粗糙度對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性的影響研究*

陳航杰 何 菲 王 旭 陳明偉

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070)

在巖土工程領(lǐng)域，土體與結(jié)構(gòu)接觸面的相互作用普遍存在，接觸面力學(xué)特性對(duì)建、構(gòu)筑物穩(wěn)定性和服役期安全性起到關(guān)鍵性作用。隨著西部大開(kāi)發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實(shí)施，各種寒區(qū)工程得以大量修建，隨即產(chǎn)生了一系列凍土與結(jié)構(gòu)面的接觸問(wèn)題。凍土受溫度的影響較為敏感，且伴隨著凍結(jié)、融化作用，寒區(qū)基礎(chǔ)與凍土的接觸面力學(xué)特性與常溫條件下相比差異較大。在凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)粗糙度是影響接觸面剪切特性的重要因素之一[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)考慮粗糙度的接觸面剪切特性方面做了一系列工作：Uesugi等研究了砂粒在不同粗糙程度剛性表面剪切變形特性[2]；Roman等研究了無(wú)黏性土與剛性帶肋結(jié)構(gòu)面間剪切特性，證明肋間距控制著剪切帶的發(fā)展?fàn)顟B(tài)[3]；王天亮等研究了規(guī)則型接觸面粗糙度對(duì)抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)、剪脹性、應(yīng)變軟化的影響[4]；吉延峻等通過(guò)直剪試驗(yàn)進(jìn)行了現(xiàn)澆混凝土與凍土接觸面強(qiáng)度等力學(xué)特性的研究[5]。趙聯(lián)楨等研制了可實(shí)現(xiàn)單調(diào)和循環(huán)加載的多功能大型直剪系統(tǒng)，對(duì)接觸面力學(xué)特性進(jìn)行了探究[6]；孫厚超等研究了接觸面剪切的宏觀和微觀機(jī)理，并建立了耦合粗糙度的剪切強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式[7]。ALDAEEF等利用直剪試驗(yàn)研究了粗糙度對(duì)凍結(jié)砂土與鋼接觸面抗剪特性的影響[8]。

基于已有的研究成果，為對(duì)粗糙度對(duì)結(jié)構(gòu)-接觸面力學(xué)特性的影響開(kāi)展進(jìn)一步探索，對(duì)粗糙度對(duì)接觸面的影響機(jī)理展開(kāi)研究，以構(gòu)建考慮粗糙度影響的接觸面剪應(yīng)力-剪切位移本構(gòu)模型，為深入探討粗糙度對(duì)凍土-樁力學(xué)特性的影響提供參考。

1 接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1.1 粗糙度的定義和評(píng)價(jià)

凍土-混凝土接觸面類(lèi)型影響著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致不同破壞類(lèi)型的產(chǎn)生。其中，接觸面粗糙度是決定凍土-結(jié)構(gòu)體接觸面力學(xué)特性的重要因素之一。按結(jié)構(gòu)物表面的起伏狀況、排列方式和形狀特征等規(guī)律，可以將接觸面的粗糙度劃分為兩大類(lèi)，即“隨機(jī)型”和“規(guī)則型”[9]。

研究初期，以“隨機(jī)型”粗糙度為主，常采用隨機(jī)的表觀特征描述結(jié)構(gòu)粗糙度，可采用不同水灰比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)[5]、對(duì)預(yù)制試塊結(jié)構(gòu)面進(jìn)行不同程度打磨[10]、直接采用不同目數(shù)的砂紙[11]等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)粗糙度。對(duì)于“規(guī)則型”粗糙度，常采用標(biāo)準(zhǔn)的表面齒狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整表面齒狀結(jié)構(gòu)的峰谷距(如表1中①、③截面)、形狀(如表1中①、②截面齒槽的腰角采用銳角[12-13]或直角[6-7,13])和排列方式來(lái)改變結(jié)構(gòu)表面粗糙度。也可直接采用豎直[3-4]或半圓形[14]凹槽(如表1中④、⑤截面)，通過(guò)調(diào)整凹槽數(shù)量、寬度和深度達(dá)到調(diào)整粗糙度的目的。

