黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)異質(zhì)土界面強(qiáng)度與變形特性影響試驗(yàn)研究

祝艷波，楊凡凡，苗帥升，李福通，張宇軒，韓宇濤，蘭恒星,2

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

界面作為異性巖土體的分離面，其抗剪強(qiáng)度與變形性質(zhì)決定著巖土體整體穩(wěn)定性[1]，如常見的軟硬巖-界面[2]、土-巖界面[3]。此類界面抗剪強(qiáng)度軟弱、易變形，對(duì)邊坡穩(wěn)定、滑坡形成演化起到控制作用[4-5]。我國(guó)黃土高原地區(qū)黃土沉積于新近系三趾馬紅土之上，形成典型的軟弱膠結(jié)界面[6-9]。而新近系三趾馬紅土與第四紀(jì)黃土物質(zhì)組成不同、抗剪強(qiáng)度與變形性質(zhì)差異大，其異質(zhì)土界面常演化成大型黃土滑坡的滑面[10-11]。因此，研究此類異質(zhì)土界面抗剪強(qiáng)度與變形特性對(duì)于揭示黃土滑坡形成演化機(jī)制具有參考意義。

目前，關(guān)于巖土體界面抗剪強(qiáng)度與變形研究主要集中在界面剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系、界面剪脹變形特征、抗剪強(qiáng)度變化、強(qiáng)度模型建立等方面[2,12]。如針對(duì)軟硬巖界面[13]、黃土界面的研究[14-15]均表明，界面的存在顯著降低了巖土材料的抗剪強(qiáng)度特性[16]，并且剪切過程中界面試樣產(chǎn)生明顯的剪脹效應(yīng)[17]；界面試樣抗剪強(qiáng)度與變形特性變化又受界面剪切破壞模式影響，根據(jù)其剪切破壞模式差異，學(xué)者們提出不同的強(qiáng)度模型，以反映其強(qiáng)度演化規(guī)律[18-21]。

同時(shí)，研究者關(guān)注了巖土體界面抗剪強(qiáng)度與變形的影響因素，結(jié)果表明，試樣含水率、干密度、界面粗糙度等均對(duì)界面抗剪強(qiáng)度、破壞模式影響顯著[22-30]。如界面兩側(cè)土體干密度越大、含水率越低、界面粗糙度越大，界面試樣的抗剪強(qiáng)度越大[31-35]，其中含水率主要通過影響界面間的黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)而對(duì)其抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響[15]。界面間的粗糙度變化會(huì)導(dǎo)致試樣破壞模式呈現(xiàn)多樣式變化，如沿界面剪切破壞、土體內(nèi)部破壞及兩者混合破壞，且界面粗糙度越大，剪切破壞面越趨向于土體內(nèi)部[2]。祝艷波[30]、苗帥升[8]等針對(duì)黃土界面，開展了試樣不同接觸角度、不同含水率與干密度對(duì)其強(qiáng)度與變形特性的影響[8,30]，結(jié)果表明界面間的接觸角度越小、含水率越高、干密度越小，界面試樣抗剪強(qiáng)度越低、更易變形。但目前關(guān)于巖土體界面間黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)其強(qiáng)度與變形影響的研究成果較少，而界面間黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度影響顯著，如巖石-混凝土界面間的黏結(jié)強(qiáng)度影響整體材料的強(qiáng)度性能[36]。

綜上可見，目前關(guān)于巖土體間界面的剪切力學(xué)性質(zhì)研究成果豐碩，但關(guān)于異質(zhì)土界面間黏結(jié)對(duì)其抗剪強(qiáng)度影響研究成果不多，尤其對(duì)于黃土與三趾馬紅土之間的粗糙接觸界面，其界面間黏結(jié)強(qiáng)度的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。因此，以典型黃土-三趾馬紅土異質(zhì)土界面為研究對(duì)象，制備有、無(wú)界面黏結(jié)強(qiáng)度的異質(zhì)土界面試樣，開展其抗剪強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)研究，探討試樣界面間的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)其剪切破壞模式差異、剪切變形規(guī)律、強(qiáng)度演化特征影響程度。研究成果可為異質(zhì)巖土材料界面黏結(jié)對(duì)其強(qiáng)度影響研究提供試驗(yàn)參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)土料與方案

