高應(yīng)力下粗砂與混凝土接觸面剪切特性影響因素試驗(yàn)研究

檀俊坤，郭佳奇，徐子龍，劉希亮

(河南理工大學(xué) 土木學(xué)院，河南 焦作 454003)

為了對(duì)地下結(jié)構(gòu)破損的治理和對(duì)新建地下結(jié)構(gòu)的合理類型進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，必須對(duì)地下結(jié)構(gòu)與其周圍土體間相互作用接觸面的剪切特性及其影響因素進(jìn)行研究，以確定不同因素對(duì)接觸面剪切性質(zhì)影響程度的大小，為地下結(jié)構(gòu)受力分析和變形計(jì)算提供基礎(chǔ)。土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的研究是解決土與結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題的關(guān)鍵[1]。20世紀(jì)60年代以來(lái)，諸多學(xué)者就該問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究，取得了許多極具價(jià)值的成果。Potyondy等[2]通過(guò)上百組直剪試驗(yàn)研究了砂土、黏土、黏性粒狀土與鋼材、混凝土、木材間不同接觸面的剪切力學(xué)特性。楊大方等[3]進(jìn)行了黏土與黏土、黏土與光滑及粗糙混凝土、黏土與平行及垂直紋理木材4個(gè)含水量共80個(gè)試樣的直剪試驗(yàn)，研究表明，粘土與結(jié)構(gòu)接觸界面的強(qiáng)度參數(shù)與土體含水量、接觸材料類型及接觸材料粗糙度密切相關(guān)。馮大闊等[4]運(yùn)用最新研制的80 t三維多功能土工試驗(yàn)機(jī)對(duì)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面在3種典型法向邊界條件下的三維力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。龔輝等[5]采用大型直剪儀，系統(tǒng)研究法向應(yīng)力歷史對(duì)黏土-混凝土界面剪切特性的影響。陳俊樺等[6]利用大型直剪試驗(yàn)儀對(duì)紅黏土-混凝土試塊接觸面進(jìn)行直剪試驗(yàn)，定量分析了粗糙度對(duì)接觸面剪切破壞、變形等的影響，并探討了粗糙度的影響機(jī)理。Prashanth等[7]利用3種大小不同形態(tài)相同的砂粒和兩種大小相同形態(tài)不同的砂粒與土工膜接觸面進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并利用三維光學(xué)輪廓儀對(duì)試驗(yàn)前后土工膜表面進(jìn)行微觀分析，研究表明，砂土的形態(tài)對(duì)界面剪切強(qiáng)度有較大影響，棱角形砂粒造成土膜表面有較深的溝痕，導(dǎo)致界面上的剪切阻力增大。Aliyeh等[8]采用均勻級(jí)配砂和混有球形玻璃體的砂分別與土工織物接觸面進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)揭示了顆粒形狀對(duì)峰值和殘余摩擦角的均有影響。上述研究成果有力地推動(dòng)了土與結(jié)構(gòu)接觸面相互作用研究領(lǐng)域的進(jìn)展，深化了對(duì)接觸面相互作用力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。但上述試驗(yàn)研究均是在低應(yīng)力或極低應(yīng)力條件下開(kāi)展的，且部分研究中接觸面影響因素未進(jìn)行量化，無(wú)法對(duì)其影響程度進(jìn)行定量分析。

隨著深部地下工程的大量出現(xiàn)，使得原來(lái)針對(duì)淺部土體進(jìn)行的土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)成果的應(yīng)用受到了挑戰(zhàn)，迫切需要開(kāi)展高應(yīng)力條件下土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性影響因素研究。劉希亮等[9]開(kāi)展了建筑砂、標(biāo)準(zhǔn)砂、粉土和粘土與混凝土、金屬光滑、金屬粗糙界面的剪切試驗(yàn)，研究了法向應(yīng)力、土體性質(zhì)、基底性質(zhì)及剪切速率的影響程度。郭佳奇等[10]對(duì)飽和粗砂、干粗砂、飽和細(xì)砂、干細(xì)砂與混凝土、鋼材界面的接觸面相互作用進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究，分析了土體干濕狀態(tài)、土性及基底性質(zhì)對(duì)接觸面剪切特性的影響規(guī)律。夏紅春等[11]利用DSR-1型超高壓直殘剪試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同粗糙度條件下土-結(jié)構(gòu)接觸面的剪切力學(xué)特性?，F(xiàn)有高應(yīng)力下土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性影響因素試驗(yàn)研究,未對(duì)結(jié)構(gòu)硬度(或強(qiáng)度)、土體含水量及粗糙度的定量影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文利用在RMT-150B試驗(yàn)系統(tǒng)上專門(mén)設(shè)計(jì)加工的高應(yīng)力接觸面剪切儀開(kāi)展了16組不同含水量粗砂與不同基底硬度、不同粗糙度混凝土接觸面的直剪試驗(yàn)，采用直觀分析方法對(duì)接觸面剪切特性因素影響程度進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

