型直剪试验仪器尺寸不同，试验中最大剪切位移为20~40 mm^{[1, 7, 12-21]}。本文以剪切位移达到40 mm作为试验结束标准，进行不同粗糙度R (分别为0，1.96，5.89和9.81 mm)与不同法向应力(分别为100，200，400和600 kPa)共16组大型直剪试验，试验过程中控制剪切速率为1mm/min。

图2  不同表面粗糙度混凝土试块

Fig. 2  Concrete block with different roughness

2  试验结果与分析

通过红黏土-混凝土结构接触面的大型直剪试验，得到4种不同粗糙度R(分别为0，1.96，5.89和9.81 mm)下，法向应力分别为100，200，400和600 kPa时接触面剪切应力与剪切位移关系如图3所示。

由图3可以看出：红黏土与混凝土结构接触面剪切应力与剪切位移关系曲线总体表现为应变软化型，其中光滑接触面(R=0 mm)软化现象最明显，而随着接触面粗糙度和法向应力的增大，曲线形式逐渐向理想弹塑性发展。法向应力对接触面残余强度影响显著，以R=9.81 mm时为例，当法向应力分别为100，200，400和600 kPa时，接触面残余强度分别为103.67，172.82，236.18和306.67 kPa。这是由于法向应力的增大增加了土颗粒与混凝土表面的咬合力，接触面的剪切摩阻力也随之增大，导致残余强度提高。

本文给出法向应力为400 kPa时，不同粗糙度下剪应力与剪切位移的关系如图4所示。由图4可看出：与光滑接触面表现出的明显的应变软化现象不同，粗糙接触面表现出不同程度的弱应变软化现象。以峰残比(残余强度与峰值强度的比值)为例，其值从R=0 mm时的0.80增大到R=9.81 mm时的0.92，表明随着粗糙度增大，接触面残余强度与峰值强度之间差值变小。刘文彬等^[22]在研究岩石的应力应变关系时指出，残余强度越高，岩石越容易表现为塑性，因此，结构物表面粗糙度增大能有效提高红黏土与结构物接触面的剪切延性，其剪切破坏更容易表现为塑性破坏，这增大了土与结构物相互作用时接触面发生剪切破坏的可预见性。图5所示为不同法向压力下接触面残余强度与粗糙度的关系曲线。从图5可看出：接触面残余强度随粗糙度的增大有不同程度提高，以法向应力为200 kPa时为例，当粗糙度R为0，1.96，5.89和9.81 mm时，接触面残余强度分别为92.16，129.03，166.91和172.82 kPa；与光滑接触面(R=0 mm)相比，粗糙度R为9.81 mm时接触面的残余强度提高87%。但粗糙度对残余强度的影响存在临界值，本文中，当粗糙度R达到5.89 mm后，残余强度随粗糙度的继续增大几乎不再变化，甚至出现轻微下降；当法向应力分别为100，200，400和600 kPa时，接触面残余强度随粗糙度的增大分别提高99%，87%，40%和44%。由此可见：在低法向应力下，粗糙度对接触面残余强度影响更显著，而粗糙度对残余强度的影响随着法向应力的增大会逐渐弱化。

图3  不同法向应力下剪切应力-剪切位移曲线

Fig. 3  Shear stress-shear displacement curves under different normal stresses

图4  不同粗糙度下剪切应力-剪切位移曲线(σ_n=400 kPa)

Fig. 4  Shear stress-shear displacement curve with different roughness

图5  接触面残余强度与粗糙度的关系

Fig. 5  Relationship between roughness and residual shear strength of interface

3  讨论

许多研究者将接触面剪切强度与法向应力的比值定义为接触面摩擦因数，并以对土与结构之间界面摩擦特性进行分析^[23-24]。本文定义接触面残余摩擦因数为残余强度与法向应力的比值。表2所示为红黏土和红黏土与结构接触面残余摩擦因数，其中红黏土直剪试验结果见文献[25]。从表2可看出：在相同法向应力下，土与光滑接触面的摩擦因数均小于土与土之间的摩擦因数；随着结构表面粗糙度增大，土与结构接触面的摩擦因数随之增大，并最终会接近或者超过土与土之间的摩擦因数，表明随着结构表面粗糙度增大，土与结构接触面发生剪切破坏的位置可能由接触面逐渐向土体内部发展。