表1 粗糙度的定義和評(píng)價(jià)Table 1 Definitions and evaluations of roughness

為分析不同粗糙度的效果，需要將粗糙度進(jìn)行分類(lèi)并量化，常用的粗糙度評(píng)價(jià)方法有直接定義法、表觀描述法、試驗(yàn)測(cè)定法(灌砂法、觸針?lè)?、硅粉堆落法、分形分維法)和間接計(jì)算法等。對(duì)于“規(guī)則型”接觸面：通常采用的方法是直接定義法，定義起伏界面的峰谷距最大值或齒邊長(zhǎng)為界面粗糙度[6-7,12]，也可用歸類(lèi)定量法[4]對(duì)粗糙度進(jìn)行定義和測(cè)定，或者利用灌砂法，以及金子豪等為“規(guī)則型”接觸面提出的基于“強(qiáng)度意義”[9]的粗糙度評(píng)價(jià)方法，該方法充分考慮了凹槽的相關(guān)幾何參數(shù)以及修正槽寬和凹槽對(duì)土體的擾動(dòng)范圍等因素；王海航等為了將各種界定“規(guī)則型”粗糙度的方法統(tǒng)一量化[15]，提出了基于擴(kuò)面度的粗糙度計(jì)算方法。對(duì)于“隨機(jī)型”接觸面：灌砂法較為常用，以體積轉(zhuǎn)化的方法來(lái)測(cè)定接觸面粗糙度，也可以采用觸針?lè)ㄍㄟ^(guò)觸針記錄表面的凹凸曲線，測(cè)得峰谷距的最大值[16]或均方根值[17]來(lái)表征粗糙程度，有時(shí)也采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行描述[18]，或采用相對(duì)粗糙度的定義，以粒徑大小評(píng)價(jià)粗糙度[1-2,19]，再或直接表觀描述粗糙度[5,20]。

1.2 粗糙度對(duì)接觸面強(qiáng)度特性的影響

接觸面的力學(xué)特性是指在剪切過(guò)程中，接觸面所具有的力學(xué)規(guī)律、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)等，粗糙度是這些接觸面力學(xué)特性的重要影響因素[1]。

1.2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度

接觸面剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是建立接觸面本構(gòu)模型的重要力學(xué)關(guān)系之一[21]。從開(kāi)始剪切到破壞經(jīng)歷三個(gè)階段，分別為彈性變形階段、剪切破壞階段和殘余強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展階段[5]，如圖1所示(粗糙度定義量化方法見(jiàn)文獻(xiàn)[7])。可以看出彈性變形階段的曲線主要呈線性，凍土在此階段產(chǎn)生彈性變形。剪切破壞階段試樣破壞之后，剪應(yīng)力起初逐漸變小，“規(guī)則型”接觸面在剪切過(guò)程中剪應(yīng)力出現(xiàn)變大現(xiàn)象，且呈周期性、跳躍性，存在波動(dòng)幅度持續(xù)降低的次峰值，分析是由于接觸面凹凸起伏造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象所致，而“隨機(jī)型”接觸面在剪切位移持續(xù)增大且接觸面范圍減小時(shí)，剪應(yīng)力一直處于相對(duì)平緩狀態(tài)，以上兩種情形均為穩(wěn)定發(fā)展階段。

—0.3 mm； —0.8 mm； —1.4 mm。圖1 不同粗糙度下接觸面τ-δ關(guān)系[7]Fig.1 The curves between shear stress and shear displacement of contact interfaces in different roughness

