紅黏土與混凝土接觸面剪切特性試驗研究

石熊，張家生，劉蓓，孟飛，鄧國棟

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紅黏土與混凝土接觸面剪切特性試驗研究

石熊1，張家生1，劉蓓2，孟飛1，鄧國棟1

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京，102600)

采用大型直剪儀進行紅黏土與混凝土接觸面的單向直剪試驗，研究不同法向應(yīng)力與混凝土表面、不同粗糙度條件下接觸面的力學特性，對紅黏土與混凝土接觸面的應(yīng)力、應(yīng)變及破壞形式進行分析。研究結(jié)果表明：隨著接觸面粗糙度的增大，接觸面的抗剪強度以及殘余強度增大，黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減??；在剪切初始，法向位移隨著切向位移的增大而減小，表現(xiàn)為剪縮，之后隨著切向位移的繼續(xù)增大，法向位移增大，表現(xiàn)為剪脹，剪脹速率基本相同；在剪縮階段，剪縮速率隨著法向應(yīng)力或粗糙度的增大而增大；在剪脹階段，剪脹速率也隨著粗糙度的增大而增大，隨著法向應(yīng)力的增大，剪脹速率基本不變。

紅黏土；接觸面；粗糙度；大型直剪試驗

土體與混凝土結(jié)構(gòu)間的相互作用問題一直是巖土工程界研究的重要課題[1]。近年來，隨著大型工業(yè)與民用建筑建設(shè)的發(fā)展，土體與混凝土接觸面的問題越來越突出[2]，對其問題的研究顯得尤為迫切。土體與混凝土接觸面的問題涉及土力學中的各個方面，如土體與混凝土樁的接觸面問題、土體與錨桿的接觸問題、土體與混凝土擋土墻的接觸面問題等[3?5]。土體和混凝土的力學性能差異很大，在外部荷載的作用下，兩者受力和變形的差異性也很大，在接觸面上就會產(chǎn)生較大的力，能夠明確接觸面上的受力特性、變形機理及剪切破壞形式，并進行合理計算，對土體與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的研究是至關(guān)重要的[6?8]，因此，有必要對接觸面的受力特性及其破壞形式進行深入研究與分析。國內(nèi)外許多學者對此進行了廣泛研究，并取應(yīng)了相應(yīng)的研究成果。楊有蓮等[9]利用環(huán)剪儀對土與混凝土接觸面力學特性進行了研究，結(jié)果表明不同接觸面的應(yīng)力?應(yīng)變特性差異很大，泥皮的存在明顯改變了接觸面的性狀；彭凱等[10?11]采用單剪儀對接觸面在泥皮條件下進行剪切試驗，得出當存在混合土泥皮時，曲線出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，無泥皮低法向應(yīng)力下出現(xiàn)明顯的剪脹現(xiàn)象，有泥皮時試樣均表現(xiàn)為剪縮。高俊合 等[12]利用大型單剪儀對細粒土進行土和混凝土接觸面單剪試驗，得出剪切破壞帶及其厚度，從而提出了接觸面剪切滑移薄層單元及其本構(gòu)關(guān)系，并給出其參數(shù)的確定方法。周小文等[13]采用疊環(huán)式單剪儀對面板與礫石墊層間接觸面的力學特性進行了試驗研究，結(jié)果表明接觸面強度和剪切勁度受粗糙度影響較大，無保護接觸面的粗糙度最大，摩擦角和剪切勁度也最大，砂漿保護接觸面的粗糙度與乳化瀝青保護接觸面的粗糙度相近。張嘎等[14?15]通過試驗研究分析總結(jié)了粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的基本力學特性和受力變形機理，發(fā)現(xiàn)接觸面受剪時表現(xiàn)出明顯的相對法向位移，其變化趨勢與法向應(yīng)力有關(guān)，接觸面的變形可分解為同時發(fā)生、互相影響的土與結(jié)構(gòu)交界面上的滑移變形以及結(jié)構(gòu)面附近的土在結(jié)構(gòu)面約束之下的剪切變形2部分，而后者是引起相對法向位移的主要原因。本文作者采用大型直剪儀對長沙地區(qū)紅黏土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面進行單向直剪試驗，分析不同法向應(yīng)力與不同混凝土表面粗糙度條件下結(jié)構(gòu)接觸面的力學特性和變形機理。

