棄渣混合料與混凝土接觸面剪切力學特性

朱武俊，王 晅,2，張家生,2，陳曉斌,2，成 浩，王永倩,李 度

(1.中南大學 土木工程學院，長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術國家工程研究中心，長沙 410075；3.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528300)

石灰?guī)r在中國南方特別是西南地區(qū)廣泛分布，在線路隧道及地下洞室開挖過程中會產生大量的灰質巖棄渣。大多數(shù)灰質巖棄渣具有強度高、變形小、性質穩(wěn)定等特點，廣泛運用在路基、山區(qū)站場、廠坪等填方工程中，形成了典型的灰質巖棄渣混合料與剛性混凝土結構接觸面相互作用問題。例如，在灰質巖棄渣填方區(qū)，支擋結構與周圍土體的相互作用、樁土相互作用等[1]。大量研究表明，土體與結構接觸面常常是工程中的薄弱面，關系到工程結構的安全穩(wěn)定及長期服役性能[2]。因此，深入研究灰質巖棄渣混合料與混凝土接觸面的剪切力學特性十分必要。

土與結構接觸面的相互作用一直是巖土領域的研究熱點。土體和結構面板作為接觸面的兩個組成部分，必然對接觸面的剪切特性具有顯著影響，因此，接觸面土體性質和結構面板表面形貌特征備受關注。Potyondy[3]早在1961年通過一系列接觸面直剪試驗，研究了土與不同結構接觸面的剪切特性。為描述接觸面粗糙度對接觸面剪切特性的影響，Uesugi等[4]首次提出了相對粗糙度Rn的概念。Chen等[5]發(fā)現(xiàn)隨接觸面粗糙度的增加，接觸面抗剪強度逐漸增加，且接觸面的剪切破壞面逐漸由土體與混凝土面板接觸界面處向土體內部移動。Li等[6]指出隨著接觸面粗糙度的增加，接觸面擾動范圍、土顆粒的運動和再分布顯著增加，導致接觸面抗剪強度和剪切變形明顯增大。Martinez等[7]對砂土與不同類型粗糙鋼板接觸面進行剪切試驗，首次提出非堵塞粗糙結構面板能增加接觸面的被動阻力，可使接觸面剪切強度高于土體剪切強度。Wang等[8]探討了土體顆粒粒徑和接觸面粗糙度對砂土與接觸面剪切特性的影響，并提出了“有效界面”的概念。Stutz等[9]受蛇皮鱗片的啟發(fā)，通過設置砂土與不同長高比的楔形體結構面板剪切試驗，發(fā)現(xiàn)接觸面的剪切具有摩擦各向異性。Rui等[10]認為接觸面的抗剪強度增加是由于粗糙結構面板能顯著提高土顆粒與結構面板間的相互作用。Nasrin等[11]認為接觸面抗剪強度由顆粒聯(lián)鎖、剪脹作用、顆粒重排列、顆粒摩擦和破碎組成。Feng等[12]發(fā)現(xiàn)增加接觸面法向剛度能有效提高粗粒土與鋼板接觸面的抗剪強度。Cen等[1]通過研究土石混合料與巖石接觸面的剪切特性發(fā)現(xiàn)，隨含石量的增加，接觸面的抗剪強度和內摩擦角均增加，但接觸面的黏聚力減小。楊忠平等[13]通過大型直剪儀研究了接觸面粗糙度對填方體與下伏基巖接觸面剪切特性的影響，指出接觸面的抗剪強度隨粗糙度的增加而增加。