對(duì)凍土與結(jié)構(gòu)接觸面的抗剪強(qiáng)度研究可以追溯到蘇聯(lián)時(shí)期，土與結(jié)構(gòu)接觸面上的凍結(jié)強(qiáng)度可用抗剪強(qiáng)度來(lái)度量，通過(guò)壓入或拔出凍土中的豎桿測(cè)得抗剪強(qiáng)度[22]。邱國(guó)慶等提出：凍土與基礎(chǔ)間的凍結(jié)力為其接觸面上的抗剪力，而凍結(jié)強(qiáng)度是土與基礎(chǔ)接觸面所能承受的最大剪應(yīng)力[23]。凍結(jié)強(qiáng)度分為極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度兩大部分[24]。極限強(qiáng)度為剪切過(guò)程中的峰值剪應(yīng)力，即所謂的凍結(jié)強(qiáng)度?！耙?guī)則型”接觸面中殘余強(qiáng)度為破壞后的次峰值剪應(yīng)力，其值隨剪切位移呈周期性波動(dòng)，“隨機(jī)型”接觸面中殘余強(qiáng)度則呈穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。兩者均趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

凍結(jié)強(qiáng)度與凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的粗糙度有著非常緊密的聯(lián)系。在凍黏土-結(jié)構(gòu)接觸面單剪試驗(yàn)中，試樣尺寸長(zhǎng)、寬分別為200，100 mm，剪切盒底部及四周采用冷卻管隔絕外界環(huán)境，保持盒體內(nèi)恒低溫，試驗(yàn)溫度分別為-6，-10，-14 ℃，控制精度可達(dá)±0.3 ℃[25]。在剪切初始階段，接觸面的極限凍結(jié)強(qiáng)度隨著接觸面粗糙度的增大而增大。在其他因素不變的情況下，隨著粗糙度的不斷增大，峰值強(qiáng)度先增長(zhǎng)較明顯，隨著粗糙度的進(jìn)一步增大，峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，Huck等得出類(lèi)似的結(jié)論[26]。如圖2所示，數(shù)據(jù)和粗糙度定義法均見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。在穩(wěn)定剪切階段，接觸面的殘余強(qiáng)度受粗糙度大小的影響較小。粗糙度只影響峰值強(qiáng)度之前的階段，對(duì)其之后的殘余強(qiáng)度影響較小或無(wú)明顯影響[18]。

100 kPa； 300 kPa； 200 kPa； 400 kPa； ——擬合線。圖2 不同法向壓力下接觸面抗剪強(qiáng)度與粗糙度關(guān)系Fig.2 The curves between shear strength and roughness of contact interfaces under different normal loads

根據(jù)以上規(guī)律，類(lèi)比常溫情況下土與結(jié)構(gòu)接觸面直剪試驗(yàn)[27]中對(duì)于峰值強(qiáng)度最優(yōu)的臨界粗糙度?？梢酝茢喑觯涸谪?fù)溫情況下，也可以尋找出對(duì)抗剪強(qiáng)度最優(yōu)的接觸面粗糙度值。

1.2.2對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

粗糙度對(duì)內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c有著顯著的影響。對(duì)于“規(guī)則型”接觸面，在恒定負(fù)溫直剪試驗(yàn)[4]中，試樣為帶凹槽鋼板與土結(jié)合體，直徑為61.8 mm，高為20 mm，鋼板、土體高均為10 mm，試驗(yàn)溫度分別為-2，-5，-8 ℃，為保證恒定負(fù)溫，試驗(yàn)在高低溫環(huán)境控制試驗(yàn)箱中進(jìn)行。根據(jù)擬合的強(qiáng)度曲線得到對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。在一定的凍結(jié)溫度條件下，隨著粗糙度的增大，土與結(jié)構(gòu)接觸面間的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化如圖3所示(粗糙度定義法見(jiàn)文獻(xiàn)[4])。根據(jù)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與接觸面凹槽的曲線可知:隨著凹槽條數(shù)增多，凍土與結(jié)構(gòu)的接觸面積增大，引起黏聚力隨粗糙度增大呈增大的趨勢(shì)。隨著凹槽條數(shù)的增大，土體顆粒與結(jié)構(gòu)間的摩擦作用增強(qiáng)，但是這種摩擦作用并不會(huì)隨著凹槽數(shù)量的增多而持續(xù)增大，而是隨著凹槽數(shù)量的進(jìn)一步增多而有所減少，這也印證了粗糙度與接觸面抗剪強(qiáng)度關(guān)系中最優(yōu)粗糙度的存在性。

a—黏聚力變化規(guī)律； b—內(nèi)摩擦角變化規(guī)律。 -2 ℃; -5 ℃; -8 ℃； ——擬合線。圖3 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)與凹槽條數(shù)的關(guān)系[4]Fig.3 Relations between shear strength parameters of contact interfaces and quantities of grooves

