接觸角度對(duì)黃土-三趾馬紅土界面剪切力學(xué)特性影響研究*

祝艷波 韓宇濤 蘭恒星 苗帥升 李文杰

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054， 中國(guó))

0 引 言

黃土地區(qū)大中型滑坡大部分沿黃土-三趾馬紅土接觸層面產(chǎn)生(曲永新等， 1999)，此類滑坡稱為黃土與三趾馬紅土(基巖)復(fù)合滑坡(文寶萍等， 1997； 雷祥義， 2014)，約占黃土滑坡的55%(張棟平等， 2013)。黃土與三趾馬紅土異質(zhì)土接觸層面往往成為此類滑坡頻繁發(fā)生與復(fù)活的基本控制因素(孫萍萍等， 2020)。而滑坡形成與演化往往是滑帶土變形及剪切破壞過程(龍建輝等， 2010)，因此研究滑帶土剪切力學(xué)特性對(duì)于揭示此類滑坡形成演化機(jī)制具有重要意義，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)特殊的黃土(潘振興等， 2020)。

目前關(guān)于黃土滑坡中異質(zhì)滑帶研究主要集中在黃土-泥巖、黃土-古土壤、黃土-基巖以及黃土-紅黏土接觸面等類型(文寶萍等， 2005； 劉紅玫等， 2006； 周自強(qiáng)等， 2007； 辛鵬等， 2012； 吳瑋江等， 2014； Wang et al.，2018， 2019)，但以定性揭示滑坡形成機(jī)理為主，定量研究界面強(qiáng)度與變形特性的不多。近些年來一些學(xué)者研究了黃土與砂土、黃土與混凝土、黃土與基巖等界面的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度等，如張新善等(2005)通過開展黃土與混凝土界面直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力下黃土與混凝土界面剪切強(qiáng)度明顯大于黃土剪切強(qiáng)度； 喬來軍等(2010)研究了含水率對(duì)黃土-砂漿界面強(qiáng)度影響，結(jié)果表明界面黏聚力隨含水率增大呈先增大而后減小趨勢(shì)； Wang et al. (2018， 2019)開展了三軸加載剪切與增濕剪切試驗(yàn)，揭示了加載與增濕引起黃土剪切破壞的力學(xué)機(jī)制與差異性，提出不同類型黃土滑坡的形成機(jī)理。周蓉(2018)、洪勇等(2019)通過黃土-砂土界面直剪試驗(yàn)，揭示了砂土-黃土界面試樣抗剪強(qiáng)度比純砂土和純黃土抗剪強(qiáng)度低的規(guī)律； 張磊等(2019)探討了不同密度狀態(tài)對(duì)黃土-混凝土接觸面強(qiáng)度影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)界面抗剪強(qiáng)度隨初始干密度增大而增大； Yang et al. (2020)通過黃土-基巖界面的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)界面剪切破壞模式多樣并受多種因素控制。

學(xué)者們同時(shí)關(guān)注了界面剪切強(qiáng)度的影響因素，如針對(duì)土與結(jié)構(gòu)物接觸界面強(qiáng)度及破壞模式影響因素開展了大量研究(Mortara et al.，2010； 鄔俊杰等， 2014； 呂璽琳等， 2019； 艾英缽等， 2020)，結(jié)果表明含水率、干密度、界面粗糙度等均對(duì)界面強(qiáng)度產(chǎn)生影響(Dejong et al.，2009； Ghazvinian et al.，2010; 龔輝等， 2011； 陸勇等， 2013； 王永洪等， 2018)。大部分研究關(guān)注了界面粗糙度對(duì)界面剪切力學(xué)特性影響(Chen et al.，2015; Canakci et al.，2016)，如界面強(qiáng)度隨界面粗糙度增大而增大(張嘎等， 2004; 沈明榮等， 2010; Bai et al.，2015)，界面剪切過程產(chǎn)生明顯的剪脹效應(yīng)(Asadollahi et al.，2010)，剪脹大小與界面剪切破壞模式有關(guān)。界面剪切破壞模式主要有界面間滑動(dòng)、界面上下土體剪切破壞以及界面滑動(dòng)與土體剪切變形同時(shí)進(jìn)行的混合行為等(Feligha et al.，2016; Li et al.，2017; 周輝等， 2019)，并且粗糙度越大界面破壞越趨向于土體內(nèi)部的剪切破壞。