1.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

試驗(yàn)所用異質(zhì)界面為西安白鹿塬塬邊典型黃土與三趾馬紅土界面，界面兩側(cè)土料堅(jiān)硬密實(shí)，其詳細(xì)物性參數(shù)見表1?，F(xiàn)場(chǎng)可見黃土沉積于三趾馬紅土之上，并形成粗糙接觸的膠結(jié)界面(圖1)，接觸界面凹凸不平，呈現(xiàn)一定的粗糙接觸關(guān)系；接觸面間初始膠結(jié)作用強(qiáng)烈，具有一定的初始黏結(jié)強(qiáng)度。研究過程中，簡(jiǎn)化了異質(zhì)土接觸界面的粗糙度表達(dá)，采用齒狀接觸形式表達(dá)黃土與三趾馬紅土不同粗糙接觸關(guān)系[8]，以更好地定量分析界面間的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度影響隨界面粗糙度變化的敏感性。

表1 試驗(yàn)土料物理性質(zhì)參數(shù)[9]Table 1 Physical properties of loess and Hipparion red clay[9]

圖1 試驗(yàn)土料Fig.1 Test materials

利用研制的異質(zhì)土界面制備工具[8]，制備有無(wú)界面黏結(jié)的異質(zhì)土界面試樣，試樣直徑61.8 mm、高度20 mm。制樣過程如圖2 所示：首先將黃土倒入制樣筒并壓實(shí)，即可壓制出具有粗糙表面的黃土試樣；然后將黃土試樣再次置于制樣筒內(nèi)，注意粗糙面朝上；最后按要求倒入一定量的三趾馬紅土并壓實(shí)，即可壓制出有界面黏結(jié)的異質(zhì)土界面試樣[9]。制備無(wú)界面黏結(jié)異質(zhì)土界面僅需第三步時(shí)在黃土試樣粗糙面上放置一層薄塑料膜，再倒入三趾馬紅土土料，壓實(shí)成樣后取出界面間的塑料膜，并重新使黃土與三趾馬紅土沿界面咬合，即可制備出無(wú)界面黏結(jié)的異質(zhì)土界面。

圖2 試樣制樣過程Fig.2 Sample preparation process

黃土與三趾馬紅土界面間的黏結(jié)強(qiáng)度受試樣含水率、密實(shí)狀態(tài)、界面粗糙度影響。結(jié)合研究土料的干密度及制樣可行性，本次試驗(yàn)制定異質(zhì)土界面試樣的初始干密度為1.85 g/cm3，初始含水率為15%。同時(shí)保證試樣壓制過程中土料裝入均勻、壓實(shí)次數(shù)固定(10 次)，以消除人為操作對(duì)界面間黏結(jié)強(qiáng)度的影響。界面間的初始黏結(jié)強(qiáng)度大小可通過有、無(wú)黏結(jié)異質(zhì)土界面試樣的抗剪強(qiáng)度差值計(jì)算獲取。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

利用研制的可視化界面直剪儀[8-9]開展異質(zhì)土界面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。該設(shè)備采用環(huán)向氣壓施加法向應(yīng)力；測(cè)量系統(tǒng)可采集試樣剪切過程中的剪切應(yīng)力、水平剪切位移以及豎向剪切位移。法向應(yīng)力設(shè)定需要考慮土樣取樣位置的上覆壓力、試樣界面粗糙度，因此，設(shè)計(jì)多級(jí)法向應(yīng)力下的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，以充分研究異質(zhì)土界面試樣的強(qiáng)度演化規(guī)律。法向應(yīng)力分別設(shè)定為12.5、25、37.5、50、100、200、300、400 kPa，剪切速率設(shè)置為0.8 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界面破壞模式

