DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.030

接触面粗糙度对红黏土-混凝土接触面力学性质的影响

陈俊桦¹，张家生¹，李键^{1, 2}

 (1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 天津市市政工程研究院，天津，300051)

摘 要：

设计了粗糙度不同的表面，以该表面作为土-混凝土接触面，并采用灌砂法测定了接触面粗糙度。利用大型直剪试验仪对红黏土-混凝土试块接触面进行了剪切试验，定量分析接触面粗糙度对接触面抗剪强度参数、接触面剪应力-切向位移关系以及红黏土剪胀(缩)性的影响。研究结果表明：接触面粗糙度对红黏   土-混凝土接触面的内摩擦角影响不大。在接触面粗糙度增大至临界粗糙度的过程中，接触面黏聚力随粗糙度的增大而增大，并逐渐趋近于红黏土自身的黏聚力。接触面粗糙度对剪应力-切向位移关系影响较大。接触面粗糙度对接触面上部土体的影响范围是有限的。该极限影响范围对应于临界粗糙度。当接触面粗糙度小于临界值时，接触面粗糙度越大，其对接触面上部土体的影响范围越大。当接触面粗糙度超过临界值，该影响范围不再变化。法向应力较低时，红黏土主要表现出剪胀性。接触面粗糙度对红黏土剪胀(缩)性影响不大。

关键词：

粗糙度；结构接触面；大型直剪试验；红黏土；变形协调；

中图分类号：TU411          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)05-1682-07

Influence of interface roughness on mechanical properties of red clay-concrete interface

CHEN Junhua¹, ZHANG Jiasheng¹, LI Jian^{1, 2}

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

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

Abstract: Concrete block surface with different roughness were made and the surface was used as the soil-concrete interface. The interface roughness was measured by sand filling method. The direct shear tests on the interface of red clay-block by using the large-direct shear apparatus were carried out. The influences of interface roughness on the parameters of shear strength, the relationships between shear stress and tangential displacement and the behavior of shear dilatancy & shear shrinkage were studied by quantitative analysis of roughness. The results show that the interface roughness has little influence on the angle of internal friction of red clay-concrete interface. With the interface roughness approaching its marginal value, cohesion of red clay-concrete interface increases with the increase of roughness and its value is approaching that of red clay. The interface roughness has a great influence on the relationships between shear stress and tangential displacement. There is the zone above the interface, in the soil, in which the mechanical properties are affected by the interface roughness. The zone expands with the increment of interface roughness until it reaches the maximum when the roughness also reaches or exceeds its marginal value. The behavior of shear dilatancy of the red clay is shown when the normal stress is low. The interface roughness has little influence on the behavior of shear dilatancy & shear shrinkage of red clay.

Key words: roughness; structure interface; large-scale direct shear test; red clay; compatibility of deformation

研究土-结构接触面的力学性质对解决实际工程中有关土体与结构物相互作用的问题有重要指导意义。随着越来越多的基础工程建设开展，土与混凝土结构接触相互作用的问题引起了研究人员的重视。如土与混凝土桩、土与混凝土挡墙和土与混凝土坝等。张治军等^[1]对砂砾石料与夹同厚度而不同含水率的泥皮混凝土板的接触面力学特性进行了相关试验。赵春风等^[2]通过大型结构剪切试验研究法向应力的变化历史对黏土–混凝土接触面剪切变形特性和强度参数影响。影响土-结构接触面力学性质的因素很多，如土的含水率、施加的外力和接触面粗糙度等。不少学者认为接触面粗糙度对土-结构接触面的力学性质有显著影响^[3-15]。如夏红春等^[9]利用DRS-1型超高压直残剪试验系统，研究土-结构接触面的剪切力学性质，认为接触面粗糙度影响接触面抗剪强度。张吉顺等^[10]采用大型多功能界面剪切仪，针对上海地区黏性土，对具有不同表面粗糙度的土-混凝土接触面的力学性质进行了试验研究，发现接触面粗糙度对接触面力学性质有重要影响。目前，大多数研究虽然对接触面粗糙度进行了量化评定，但是这些研究只是粗略地定性分析了接触面粗糙度对接触面力学性质的影响，如分析接触面粗糙度由小变大时的接触面抗剪强度如何变化，没有深入地定量分析接触面粗糙度变化产生的影响，从而不利于深化对接触面粗糙度影响机理的认识。红黏土在我国分布广泛，工程中常涉及红黏土与混凝土结构接触相互作用的问题。为此，本文作者通过自制表面粗糙度不同的混凝土试块，利用大型直剪仪对红黏土-混凝土试块接触面进行剪切试验，尝试定量分析接触面粗糙度对接触面力学性质的影响。通过研究，加深对粗糙度影响机理的认识，同时为红黏土-混凝土结构接触相互作用问题的研究提供参考。