綜上所述，土與結(jié)構(gòu)物界面剪切力學(xué)特性研究成果頗豐，但關(guān)于土與土之間不連續(xù)面的剪切行為研究不多(Jahanian et al.，2015)，尤其是針對(duì)黃土與三趾馬紅土界面剪切力學(xué)特性研究的成果更是鮮見。因此以黃土滑坡中的黃土-三趾馬紅土滑帶為研究對(duì)象，制備包含異質(zhì)土接觸界面的重塑試樣，開展剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究，分析界面接觸角度對(duì)其剪切破壞模式、強(qiáng)度與變形影響規(guī)律。研究成果可為黃土-三趾馬紅土接觸面滑坡啟動(dòng)機(jī)制研究提供試驗(yàn)積累，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)土料與方案

1.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

試驗(yàn)土料取自陜西西安白鹿塬陳家坡滑坡滑帶，為第四系黃土(Q1)與新近系三趾馬紅土(N2)(圖1a～圖1b)，研究土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，按照土工試驗(yàn)規(guī)程可見其均為黏土。野外可見黃土與三趾馬紅土密實(shí)，接觸界面粗糙(圖1c～圖1d)，并具有黏聚強(qiáng)度，常演化為黃土滑坡滑帶(圖1e)，因此開展黃土-三趾馬紅土界面剪切力學(xué)特性研究十分必要，并且粗糙度對(duì)界面剪切強(qiáng)度影響不可忽視。為此簡(jiǎn)化接觸面粗糙度表達(dá)，分別設(shè)計(jì)5種規(guī)則齒狀界面試樣接觸角度(0°， 15°， 30°， 45°， 60°)，開展黃土-三趾馬紅土界面直剪試驗(yàn)，研究界面接觸角度對(duì)界面剪切力學(xué)性質(zhì)影響。

圖1 黃土與三趾馬紅土接觸界面

表1 試驗(yàn)土料物理性質(zhì)參數(shù)

為制備包含異質(zhì)土接觸界面試樣，首先研制界面試樣制備工具(圖2)，配合使用預(yù)制的規(guī)則齒狀界面模具，即可制備出不同接觸角度、具有初始黏聚強(qiáng)度的界面試樣。考慮制樣可行性，試樣初始干密度為1.85g·cm-3，初始含水率為15%，試樣直徑61.8mm、高度20mm。試樣制備分為3步：首先將制樣模具放置于制樣筒中，按制樣要求倒入黃土濕土料并壓實(shí)，制備出與制樣模粗糙接觸的黃土試樣； 其次將制備好的黃土試樣從制樣筒內(nèi)取出，并使其與制樣模具分離，再將黃土試樣置于制樣筒底部； 最后按要求倒入三趾馬紅土濕土料，使其與黃土試樣粗糙面直接接觸并壓實(shí)，即可壓制出具有初始黏聚強(qiáng)度的黃土與三趾馬紅土界面試樣。

圖2 界面制樣裝置

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

為開展界面試樣直剪試驗(yàn)，研制可視化界面直剪儀如圖3所示，該設(shè)備由垂直加壓裝置、水平加載裝置、計(jì)算機(jī)采集與控制系統(tǒng)、剪切盒、量測(cè)系統(tǒng)組成。垂直向加載裝置采用環(huán)向氣壓施加法向應(yīng)力，應(yīng)力控制范圍為0～500kPa； 水平加載裝置采用伺服控制系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)等速位移加載，加載范圍0.025～6.35mm·min-1，精度±5%； 量測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)自動(dòng)量測(cè)剪切應(yīng)力、水平剪切位移、豎向剪脹位移，應(yīng)力傳感器量測(cè)范圍0～2kN，精度0.2%； 位移傳感器測(cè)量范圍0～10mm，精度0.1%。計(jì)算機(jī)采集與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制加載裝置，采集與傳輸量測(cè)數(shù)據(jù)。可視化剪切盒可為獲取試樣剪切過程破壞模式，上下剪切盒接觸面位置位于試樣中部，即位于接觸齒面的1/2高度處。