由于現(xiàn)有的直剪儀垂直荷載較小，難以滿足試驗(yàn)對(duì)法向應(yīng)力的要求，筆者在現(xiàn)有的RMT-150B巖石力學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，重點(diǎn)對(duì)直剪盒及加載帽、減阻板等配件進(jìn)行了專門(mén)設(shè)計(jì)加工[12]。改裝后的試驗(yàn)系統(tǒng)垂直荷載可達(dá)1 000 kN、剪切荷載達(dá)到50 kN、剪切最遠(yuǎn)行程20 mm，剪切盒內(nèi)徑為124 mm的鋼筒，據(jù)此計(jì)算，最大法向應(yīng)力可達(dá)10 MPa以上，可以滿足試驗(yàn)對(duì)法向應(yīng)力和剪切位移的需求。該裝置同時(shí)具有自動(dòng)加載，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)繪制圖表等功能，垂直方向和水平方向輸出力裝置均采用液壓伺服控制系統(tǒng)，下剪切盒與主體設(shè)備間設(shè)有減摩的滾動(dòng)體，以提高試驗(yàn)精度。改裝后的試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 高應(yīng)力直剪儀Fig.1 High stress direct shear

1.2 基底粗糙度與硬度

試驗(yàn)選取混凝土作為基底材料，用以模擬土與結(jié)構(gòu)剪切系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)部分的作用?；炷粱子勺孕性O(shè)計(jì)帶粗糙面模板的模具澆筑成型，研究使用的棱臺(tái)高度與寬度相同，角度統(tǒng)一為45°，棱臺(tái)高度(h)分別為0、2、3、4 mm，對(duì)于這種齒形的具有粗糙表面混凝土基底，可使用灌砂法來(lái)確定其粗糙度 (見(jiàn)圖2)。測(cè)定結(jié)構(gòu)面粗糙度時(shí)，用毛刷將試樣齒形結(jié)構(gòu)表面刷干凈，將粒徑為0.1 mm的細(xì)砂緩慢平鋪在混凝土齒形結(jié)構(gòu)表面，用鋼板尺磨平后倒入托盤(pán)，用100 mL的量筒稱取砂子的體積，重復(fù)進(jìn)行3次，取其平均體積v除以結(jié)構(gòu)表面積s,得粗糙度r(也就是結(jié)構(gòu)面凸凹的平均高度)，粗糙度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。所測(cè)定粗糙度與混凝土基地的棱臺(tái)高度呈正比，為了便于表達(dá)，直接采用混凝土基底粗糙面的棱臺(tái)高度代表其粗糙度。

圖2 測(cè)定齒形結(jié)構(gòu)面的粗糙度

h/mmr/mmh/mmr/mm0030.3020.1740.37

澆筑C20、C30、C40、C50這4種強(qiáng)度混凝土基底，混凝土拌合物配合比根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]確定。對(duì)上述不同強(qiáng)度的混凝土基底運(yùn)用回彈儀進(jìn)行硬度測(cè)定，將每個(gè)混凝土試塊分5個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)取16個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)區(qū)的16個(gè)回彈值去掉3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，進(jìn)而求出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的平均值計(jì)算相應(yīng)強(qiáng)度基底的平均回彈值。采用回彈值直接表示基底硬度，所用4種強(qiáng)度混凝土基底回彈值見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用不同強(qiáng)度混凝土基底回彈值Table 2 Rebound value of concrete with different strength

1.3 試樣準(zhǔn)備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用土為粗砂(河砂)，使用時(shí)先篩除粒徑大于2 mm的砂置于室外風(fēng)干，然后放入烘干箱溫度控制106 ℃，烘干1 h。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)對(duì)所用砂進(jìn)行顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)，粗砂特征粒徑及特征參數(shù)見(jiàn)表3，顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