綜上，發(fā)現(xiàn)關于土體類型和接觸面粗糙度對接觸面剪切力學特性的影響研究較多。對區(qū)別于常規(guī)土石混合料的無黏性灰質巖棄渣混合料與混凝土結構接觸面的剪切力學特性的研究尚缺少足夠的報道，且鑒于生態(tài)保護的要求，在工程建設中，對棄渣資源化利用的需求日益增多，而由于棄渣混合料往往具有離散性大、級配復雜等特點，目前對其與剛性結構接觸面的研究存在一定的不足，特別是在接觸面粗糙度與棄渣混合料含石量對灰質巖棄渣混合料與混凝土接觸面剪切力學特性的影響及抗剪強度機制的研究上還未清晰，為此，本研究通過大型直剪儀進行了一系列灰質巖棄渣混合料與混凝土接觸面的剪切試驗，研究了接觸面粗糙度、灰質巖棄渣混合料含石量、法向應力對接觸面剪切力學特性的影響及接觸面的抗剪強度機制。

1 試 驗

1.1 試驗設備

試驗采用TAW-800大型直剪系統(tǒng)，如圖1所示。該直剪系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)組成，上下剪切盒尺寸長×寬×高為500 mm×500 mm×150 mm。豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)的最大軸力分別為800和400 kN，水平剪切最大行程為300 mm。

圖1 TAW-800大型直剪系統(tǒng)示意

1.2 試驗材料

土樣取自某在建高鐵隧道棄渣，巖性為白云質石灰?guī)r，經過人工破碎分選后形成灰質巖棄渣混合料，用于路基填料，其顆粒粒徑范圍為0～40 mm，其中粒徑小于0.1 mm的顆粒質量分數(shù)約為5%，如圖2所示。由XRD(X射線衍射儀)分析得到其成分組成如表1所示。為消除尺寸效應，根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)規(guī)定，剪切盒高度與最大顆粒粒徑之比不應小于4，選擇試樣的最大粒徑為20 mm，采用等量替代法對原始級配進行相應的縮尺。

表1 試驗土樣礦物成分質量分數(shù)

圖2 白云質石灰?guī)r棄渣

目前，在土石混合料的研究中普遍將5 mm作為土與石的分界粒徑[14]，為此，本試驗亦取5 mm作為土石閥值。定義灰質巖棄渣混合料的含石量(質量分數(shù))為w，計算公式為

(1)

式中：mr為試樣中粒徑大于5 mm的土顆粒總質量(kg),m為試樣總質量(kg)。

同時，相關研究表明，當含石量在25%～70%時，土石混合料的性質取決于土體與塊石之間的相互作用[15]。為研究含石量對灰質巖棄渣混合料與混凝土接觸面剪切力學特性的影響，試驗設置含石量分別為25%、40%、55%、70%，采用改變土石比例的方法進行配置，級配曲線和試樣最大干密度如圖3、4所示，各組土樣的基本物理性質見表2。

圖3 試樣級配曲線

圖4 試樣最大干密度

表2 土樣基本物理參數(shù)

試驗所用的混凝土結構面板采用C40混凝土澆筑而成，為保證剪切面的面積不變，且保證足夠大剪切位移，混凝土結構面板尺寸設置長×寬×高為570 mm×570 mm×115 mm。Dove等[16]研究表明，建筑物結構表面的形狀多近似為三角形或梯形，本試驗采用梯形結構面板模擬實際結構表面，如圖5所示，其表面尺寸參數(shù)如表3所示。

圖5 混凝土板

表3 混凝土板表面幾何參數(shù)

目前，關于接觸面粗糙度的量化表征并不統(tǒng)一，主要方法有最大峰谷距法、灌砂法、相對粗糙度法、平均峰谷距法、分維法等[5,17-18]。研究表明，接觸面粗糙度不僅與結構表面的形貌特征有關，且與顆粒粒徑和結構表面形貌相對尺度相關[7,19-20]，為此，采用Uesugi[4]提出的能夠反映接觸面形貌特征和顆粒大小的相對粗糙度Rn描述接觸面粗糙度，Rn計算如下

Rn=H/d50

(2)