圖3 全自動(dòng)可視化直剪儀

試驗(yàn)法向應(yīng)力設(shè)定為12.5kPa、25kPa、37.5kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，可全面揭示界面試樣的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律。水平剪切推力加載方向與試樣高度方向垂直，剪切速率設(shè)置為0.8mm·min-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

完成不同界面接觸角度下黃土-三趾馬紅土界面試樣剪切試驗(yàn)，獲取了界面試樣剪切破壞模式、水平剪切位移-剪應(yīng)力曲線、峰值剪脹角變化、界面強(qiáng)度變化規(guī)律，分析結(jié)果如下：

2.1 界面剪切破壞模式

觀察界面試樣剪切破壞模式(圖4)，以接觸齒面破壞程度作為試樣破壞模式分類標(biāo)準(zhǔn)，可見試樣均沿界面產(chǎn)生破壞。剪切破壞模式可分為沿齒間滑動(dòng)、沿齒間滑動(dòng)-齒面剪斷、沿齒面剪斷3類。部分試樣剪切破壞后齒面仍完整，如界面接觸角度0°、15°試樣，說明剪切過程試樣僅沿著接觸界面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦； 部分試樣剪切破壞后接觸界面仍清晰可見，但接觸齒面頂部出現(xiàn)不同程度剪斷現(xiàn)象，如界面接觸角度30°、45°試樣，表明試樣剪切過程既有沿齒面間的滑動(dòng)行為，又有沿界面的剪斷行為，但齒面剪斷位置不同，剪斷位置越靠近齒面根部，表明齒面剪斷行為越強(qiáng)烈； 部分試樣剪切破壞后接觸界面已分辨不清，剪斷面粗糙，如界面接觸角度60°試樣，表明試樣剪切過程沿齒面根部被完全剪斷。

圖4 界面試樣剪切破壞模式

試驗(yàn)表明界面試樣剪切破壞模式與界面接觸角度有關(guān)，齒面角度越小，試樣破壞模式越趨于齒間滑動(dòng)破壞； 齒面角度越大，試樣破壞模式越趨于齒面剪斷。但同時(shí)可觀察到同一界面接觸角度試樣剪切破壞模式也不同，這又與法向應(yīng)力有關(guān)，法向應(yīng)力越高，試樣剪切破壞越趨向于齒面剪斷模式。界面試樣剪切破壞模式差異主要由于剪切過程接觸界面受力狀態(tài)不同導(dǎo)致。在剪切起始階段，界面在法向應(yīng)力及水平剪切推力作用下產(chǎn)生一個(gè)沿界面向上的爬坡推力及垂直界面向下的剪斷推力，試樣出現(xiàn)何種剪切破壞模式取決于爬坡推力與界面間摩擦阻力大小關(guān)系，剪斷推力與齒面強(qiáng)度阻力大小關(guān)系。齒狀界面角度越大、法向應(yīng)力越高，剪切過程試樣沿齒面滑動(dòng)的摩擦阻力大，水平剪切推力先克服齒面土體強(qiáng)度而剪斷齒面，破壞模式愈趨向于齒面剪斷破壞。反之，試樣剪切過程中沿齒面間滑動(dòng)的摩擦阻力越小，水平剪切推力先克服齒面間摩擦阻力而使試樣沿齒面滑動(dòng)，破壞模式愈趨于齒間滑動(dòng)。對(duì)于試樣齒間滑動(dòng)-齒面剪斷破壞模式而言，剪斷面越靠近齒面根部，說明剪斷行為所占比例越高，剪切過程水平剪切推力先克服齒面剪斷阻力，使試樣沿齒面剪斷。