1  红黏土-混凝土粗糙接触面直剪试验

1.1  试验仪器

试验所采用的仪器为中南大学与长春朝阳试验仪器有限公司合作研发，位于高速铁路建造技术国家工程实验室内的TYJ-800大型直接剪切仪。仪器采用全数字闭环控制系统，能自动化采集数据。上剪切盒长×宽×高为50 cm×50 cm×15 cm，下剪切盒长×宽×高为 67 cm×67 cm×15 cm。垂直方向最大载荷为800 kN，水平方向最大载荷为400 kN。

1.2  试验材料及方案

采用长沙地区特有的红黏土进行重塑制样。该地区红黏土的主要矿物成分为石英和高岭石，其质量分数大于80%。天然质量含水率为7%~70%。将红黏土通过5 mm筛，使得红黏土团块不大于5 mm，保证土样能够均匀压实。按14.08%的含水率配制土样。红黏土物理力学参数见表1。

表1  红黏土物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical parameters of red clay

试验为针对红黏土-混凝土接触面力学性质研究的大型直剪试验。需将下剪切盒换成长×宽×高为57 cm×57 cm×17 cm的混凝土试块。混凝土试块用型号为C35的商品混凝土制成。参考赵春风等^{[2, 11-12]}使用的方法在试块上设计了粗糙度不同的表面，并以该表面作为土与试块的接触面。考虑到应力集中效应，试验没有采用锯齿形和方形的凹槽设计，而是利用直径不变、数量改变的半圆凹槽模拟试块表面的粗糙不平。凹槽直径为5 cm，长度为57 cm。共制作6个混凝土试块。试块表面粗糙度设计图见图1。

图1  混凝土试块表面粗糙度设计

Fig. 1  Design of rough surface of concrete blocks

通常可采用灌砂法定量计算混凝土试块的表面粗糙度^[12-13]。其计算公式为

                  (1)

式中：y为灌砂平均深度，可用来衡量试块表面的粗糙度。对于土-混凝土试块接触面剪切试验，y为接触面粗糙度；V为灌砂体积；A为试块表面的平面积。

徐泽友等^[16-17]在试验过程中采用剪切速率为0.3~0.6 mm/min，夏红春等^[3]建议采用0.02~1.2 mm/min。本文采用1.0 mm/min的剪切速率控制，同时在法向施加不同的压力，针对不同的试块沿与凹槽轴线垂直方向进行接触面剪切试验。法向应力采用4个应力水平，记为S_i (i=1，2，3，4)。S₁，S₂，S₃和S₄分别取100，200，400和600 kPa。利用式(1)计算试块Ⅰ~Ⅵ的表面粗糙度。接触面粗糙度y和法向应力水平S_i等试验控制参数见表2。

表2  红黏土与混凝土粗糙接触面直剪试验方案

Table 2  Direct shear test plan of rough interface between red clay and concrete

2  试验结果分析

2.1  接触面粗糙度对接触面抗剪强度参数的影响

文献[2-3, 18-20]认为研究土-结构接触面强度性质时，可参照摩尔-库仑破坏准则，使用黏聚力和内摩擦角这2个参数作为土-结构接触面的抗剪强度参数。摩尔-库仑破坏准则的数学表达式为

              (2)