式中：H為結構面板峰谷距(mm),d50為試驗試樣的平均粒徑(mm)。

試驗采用含石量為55%土樣和不同峰谷距的混凝土板研究粗糙度的影響，含石量55%土樣的平均粒徑d50=6.3 mm，因此，由式(2)可得相對粗糙度Rn分別為0、0.79、1.59、3.17、4.76。為區(qū)分接觸面的類型，將Rn=0時的接觸面稱為“光滑接觸面”，此時的混凝土板稱為光滑結構面板，將Rn>0時的接觸面稱為“粗糙接觸面”，此時的混凝土板稱為粗糙結構面板。

1.3 試驗步驟及方案

為研究含石量和粗糙度對灰質巖棄渣混合料與混凝土接觸面剪切特性的影響，將直剪系統(tǒng)下剪切盒替換為混凝土面板。試樣含水率取采樣時土樣的天然含水率4.6%，將配制好的混合料進行悶料養(yǎng)護24 h后分3層裝入上剪切盒，并進行人工壓實，控制試驗的壓實度為90%，對各層土接觸面進行鑿毛處理，防止層面效應。每組試樣分別在50、100、200、400 kPa條件下進行試驗。參考相關文獻[21]在接觸面剪切試驗中對剪切速率的設置，本研究取剪切速率為1 mm/min,剪切位移取試樣長度的10%，設置為50 mm，試驗方案如表4所示。

表4 試樣方案

2 試驗結果與分析

2.1 粗糙度對接觸面剪切力學特性的影響

2.1.1 接觸面剪切強度特性分析

為方便描述，將土體與混凝土面板相互作用區(qū)域稱為接觸面，將土體與混凝土面板接觸的面稱為接觸界面或界面。

圖6分別為粗糙度Rn=0、0.79、1.59、3.17、4.76時，接觸面剪切應力-剪切位移關系曲線。可以看出，粗糙度對接觸面剪切應力-剪切位移曲線影響較為明顯，光滑接觸面時，剪切應力-剪切位移曲線呈現(xiàn)“理想彈塑性”特征；而粗糙接觸面時，剪切應力-剪切位移曲線表現(xiàn)為應變硬化或微軟化特征。光滑接觸面的剪切應力在較小剪切位移時達到穩(wěn)定狀態(tài)，而粗糙接觸面剪切應力達到相對穩(wěn)定狀態(tài)所需的剪切位移明顯大于光滑接觸面所需的剪切位移，即粗糙度接觸面能提高接觸面的塑性變形能力。這是由于光滑接觸面的剪切強度主要依賴于土體與接觸界面的摩擦，隨剪切的進行，土體與接觸界面的摩擦作用很快達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為滑移破壞特征，而在粗糙接觸面中，粗糙結構面板對接觸界面上方土體具有一定的擾動作用。在剪切過程中，土顆粒隨之發(fā)生爬升、旋轉、互鎖等，到達相對穩(wěn)定狀態(tài)所需的剪切位移更大，接觸面剪切特性宏觀表現(xiàn)為接觸面塑性變形能力增加。

圖6 不同粗糙度條件下接觸面剪切應力-剪切位移曲線

2.1.2 接觸面法向變形特性分析

Pra-ai等[22]指出在常法向應力邊界條件下，接觸面的法向位移可由試樣的法向位移替代。本研究采用試樣的法向位移變化規(guī)律反映接觸面的法向變形規(guī)律，法向位移以體積壓縮為正，體積膨脹為負。