2.2 剪切位移曲線演化特征

界面接觸條件不僅影響試樣剪切破壞模式，對(duì)剪切應(yīng)力-應(yīng)變位移演化規(guī)律也有影響。繪制界面試樣水平剪切位移-剪切位移曲線(圖5、圖6)，可見剪應(yīng)力-剪切位移曲線均呈應(yīng)變軟化型，峰值強(qiáng)度后剪應(yīng)力降低明顯，應(yīng)變出現(xiàn)“跳躍”式跌落現(xiàn)象，表明試樣沿接觸界面瞬間產(chǎn)生剪切破壞，脆性破壞特征顯著。法向應(yīng)力越高、界面接觸角度越大，剪切位移跳躍現(xiàn)象越明顯，這與界面剪切破壞模式有關(guān)。剪應(yīng)力跌落后呈現(xiàn)小幅度回升現(xiàn)象，達(dá)到“二次峰值”后逐漸降低并趨于殘余強(qiáng)度，這是由于試樣剪斷后沿剪斷面重新調(diào)整接觸部位，剪斷齒面重新接觸，導(dǎo)致剪切應(yīng)力小幅提高，之后逐漸降低并趨于平穩(wěn)，試樣僅沿剪斷面產(chǎn)生摩擦滑動(dòng)。同時(shí)可見界面試樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度差距大。

圖5 不同法向應(yīng)力下試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線

圖6 不同界面角度下試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線

不同齒面接觸角度、法向應(yīng)力對(duì)界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線演化具不同影響規(guī)律，如曲線峰值前線性段斜率、峰值強(qiáng)度點(diǎn)位移差異均較大，為此繪制試樣剪切剛度、剪切破壞點(diǎn)位移變化如圖7、圖8所示。可見法向應(yīng)力越大，試樣峰值前剪切剛度越大(圖7)，峰值強(qiáng)度越高，峰值后位移跌落現(xiàn)象越明顯(圖5)，說明試樣越趨于脆性剪斷破壞。這是由于法向應(yīng)力越高，剪切過程試樣沿齒面間爬坡滑動(dòng)的摩擦阻力越大，沿齒面滑動(dòng)越難，界面抗變形能力越強(qiáng)，剪切剛度越大； 水平剪切推力更易先克服齒面土體抗剪強(qiáng)度而剪斷齒面，因此試樣更趨于脆性齒面剪斷破壞，剪應(yīng)力-剪切位移曲線“跳躍”現(xiàn)象越明顯。

圖7 界面剪切剛度變化

圖8 界面剪切破壞位移變化

同時(shí)可見隨界面接觸角度越大，試樣峰值前剪切剛度呈先增大后減小趨勢(shì)(圖7)，峰值后位移跌落現(xiàn)象越明顯，剪應(yīng)力降低幅值越大(圖6)，說明試樣越趨于脆性剪斷破壞。這是由于界面接觸角度越大，剪切過程試樣沿齒面間爬坡滑動(dòng)的摩擦阻力越大，因此界面抗變形能力越強(qiáng)，剪切剛度越大； 但隨著界面角度增大，水平剪切推力更容易先克服齒面土體強(qiáng)度而剪斷齒面，試樣越趨于脆性齒面剪斷破壞，而不沿接觸界面產(chǎn)生向上爬坡滑動(dòng)，因此剪切初始階段水平剪切推力不斷推擠齒面土體產(chǎn)生變形，試樣剪切剛度又呈下降趨勢(shì)。