綜合對(duì)比有、無(wú)界面黏結(jié)的試樣剪切破壞模式如圖3 所示，可見試樣剪切破壞模式有3 類：分別為界面滑動(dòng)、界面滑動(dòng)-剪斷、界面剪斷3 類。且其破壞模式與界面粗糙度、法向應(yīng)力均有關(guān)(圖4)。界面粗糙度小、法向應(yīng)力低，試樣沿界面間剪切滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力小，剪切力比較容易超越試樣界面間的滑動(dòng)摩擦阻力，試樣趨于沿界面間的滑動(dòng)破壞模式；界面粗糙度大、法向應(yīng)力高，界面間滑動(dòng)摩擦阻力大，剪切力更易超越界面土體強(qiáng)度而剪斷界面，試樣趨向于界面剪斷。但界面黏結(jié)存在導(dǎo)致試樣破壞模式有差異，有界面黏結(jié)試樣較無(wú)界面黏結(jié)試樣更易趨于界面剪斷破壞，且剪斷位置更靠近界面底部，剪斷面破損程度更高(圖3)。這是由于有黏結(jié)強(qiáng)度試樣界面間滑動(dòng)阻力由界面間黏結(jié)和界面間滑動(dòng)摩擦組成，無(wú)界面黏結(jié)試樣的僅由界面間滑動(dòng)摩擦組成。因此，有界面黏結(jié)試樣沿界面間滑動(dòng)的阻力更大，剪切力更易超越界面強(qiáng)度阻力而使試樣沿界面剪斷，無(wú)黏結(jié)試樣更易產(chǎn)生沿界面間滑動(dòng)破壞。

圖3 異質(zhì)土界面破壞模式Fig.3 Failure modes of interface samples

圖4 異質(zhì)土界面破壞模式影響因素Fig.4 Influencing factors on failure modes of interfaces

2.2 界面水平剪切變形

圖5 為異質(zhì)土界面試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線，可見其變化均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，表明異質(zhì)土界面的脆性破壞特征顯著。有界面黏結(jié)試樣峰后剪應(yīng)力均呈“跳躍”式下降，降低幅度為30.0%～92.8%，并逐漸趨于殘余強(qiáng)度，峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度差值為24～437 kPa。對(duì)于無(wú)界面黏結(jié)試樣，當(dāng)界面接觸角度大于30°時(shí)，剪應(yīng)力才呈現(xiàn)峰后 “跌落”現(xiàn)象，且降低幅值為9.8%～50.2%，明顯低于有界面黏結(jié)試樣。有界面黏結(jié)試樣峰值強(qiáng)度均大于無(wú)界面黏結(jié)試樣，強(qiáng)度提高11.3%～66.2%。且界面間黏結(jié)對(duì)試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線演化過程影響顯著，如剪切剛度、剪切破壞點(diǎn)位移差異均較大(圖6，圖7)。

圖5 不同接觸角界面黏結(jié)對(duì)試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線影響Fig.5 Influence of the initial adhesion on shear stress-displacement curves of interfaces with different contact angles

由圖6 可見，界面黏結(jié)對(duì)試樣剪切剛度影響顯著，當(dāng)界面接觸角度大于15°時(shí)，界面試樣剪切剛度均隨界面粗糙度總體呈先增大后減小趨勢(shì)，但有無(wú)界面黏結(jié)導(dǎo)致其增幅不同。有界面黏結(jié)試樣剪切剛度增幅為4.7%～74.0%，最高增大了484.1 kPa/mm；無(wú)界面黏結(jié)試樣剪切剛度增幅為1.0%～619.2%，最高增大了494.91 kPa/mm。上述剪切剛度差異與試樣破壞模式有關(guān)，異質(zhì)土界面間滑動(dòng)摩擦阻力隨界面粗糙度增大而增大，試樣抗變形能力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，剪切剛度先呈增大趨勢(shì)；但隨著界面粗糙度增大，界面間摩擦阻力增大，試樣沿界面滑動(dòng)阻力增大，因此，剪切力不斷推擠剪斷界面土體，宏觀表現(xiàn)出界面試樣更易變形，其剪切剛度則又呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。有界面黏結(jié)試樣剪切剛度最高降低40.3%，無(wú)界面黏結(jié)試樣最高降低28.5%。同時(shí)可見當(dāng)試樣界面接觸角度為0°時(shí)，其剪切剛度與其他接觸角試樣剪切剛度變化呈現(xiàn)規(guī)律不明顯，這是由于界面試樣剪切剛度反映試樣抗變形能力，其受試樣剪切破壞模式影響。而當(dāng)界面接觸角度為0°時(shí)，試樣剪切破壞過程中不存在沿界面間的爬坡滑動(dòng)效應(yīng)，其呈現(xiàn)的剪切剛度規(guī)律與其他試樣不同。