1.3 粗糙度對(duì)接觸面變形特性的影響

接觸面的變形特性主要表現(xiàn)為凍土與接觸面間滑動(dòng)產(chǎn)生的相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)咬合作用下在凍土體內(nèi)部發(fā)生的剪切錯(cuò)動(dòng)兩部分變形[7]。

在凍黏土-結(jié)構(gòu)接觸面單剪試驗(yàn)中，不同凍土厚度內(nèi)，隨凍土厚度的增大，凍土顆粒的剪切位移相應(yīng)地發(fā)生了減小，其剪切位移曲線在某一厚度均出現(xiàn)了拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)厚度為接觸面層厚度[7]。接觸面層厚度與接觸面的粗糙度之間存在聯(lián)系，接觸面的粗糙度越大，對(duì)應(yīng)的接觸面層厚度也越大。但隨著粗糙度的持續(xù)增大，接觸面層厚度的增幅會(huì)逐漸減小。通過(guò)微變形圖像測(cè)量技術(shù)測(cè)得的接觸面層厚度隨粗糙度變化規(guī)律如圖4所示(粗糙度定義法見(jiàn)文獻(xiàn)[7])。粗糙度在小于界限值時(shí)對(duì)接觸面層厚度起到?jīng)Q定作用，超過(guò)界限值時(shí)，凍土本身的力學(xué)性質(zhì)決定了接觸面層厚度的大小。而在同一凍土厚度內(nèi)，隨著結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度不斷的增大，接觸面上土顆粒位移隨之發(fā)生不同程度的增大，粗糙度對(duì)其影響較為顯著。

圖4 界面層厚度隨粗糙度變化關(guān)系[7]Fig.4 Relations between thickness of interface layers and roughness

2 考慮粗糙度的接觸面剪切本構(gòu)模型

2.1 Gompertz模型對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的適用性

國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)常溫條件下土-結(jié)構(gòu)接觸面的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究。Clough等建立了基于廣義Hooke定律的雙曲線彈性模型，并得到廣泛運(yùn)用[28]。Brandt建立了屈服強(qiáng)度位于彈塑性分界點(diǎn)的理想彈塑性模型[29]。彭凱等建立了基于廣義位勢(shì)理論的考慮剪脹及應(yīng)變軟化的接觸面彈塑性本構(gòu)模型[30]。胡黎明等建立了基于損傷力學(xué)基本原理的接觸面本構(gòu)模型[1]。陳良致等依據(jù)凍結(jié)青藏粉土-玻璃鋼直剪試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，建立了凍土接觸面應(yīng)力-位移-溫度本構(gòu)方程[31]。潘一鳴建立了基于能量守恒原則和塑性假設(shè)的考慮粗糙度、含水率和土體種類(lèi)的塑性破壞模型[10]。何菲在分析接觸面細(xì)觀機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了考慮接觸面硬化和弱化效應(yīng)的黏彈塑性本構(gòu)模型[32]。夏紅春建立了基于應(yīng)變梯度塑性理論的接觸面本構(gòu)模型[33]。楊林德等建立了考慮接觸面內(nèi)部缺陷分布隨機(jī)性的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型[34]。楊平等建立了基于損傷力學(xué)理論的凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切行為損傷模型[35]。

