接觸面尺寸效應(yīng)對直剪試驗的影響

康永鵬，邱子恒

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接觸面尺寸效應(yīng)對直剪試驗的影響

康永鵬1，邱子恒2

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局，甘肅 慶陽 745000）

土體與結(jié)構(gòu)的接觸面在各類巖土工程中廣泛存在，研究接觸面的強度尺寸效應(yīng)與剪切變形尺寸效應(yīng)的存在與否對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要的意義。通過改變剪切土盒沿剪切方向的長度，分析在不同法向正應(yīng)力作用下剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系，研究結(jié)果表明，直剪試驗中剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系可近似為雙曲線關(guān)系，符合Clough-Duncan非線性彈性模型，且兩者之間的關(guān)系受接觸面尺寸大小的影響，接觸面尺寸越大，對試驗結(jié)果的影響越大，即尺寸效應(yīng)越大。

剪應(yīng)力；剪切位移；Clough-Duncan非線性彈性模型；尺寸效應(yīng)

接觸面的剪切性能問題在各類工程中廣泛存在，如沉井基礎(chǔ)的下沉、大型管樁的壓入等，但土體與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦與黏結(jié)能力與土體之間的接觸是不同的。土與結(jié)構(gòu)的接觸面特性的研究可以為結(jié)構(gòu)受力分析和變形計算提供基礎(chǔ)，對地下結(jié)構(gòu)破損的治理、大型跨河建筑物結(jié)構(gòu)分析和安全評價具有重要的意義。

解決土與結(jié)構(gòu)相互作用問題的關(guān)鍵在于了解土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性[1]，自20世紀60年代以來，學(xué)者們就這一問題開展了大量的研究。Potyondy[2]等通過大量直剪試驗研究各類土質(zhì)與鋼材等不同接觸面之間的剪切力學(xué)特性；楊大方等[3]研究發(fā)現(xiàn)，粘土與結(jié)構(gòu)接觸界面的強度參數(shù)受接觸材料粗糙度以及土體含水量的影響；龔輝[4]等采用大型直剪儀研究法研究了黏土-混凝土界面剪切特性的影響；丁明武[5]等利用大型直剪試驗分析發(fā)現(xiàn)，試驗應(yīng)力位移曲線呈略微軟化型；陳俊樺等[6]利用大型直剪儀，對紅粘土與混凝土試塊兩種材料接觸面進行之間進行直剪試驗，研究了粗糙度的影響機理，并對接觸面剪切破壞、變形的影響因素進行了分析。但上述試驗僅研究了不同接觸面之間的影響因素，對同一接觸面是否存在尺寸效應(yīng)影響接觸面的剪切特性研究較少。

本文通過觀察不同法向壓力，不同接觸面長度下剪切力與剪切位移之間的關(guān)系變化，并對曲線與Clough-Duncan[7]非線性彈性模型進行擬合，研究了接觸面尺寸效應(yīng)以及在不同法向應(yīng)力作用下擬合曲線的發(fā)展趨勢。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

本試驗選用的設(shè)備及原材料具體如下。

清華大學(xué)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)剪切機：TH-20tCSASSI。

剪切土盒：深=16 cm，寬=25 cm，延剪切方向最大長度=50 cm。

為了研究試樣尺寸對接觸面變形特性的影響，剪切土盒中通過預(yù)留鋼槽內(nèi)剛性擋板沿剪切方向的長度，長度可分別變化為25 cm、37.5 cm和50 cm。試驗用料為糯扎渡心墻堆石壩的反濾料Ⅰ，為人工破碎的角礫巖碎石料，制樣干密度1.94 g/cm3。其級配曲線如表1所示，可見最大顆粒粒徑為20 mm，因此，在滿足尺徑比（試驗試樣尺寸/試料允許最大直徑max）/max≥5原則的情況下，采用原始級配進行試驗。制樣時分4層分別稱重和擊實，每層高度4 cm。試驗的結(jié)構(gòu)面板采用混凝土面板。填料的級配如表1所示。