圖7為不同粗糙度條件下接觸面的法向位移-剪切位移曲線，可以看出，在不同粗糙度條件下，接觸面在初始變形階段均為體縮，且初始剪縮量隨法向應力的增加而增加。這是由于在初始剪切階段，試樣孔隙較大，分布不均勻，隨剪切位移和法向應力的增加，根據(jù)孔隙均勻化原理[23]，大孔隙逐漸減小，接觸界面附近土體孔隙逐漸均勻化，宏觀上表現(xiàn)為法向位移增加，且隨法向應力增大，土顆粒接觸更加緊密，導致剪縮更明顯。光滑接觸面時，接觸面法向變形隨剪切位移的增加呈現(xiàn)先剪縮后趨于穩(wěn)定的趨勢，且最終剪縮量隨法向應力的增加而增加。例如，在50、100、200、400 kPa時的最終法向位移為0.47、0.57、1.34、1.44 mm；而粗糙接觸面時，試樣的法向變形趨勢均為先減縮后剪脹，最后逐漸趨于穩(wěn)定，剪脹量隨法向應力的增加而減小。隨法向應力的增加，試樣最終法向變形逐漸由剪脹向剪縮發(fā)展。這是因為在光滑接觸面上剪切時，接觸面為滑移破壞，試樣的法向變形以法向應力對試樣的壓縮為主，而當接觸面為粗糙接觸面時，結構面板與土顆粒相互作用，導致土顆粒之間、土顆粒與結構面板之間均會發(fā)生錯動、滑移、翻滾等位移變動，接觸界面附近的土體孔隙比增加，發(fā)生剪脹變形。而法向應力對土顆粒的位變約束具有較大的影響，低法向應力對土顆粒位變約束較小，試樣剪脹明顯；高法向應力對土顆粒位變約束更強，對剪脹有抑制的作用。接觸面剪切變形示意如圖8所示。

圖7 不同粗糙度條件下接觸面法向位移-剪切位移曲線

圖8 接面剪切變形示意

2.2 含石量對接觸面剪切力學特性的影響

2.2.1 接觸面剪切強度特性分析

圖9分別為含石量為25%、40%、55%、70%時接觸面剪切應力-剪切位移曲線。可以看出，不同含石量條件下剪切應力-剪切位移曲線特征較相似，主要分為3個部分，即初始彈性階段、塑性增長階段、殘余穩(wěn)定階段。在初始彈性階段，剪切應力均隨剪切位移的增加而急劇增加，且接觸面初始剪切剛度均隨法向應力的增加而增加。這是由于在試樣剪切裝樣過程中，只對試樣進行了法向壓實，導致試樣不夠密實，孔隙較大且分布不均勻。隨著剪切位移的增加，試樣內部孔隙迅速減小，剪切強度迅速增加，且隨法向應力的增加，土顆粒之間接觸更加密實，抵抗剪切的能力更強，初始剪切剛度增加。

圖9 不同含石量條件下接觸面剪切應力-剪切位移曲線

在塑性增長階段，隨著剪切的進行，接觸面剪切應力的增長速度逐漸減小至達到峰值抗剪強度。這一階段主要存在兩種剪切機制的共同作用[24]，一是土顆粒與結構面板的相互作用，導致土顆粒的旋轉、翻越、咬合產生剪脹現(xiàn)象；另外，顆粒的位變導致接觸界面附近土體結構發(fā)生變化。從抗剪強度產生機制的角度分析，接觸界面附近土顆粒的咬合、翻轉、嵌固能有效提高接觸面的抗剪強度，而顆粒的相對位變使接觸界面附近土體發(fā)生一定的剪脹現(xiàn)象，導致接觸面土體空隙率變大，從而土顆粒相互作用減弱，抗剪強度發(fā)生一定的削弱。這兩種因素相互影響，共同決定接觸面的抗剪強度。顆粒咬合導致接觸面強度增強作用逐漸減弱，土體結構變化導致接觸面強度弱化現(xiàn)象逐漸增強，因此，接觸面的抗剪強度增長速度逐漸減小，兩種因素相互影響直至接觸面的抗剪強度達到峰值抗剪強度。

在殘余穩(wěn)定階段，在較大剪切位移下，接觸面剪切強度在峰值強度后出現(xiàn)短暫輕微的應變軟(硬)化，之后剪切應力逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于當接觸面達到峰值強度后，接觸界面附近的土體破壞，接觸面出現(xiàn)“顆粒流動”特征，宏觀表現(xiàn)為接觸面剪切應力趨于穩(wěn)定。