1 接觸面試驗

1.1 試驗材料

土料采用長沙地區(qū)紅黏土，對土料進行擊實試驗和靜三軸試驗。據(jù)擊實試驗結(jié)果得出紅黏土的最大干密度為1.81 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.08%，試驗曲線見圖1，通過靜三軸試驗得出紅黏土的黏聚力為95.71 kPa，內(nèi)摩擦角為32.18°?；炷猎噳K采用C40混凝土，混凝土配置強度cu.o為49.9 MPa，水灰比為0.43，1 m3混凝土的用水量為195 kg。將混凝土表面的粗糙度分為3級，制作不同粗糙度下的混凝土接觸面，利用自制的粗糙度測定儀對其進行測定[16]，得出粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ混凝土表面的平均深度分別為0.578，1.893和2.444 mm。

圖1 擊實試驗曲線

1.2 試驗方案

采用中南大學巖土工程所與長春朝陽試驗儀器有限公司合作研制TJW?800大型直剪試驗機[17]，上、下剪切盒長×寬×高均為500 mm×500 mm×150 mm，利用直剪試驗機通過控制法向應(yīng)力(100，200和300 kPa)和混凝土接觸面粗糙度(粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ)對紅黏土與混凝土接觸面進行9個單向直剪試驗。在試驗過程中，上剪切盒為試驗土料，下剪切盒為混凝土試塊。

2 抗剪強度分析

2.1 法向應(yīng)力對剪應(yīng)力?剪位移曲線的影響

國內(nèi)外研究表明：作用在紅黏土?混凝土接觸面上的法向應(yīng)力是決定接觸面剪切特性的重要因素之一。在其他條件(土性、結(jié)構(gòu)面粗糙程度、剪切速率等)相同的情況下，由于作用在其上的法向應(yīng)力不同，接觸面的剪應(yīng)力?剪位移關(guān)系曲線和表現(xiàn)形式明顯不同。依據(jù)試驗方案通過大型直剪試驗得出不同法向應(yīng)力時剪應(yīng)力?剪位移曲線如圖2所示。

粗糙度：(a) Ⅰ；(b) Ⅱ；(c) Ⅲ

由圖2可知：在粗糙度相同時，隨著法向應(yīng)力的增加，應(yīng)變軟化特性逐漸減弱而應(yīng)變硬化特性逐漸增強，法向壓力越大，接觸面初始剪切模量越高，最終的剪切強度及其對應(yīng)的破壞剪應(yīng)變越大；在法向應(yīng)力相同時，隨著接觸面粗糙度增大，紅黏土與混凝土接觸面的抗剪強度峰值增大，趨于水平后的殘余應(yīng)力也有所增大。

從圖2可見：剪應(yīng)力?剪位移曲線主要表現(xiàn)出折線型和雙曲線型，分別對應(yīng)于接觸面在剪切過程中存在的滑移破壞和彈塑性破壞2種不同形式。剪切滑移破壞為土體在接觸面處直接滑動破壞，剪切彈塑性破壞為接觸面在剪切過程中土體內(nèi)部形成剪切滑動帶破壞。

2.2 粗糙度對剪應(yīng)力?剪位移曲線的影響

影響紅黏土?混凝土接觸面剪切力學特性的另一重要因素為混凝土接觸面的粗糙度，在其他條件相同的情況下，由于混凝土接觸面粗糙度不同，接觸面的剪應(yīng)力?剪位移曲線的表現(xiàn)形式明顯不同。不同粗糙度時剪應(yīng)力?剪位移曲線如圖3所示。