研究Gompertz模型對(duì)接觸面剪應(yīng)力-剪切位移第一階段的適用性，并建立考慮粗糙度影響的剪應(yīng)力-剪切位移表達(dá)式，文獻(xiàn)[18]中凍結(jié)粉土與鋼板接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線數(shù)據(jù)(粗糙度值為基于“擴(kuò)面度”的改進(jìn)粗糙度算法，無(wú)量綱)顯示：在剪切初始階段、位移小于0.3 mm時(shí)，由于在負(fù)溫環(huán)境下接觸面間“冰膜”的潤(rùn)滑作用，以及不同粗糙度的影響，致使剪切應(yīng)力增長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢。剪應(yīng)力-剪位移曲線在接觸面達(dá)到峰值應(yīng)力前呈“S”型趨勢(shì)。

Gompertz模型是一種生長(zhǎng)曲線模型，該模型由發(fā)生、發(fā)展、成熟三個(gè)階段構(gòu)成，且每階段速率不同，這與凍結(jié)粉土-鋼板接觸面的剪切力學(xué)特征相似。文獻(xiàn)[36]介紹了采用Gompertz模型探究粗糙度-剪切應(yīng)力-位移關(guān)系，并對(duì)模型預(yù)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

Gompertz模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

τ=aexp[-bexp(-cδ)]

(1)

式中：τ、δ分別為剪應(yīng)力和剪切位移；a、b、c分別為Gompertz模型的相關(guān)參數(shù)，其中a為曲線極值，b為曲線的變化速率和陡峭程度。

利用Origin對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得Gompertz模型的三個(gè)參數(shù)a、b、c，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Gompertz三參數(shù)本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Parameters for the constitutive model of roughness, stress， and displacement

采用決定系數(shù)R2評(píng)價(jià)非線性的應(yīng)力-位移曲線還存在著一定的局限和不足之處，故引入相關(guān)因子β[28]來(lái)充當(dāng)評(píng)價(jià)擬合優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，其定義為：

(2)

式中：δ(i)為預(yù)測(cè)位移值；δi為觀測(cè)位移值；n為樣本容量。

關(guān)于β的評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表3所示。

表3 模型擬合相關(guān)因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation standards for the correlation factor β

該試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型擬合評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示，曲線擬合結(jié)果相關(guān)因子β的評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀和良好，說(shuō)明利用Gompertz生長(zhǎng)曲線模型表達(dá)凍結(jié)粉土-鋼板接觸面的直剪試驗(yàn)曲線峰值應(yīng)力之前階段是較為合理的。

表4 擬合效果評(píng)價(jià)Table 4 Evaluations for the simulation effects

2.2 接觸面粗糙度-剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系模型

根據(jù)文獻(xiàn)[15]試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，以及多組數(shù)據(jù)與粗糙度之間的關(guān)系，得到Ri-τ關(guān)系曲線，得出剪應(yīng)力τ與粗糙度Ri滿(mǎn)足：

τ=jlnRi+kRi>0

(3)

式中：τ為剪切應(yīng)力；j、k的值都是關(guān)于位移δ的函數(shù)；Ri為粗糙度。

j、k可由式(4)計(jì)算：

k=lexp[-mexp(-nδ)]

(4a)

j=a0+a1δ+a2δ2+a3δ3+a4δ4+

a5δ5+a6δ6+a7δ7+a8δ8+a9δ9

(4b)

式中：l、m、n、a0～a9為參數(shù)。

式(3)、(4)中各個(gè)參數(shù)如表5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合評(píng)價(jià)如表6所示。擬合曲線和試驗(yàn)曲線如圖5所示。

表5 粗糙度影響下剪應(yīng)力和位移本構(gòu)方程各項(xiàng)參數(shù)值Table 5 Parameters for the constitutive equation between shear stress and displacement considering of roughness

表6 粗糙度影響下剪應(yīng)力與位移關(guān)系模型參數(shù)擬合評(píng)價(jià)Table 6 Parameter fitting evaluations for the relation model between shear stress and displacement considering the influence of roughness

a—法向應(yīng)力100 kPa； b—法向應(yīng)力200 kPa。 Ri=1.404散點(diǎn)坐標(biāo)； Ri=1.286散點(diǎn)坐標(biāo)； Ri=1.034散點(diǎn)坐標(biāo)； ——擬合線。圖5 不同法向應(yīng)力粗糙度下剪應(yīng)力-剪切位移擬合曲線Fig.5 Fitted curves between shear displacement and sheer stress under different roughness and normal stress