2.2.2 接觸面法向變形特性分析

圖10為不同含石量條件下，接觸面法向位移-剪切位移曲線。可以看出，不同含石量條件下的接觸面法向位移-剪切位移曲線特征較為相似，接觸面法向變形趨勢均為先剪縮后剪脹，最后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于接觸面的變形主要由外部荷載對試樣的壓縮作用和顆粒相對位變導致的剪脹作用共同控制。其中，試樣初始剪切階段，外荷載產生的壓縮作用顯著，導致試樣發(fā)生剪縮現(xiàn)象。而隨著剪切位移的進一步增加，結構面板和接觸界面附近土顆粒的相互作用，導致顆粒的旋轉、爬升、咬合等相對位變，接觸界面附近土體剪脹作用逐漸增強。當二者的影響相互抵消時，宏觀表現(xiàn)為“相變狀態(tài)”，即剪脹比為0。隨著剪切位移的增加，剪脹作用逐漸增強，接觸面發(fā)生剪脹變形，當剪切位移較大時，剪切帶逐漸形成穩(wěn)定的剪切帶，接觸界面附近土體結構性消失，表現(xiàn)出流動特征，宏觀表現(xiàn)為法向變形趨于穩(wěn)定。法向應力對接觸面的法向變形具有較大的影響，隨法向應力的增加，接觸面的法向變形逐漸由剪脹向剪縮轉化。例如，含石量為55%，在50、100、200、400 kPa時的最終法向位移分別為-1.21、-0.86、0.25、1.44 mm。表明法向應力對土顆粒的“剪脹運動”具有一定的抑制作用。

圖10 不同含石量條件下接觸面法向位移-剪切位移曲線

3 接觸面抗剪強度及參數(shù)分析

3.1 接觸面抗剪強度分析

根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)規(guī)定，抗剪強度應取峰值強度或穩(wěn)定值，剪切應力無明顯峰值時，取剪切位移達到試樣直徑的1/15～1/10時的剪切應力為抗剪強度。通過對不同工況條件下的試驗結果進行統(tǒng)計，得到不同粗糙度和不同含石量條件下接觸面的抗剪強度，并進行莫爾-庫倫線性擬合，擬合結果如表5、6所示，由表5、6可知，擬合相關系數(shù)均在0.98以上，表明接觸面的抗剪強度符合莫爾-庫倫強度準則。

表5 不同粗糙度條件下的接觸面抗剪強度

表6 不同含石量條件下接觸面的抗剪強度

不同法向應力條件下，接觸面抗剪強度隨粗糙度增加的變化曲線如圖11所示。可以看出，不同粗糙度條件下，接觸面抗剪強度均隨法向應力的增加而增加。在相同法向應力條件下，接觸面抗剪強度隨粗糙度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在粗糙度Rn=1.59時達到最大。但隨法向應力的增加，粗糙度對接觸面抗剪強度的強化作用逐漸減弱。例如，在粗糙度Rn=1.59時，相比光滑接觸面，在50、100、200、400 kPa時接觸面的抗剪強度增長率分別為243.6%、216.9%、136.5%、99.9%。

圖12為不同法向應力條件下，接觸面抗剪強度隨含石量增加的變化曲線，可以看出，接觸面抗剪強度隨含石量的變化規(guī)律受法向應力的影響較大。在較低法向應力(50、100 kPa)，含石量為40%時，抗剪強度達到最大；在200 kPa條件下，抗剪強度隨含石量的增加而增加，在含石量為70%時達到最大；而在較高法向應力400 kPa時，接觸面抗剪強度在含石量為55%時達到最大。

