粗糙度對鋼-砂土界面剪切應力應變關系的研究

榮文濤

（山東交通職業學院 公路與建筑系，山東 濰坊 261206）

引言

在樁基礎施工過程中的基樁、橋臺臺背與路基填土之間等其它工程施工過程中，結構物與土體會產生一定的界面剪切，當抗剪強度達到剪切破壞時，結構物-土體會發生失穩破壞，因此提高其界面抗剪強度尤為關鍵［1-2］。

眾多學者針對于此類問題做出了很多研究，其中針對于結構物-砂性土的界面剪切眾多。馬剛等［3］采用利用隨機粗粒土三維數值試樣，進行了結構物-土體界面剪切模擬試驗并分析了單剪和直剪下的力學特性，在宏觀和細觀兩個角度分析了數值試驗結果。楊硯宗［4］利用大型直接剪切儀器進行了結構物-砂土的界面剪切試驗，得出了隨界面粗糙度的增加，初始剪切模量和峰值剪切應力都增大。郭聚坤等［5］分析了不同砂粒組、粗糙度和法向應力下的鋼-砂界面剪切應力與位移關系、粗糙界面剪切面性狀以及粗糙界面抗剪強度構成。胡順洋等［6］在常應力狀態下的進行了接觸面直剪試驗，研究鋼-土體界面的剪切特性。王瑞等［7］利用改進的直剪儀器，進行了標準砂與木、鋼及混凝土界面剪切試驗,分析了剪切應力應變關系及抗剪強度指標，對剪切應力應變關系進行了對數-雙曲線的，并進行了數值模擬。

1 試驗準備

1.1 設備準備

采用界面剪切設備是改進的直接剪切儀。下盒改進后可以放置一定規格的鋼結構物，如圖1 所示。

1.2 材料準備

試驗所用結構物為鋼與混凝土，其中鋼為Q235A 碳素結構鋼，表面利用刻刀刻制5 道和7 道的均等距離的紋路，見圖2。土體采用廈門標準砂，內摩擦角為17°，干密度為1.684 g/cm3，Cu和Cc分別為5.70 和0.54。

圖2 試驗所用結構物

1.3 試驗方案

上盒放入廈門標準砂，下盒放入不同粗糙界面的鋼試塊。分別在法向應力50 kPa、100 kPa、150 kPa及200 kPa 下進行直接剪切試驗，共計8 次試驗。

2 試驗結果及分析

界面剪切應力-剪切位移關系見圖3。通過圖3分析發現：對于同一種粗糙界面，隨著法向應力增大，剪切應力并逐漸增大，體現了明顯的硬化規律。對于同一法向應力條件下，粗糙度2 的界面剪切應力要比粗糙度1 的大。

圖3 界面剪切應力-剪切位移關系

圖4 為峰值剪切應力與法向應力關系。由于多采用土體為標準砂，因此采用等效摩擦系數公式進行界面抗剪強度的確定，界面黏聚力為零，公式：

圖4 峰值剪切應力與法向應力關系

通過圖4 分析發現：相關系數R2均在0.97 以上，擬合效果良好。通過計算得出粗糙度1 時的界面摩擦角為21.06°，粗糙度2 時的界面摩擦角為26.06°，對比兩個粗糙度界面，說明粗糙度大的界面抗剪強度越大。

3 界面剪切應力應變擬合關系

由于界面剪切應力應變曲線軟化階段近似于一水平線，說明到達峰值剪切應力后其值基本不變，為了進一步分析界面剪切應力應變的關系，進行擬合：

硬化階段對數函數關系擬合曲線如圖5 所示。分析發現，硬化階段采用對數函數來進行界面剪切應力應變關系的表述很合理，走勢基本與試驗點相同，相關系數R2均在0.9 以上，說明擬合效果良好。為了更好描述本擬合關系的合理性，將試驗峰值剪切應力與得出的常數C作差并對其取絕對值，見表1，分析發現：在5.5 kPa 之內，峰值剪切應力差值不大，擬合關系良好。

表1 試驗與擬合公式峰值剪應力比較

圖5 硬化階段對數擬合關系

4 結語

（1）對于同一種粗糙界面，隨著法向應力增大，剪切應力并逐漸增大，體現了明顯的硬化規律。對于同一法向應力條件下，粗糙度2 的界面剪切應力要比粗糙度1 的大。（2）采用等效摩擦系數公式進行界面抗剪強度的確定，粗糙度大的界面抗剪強度越大。（3）硬化階段采用對數函數，軟化階段采用常數合理，擬合效果良好。