式中：为剪切破坏时最大剪应力；为法向应力；为内摩擦角；c为黏聚力。

利用式(2)对试验获得的最大剪应力和相应的法向应力进行回归分析可得到，c及数据相关系数R。R表示与的线性相关性程度。根据表2，法向应力=S_i。法向应力取值分别为S₁=100 kPa，S₂=200 kPa，S₃=400 kPa，S₄=600 kPa。试验结果和R见表3。红黏土-结构接触面的抗剪强度参数，c及相应的接触面粗糙度y见表4。从表3可以看出：相关系数R大于0.98，试验数据相关性显著。同一法向应力作用下，随着接触面粗糙度的增加，最大剪应力得到显著提高。从表4可以看出：随着接触面粗糙度改变，接触面内摩擦角发生了变化，但是处于波动状态，且变化不大，规律不明显。如光滑接触时，即粗糙度为0 mm，接触面内摩擦角为21.84°。当接触面粗糙度由0 mm增大到9.81 mm的过程中，接触面内摩擦角从25.18°变化到20.22°，变化幅度较小。随接触面粗糙度的增大，接触面黏聚力从40.95 kPa增大到104.10 kPa。为便于分析，结合表1和表4，将黏聚力与粗糙度的关系绘制成图，见图2。

表3  最大剪应力及相关系数

Table 3  Maximum shearing stress and correlation coefficient

表4  接触面粗糙度与相应的接触面抗剪强度参数

Table 4  Roughness and shear strength parameters of interface

图2  粗糙度与黏聚力关系

Fig. 2  Relationships between roughness and cohesion

沿接触面的剪切破坏现象主要表现为凹槽内充嵌的红黏土与接触面上部土体间的错动滑移。根据式(2)，沿接触面发生的剪切破坏主要克服摩擦阻力和黏聚力。摩擦阻力主要体现在内摩擦角上。接触面摩擦阻力主要由红黏土颗粒与混凝土粗糙表面间、凹槽内红黏土颗粒与剪切面上部土体间的摩擦效应造成。由于试验自制粗糙表面的半圆凹槽直径为5 cm，远大于红黏土颗粒的平均粒径，因此，土体颗粒间的接触比颗粒与接触面间紧密。这种尺寸效应使得土体与接触面间的摩擦阻力受接触面粗糙度的影响较小，且低于红黏土内颗粒间的摩擦阻力。从而导致发生摩擦滑移的主要部位为红黏土颗粒与混凝土接触面，而不是土体内部颗粒间。由于接触面摩擦阻力较小，从而红黏土-结构接触面的内摩擦角小于红黏土自身的内摩擦角。如表4所示，接触面内摩擦角小于表1中红黏土的内摩擦角32.2°。

沿接触面发生的剪切滑移需要克服的另外一个因素为黏聚力。与摩擦阻力一样，红黏土-结构接触面剪切破坏需克服的黏结效应也主要考虑黏土颗粒与接触面间的黏聚力以及凹槽内黏土与剪切面上部土体颗粒间黏聚力的共同作用。其中前者的影响较小。后者与接触面的粗糙表面积有关。接触面粗糙表面积越大，凹槽内充嵌的黏土颗粒越多，与试块接触的充嵌面积越大，土与接触面间的黏结效应越强。对于本文试验，接触面粗糙度随粗糙表面积增大而增大。因此，红黏土-结构接触面的黏聚力随接触面粗糙度的增加而增大。如图2所示，当接触面粗糙度较低时，接触面黏聚力较低。当接触面粗糙度等于0 mm和1.96 mm时，接触面黏聚力分别为40.95 kPa和42.67 kPa。此时，红黏土-结构接触面剪切破坏主要表现在克服黏土颗粒与接触面间的黏聚力。随着接触面粗糙度增大，接触面黏聚力逐渐增大。接触面粗糙度大于5.89 mm时，接触面剪切破坏时的黏聚力趋近于红黏土自身的黏聚力95.71 kPa，并在该值附近略有波动。这种波动可能由土体的不均匀性导致。此时，红黏土-结构接触面剪切破坏主要需克服凹槽内充嵌的黏土与其上部土体间的黏聚力。当红黏土-结构接触面的黏聚力达到红黏土自身的黏聚力时，发生破坏的位置也有可能出现在土体内。

据以上分析可知：接触面粗糙度对接触面抗剪强度影响较为显著。接触面是最容易发生剪切破坏的位置。但是随着接触面粗糙度增加，剪切破坏也有可能发生在接触面附近的红黏土内。接触面粗糙度对接触面内摩擦角影响不大。存在临界粗糙度，当接触面粗糙度小于该临界值时，红黏土-结构接触面的黏聚力随接触面粗糙度的增大而增大。当接触面粗糙度大于临界粗糙度时，红黏土-结构接触面的黏聚力趋近于红黏土自身的黏聚力。