試樣剪切破壞位移整體隨界面角度增大呈先增大后減小趨勢(shì)(圖8)。剪切破壞位移越大表明試樣產(chǎn)生剪斷破壞的時(shí)間越晚，破壞時(shí)產(chǎn)生的塑性變形量越大，這與試樣剪切破壞模式及剪斷破壞位置有關(guān)。隨界面角度增大，試樣破壞越趨于齒間滑動(dòng)-齒面剪斷破壞，并且齒面剪斷位置越來越靠近齒面根部，試樣剪切過程被推擠的齒面面積越大，因此剪斷破壞時(shí)產(chǎn)生的塑性變形越大。當(dāng)齒面角度增大到一定程度時(shí)，試樣剪切破壞位移又呈下降趨勢(shì)，這是由于試樣剪切破壞模式由齒間滑動(dòng)-齒面剪斷轉(zhuǎn)變?yōu)辇X面剪斷。雖然剪斷面位于齒面根部，剪斷時(shí)齒面塑性變形量大，但由于剪切過程試樣不沿接觸齒面向前產(chǎn)生滑動(dòng)，因此剪斷破壞時(shí)整體的剪切破壞位移又呈一定下降趨勢(shì)。

2.3 界面剪脹特性

界面剪切過程因沿接觸齒面間爬坡滑動(dòng)而產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象，剪脹角可以反映試樣剪脹效應(yīng)的強(qiáng)弱。為分析界面接觸角度對(duì)試樣剪脹效應(yīng)影響，求取峰值剪脹角變化如圖9、圖10所示，其中峰值剪脹角可根據(jù)界面峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的豎向剪脹位移與水平剪切位移比值關(guān)系求取。當(dāng)界面接觸角度為0°時(shí)，試樣僅沿接觸界面產(chǎn)生水平法向滑動(dòng)，剪脹效應(yīng)不明顯。

可見峰值剪脹角受界面接觸角度及法向應(yīng)力影響，同一界面角度下，試樣峰值剪脹角隨法向應(yīng)力增大而衰減(圖9)。這表明法向應(yīng)力越大，界面剪脹效應(yīng)越小，這與試樣破壞模式有關(guān)。法向應(yīng)力越大，試樣沿界面間的摩擦阻力越大，試樣沿齒面間滑動(dòng)越困難，水平剪切推力先克服齒面土體強(qiáng)度阻力而剪斷齒面，破壞模式越趨于齒間滑動(dòng)-齒面剪斷，試樣沿接觸齒面間滑動(dòng)距離越來越小，因此試樣豎向剪脹位移越小，峰值剪脹角也越小。

圖9 不同法向應(yīng)力下界面峰值剪脹角

同一法向應(yīng)力下，界面峰值剪脹角隨接觸角度增大呈先減小而后增大趨勢(shì)(圖10)，表明試樣剪切破壞時(shí)剪脹體積變形不隨界面角度呈單調(diào)變化，當(dāng)接觸界面角度較小或較大時(shí)試樣的剪脹體積變形更大，這與試樣破壞模式有關(guān)。當(dāng)界面角度較小時(shí)，試樣破壞模式為沿齒間滑動(dòng)，水平剪切推力作用下試樣僅需克服齒面間初始黏聚強(qiáng)度及摩擦阻力，即可沿齒面向上滑動(dòng)，此時(shí)試樣剪切破壞時(shí)產(chǎn)生的豎向剪脹位移大，水平剪切位移小，因此峰值剪脹角大，試樣整體剪切變形大； 隨著界面角度增大，試樣剪破壞模式趨向于齒間滑動(dòng)-齒面破壞，水平剪切推力作用下試樣首先克服齒面間初始黏聚強(qiáng)度及摩擦阻力沿齒面間向上滑動(dòng)，產(chǎn)生豎向剪脹位移。但滑動(dòng)一段距離后，水平剪切推力克服齒面土體強(qiáng)度阻力而剪斷齒面，試樣齒面因塑性變形過大而產(chǎn)生剪切破壞，因此試樣剪斷破壞時(shí)產(chǎn)生的豎向剪脹位移越來越小、水平剪切位移越來越大，因此試樣峰值剪脹角逐漸降低，試樣體積變形逐漸減小； 當(dāng)界面接觸角度繼續(xù)增大時(shí)，試樣剪切破壞模式趨于齒面剪斷，試樣豎向剪脹位移量小，但試樣剪切破壞時(shí)水平剪切位移量也逐漸降低，因此峰值剪脹角變化整體又呈增大趨勢(shì)。