圖12 接觸面抗剪強度隨含石量的變化

3.2 接觸面抗剪強度參數(shù)分析

3.2.1 粗糙度對抗剪強度參數(shù)的影響

圖13為接觸面表觀黏聚力和內摩擦角隨粗糙度增加的變化，可以看出，相比光滑接觸面，粗糙接觸面的表觀黏聚力c急劇增加，而在粗糙接觸面上表觀黏聚力c規(guī)律不明顯，呈現(xiàn)波動特征。在光滑接觸面中，接觸面為滑移破壞，土顆粒之間的相對位移較小，接觸面主要由土顆粒與混凝土結構面板的滑移摩阻力承擔。而在粗糙接觸面中，由于混凝土面板“鋸齒”對土樣的擾動作用，土顆粒不斷地調整位置，發(fā)生劇烈咬合嵌固作用，產生“被動阻力”[2]，導致表觀黏聚力急劇增加。當“鋸齒”深度相對于土顆粒粒徑較大時，土顆粒易“凹陷”在凹槽底部，如圖14所示，與原凹槽和接觸界面附近的土體形成“有效界面”[1]，如圖15所示,導致實際粗糙度發(fā)生變化，表觀黏聚力變化規(guī)律不明顯。

圖13 接觸面抗剪強度參數(shù)隨粗糙度增加的變化

圖14 土顆粒填充

圖15 “有效界面”示意

相比光滑接觸面，粗糙接觸面的內摩擦角顯著增大。例如，相對于光滑接觸面，在Rn=0.79、1.59、3.17、4.76時，接觸面內摩擦角分別增大了27.8%、44.7%、41.4%、30.5%。且接觸面的內摩擦角隨粗糙度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

3.2.2 含石量對抗剪強度參數(shù)的影響

由圖16為接觸面表觀黏聚力和內摩擦角隨含石量增加的變化規(guī)律，可以看出，隨含石量的增加，接觸面表觀黏聚力呈現(xiàn)先增加后減小并在一定范圍內波動，且在含石量為40%時達到最大。接觸面內摩擦角總體呈現(xiàn)隨含石量的增加逐漸增長的趨勢。由于試樣中不同含石量的接觸面試驗均是在相同粗糙度條件下進行，因此，接觸面表觀黏聚力和內摩擦角的變化主要是由于接觸界面上方土顆粒間地咬合嵌固、相對滑移程度不同產生的。試驗土樣隨著含石量的變化，級配也相應的發(fā)生了改變，對其顆粒和孔隙的分布產生了較大的影響。如圖4所示，本試驗采用土樣的最大干密度隨含石量的變化呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢，在含石量為40%時，土樣的最大干密度最大，土顆粒之間的接觸更加緊密，在接觸面剪切中，土顆粒之間的相互作用更加劇烈，表現(xiàn)為表觀黏聚力在含石量為40%達到最大，而隨含石量的繼續(xù)增加，顆粒破碎增加和接觸面土體密實度的減小，導致接觸面表觀黏聚力減小并在一定范圍內波動。同時隨含石量的增長，土樣的粗顆粒越多，其顆粒之間的，摩擦作用更加凸顯，且粗顆粒與接觸面之間的有效接觸摩擦也相對增加，因此接觸面內摩擦角隨含石量的增加而增加。

圖16 接觸面強度參數(shù)隨含石量增加的變化

4 接觸面抗剪強度機制分析

綜合Frost[25]、Tang[26]、Martinez[7]、Kang[27]等對接觸面強度機制的研究，可認為接觸面的抗剪強度主要由兩部分組成：一是混凝土結構面板的存在，使土體顆粒與接觸面板之間摩擦、咬合等相互作用及結構面板對土體擾動作用產生的剪切阻力，稱為被動阻力(τAP)；二是接觸面內部土體相互嵌固、翻轉、咬合等相互作用產生的抗剪強度，稱為內阻力(τIF)，接觸面剪切強度機制示意見圖17。