根據(jù)擬合推導(dǎo)出的不同粗糙度應(yīng)力-剪切位移曲線，可以看出：在不同的法向應(yīng)力下，同一剪切位移所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，在接近峰值應(yīng)力階段都伴隨粗糙度的增大而升高，增幅較前一較小粗糙度相應(yīng)曲線明顯減小。同一剪應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的位移值，粗糙度較大的情況下，產(chǎn)生的位移反而較小。較大粗糙度接觸面發(fā)生剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切位移也越大(圖5)。

3 粗糙度對(duì)接觸面剪切特性影響機(jī)理

冰晶的凍結(jié)力、土體顆粒間、土顆粒與結(jié)構(gòu)摩擦力等共同組成了接觸面凍結(jié)強(qiáng)度[37]，微觀示意如圖6所示。在剪切過(guò)程中，隨著相對(duì)剪切位移的不斷增大，冰晶的凍結(jié)力被破壞。在相對(duì)剪切位移不斷增大的過(guò)程中，黏聚力并不會(huì)消失，且其與摩擦力兩者共同組成了殘余強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展階段的殘余抗剪強(qiáng)度。

a—光滑接觸面； b—粗糙接觸面。圖6 不同凍土-結(jié)構(gòu)接觸面微觀示意Fig.6 Schematic diagrams for contact interfaces between different frozen soil and micro structure

對(duì)于粗糙度增大導(dǎo)致峰值強(qiáng)度隨即增大的現(xiàn)象，其機(jī)理為：粗糙度增大后，其接觸面結(jié)構(gòu)如圖6b所示，凍土與結(jié)構(gòu)間凍結(jié)面積增大，并且粗糙度增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與土中部分剪切面變?yōu)榇箢w粒土的結(jié)構(gòu)剪切面，使峰值強(qiáng)度也隨之變大[7]。

在不同凍土厚度內(nèi)，與結(jié)構(gòu)一起相互約束的界面層厚度也會(huì)隨著接觸面剪應(yīng)力的增大而變厚，但是粗糙度達(dá)到一定的界限值時(shí)，即使土體與結(jié)構(gòu)接觸表面積增大，剪應(yīng)力也不會(huì)繼續(xù)增大，其原因是接觸面的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到并大于凍土本身的抗剪強(qiáng)度，在凍土的內(nèi)部發(fā)生了剪切，而非接觸面層之間，此時(shí)其強(qiáng)度不再受粗糙度的影響。在同一凍土厚度內(nèi)，土顆粒的位移隨接觸面粗糙度的增大而增大是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與凍土的接觸面積隨著粗糙度的增大而增大，較大的接觸面積和咬合程度帶動(dòng)接觸面土體的范圍越大、厚度越厚。

4 粗糙度在實(shí)際工程中的應(yīng)用

由于大批凍土工程構(gòu)筑物和建筑物相繼在寒區(qū)修建和使用，其基礎(chǔ)與天然凍土間存在著大量的接觸問(wèn)題。如多年凍土地區(qū)的樁土之間、寒區(qū)隧道襯砌與圍巖的接觸區(qū)域等；同樣在非寒區(qū)地帶，人工凍結(jié)加固法的施工過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)和凍土的接觸面問(wèn)題。如在隧道盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)與其接觸的待掘進(jìn)區(qū)域土體之間、施工結(jié)束后形成的結(jié)構(gòu)物與土體相接處均存在著大量的接觸面問(wèn)題。該問(wèn)題廣泛存在于各類(lèi)工程之中，是研究?jī)鐾僚c結(jié)構(gòu)之間力學(xué)、變形等特性的重要紐帶。凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性的研究目的和任務(wù)，是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法，探究其力學(xué)機(jī)理及本構(gòu)關(guān)系，最終更好地服務(wù)于工程實(shí)際，為工程提供有效且準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