圖10 不同接觸角度下界面峰值剪脹角

2.4 界面強(qiáng)度特性

為分析界面接觸角度對(duì)試樣強(qiáng)度影響規(guī)律，繪制界面峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度變化如圖11、圖12所示。可見界面峰值強(qiáng)度隨法向應(yīng)力呈非線性變化，不符合線性Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，并且法向應(yīng)力與界面接觸角度越大非線性特征越明顯。這是由于試樣剪切過程界面受力狀態(tài)多變、界面剪切破壞模式多樣，峰值強(qiáng)度組成復(fù)雜導(dǎo)致。試樣剪切過程水平剪切推力首先需要克服接觸界面間初始黏聚強(qiáng)度而使界面間脫黏，其次需克服界面間摩擦阻力而使試樣沿界面間產(chǎn)生滑動(dòng)，最后還需要克服齒面土體黏聚強(qiáng)度與摩擦強(qiáng)度而剪斷齒面，因此界面峰值強(qiáng)度組成復(fù)雜，其變化呈現(xiàn)非線性特征。同時(shí)可見峰值強(qiáng)度曲線截距不為零，其可代表試樣界面間初始黏聚強(qiáng)度，總體可見試樣界面間初始黏聚強(qiáng)度隨接觸角度增大而增大，這是由于界面接觸角度越大，黃土與三趾馬紅土間的齒面接觸面積越大，因此界面間初始黏聚強(qiáng)度越大。

圖11 界面峰值強(qiáng)度變化

圖12 界面殘余強(qiáng)度變化

界面峰值強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大而呈非線性增大，增幅又隨界面接觸角度增大而增大(圖11a)。峰值強(qiáng)度隨界面角度增大呈先增大而后減小趨勢(shì)，變化幅度又隨法向應(yīng)力增大而增大(圖11b)，這與試樣界面受力狀態(tài)差異，進(jìn)而導(dǎo)致剪切破壞模式不同有關(guān)。在剪切起始階段，界面在法向應(yīng)力及水平剪切推力作用下產(chǎn)生一個(gè)沿界面向上的爬坡推力及垂直界面向下的剪斷推力，試樣出現(xiàn)何種剪切破壞模式取決于爬坡推力與界面間摩擦阻力大小關(guān)系，剪斷推力與齒面強(qiáng)度阻力大小關(guān)系。

當(dāng)接觸界面角度較小、法向應(yīng)力較低時(shí)，試樣界面間的摩擦阻力小，試樣更易產(chǎn)生齒間滑動(dòng)破壞，水平剪切推力僅需克服界面間初始黏聚強(qiáng)度及摩擦阻力，因此峰值強(qiáng)度也低； 隨著界面角度與法向應(yīng)力增大，試樣齒面間的摩擦阻力增大，剪切過程水平推力不僅需要克服界面間初始黏聚強(qiáng)度及摩擦阻力，還需要克服接觸齒面土體強(qiáng)度阻力而剪斷齒面，試樣破壞模式逐漸趨于齒間滑動(dòng)-齒面剪斷模式，因此峰值強(qiáng)度逐漸增大。并且由于界面間摩擦阻力與齒面強(qiáng)度阻力隨齒面角度與法向應(yīng)力增大而變化敏感性增大，峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨界面角度與法向應(yīng)力增大而變化幅度增大現(xiàn)象。但當(dāng)界面接觸角度大于45°時(shí)，可見界面峰值強(qiáng)度又呈下降趨勢(shì)，這是由于高界面接觸角度試樣剪切過程中沿齒面間滑動(dòng)的摩擦阻力更大，剪切過程試樣不沿接觸齒面產(chǎn)生滑動(dòng)，水平剪切推力更易克服齒面土體強(qiáng)度阻力，剪切破壞模式更趨向于齒面剪斷。雖然試樣沿齒面根部剪斷，導(dǎo)致齒面剪斷阻力增大，但剪切過程不需要克服界面間初始黏聚強(qiáng)度與摩擦阻力，因此峰值強(qiáng)度整體出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