表1 填料的級配

填料顆粒粒徑/mm10～205～10<5 顆粒重量比/（%）181567

1.2 試驗方案

在保持接觸面寬度為25 cm不變的情況下，共進行了接觸面長度分別為25 cm、37.5 cm和50 cm三組不同接觸面尺寸的試驗。對每個接觸面尺寸又分別進行了法向正應(yīng)力n=300 kPa、800 kPa和1 500 kPa的試驗。

1.3 試驗方法

試驗流程依據(jù)《土工試驗規(guī)程（SL237—1999）》有關(guān)規(guī)定進行，首先調(diào)整剪切土盒與混凝土板中心對齊，應(yīng)用結(jié)構(gòu)面板上部的4個油壓裝置調(diào)整結(jié)構(gòu)面板使其水平，然后利用充氣氣囊施加正應(yīng)力，待法向位移穩(wěn)定后開始剪切，剪切速率控制在0.05 mm/s。

為了研究接觸面的尺寸效應(yīng)，將兩側(cè)的結(jié)構(gòu)面板與土容器剪切盒的相對位移作為接觸面的剪切位移。為了研究試樣尺寸對接觸面變形特性的影響，試驗時通過改變剪切土盒預(yù)留鋼槽中剛性擋板的位置調(diào)節(jié)土盒沿剪切方向的長度。為了保證受剪時剛性擋板能承受較大拉壓力，并保持靜止不動的狀態(tài)，在剛板后放置鋼塊，并通過螺栓相連。剛性擋板上預(yù)開空槽，槽底放置彈簧，之上放置可上下活動的剛性板。試驗時，這種結(jié)構(gòu)可使得土樣四周的剛性擋板不受法向應(yīng)力的作用，而只起到在四周固定土樣的作用。剪切土盒下設(shè)置輪子，剪切過程中通過液壓裝置使剪切土盒以一定的速度沿剪切方向相對混凝土板移動。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 變形模量、接觸面強度與法向正應(yīng)力

通過以法向正應(yīng)力與接觸面尺寸為自變量設(shè)計實驗，其結(jié)果符合接觸面試驗的一般規(guī)律。在取值為25 cm、37.5 cm、50 cm三種條件下剪應(yīng)力隨著剪切位移逐漸增大，且法向正應(yīng)力越大，在相同剪切位移下的剪應(yīng)力越大，但變形模量即曲線的斜率逐漸增大，直到達到該正應(yīng)力下的接觸面強度即極限剪應(yīng)力。此時，剪應(yīng)力不再隨剪切位移增加。接觸面上剪應(yīng)力與剪切位移可近似為雙曲線關(guān)系，即基本符合Clough-Duncan非線性彈性模型。變形模量和接觸面強度均隨著正應(yīng)力的增大而增大。

2.2 尺寸效應(yīng)

為了分析接觸面尺寸效應(yīng)，根據(jù)試驗結(jié)果，重新整理了相同正應(yīng)力條件下不同接觸面試樣尺寸的剪應(yīng)力-剪切位移試驗結(jié)果。

2.2.1 接觸面強度特性尺寸效應(yīng)分析

通過實驗結(jié)果得到，在n分別取值為300 kPa、800 kPa、1 500 kPa時，剪應(yīng)力隨剪切位移的變化受沿剪切方向長度的影響很小，因此，無論是對低法向應(yīng)力還是高法向應(yīng)力，接觸面強度基本不受接觸面尺寸大小的影響，即接觸面強度特性基本不存在尺寸效應(yīng)。

2.2.2 接觸面剪切變形尺寸效應(yīng)分析

實驗結(jié)果表明，接觸面尺寸對試驗的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線有一定的影響，而且影響的大小與所受到的法向正應(yīng)力的高低有關(guān)。當(dāng)接觸面試驗的法向正應(yīng)力較低時（比如本次試驗的n=300 kPa），不同接觸面尺寸大小情況下的試驗結(jié)果基本重合，基本不存在接觸面尺寸效應(yīng)。隨著接觸面法向正應(yīng)力的提高，接觸面尺寸大小對試驗結(jié)果的影響逐步增大，也即尺寸效應(yīng)越來越明顯。當(dāng)法向應(yīng)力n=800 kPa且未達到極限剪應(yīng)力時，在相同剪應(yīng)力條件下，試樣長度越大，其剪切位移越大。當(dāng)法向應(yīng)力n=1 500 kPa時，對于相同的剪應(yīng)力，試樣長度=25 cm的試樣所得到的剪切位移最小，試樣長度=37.5 cm的試驗結(jié)果居中，而試樣長度=50 cm的試驗結(jié)果最大。