表3 粗砂的特征粒徑及特征參數(shù)Table 3 Characteristic size and characteristic parameters of coarse sand

圖3 顆粒級(jí)配曲線

稱取烘干的粗砂500 g放置于托盤(pán)，均勻噴灑水量分別為0、40、80、120 g配制含水量分別為0%、8%、16%、24%的使用粗砂試樣，將配制好的粗砂放置封閉的試樣袋中保存。

在剪切試驗(yàn)中，首先將配置好的粗砂試樣放置于剪切盒中，進(jìn)行垂直方向加載，加載速率為0.5 kN/s。在一定法向荷載下進(jìn)行固結(jié)，并采集法向荷載和法向位移數(shù)據(jù)。當(dāng)固結(jié)穩(wěn)定(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)控制在0.002 5 mm/min約3 min)后，法向荷載保持恒定的情況下開(kāi)始剪切試驗(yàn)，剪切速率為0.02 mm/s，當(dāng)剪切應(yīng)力-位移曲線出現(xiàn)平臺(tái)或者剪切位移大于20 mm時(shí)停止剪切，試驗(yàn)過(guò)程中記錄接觸面的剪應(yīng)力、相對(duì)剪切位移及試樣的法向位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 試驗(yàn)方案

接觸面直剪試驗(yàn)選取法向應(yīng)力、接觸面粗糙度、基底硬度、土樣含水量4個(gè)接觸面剪切特性的影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，每個(gè)影響因素安排4個(gè)水平，試驗(yàn)因素安排情況見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)因素水平安排表Table 4 Table of test factors and levels

試驗(yàn)方案按正交表L16(45)進(jìn)行規(guī)劃。為便于記錄，對(duì)各組試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，以編號(hào)A2-B3-C1-D4為例，表示法向應(yīng)力4 MPa ，接觸面粗糙度為0 mm，基底硬度為28.1，含水量為24%的一組試驗(yàn)，其他編號(hào)試驗(yàn)意義相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果與初步分析

2.1 剪切應(yīng)力-位移曲線

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的剪切應(yīng)力-位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切應(yīng)力-位移曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 各種試驗(yàn)方案下剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線Fig.4 Shear stress shear displacement curves

由圖4可知，不同基底硬度的剪應(yīng)力-位移曲線在高應(yīng)力作用下變化形態(tài)基本一致，法向應(yīng)力對(duì)曲線影響明顯，極限抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力增大而增大，剪切剛度隨著剪切位移的增大而逐漸減小，初始剪切剛度隨法向應(yīng)力的增大而增大；隨法向應(yīng)力的增大，可推測(cè)接觸面極限抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的剪切位移有所增加；法向應(yīng)力等于2 MPa時(shí)，剪切應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)屈服平臺(tái)，法向應(yīng)力大于2 MPa時(shí)，曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征，其原因在于法向應(yīng)力等于2 MPa時(shí)，粗砂顆粒破碎比較穩(wěn)定，孔隙比變化不大，由密度與抗剪強(qiáng)度唯一關(guān)系原則[9]，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定值。當(dāng)法向應(yīng)力大于2 MPa時(shí)，粗砂顆粒隨剪切位移增大而破碎量增多，孔隙比隨之減小，密度增大，抗剪強(qiáng)度提高。

在法向應(yīng)力一樣的情況下，由于接觸面粗糙度的不同，土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性有所不同：當(dāng)法向應(yīng)力等于2 MPa時(shí)，隨接觸面粗糙度的增加達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度的剪切位移先增加后減小，在接觸面棱臺(tái)高度為3 mm時(shí)，達(dá)到抗剪強(qiáng)度所需的剪切位移最大，當(dāng)法向應(yīng)力大于2 MPa時(shí)，達(dá)到極限剪切強(qiáng)度的剪切位移基本不再隨接觸面粗糙度的不同而變化。在相同法向應(yīng)力下，含水量為0%的干砂初始抗剪剛度較濕砂大。高應(yīng)力直剪條件下剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線呈非線性關(guān)系，形態(tài)上與雙曲線模型曲線相似，接觸面初始剪切剛度受接觸面各影響因素影響明顯。