圖6g 為有無(wú)界面黏結(jié)對(duì)試樣剪切剛度整體影響，可見低法向應(yīng)力時(shí)，無(wú)界面黏結(jié)試樣剪切剛度均低于有界面黏結(jié)試樣，最大差值為263.4 kPa/mm。高法向應(yīng)力時(shí)，無(wú)界面黏結(jié)試樣剪切剛度大部分大于有界面黏結(jié)試樣，最大差值238 kPa/mm。因此，界面黏結(jié)對(duì)試樣剪切剛度影響與法向應(yīng)力密切相關(guān)，低法向應(yīng)力時(shí)試樣界面間滑動(dòng)摩擦小，試樣抗變形能力受界面間黏結(jié)強(qiáng)度影響大，有界面黏結(jié)試樣剪切過程中需要克服界面黏結(jié)強(qiáng)度，因此，較無(wú)界面黏結(jié)試樣更不易變形，其剪切剛度更大；高法向應(yīng)力時(shí)，因界面黏結(jié)存在，剪切過程有界面黏結(jié)試樣更易沿界面底部被推擠變形，無(wú)界面黏結(jié)試樣更易沿界面間滑動(dòng)變形，因此，無(wú)界面黏結(jié)試樣抗變形能力大于有界面黏結(jié)試樣，其剪切剛度也大。

圖6 不同法向應(yīng)力下異質(zhì)土界面剪切剛度變化Fig.6 Variation of shear stiffness of interfaces with different normal stress

剪切破壞位移即峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的剪切位移，圖7為異質(zhì)土界面試樣的剪切破壞位移演化規(guī)律，可見其總體隨界面粗糙度增大而增大(圖7a-圖7f)。這是由于隨界面粗糙度增大，試樣剪切破壞為界面滑動(dòng)-界面剪斷破壞模式，試樣在剪切過程中界面部位被剪切推擠的范圍增大，因此，試樣被剪斷時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性剪切變形越大。當(dāng)界面粗糙度繼續(xù)增大時(shí)，部分試樣的剪切破壞位移又呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，尤其對(duì)于有界面黏結(jié)試樣，此規(guī)律更為明顯。這與界面試樣剪切破壞模式轉(zhuǎn)變有關(guān)，當(dāng)界面粗糙度越大時(shí)，試樣越趨于界面剪斷破壞，試樣在剪切過程不沿界面間發(fā)生滑動(dòng)行為，因此，試樣發(fā)生剪斷破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切塑性變形量又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。圖7g 為有無(wú)界面黏結(jié)對(duì)試樣剪切破壞位移影響，可見有界面黏結(jié)試樣剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切位移均大于無(wú)界面黏結(jié)試樣，兩者差值為0.03～0.90 mm。這是由于有無(wú)界面黏結(jié)影響試樣破壞模式，有界面黏結(jié)試樣沿界面滑動(dòng)阻力由界面間黏結(jié)強(qiáng)度與界面間摩擦強(qiáng)度組成，其大于無(wú)黏結(jié)試樣界面間滑動(dòng)阻力，因此，其破壞模式更趨于界面剪斷。且剪斷面較無(wú)界面黏結(jié)試樣更靠近界面底部，試樣剪切過程中沿界面間滑動(dòng)距離短，但沿界面推擠剪斷時(shí)間長(zhǎng)，因此，其剪切破壞時(shí)的剪切變形量大。

圖7 不同法向應(yīng)力下異質(zhì)土界面剪切破壞位移變化Fig.7 Variation of the shear failure displacement of interfaces in different normal stress