由于接觸面直剪試驗存在上述的尺寸效應(yīng)，由直剪試驗確定的Clough-Duncan非線性彈性模型參數(shù)應(yīng)為特定試驗試樣尺寸條件下的結(jié)果，并不能代表接觸面變形的一般規(guī)律。根據(jù)接觸面長度=25 cm的直剪試驗結(jié)果擬合了Clough-Duncan模型的參數(shù)，反算出了相對應(yīng)的參數(shù)擬合線，并與本次試驗不同接觸面尺寸的結(jié)果進行了對比，分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 試驗結(jié)果與擬合曲線對比圖（L=25 cm）

圖2 試驗結(jié)果與擬合曲線對比圖（L=37.5 cm）

圖3 試驗結(jié)果與擬合曲線對比圖（L=50 cm）

由圖1、圖2和圖3可以看出，當(dāng)法向應(yīng)力n=300 kPa時，參數(shù)擬合曲線與不同尺寸試驗結(jié)果均較好。但當(dāng)法向應(yīng)力n=1 500 kPa時，隨接觸面尺寸的增大，擬合曲線的初始段逐漸位于試驗曲線的上方。對于=50 cm的試驗，其初始模量明顯小于擬合曲線，表現(xiàn)為相同剪應(yīng)力時，試驗曲線位移較擬合曲線為大。上述的結(jié)果也從另一個方面證明接觸面直剪試驗中試樣尺寸效應(yīng)的存在。

3 結(jié)論

本文針對糯扎渡反濾料Ⅰ-混凝土底板接觸面，設(shè)計不同法向正應(yīng)力不同接觸面長度進行接觸面直剪試驗，分析了不同法向正應(yīng)力不同接觸面長度下的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系。通過本文的研究工作可得到結(jié)論如下：①在相同接觸面長度條件下，剪切力與剪切位移的關(guān)系基本符合Clough-Duncan非線性彈性模型。法向應(yīng)力越大，在相同剪切位移下的剪應(yīng)力越大，但是變形模量即曲線的斜率逐漸增大，直到達到該正應(yīng)力下的接觸面強度即極限剪應(yīng)力，此時，剪應(yīng)力不再隨剪切位移增加；②接觸面強度不存在尺寸效應(yīng)，對于低法向應(yīng)力和高法向應(yīng)力，剪應(yīng)力隨剪切位移的變化始終受沿剪切方向長度的影響很小；③接觸面尺寸大小對試驗的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線有一定的影響，而且影響的大小與所受到的法向正應(yīng)力的高低有關(guān)，法向正應(yīng)力越大，對剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系的影響越大。

［1］郭佳奇，劉希亮，蘇承東.高應(yīng)力下砂土與結(jié)構(gòu)界面單剪試驗研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（04）：120-126.

［2］POTYONDY J G，ENG M.Skin friction between various soils and construction materials［J］.Geotechnique，1961（11）：339-353.

［3］楊大方，劉希亮，何軍.粘土與結(jié)構(gòu)接觸界面剪切特性的試驗研究［J］.金屬礦山，2009（03）：39-40.

［4］龔輝，趙春風(fēng)，陶幗雄.應(yīng)力歷史對黏土-混凝土界面剪切特性的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（08），1712-1719.

［5］丁明武，徐澤友，盧廷浩.土與混凝土面板接觸面剪切試驗研究［J］.中國港灣建設(shè)，2012，178（01）：32-35.

［6］陳俊樺，張家生，李健.接觸面粗糙度對紅粘土-混凝土接觸面力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，45（05）：1682-1688.

［7］Clough G W，Duncan J M.Finite element analysis of retaining wall behavior［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1971，97（SM12）：117-123.

2095－6835（2019）03－0051－02

TU528

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.051

康永鵬，男，華北水利水電大學(xué)碩士。

〔編輯：張思楠〕