2.2 剪切應(yīng)力-位移數(shù)據(jù)的回歸分析

將非線性雙曲線模型τ=ws/(aws+b)轉(zhuǎn)化為線性回歸模型ws/τ=aws+b[15]，ws為剪切位移，a、b為模型回歸參數(shù)，采用轉(zhuǎn)化后的線性回歸模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，高應(yīng)力作用下接觸面的剪切應(yīng)力-位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用雙曲線進(jìn)行擬合時(shí)，相關(guān)系數(shù)均在0.97以上，表明高應(yīng)力狀態(tài)下剪切應(yīng)力-位移關(guān)系可采用雙曲線模型刻畫(huà)。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)按雙曲線模型回歸結(jié)果Table 5 Regression results of experimental data

由雙曲線模型得接觸面極限抗剪強(qiáng)度τu為

(1)

接觸面剪切應(yīng)力-位移關(guān)系的斜率為接觸面剪切剛度kst，即

(2)

剪切位移趨近于零時(shí)接觸面剪切剛度為初始剪切剛度kst0，即

(3)

利用式(1)、式(3)對(duì)表5中的兩個(gè)回歸參數(shù)a、b進(jìn)行計(jì)算，求得高應(yīng)力下粗砂與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的極限剪切強(qiáng)度和初始剪切剛度，見(jiàn)表6。

表6 接觸面極限抗剪強(qiáng)和初始剪切剛度Table 6 Ultimate shear strength and initial shear stiffness

3 接觸面剪切特性影響因素分析

采用直觀分析法進(jìn)行分析、計(jì)算時(shí)，先計(jì)算某因素各水平的指標(biāo)平均值和極差，再根據(jù)極差的大小，確定各因素對(duì)指標(biāo)影響的主次順序，根據(jù)因素水平與指標(biāo)平均值的關(guān)系圖來(lái)分析因素水平對(duì)指標(biāo)的影響。

3.1 接觸面抗剪強(qiáng)度影響因素分析

從試驗(yàn)方案可知，法向應(yīng)力A為2、4、6、8 MPa，分別做了4個(gè)試驗(yàn)，為比較哪個(gè)法向應(yīng)力對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度影響最小，選取接觸面抗剪強(qiáng)度(表6)中法向應(yīng)力2 MPa所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值，法向應(yīng)力2 MPa所對(duì)應(yīng)的4個(gè)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度之和為K1j，法向應(yīng)力4 MPa所對(duì)應(yīng)的4個(gè)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度之和為K2j，法向應(yīng)力6 MPa所對(duì)應(yīng)的4個(gè)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度之和為K3j，法向應(yīng)力8 MPa所對(duì)應(yīng)的4個(gè)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度之和為K4j。

為考察平均一次試驗(yàn)的影響，分別將K1j、K2j、K3j、K4j除以試驗(yàn)次數(shù)4，得到法向應(yīng)力為2、4、6、8 MPa接觸面抗剪強(qiáng)度平均值K1、K2、K3、K4。將平均值中最大值減平均值中最小值，得到接觸面抗剪強(qiáng)度平均效應(yīng)的極差(用R表示)。同理，對(duì)接觸面粗糙度B、基底硬度C、含水量D，分別求出其對(duì)應(yīng)的Kij、Ki(i=1、2、3、4)和極差，并將計(jì)算結(jié)果填入表7相應(yīng)位置，因素影響作用對(duì)比極差越大，說(shuō)明該因索對(duì)指標(biāo)影響越大。

采用直觀分析法對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表7和圖5。

表7 接觸面抗剪切強(qiáng)度的直觀分析結(jié)果Table 7 Visual analysis results of shear strength of contact surface

圖5 接觸面抗剪強(qiáng)度與影響因素的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength

由表7可知,對(duì)于粗砂與結(jié)構(gòu)接觸面極限抗剪強(qiáng)度各因素的影響順序?yàn)榉ㄏ驊?yīng)力影響最大，其次為接觸面粗糙度，第三為含水量，混凝土強(qiáng)度影響最小。由圖5可知,隨著法向應(yīng)力的增大，極限剪切強(qiáng)度也隨之增大，并表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，這是因?yàn)榉ㄏ驊?yīng)力增大粗砂與結(jié)構(gòu)接觸面摩擦力也增大，根據(jù)非粘性土抗剪強(qiáng)度規(guī)律粗砂極限抗剪強(qiáng)度受法向應(yīng)力與內(nèi)摩擦角影響，內(nèi)摩擦角不變極限抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力線性增長(zhǎng)；隨著接觸面粗糙度增加極限剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其原因在于粗糙面較小時(shí)，砂粒與接觸面以滑移方式運(yùn)動(dòng)，滑移受到約束力較小，當(dāng)接觸面粗糙度增大至溝槽寬度與粗砂粒徑相近，顆粒與接觸面發(fā)生鑲嵌，對(duì)顆粒移動(dòng)形成阻礙，極限抗剪強(qiáng)度增加，粗糙度進(jìn)一步增加，顆粒與接觸面鑲嵌較小剪應(yīng)力有所下降，極限抗剪強(qiáng)度也隨之減??；混凝土強(qiáng)度與含水量對(duì)極限剪切強(qiáng)度影響微小。