法向應(yīng)力σ/kPa：(a) 100；(b) 200；(c) 300

由圖3可知：在法向應(yīng)力相同時，混凝土接觸面的粗糙度對剪應(yīng)力?剪位移曲線特性影響較大，紅黏土與混凝土接觸面的抗剪強度峰值隨著接觸面粗糙度的增大而增大，趨于水平后的殘余應(yīng)力也隨著接觸面粗糙度的增大有所增大。

在粗糙度為Ⅰ時剪應(yīng)力?剪位移曲線相比在粗糙度為Ⅱ和Ⅲ時有更明顯的轉(zhuǎn)折點，更趨于折線型，而在粗糙度為Ⅱ和Ⅲ時剪應(yīng)力?剪位移曲線表現(xiàn)為雙曲線型。在法向應(yīng)力相同時，剪應(yīng)力?剪位移曲線表現(xiàn)形式的差異性隨著粗糙度的增加而減?。辉诜ㄏ驊?yīng)力為200 kPa和300 kPa時，粗糙度為Ⅱ和Ⅲ的剪應(yīng)力?剪位移曲線基本一致。不同粗糙度下的剪應(yīng)力?剪位移曲線在初始階段即彈性階段基本重合，即初始剪切剛度基本不變，此后由于結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度不同，剪應(yīng)力?剪位移曲線在殘余摩擦階段、應(yīng)變軟化階段、彈塑性階段略有不同。

2.3 紅黏土與混凝土接觸面強度

從圖2和圖3得出各個粗糙度的結(jié)構(gòu)接觸面在不同法向應(yīng)力作用下的抗剪強度峰值及其擬合強度包線，如圖4所示。

粗糙度：1—Ⅰ；2—Ⅱ；3—Ⅲ

從圖4可以看出：結(jié)構(gòu)接觸面的抗剪強度與法向應(yīng)力存在較好的線性關(guān)系，其擬合強度包線的相關(guān)系數(shù)均在98.7%以上?；炷两佑|面的抗剪強度可以用莫爾?庫侖準則中的黏聚力和內(nèi)摩擦角表示。通過圖4中的擬合強度包線，可得出混凝土接觸面在粗糙度為Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ時的抗剪強度，見表1。

表1 接觸面的抗剪強度指標

從表1可見：隨著接觸面粗糙度的增大，結(jié)構(gòu)接觸面的黏聚力增大，而內(nèi)摩擦角減小，且越來越趨近于土體自身的內(nèi)摩擦角，由此可表明接觸面的剪切破壞由滑移破壞逐漸向在土體內(nèi)部形成的剪切滑動帶破壞過渡。

3 變形特性分析

通過大型直剪試驗得出各個粗糙度的結(jié)構(gòu)接觸面在不同法向應(yīng)力作用下的切向位移?法向位移曲線如圖5所示。

粗糙度：(a) Ⅰ；(b) Ⅱ；(c) Ⅲ

由圖5可知：在紅黏土與混凝土接觸面的大型直剪試驗過程中，在剪切的初始階段，法向位移隨著切向位移的增大而減小，出現(xiàn)一定的剪縮；隨后，法向位移隨著切向位移的增大而增大，出現(xiàn)一定的剪脹。這是因為在剪切的初始階段，土顆粒間空隙減小，彼此更加緊貼，土體體積稍減少，表現(xiàn)為剪縮；之后，隨著土顆粒之間的錯動，土體體積增加，表現(xiàn)為剪脹。

在粗糙度相同時，初始剪縮階段的剪縮速率隨著法向應(yīng)力的增大而增大；隨后，剪脹階段的剪脹速率基本相同，法向應(yīng)力越大；剪切過程中的剪縮量峰值越大，最終剪脹量峰值越小。

3.2 粗糙度對法向變形的影響

在相同法向應(yīng)力作用下，不同粗糙度的結(jié)構(gòu)接觸面切線位移?法向位移曲線如圖6所示。

法向應(yīng)力σ/kPa：(a) 100；(b) 200；(c) 300

由圖6可知：在相同法向應(yīng)力作用下，初始剪縮階段的剪縮速率隨著粗糙度的增大而增大，剪脹階段的剪脹速率也隨著粗糙度的增大而增大；隨著法向應(yīng)力的增加，混凝土接觸面的粗糙度對切向位移?法向位移的曲線的影響減弱。從圖6(a)和圖6(b)可以看出：當法向應(yīng)力為100 kPa和200 kPa時，最終剪脹量隨著粗糙度的增大明顯增大。從圖6(c)可以看出：在法向應(yīng)力為300 kPa時，3種粗糙度的在切向位移?法向位移曲線在剪脹階段基本重合，最終剪脹量也基本相同。