2.3 界面豎向剪切位移

異質(zhì)土界面試樣剪切過程因沿界面向上滑動(dòng)而產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象，可通過豎向剪切位移反映其剪脹行為強(qiáng)弱。圖8 為異質(zhì)土界面試樣豎向剪切位移-水平剪切位移曲線變化(以法向應(yīng)力100 kPa 為例)，可知界面試樣均出現(xiàn)明顯的豎向剪切位移，其呈先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)。且異質(zhì)土界面試樣豎向剪切位移均出現(xiàn)“跳躍”式增長(zhǎng)現(xiàn)象，這表明試樣沿界面被瞬間剪斷，其中有界面黏結(jié)試樣豎向剪切位移“跳躍”式增長(zhǎng)更明顯，無(wú)界面黏結(jié)試樣豎向剪切位移增長(zhǎng)均大于有界面黏結(jié)界面試樣，其中無(wú)界面黏結(jié)試樣豎向剪切位移最大增幅為266.7%，有界面黏結(jié)試樣豎向剪切位移最大增幅為214.3%。

圖8 不同界面角度異質(zhì)土界面水平剪切位移-豎向剪切位移變化Fig.8 Shear dilatancy displacement curves of interfaces in different contact angles

界面黏結(jié)對(duì)試樣產(chǎn)生的最大豎向剪切位移影響如圖9 所示，可見有無(wú)黏結(jié)界面試樣的最大豎向剪切位移在前期均隨界面粗糙度增大總體先呈增大趨勢(shì)(圖9a-圖9f)。這均與界面破壞模式有關(guān)，低粗糙度界面試樣剪切破壞模式主要為沿界面滑動(dòng)模式，界面接觸角度越大，試樣的最大豎向剪切位移越大。而隨界面粗糙度、施加法向應(yīng)力的持續(xù)增大，界面試樣最大豎向剪切位移又呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這是由于隨著界面粗糙度增大，試樣破壞模式逐漸趨于齒面剪斷，因此，試樣最大豎向剪切位移又有所降低。且無(wú)界面黏結(jié)試樣的最大豎向剪切位移均大于有界面黏結(jié)試樣(圖9g)，差值區(qū)間為0.3～3.5 mm，且其隨界面粗糙度、法向應(yīng)力變化幅度均大于有界面黏結(jié)試樣。這是由于界面黏結(jié)存在增大了試樣界面間滑動(dòng)阻力，試樣沿界面滑動(dòng)的難度增大，試樣更趨于界面剪斷，因此，試樣沿界面間滑動(dòng)抬升高度降低，最大豎向剪切位移量有所減小。

圖9 不同法向應(yīng)力界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面最大豎向剪切位移影響Fig.9 Influence of the initial adhesion on the maximum shear dilatancy displacement of interfaces in different normal stress

2.4 界面抗剪強(qiáng)度特性

由圖10 可見異質(zhì)土界面峰值抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力呈非線性變化，這與N.Barton[37]、P.J.Huck[38]、H.Canakci[39]等獲得的有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)面、土與結(jié)構(gòu)物界面抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律相同。且本研究發(fā)現(xiàn)有界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度的非線性變化更顯著。這是因?yàn)楫?dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，試樣界面間的滑動(dòng)摩擦阻力小，試樣更易產(chǎn)生界面滑動(dòng)破壞，因此，其峰值抗剪強(qiáng)度低。當(dāng)法向應(yīng)力不斷增大時(shí)，試樣剪切過程中界面間的滑動(dòng)摩擦阻力也不斷增大，試樣破壞逐漸向界面剪斷過渡。水平剪切推力首先需要超越界面間的初始黏結(jié)強(qiáng)度及摩擦阻力而使試樣滑動(dòng)，其次剪切推力還要超越界面兩側(cè)土體的抗剪強(qiáng)度而使試樣剪斷，因此，界面峰值抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí)可見，有無(wú)界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度最低值分別為120.7 kPa 和10.1 kPa，這是因?yàn)橛薪缑骛そY(jié)試樣界面間存在界面黏結(jié)強(qiáng)度，因此，其抗剪強(qiáng)度高于無(wú)界面黏結(jié)試樣；有無(wú)界面黏結(jié)試樣峰值強(qiáng)度最高分別增長(zhǎng)到717.5 kPa 和597.1 kPa，有界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度增幅最大，為513.8 kPa。

圖10 不同角度下界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面峰值強(qiáng)度影響隨粗糙度變化Fig.10 Variation of the influence of initial adhesion on peakstrength of interfaces with different contact angles