3.3 接觸面初始剪切剛度影響因素分析

采用直觀分析法對(duì)接觸面初始剪切強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表8和圖6。

圖6 初始剪切剛度與因素影響的關(guān)系Fig.6 Relationship between the initial shear stiffness and the influence of

變量法向應(yīng)力接觸面粗糙度基底硬度含水量K1j4.860 07.2796.7769.775K2j6.069 47.8747.1866.390K3j9.509 97.8348.5066.750K4j10.715 88.1698.6878.240K11.215 01.8201.6942.444K21.51701.9681.7961.598K32.37701.9592.1261.687K42.678 92.0422.1722.060R1.463 90.2230.4780.846

由表8可知，對(duì)于砂與結(jié)構(gòu)接觸面接觸面初始剪切剛度受法向應(yīng)力影響最大，其次為含水量，再次為混凝土強(qiáng)度，接觸面粗糙度影響最小。由圖6可知：隨著法向應(yīng)力的增大，初始剪切剛度近似線性增長(zhǎng)，主要原因在曲線初始階段土的彈性性質(zhì)比較明顯，粗砂顆粒的調(diào)整剛剛開(kāi)始，顆粒調(diào)整消耗的能量較小，法向應(yīng)力越大，顆粒密實(shí)度增加，顆粒彈性勢(shì)能增強(qiáng)，剪切能與法向壓力呈正比，但由于不同法向應(yīng)力造成粗砂顆粒破碎的差異，而略有波動(dòng)，造成線段非完全線性；隨著含水量的增大，初始剪切剛度表現(xiàn)先增大后減小，最小值出現(xiàn)在含水量8%～16%之間，主要原因在于不含水的干砂抗破碎強(qiáng)度小，容易受壓破壞，從而粗砂密實(shí)度增加，粗砂與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面之間的抗剪能力增強(qiáng)，隨著含水量的增加，出現(xiàn)土顆粒間水膜的“吸附”現(xiàn)象，顆粒間水膜分擔(dān)一部分顆粒受力，粗砂的抗破碎強(qiáng)度逐漸變大，減少了顆粒破碎量，但當(dāng)含水量繼續(xù)增加時(shí)，土顆粒間水膜的“吸附”作用逐漸減小，直至消失，此時(shí)粗砂的抗破碎，強(qiáng)度又逐漸變小，即顆粒抗破碎強(qiáng)度存在一個(gè)最優(yōu)含水量[16]，使抗破碎強(qiáng)度達(dá)到最大，文獻(xiàn)[17]指出，動(dòng)正應(yīng)力相同的情況下，不同含水量的骨架曲線無(wú)論是高還是低，正應(yīng)力都存在一個(gè)臨界含水量，該臨界含水量為11.2%，與本文曲線吻合；混凝土強(qiáng)度硬度大容易對(duì)受剪顆粒造成破壞，而增加剪應(yīng)力，接觸面粗糙度對(duì)極限剪應(yīng)力影響小，表現(xiàn)出隨粗糙度增加而略微增加。

3.4 接觸面顆粒相對(duì)破碎影響因素分析

顆粒破碎是指砂土顆粒在受到外部荷載作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞或破損，分裂成粒徑相等或不等多顆?，F(xiàn)象，主要表現(xiàn)為試驗(yàn)前后試樣顆粒級(jí)配曲線的變化。Hardin[18]以試驗(yàn)前后顆粒級(jí)配曲線與粒徑d=0.074 mm豎線所包圍的總面積為總破碎Bt，將試驗(yàn)前的顆粒級(jí)配曲線與粒徑d=0.074 mm所圍成的面積為破碎勢(shì)Bp，進(jìn)而定義相對(duì)破碎Br=Bt/Bp，見(jiàn)圖7。