界面殘余強(qiáng)度反映試樣剪斷后沿剪斷界面間摩擦滑動(dòng)行為的強(qiáng)弱，圖12呈現(xiàn)了界面試樣殘余強(qiáng)度變化規(guī)律。可見殘余強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大而增大，高界面接觸角度時(shí)增幅越大(圖12a)； 殘余強(qiáng)度隨界面角度增大而增大，高法向應(yīng)力時(shí)增幅更大，低法向應(yīng)力時(shí)增幅有限。殘余強(qiáng)度以上變化規(guī)律與試樣剪切破壞模式有關(guān)。當(dāng)界面接觸角度與法向應(yīng)力均較小時(shí)，試樣破壞模式為齒間滑動(dòng)，殘余強(qiáng)度為試樣沿齒面間的摩擦強(qiáng)度，因此殘余強(qiáng)度隨法向應(yīng)力與界面角度變化幅度有限； 隨著齒面角度與法向應(yīng)力增大，試樣破壞模式逐漸向齒間滑動(dòng)-齒面剪斷過渡，試樣剪切破壞后不僅沿光滑齒面間產(chǎn)生摩擦，還要沿粗糙的剪斷面間產(chǎn)生摩擦，并且齒面剪斷位置距齒面根部越來越近，齒面剪斷面積越來越大，因此試樣沿粗糙剪斷面的摩擦阻力越來越大，殘余強(qiáng)度變化幅度越來越大。當(dāng)齒面接觸角度與法向應(yīng)力較大時(shí)，試樣趨于沿齒面根部的剪斷破壞，剪切破壞后試樣沿粗糙剪斷面的摩擦面積最大、摩擦阻力最大，此時(shí)殘余強(qiáng)度僅為試樣沿粗糙剪斷面間的摩擦強(qiáng)度，因此界面殘余強(qiáng)度達(dá)到最大。

3 結(jié) 論

通過開展簡(jiǎn)化的黃土與三趾馬紅土界面剪切強(qiáng)力學(xué)特性試驗(yàn)，獲取了界面接觸角度對(duì)試樣剪切破壞模式、強(qiáng)度與變形特性影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)界面剪切破壞模式可分為齒間滑動(dòng)、齒間滑動(dòng)-齒面剪斷、齒面剪斷3種，并受界面接觸角度變化影響。齒面接觸角度越大，剪切破壞模式越趨于齒面剪斷； 齒面接觸角度越小，剪切破壞模式越趨于齒間滑動(dòng)。

(2)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線反映了界面的脆性剪切破壞特征； 峰值后剪切位移“跳躍”跌落越明顯，界面脆性剪切破壞特征越顯著。界面接觸角度越大，峰值前剪切剛度越大，剪切破壞位移越大，峰值后剪切位移跌落越明顯，剪應(yīng)力降低幅值越大，試樣越趨于脆性剪斷破壞。

(3)界面剪切過程產(chǎn)生明顯剪脹效應(yīng)，峰值剪脹角變化可反映出試樣剪脹效應(yīng)變化規(guī)律。峰值剪脹角隨法向應(yīng)力增大而減小，隨界面接觸角度增大呈先減小而后增大的趨勢(shì)，反映了界面剪切破壞模式由齒間滑動(dòng)到齒間滑動(dòng)-齒面剪斷、再到齒面剪斷的漸變過程。

(4)界面強(qiáng)度隨法向應(yīng)力呈非線性變化，并受界面接觸角度影響。界面間初始黏聚強(qiáng)度不同、剪切過程受力狀態(tài)多變、剪切破壞模式多樣，導(dǎo)致界面峰值強(qiáng)度組成復(fù)雜，并隨界面角度增大呈先增大后減小趨勢(shì)，變化幅度又隨法向應(yīng)力增大而增大； 殘余強(qiáng)度隨界面接觸角度增大而增大，高法向應(yīng)力時(shí)增幅更明顯。