圖17 接觸面剪切強度機制示意

被動阻力τAP的確定方法存在一定的差異，本研究采用Kang等[27]對被動阻力τAP的確定方法，取接觸面的被動阻力τAP為接觸面強度包絡線與縱坐標軸的截距，即接觸面的表觀黏聚力，如圖18所示。因此，內阻力摩擦角φIF可按式(3)計算:

圖18 接觸面抗剪強度包絡線

(3)

式中：φIF為內阻力摩擦角(°)，τ為接觸面峰值強度(kPa),τAP為被動阻力(kPa),σn為法向應力(kPa)。

圖19為接觸面內阻力摩擦角φIF隨粗糙度Rn增加的變化，可以看出，隨粗糙度的增加，接觸面內阻力摩擦角φIF呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。表明隨著粗糙度的增加，混凝土結構面板對土體產生的擾動作用增大，引起接觸面內部土顆粒的滾動、滑移等相互作用逐漸增強，加劇了顆粒之間的摩擦效應，宏觀上表現(xiàn)為內阻力摩擦角增加。而隨著粗糙度的進一步增加，土顆粒對凹槽的填充作用，導致結構面板對土體的調動作用減小，內阻力摩擦角和被動阻力均有不同程度的減小，同時也解釋了接觸面存在最優(yōu)粗糙度，使接觸面抗剪強度達到最大。

圖19 內阻力摩擦角隨粗糙度的變化

通過對接觸面內阻力摩擦角φIF和被動阻力τAP的分析，發(fā)現(xiàn)相對于光滑接觸面，粗糙接觸面能較大程度地提高接觸面的內阻力摩擦角和被動阻力。由此分析粗糙結構面板對接觸面抗剪強度的提高主要源于兩方面：1)粗糙接觸面增大了土顆粒與結構面板之間的接觸面積，提高了顆粒與結構面板之間的摩擦、咬合作用；2)粗糙結構面板的凹槽能有效地調動接觸界面上方土顆粒的相互作用，提高顆粒之間的摩擦、咬合效應，從而起到增大接觸面抗剪強度的作用。同時，粗糙結構面板凹槽的“耕犁”作用導致接觸界面上方土體相對松散，對接觸面強度起到一定的削弱作用，因此，粗糙結構面板對接觸面抗剪強度的提高作用有限，存在最優(yōu)粗糙度使粗糙結構面板對接觸面強度的提高達到最大。即此時土體與結構面板形成的“有效界面”能最大程度地產生土顆粒之間的嵌固、咬合作用，使接觸面的抗剪強度達到最大值。

5 結 論

1)相同法向應力條件下，光滑接觸面表現(xiàn)為滑移破壞特征，而粗糙接觸面表現(xiàn)為應變硬化或微軟化破壞特征。隨粗糙度的增加，接觸面抗剪強度呈先增加后減小的趨勢，存在最優(yōu)粗糙度使接觸面的強度達到最大。由于凹槽的“調動作用”，粗糙接觸面能顯著地增強接觸面的塑性變形能力和剪脹性。但隨法向應力的增加，粗糙度對接觸面抗剪強度的強化作用和對接觸面的剪脹作用均減弱。

2)接觸面抗剪強度隨含石量變化的規(guī)律受法向應力的影響較大。在較低法向應力下，接觸面抗剪強度隨含石量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在40%時達到最大；在較高法向應力下，變化規(guī)律不明顯。不同含石量條件下，接觸面法向變形趨勢均為先剪縮后剪脹，且隨法向應力的增加，接觸面最終法向位移越大，剪縮現(xiàn)象越明顯。

3)接觸面的抗剪強度符合莫爾-庫倫強度準則，隨粗糙度的增加，接觸面的表觀黏聚力先增加后呈現(xiàn)波動特征，接觸面內摩擦角呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；隨含石量的增加，接觸面表觀黏聚力呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，接觸面內摩擦角隨含石量的增加而逐漸增加，但變化幅度較小。粗糙度和含石量對接觸面表觀黏聚力的影響相比對接觸面內摩擦角的影響更為顯著。