粗糙度對黏性土-混凝土界面剪切特性影響

王波， 張騰， 林振華， 梁國偉， 馮宏斌， 周立飛

（1.中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；3.中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，太原 030024）

0 引言

為了研究粗糙度對粉質黏土-混凝土界面抗剪強度特性的影響，通過自制研究的直剪試驗儀器，研究結構與不同材料之間的界面力學特性，一方面有利于提高巖土結構安全及設計和分析水平，另一方面通過直剪試驗測試得到的力學參數，可以更加深入的研究結構與材料之間的力學行為［1-3］。界面力學特性在兩種不同材料之間的工程中，涉及復雜的耦合和相互作用，同時還受加載路徑、粗糙度、孔隙水壓力等的影響［4-7］。楊有蓮、彭凱、高強等［8-10］通過樁-土界面剪切儀研究了不同粗糙度混凝土板間的界面阻力變化規律。在已有的直剪試驗中，對剪切強度的影響因素進行了有效的研究，獲得了一些有益成果。

文中研究了粗糙度對剪切破壞位移和界面剪切剛度的影響，從細觀層面上解釋了粗糙度對剪切特性的影響機制。

1 試驗過程研究

土樣制備按照《土工試驗方法標準》［11］配置含水率為20%的中壓縮性重塑粉質黏土。試驗所用大型直剪儀可以改變界面粗糙度，同時施加不同法向應力對混凝土和黏性土界面進行靜態測試。試驗方案見表1。土樣的物理指標見表2。

表1 試驗方案

表2 土的物理力學性質指標

利用大型直剪試驗研究粉質黏土-混凝土界面抗剪強度特性，需將下剪切盒換成混凝土塊體。在實際工程中，土與混凝土結構的接觸界面通常是粗糙面，試驗中不同粗糙度的設置將表現出不同的界面剪切力學特性，試驗設置了R（峰-谷距）分別為0、2、4，6mm 的齒形槽來模擬樁-土界面的同粗糙狀態（齒形槽的上端寬2mm，下端寬10mm），如圖1 所示。由張嘎等和趙春風等［12-14］研究可知，試驗粗糙度的設置可較好的模擬樁-土界面的剪切力學特性。

圖1 不同粗糙程度的混凝土板

2 試驗結果分析

2.1 界面阻力與剪切位移變化曲線

圖2繪制了不同粗糙度法向應力下界面阻力與剪切位移變化曲線，從圖2中可以看出，在同一粗糙度剪切位移較小時曲線有重合段，界面阻力峰值和剪切位移隨著法向應力增大而增大；在粗糙度等級較低時（R≤2mm），曲線在法向應力σ≤43.2kPa 呈現明顯的折線型，法向應力σ≥88.7kPa時，曲線特性介于折線型與雙曲線型之間。

圖2 不同粗糙程度下界面阻力與剪切位移變化曲線

圖3給出了不同法向應力粗糙度變化的剪應力-剪切位移關系曲線，從圖3中可以看出，在同一法向應力下，不同粗糙度下的曲線具有重合段，隨著剪切位移的增大，各粗糙度下的曲線逐漸分離；在不同法向應力下，粗糙度對曲線的影響較大，當粗糙度R≤2mm時，剪應力達到峰值后基本保持穩定；當粗糙度R≥4mm 時，剪應力達到峰值后出現減小的趨勢，即出現應變軟化現象。

圖3 不同法向應力下界面阻力與剪切位移變化曲線

2.2 粗糙度對彈性臨界位移的影響

根據試驗結果可以繪制出不同粗糙度下彈性臨界位移的變化曲線，如圖4所示。可以看出，法向應力相同時，彈性臨界位移隨粗糙度的增加變化不大，當法向應力為23.6kPa的時候，隨著粗糙度不斷增加，彈性臨界位移基本在1.5mm左右；當法向應力為142.8kPa時，隨著粗糙度的增加，彈性臨界位移保持在2.0mm基本不變，所以可以得出當法向應力一定時，粗糙度對彈性臨界位移的影響可以忽略不計。

圖4 彈性臨界位移與粗糙度關系曲線

隨著法向應力從23.6kPa增加到142.8kPa，彈性臨界位移從由1.5mm增大至2.0mm，增大幅度為35.5%，這表明法向應力對彈性臨界位移有顯著的影響。

2.3 粗糙度對彈性極限摩阻力的影響

由圖5 可以看出，當粗糙度介于0～2mm 之間時，由于粗糙度太小，對實驗結果影響存在偏差，即當法向應力為23.6kPa 的時候，彈性極限摩阻力在此范圍內出現減小的趨勢，但在其他法向應力條件下，彈性極限摩阻力隨著粗糙度等級提高而逐漸增加，隨著法向應力的增加，彈性極限摩阻力逐漸增加，隨粗糙度增加不同樁土界面彈性極限摩阻力差值逐漸不明顯。當法向應力最大時，即法向應力為142.8kPa 時，界面彈性極限摩阻力變化緩慢，所以該試驗條件下法向應力越大粗糙度對樁土界面彈性極限摩阻力影響越小。

圖5 彈性極限摩阻力與粗糙度關系曲線

2.4 粗糙度對破壞臨界位移的影響

根據試驗結果可以繪制出不同粗糙度下破壞臨界位移的變化曲線，如圖6所示。可以看出，法向應力相同時，破壞臨界位移隨粗糙度的增加有所增加，法向應力為88.7kPa 時變化不明顯，隨著法向應力從23.6kPa 增加到142.8kPa，最大破壞臨界位移從由4.9mm增大至15.2mm，這表明法向應力對破壞臨界位移有顯著的影響。

圖6 破壞臨界位移與粗糙度關系曲線

2.5 粗糙度對界面極限摩阻力的影響

由圖7 可知，界面極限摩阻力隨著粗糙度等級提高而逐漸增加，隨著法向應力的增加，極限摩阻力逐漸增加，隨粗糙度增加不同樁土界面極限摩阻力差值越明顯，法向應力從23.6kPa 增加到142.8kPa，最大界面極限摩阻力由32.6kPa 增大至95.6kPa，當法向應力為142.8kPa 時，極限摩阻力的變化最為明顯，增加幅度為最大，其他法向應力條件下的極限摩阻力變化較一般。文中試驗條件下法向應力越大粗糙度對樁土界面極限摩阻力影響越大。

圖7 界面極限摩阻力與粗糙度關系曲線

3 結語

文中通過直剪試驗，研究粗糙度對粉質黏土-混凝土界面抗剪強度特性的影響得出以下結論：

（1） 在文中粗糙度等級范圍內，當粗糙度R≤2mm 時，剪應力達到峰值后基本保持穩定；當粗糙度R≥4mm時，出現應變軟化現象。

（2） 粗糙度對黏土-混凝土界面的抗剪強度、臨界位移和極限摩阻力等特征參數有重要影響，從而影響界面界面阻力和剪切位移之間的關系。

（3） 粗糙度對界面臨界位移和極限摩阻力的影響較附著力的影響顯著。當法向應力相同時，隨著粗糙度增加，黏土土-混凝土界面臨界位移和極限摩阻力均顯著增大，幅度均超過40%。

（4） 試驗條件下得到的結論，可為實際工程中靜壓樁由于工況變化導致的樁土界面法向應力改變提供借鑒。