20世紀80年代開始，我國各地相繼創(chuàng)建大批以經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)為主的經(jīng)濟功能區(qū)。經(jīng)濟功能區(qū)是由政府主導，利用資源豐富、交通便利、信息暢通等相對區(qū)位優(yōu)勢，進行集中投入、連片開發(fā)，實行特殊經(jīng)濟政策及管理模式的地區(qū)或城市的特定區(qū)。經(jīng)過幾十年實踐發(fā)展，經(jīng)濟功能區(qū)管理模式日趨穩(wěn)定成熟，對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響不斷增大，特別是聚集起大量高新產(chǎn)業(yè)人員、技術(shù)、裝備，國防動員潛力資源日益豐厚，成為新時期推進基干民兵（簡稱“民兵”，下同）編組“三個拓展”，編建民兵新質(zhì)力量的新型陣地，急需加強對經(jīng)濟功能區(qū)民兵建設(shè)的研究。

4 結(jié)論

1) 隨著法向應(yīng)力的增加，應(yīng)變軟化特性逐漸減弱而應(yīng)變硬化特性逐漸增強，法向壓力越大，接觸面初始剪切模量越高，最終的剪切強度及其對應(yīng)的破壞剪應(yīng)變越大。

2) 隨著接觸面粗糙度的增大，接觸面的抗剪強度峰值以及趨于水平后的殘余應(yīng)力增大，黏聚力也增大，而內(nèi)摩擦角減小，且越來越趨近于土體自身的內(nèi)摩 擦角。

3) 剪切初始階段法向位移隨著切向位移的增大而減小，表現(xiàn)為剪縮；之后，隨著切向位移的繼續(xù)增大，法向位移增大，表現(xiàn)為剪脹，剪脹速率基本相同。

4) 在剪縮階段，剪縮速率隨著法向應(yīng)力或粗糙度的增大而增大；在剪脹階段，剪脹速率也隨著粗糙度的增大而增大，而隨著法向應(yīng)力的增大，剪脹速率基本不變。隨著法向應(yīng)力的增加，混凝土結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度對切向位移?法向位移曲線的影響減弱。法向應(yīng)力越大，則剪切過程中的剪縮量峰值越大，最終剪脹量峰值越小。

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Experimental research on shearing properties of interface between red clay and concrete

SHI Xiong1, ZHANG Jiasheng1, LIU Bei2, MENG Fei1, DENG Guodong1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Beijing 102600, China)

The mechanical behaviors of interface between red clay and concrete were investigated by unidirectional direct shear tests under different normal stress conditions and different roughnesses. The stress, strain and failure modes of interface were analyzed according to the test. The results show that with the increase of roughness, shear strength of the structure surface and residual stress become larger, cohesion increases and the friction angle decreases increasingly close to the friction angle of the soil. Normal displacement has certain shear shrinkage in the initial stages, and then becomes shear dilation during the shearing process. The rate of shear contraction becomes larger with the increase of normal stress or roughness of contact surface, the rate of shear dilation also becomes larger as the roughness of contact surface increases, while the dilatancy rate is almost the same when the normal stress increases.

red clay; interface; roughness; large scale direct shear test

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.034

TU44

A

1672?7207(2015)05?1826?06

2014?06?10；

2014?08?22

國家自然科學基金資助項目(51378514)；高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室基金資助項目(2008G031-Q) (Project(51378514) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2008G031-Q) supported by High Speed Railway Construction of Technology National Engineering Laboratory)

石熊，博士研究生，從事高速鐵路路基動力學研究；E-mail: shixiong126@126.com

(編輯 陳燦華)