表2  土与接触面残余摩擦因数

Table 2  Residual friction coefficient of interface and soil

TSUBAKIHARA等^[26]在研究黏性土与钢板接触面剪切特性时，将接触面破坏模式分为接触面滑移破坏、土体内部剪切破坏和介于这两者之间的破坏共3种情况。HAMMOUD等^[27]在此基础上进行了进一步研究，指出接触面的破坏模式与结构物表面粗糙度存在一定关系，当粗糙度小于临界值时接触面将发生滑移破坏，随着粗糙度不断增大，接触面破坏模式将向土体内部剪切破坏发展。从图3可以看出：对于光滑接触面(R=0 mm)，剪切应力在达到峰值后迅速下降至稳定的残余剪切应力。这是因为随着剪切位移增大，靠近接触面的土体不断参与到变形协调中，在剪切过程中，处于接触面附近土颗粒不断进行位置调整以形成稳定的定向排列，接触面表现为明显的滑移破坏。LEMOS等^[28]在研究伦敦黏土与钢板接触面剪切特性时也得出了类似的结论，认为接触面从峰值状态转变到残余状态，是由于在剪切过程中定向剪切面的形成而导致的接触面发生滑移破坏。对于粗糙表面，由于混凝土结构表面存在粗糙部分，在剪切过程中，接触面不仅发生光滑接触部分的滑移破坏，而且存在充嵌于粗糙部分的压实土体与上部土体之间发生的断裂与错动；接触面粗糙部分面积越大，充嵌于粗糙部分的压实土体与上部土体接触面积越大，在剪切过程中产生的摩擦阻力越大，宏观表现为接触面残余剪切强度随粗糙度的增大而增大。但随着粗糙度继续增大，当剪切破坏发生在土体内部时，粗糙度几乎不再影响接触面残余抗剪强度，表现为残余强度随粗糙度的增大不再发生变化。

图6所示为接触面残余抗剪强度与法向应力的关系曲线及拟合结果(其中，为相关系数)。从图6可以看出：接触面残余抗剪强度与法向应力均呈现良好的线性关系，拟合相关系数都在0.97以上。在各粗糙度下，接触面广义黏聚力c及广义摩擦角统计结果见表3。图7所示为接触面残余强度参数随粗糙度的变化曲线。从图7可进一步看出：接触面残余黏聚力c_r和摩擦角随粗糙度的增大均有不同程度提高；与光滑接触面相比，粗糙接触面残余黏聚力提高166.1%，而残余摩擦角仅提高22.6%，显然粗糙度对接触面残余黏聚力的影响更显著；接触面残余黏聚力与残余摩擦角在粗糙度增大到临界值(R=5.89 mm)以后变化不再明显。

图6  接触面残余强度与法向应力的关系

Fig. 6  Relationship between residual strength and normal stress of interface

表3  接触面抗剪强度指标

Table 3  Shear strength parameters of interface

图7  接触面残余强度参数与粗糙度的关系

Fig. 7  Relationship between roughness and residual strength parameters of interface

4  结论

1) 结构表面粗糙度与法向应力对红黏土-混凝土结构接触面剪切应力-剪切位移曲线形式有明显影响，具体表现为低法向应力、光滑接触面时的应变软化型向高法向应力、粗糙接触面时的理想弹塑性发展。

2) 接触面残余强度随粗糙度的增大而明显增大且存在临界值，在粗糙度达到临界值后，残余强度几乎不再变化。粗糙度对残余强度的影响随法向应力的增大而逐渐弱化。

3) 定义接触面残余摩擦因数为残余强度与法向应力的比值，在相同法向应力下，土与光滑接触面的摩擦因数均小于土与土之间的摩擦因数；而土与结构接触面的摩擦系随粗糙度的增大而增大，并最终接近或者超过土与土之间的摩擦因数，表明随着粗糙度增大，土与结构接触面的剪切破坏模式由接触面滑移破坏向土体内部破坏发展。

4) 采用广义黏聚力和广义摩擦角对接触面残余强度进行描述，发现与光滑接触面(R=0 mm)相比，粗糙接触面残余黏聚力提高166.1%，残余摩擦角提高22.6%，显然，粗糙度对接触面残余黏聚力的影响更显著。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-12-01；修回日期：2017-03-05

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378514); 昆明市科技计划项目(2014-01-A-G-02-3049)；中南大学研究生创新项目(2016zzts077) (Project(51378514) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014-01-A-G-02-3049) supported by the Science Plan of Kunming Municipality; Project(2016zzts077) supported by Graduate Student Innovation Foundation of Central South University)

通信作者：陈晓斌，博士，副教授，从事岩土工程研究；E-mail: chen_xiaobin@csu.edu.cn