圖7 相對(duì)破碎Br的定義Fig.7 definition of relative broken

接觸面直剪試驗(yàn)完成后，用鐵勺從剪切盒上開(kāi)口端挖取砂粒，挖至距混凝土接觸面厚約4 mm處停止挖砂，取下剪切盒，采集接觸面上剩余的砂土顆粒。然后將采集的試樣進(jìn)行保存，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行烘干和篩分，分別稱量各篩層顆粒，根據(jù)稱量數(shù)據(jù)利用軟件繪制接觸面剪切破壞后試樣的顆粒級(jí)配曲線，室內(nèi)烘干和篩分過(guò)程如圖8。利用上述Hardin所定義的相對(duì)破碎計(jì)算不同接觸面剪切條件下的試樣的相對(duì)破碎，結(jié)果見(jiàn)表9。

圖8 剪切后砂的烘干與篩分Fig.8 Drying and screening of sand after

試驗(yàn)號(hào)Br試驗(yàn)號(hào)Br10.15290.09920.104100.11730.126110.10340.083120.10450.105130.10160.092140.11970.082150.09480.091160.132

采用直觀分析法對(duì)接觸面剪切顆粒破碎率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表10、圖9。

表10 接觸面剪切顆粒破碎率的直觀分析Table 10 Visual analysis of shear particle breakage rate on contact surface

由表10知，對(duì)于高應(yīng)力直剪試驗(yàn)粗砂與結(jié)構(gòu)接觸面顆粒破碎率各因素的影響順序?yàn)椋悍ㄏ驊?yīng)力>含水量>基底硬度>觸面粗糙度。

圖9 顆粒破碎率與影響因素的關(guān)系Fig.9 Relationship between particle breakage

由圖9可知,混凝土顆粒相對(duì)破碎隨法向應(yīng)力的增大而增大，法向應(yīng)力4～8 MPa階段比2～4 MPa階段相對(duì)破碎增長(zhǎng)明顯；顆粒破碎在含水量為0%的干砂時(shí)相對(duì)破碎高于含水量為8%的砂土顆粒，在含水量為16%時(shí)出現(xiàn)破碎峰值，隨后破碎減弱；顆粒相對(duì)破碎隨接觸面粗糙度、基底硬度增大均表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

利用自行改裝、加工的高應(yīng)力直剪儀進(jìn)行含水量為0%、8%、16%、24%的一系列砂在不同法向應(yīng)力下與不同接觸面粗糙度、混凝土基底硬度的剪切試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)高應(yīng)力作用下極限抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力增大而增大，接觸面剪切剛度隨著剪切位移的增大而減小；法向應(yīng)力等于2 MPa時(shí)，剪切應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)屈服平臺(tái)，法向應(yīng)力大于2 MPa時(shí)，曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征。

2)當(dāng)法向應(yīng)力等于2 MPa時(shí)，隨接觸面粗糙度的增加，達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度的剪切位移先增加后減小，當(dāng)法向應(yīng)力大于2 MPa時(shí)，達(dá)到極限剪切強(qiáng)度的剪切位移基本不再隨接觸面粗糙度的不同而變化。該高應(yīng)力直剪條件下剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線可采用雙曲線模型描述。

3)粗砂與界面初始抗剪剛度隨法向應(yīng)力呈現(xiàn)線性關(guān)系，且隨接觸面粗糙度、基底硬度的增大上升趨勢(shì)明顯，界面初始抗剪剛度所受因素影響從大到小依次為：法向應(yīng)力>含水量>接觸面粗糙度>基底硬度。

4)粗砂與結(jié)構(gòu)界面極限抗剪強(qiáng)度受法向應(yīng)力影響最大，抗剪強(qiáng)度與法向壓力較為接近線性，其次為接觸面粗糙度，含水量的影響略高于混凝土界面強(qiáng)度。

5)高應(yīng)力直剪作用下粗砂與結(jié)構(gòu)接觸面的顆粒相對(duì)破碎受法向應(yīng)力影響最大，其次為含水量，再次為基底硬度，接觸面粗糙度影響最小，并且顆粒相對(duì)破碎隨法向應(yīng)力增達(dá)而增大，隨混凝土粗糙度與基底硬度的增大而減小，隨含水量增加存在破碎的破碎峰值。