凍土和結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度的增大，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)面層抗剪強(qiáng)度的提高起到正向促進(jìn)作用。在伊卡盧伊特西北地區(qū)，Biggar等通過(guò)抗拔試驗(yàn)[38-39]測(cè)得，焊接有“把柄”的樁的承載力明顯增高，是同條件下“光滑”樁承載力的2倍。噴砂樁的承載力更是顯著增加，是同樣條件下“光滑”樁承載力的4倍。使用“砂性”回填漿液其承載力甚至能夠達(dá)到平滑樁的8～10倍[40]?！肮饣北砻鏄冻蚀嘈云茐腫40]，在破壞過(guò)程中，接觸面的強(qiáng)度會(huì)毫無(wú)征兆的突變至其殘余強(qiáng)度，為了避免這種突變的現(xiàn)象，可以將樁側(cè)處理的粗糙一點(diǎn)或者創(chuàng)造波紋系統(tǒng)來(lái)達(dá)到這一目的。波紋樁可以有效地抑制這種突變，在防止這一現(xiàn)象的過(guò)程中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性[40]。由此可見(jiàn)，在樁基工程中，改變結(jié)構(gòu)接觸面的粗糙度，可以極大地提高樁體的承載力，明顯地抑制樁土之間的脆性破壞。

對(duì)于結(jié)構(gòu)界面粗糙度來(lái)說(shuō)，并非越大對(duì)工程越有利，相反，較小或“光滑”的界面也會(huì)給工程帶來(lái)較大的益處。利用光滑玻璃鋼等粗糙度較小的接觸面在基礎(chǔ)之上，可以有效地削減多年凍土和基礎(chǔ)接觸面間的凍結(jié)作用，從而達(dá)到減小切向凍脹力的作用。溫智等通過(guò)青藏粉土-玻璃鋼接觸面直剪試驗(yàn)驗(yàn)證并成功在青藏直流輸變電工程之中實(shí)際應(yīng)用，減小了凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的凍拔作用[41]。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線存在明顯的峰值，破壞后應(yīng)力下降較為明顯，之后，應(yīng)力-位移曲線趨于平緩，接觸面峰值強(qiáng)度值與粗糙度相關(guān)性較大，殘余強(qiáng)度受粗糙度的影響不大。同一凍土厚度上，粗糙度越大，凍土顆粒的相對(duì)位移亦愈大，因?yàn)榇植诙仍龃?，凹槽?duì)土顆粒的帶動(dòng)會(huì)隨之增大。同樣，粗糙度增大，剪脹性愈發(fā)顯著。

2)Gompertz模型能較好地模擬峰值強(qiáng)度之前凍結(jié)粉土-鋼板剪應(yīng)力-剪切位移曲線，建立的考慮粗糙度影響的凍結(jié)粉土與鋼板接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系模型能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同粗糙度下凍土-鋼板接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線。但還無(wú)法尋找出粗糙度的最優(yōu)情況，在此方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

3)冰晶的凍結(jié)力、土體顆粒間、土顆粒與結(jié)構(gòu)摩擦力等共同組成了接觸面凍結(jié)強(qiáng)度。粗糙度的增大會(huì)改變剪切面面積，并改變土顆粒在結(jié)構(gòu)接觸面中的排列以及鑲嵌方式，從而提高剪切強(qiáng)度。粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響體現(xiàn)在粗糙度對(duì)黏聚力及內(nèi)摩擦角的共同影響。

4)當(dāng)前的研究中，對(duì)粗糙度的定義還不夠統(tǒng)一，沒(méi)有建立統(tǒng)一的粗糙度度量標(biāo)準(zhǔn)。在粗糙度的定義量化上，每種方法都具有一定的局限性，且各種方法之間的相互轉(zhuǎn)化較為困難，亟需建立粗糙度量化標(biāo)準(zhǔn)。