2.2  剪应力-切向位移关系分析

不同法向应力水平作用下，红黏土与不同试块的接触面剪应力-切向位移曲线见图3~6。从图3~6可以看出：同一法向应力作用下，接触面粗糙度不同，剪应力-切向位移曲线明显不一样，即接触面粗糙度对剪应力-切向位移关系有重要影响。主要有以下两点规律：

1) 剪切变形过程中，接触面粗糙度越大，与峰值剪应力对应的位移也增大，即破坏时产生的变形增大，塑性流动破坏也变得明显。

2) 当接触面粗糙度较小、法向应力较大时，峰值点后剪应力-切向位移曲线表现出较为明显的应变软化性质。

由以上规律可知：接触面粗糙度对接触面剪应  力-切向位移关系的影响主要表现在剪应力峰值前后的曲线变化。该变化主要与接触面附近土体的变形协调相关。这种变形协调反映了接触面粗糙度对接触面上部土体的影响。由于混凝土块体的弹性模量远大于红黏土的弹性模量，可将试块看作刚性体。这样试验中产生的切向变形主要由接触面凹槽内红黏土和接触面上部土体产生。即沿接触面的切向变形不可避免对接触面上部土体产生影响。这与文献[14-15]得出的结论一致。在本文试验中，这种影响主要考虑由接触面粗糙度导致。剪切变形过程中，该影响范围不断增大，不断有接触面凹槽内红黏土和接触面上部土体参与到变形协调中。接触面粗糙度较低时，接触面凹槽内嵌入的红黏土较少，接触面上土体与凹槽内红黏土接触的面积较小，参与变形协调的接触面上部土体也较少。此时，接触面粗糙度对上部土体的影响范围较小。反之，接触面粗糙度对上部土体的影响范围增大。

由前面接触面粗糙度如何影响接触面抗剪强度参数的分析可知：接触面粗糙度越大，接触面黏聚力越大，峰值剪应力越大。同时，接触面粗糙度的影响范围也随之增大，此时接触面上部较多的土体参与变形协调过程中，接触面抵抗剪切变形的能力增强。因此，接触面粗糙度较大时，达到剪切破坏时的切向位移或变形增大，有可能出现塑性流动，即试验得到的规律1)。图3中对应试块Ⅵ的接触面粗糙度大于试块Ⅲ的接触面粗糙度，2条曲线达到峰值剪应力时的切向位移分别为13.70 mm和1.04 mm。试块Ⅵ对应的接触面剪切过程明显产生塑性流动。由于接触面粗糙度超过该临界粗糙度时，接触面黏聚力接近红黏土黏聚力。因此，当红黏土-结构接触面的黏聚力接近红黏土黏聚力并发生剪切破坏时，接触面粗糙度对上部土体的影响范围也达到最大。考虑到临界粗糙度与黏聚力的关系，本文作者认为存在与接触面粗糙度的极限影响范围对应的临界粗糙度。当接触面粗糙度大于该临界值时，接触面粗糙度的影响范围不再增加。

剪应力峰值后，红黏土-结构接触面的原始黏聚力被破坏，但会随时间的增加而恢复一部分作为破坏后的抵抗力。继续施加外力作用的过程中，接触面凹槽内充嵌的红黏土和接触面上的土体需要重新协调变形，同时峰值前存储的应变能将释放。法向应力较大时，峰值前在红黏土中将储存较多的应变能。接触面粗糙度较低时，峰值后剪切抵抗力较低。因此，法向应力较大、接触面粗糙度较低时，剪切破坏后较多的应变能以较快的速率释放，剪应力下降较为迅速，剪应力-切向位移曲线表现的规律性如规律2)所示。由图6可知：在法向应力S₁=600 kPa作用下，与试块Ⅰ和Ⅱ对应的曲线的应变软化比与试块Ⅵ和Ⅴ对应的曲线的明显。

图3  法向应力S₁作用下的剪应力-切向位移曲线

Fig. 3  Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S₁

图4  法向应力S₂作用下的剪应力-切向位移曲线

Fig. 4  Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S₂

图5  法向应力S₃作用下的剪应力-切向位移曲线

Fig. 5  Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S₃

图6  法向应力S₄作用下的剪应力-切向位移曲线

Fig. 6  Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S₄

2.3  粗糙度对接触面附近红黏土剪胀(缩)性质的影响

剪胀(缩)量反映了剪切过程中红黏土体积变化，为土样体积膨胀(压缩)量与初始体积的比值。设定剪缩量为正值，剪胀量为负值。将不同法向应力作用下的红黏土剪胀(缩)量进行统计，结果见表5。

表5  剪胀(缩)量统计

Table 5  Statistics of shear dilatancy & shear shrinkage

从表5可以看出：法向应力较低时，如法向应力为S₁=100 kPa，接触面红黏土的体积变化主要表现为剪胀。随着法向应力的增大，即法向应力水平由S₁增大至S₄的过程中，红黏土的体积变化主要表现为剪缩。法向应力相同时，剪胀(缩)量随接触面粗糙度变化而上下波动，变化不大，无明显规律。从细观角度可以看出：红黏土的体积剪胀(缩)主要受颗粒间的摩擦、挤压效应影响。而这种效应在宏观上常用内摩擦角描述。由前面分析接触面粗糙度对红黏土-结构接触面内摩擦角的影响可知：随接触面粗糙度的变化，接触面内摩擦角的变化无明显规律。因此，接触面粗糙度对红黏土的体积剪胀(缩)性影响不大。

3  结论

1) 增加接触面粗糙度可提高接触面抗剪强度。红黏土-混凝土接触面的粗糙度主要影响黏聚力，对内摩擦角影响较小。随着接触面粗糙度增大至临界粗糙度，红黏土-结构接触面的黏聚力增大并趋于土体的黏聚力。接触面粗糙度较低时，剪切破坏主要发生在红黏土-混凝土接触面。随着接触面粗糙度增加，剪切破坏可能同时发生在接触面和接触面外的土体内。

2) 剪应力-切向位移关系与接触面粗糙度对接触面外土体的影响范围相关。该影响范围随接触面粗糙度增大而增大。当接触面粗糙度大于临界值，粗糙度影响范围达到最大。

3) 低法向应力下，接触面附近红黏土主要表现出剪胀性。随着法向应力增大，土体表现出剪缩性。红黏土的剪(缩)胀性受接触面粗糙度的影响不大。

4) 与以往较为粗略地定性研究接触面粗糙度的影响不同，试验定量分析了接触面粗糙度对土-结构接触面力学性质的影响，认识到接触面粗糙度存在临界值和粗糙度影响范围存在极限值。但是对临界粗糙度和极限影响范围仍需进一步研究。试验通过改变混凝土块体表面半圆凹槽的数量模拟接触面粗糙度的改变，这与实际情况存在差别。对于工程实际，粗糙接触面上凹槽的形状是不规则的，凹槽尺寸及其分布均是随机的。但是，本文试验研究是一种积极的尝试，研究成果有一定的参考价值，有助于加深对土与粗糙结构接触面相互作用机理的认识。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-05-29；修回日期：2015-07-11

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378514) (Project(51378514) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：陈俊桦，博士研究生，从事岩土工程、爆破工程研究；E-mail: jhchan@126.com

摘要：在混凝土试块上设计了粗糙度不同的表面，以该表面作为土-混凝土接触面，并采用灌砂法测定了接触面粗糙度。利用大型直剪试验仪对红黏土-混凝土试块接触面进行了剪切试验，定量分析接触面粗糙度对接触面抗剪强度参数、接触面剪应力-切向位移关系以及红黏土剪胀(缩)性的影响。研究结果表明：接触面粗糙度对红黏   土-混凝土接触面的内摩擦角影响不大。在接触面粗糙度增大至临界粗糙度的过程中，接触面黏聚力随粗糙度的增大而增大，并逐渐趋近于红黏土自身的黏聚力。接触面粗糙度对剪应力-切向位移关系影响较大。接触面粗糙度对接触面上部土体的影响范围是有限的。该极限影响范围对应于临界粗糙度。当接触面粗糙度小于临界值时，接触面粗糙度越大，其对接触面上部土体的影响范围越大。当接触面粗糙度超过临界值，该影响范围不再变化。法向应力较低时，红黏土主要表现出剪胀性。接触面粗糙度对红黏土剪胀(缩)性影响不大。