界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面峰值抗剪強(qiáng)度總體影響如圖11 所示，可見界面黏結(jié)整體提高了異質(zhì)土界面峰值抗剪強(qiáng)度，提高幅值為13%～1 018%。且界面粗糙度越小、法向應(yīng)力越低，有無(wú)界面黏結(jié)對(duì)試樣峰值抗剪強(qiáng)度的影響程度越大。如當(dāng)界面接觸角度為0°、法向應(yīng)力12.5 kPa 時(shí)，有界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度較無(wú)界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度提高了1 018%。這是由于界面粗糙度小、法向應(yīng)力低時(shí)，試樣破壞模式為界面滑動(dòng)，有界面黏結(jié)試樣剪切過程首先需要高于界面間黏結(jié)阻力而使試樣沿界面脫黏，因此，其對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度影響大；隨界面粗糙度、法向應(yīng)力增大，試樣破壞模式越趨于界面間滑動(dòng)-界面剪斷，試樣峰值抗剪強(qiáng)度由界面間黏結(jié)、界面間滑動(dòng)摩擦、界面兩側(cè)剪斷土體抗剪強(qiáng)度構(gòu)成，因此，界面黏結(jié)對(duì)試樣峰值抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)逐漸減弱，有無(wú)界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度差異逐漸變小。如當(dāng)異質(zhì)界面接觸角度60°、法向應(yīng)力300 kPa 時(shí)，有界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度較無(wú)界面黏結(jié)試樣峰值抗剪強(qiáng)度僅提高13%。

圖11 界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面峰值強(qiáng)度影響Fig.11 Influence of initial adhesion on peak strength of interface samples

異質(zhì)土界面殘余強(qiáng)度變化如圖12 所示，可見其均隨法向應(yīng)力增大而增大。當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)，試樣殘余強(qiáng)度也小，這是由于試樣破壞模式為界面間滑動(dòng)，殘余強(qiáng)度僅為試樣沿界面間的滑動(dòng)摩擦。如當(dāng)界面接觸角度15°、法向應(yīng)力12.5 kPa 時(shí)，有無(wú)界面黏結(jié)試樣的殘余強(qiáng)度為最低，分別為3.12、0.30 kPa。隨界面粗糙度、法向應(yīng)力增大，試樣殘余強(qiáng)度不斷增大。這是由于試樣破壞模式逐漸趨于界面剪斷，試樣破壞后沿粗糙剪斷面產(chǎn)生摩擦，且試樣剪斷位置越靠近界面根部，因此，摩擦面越來(lái)越大，殘余強(qiáng)度越來(lái)越高。如當(dāng)界面接觸角度60°、法向應(yīng)力400 kPa 時(shí)，有無(wú)界面黏結(jié)試樣殘余強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為456.5、329.2 kPa。

圖12 不同角度下異質(zhì)土界面殘余強(qiáng)度隨法向應(yīng)力變化Fig.12 Variation of residual strength of interface samples with normal stress

圖13 為界面黏結(jié)存在對(duì)試樣殘余強(qiáng)度影響，可見當(dāng)界面粗糙度較小時(shí)，有界面黏結(jié)試樣殘余強(qiáng)度均大于無(wú)界面黏結(jié)試樣殘余強(qiáng)度，這是由于有界面黏結(jié)試樣破壞模式更趨于界面剪斷，且界面剪斷面積大于無(wú)界面黏結(jié)試樣，因此，試樣沿剪斷面間的摩擦阻力大，殘余強(qiáng)度高。當(dāng)界面粗糙度較大時(shí)，雖然無(wú)界面黏結(jié)試樣殘余強(qiáng)度大于有界面黏結(jié)試樣，但整體相差不大，這是由于試樣剪切破壞以界面剪斷為主，且剪斷面都趨于界面根部，有無(wú)界面黏結(jié)試樣剪斷面面積相差不大，因此，試樣沿剪斷面間的摩擦強(qiáng)度相差不大。

圖13 界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面殘余強(qiáng)度影響Fig.13 Influence of initial adhesion on residual strength of interface samples

3 討論

為討論有無(wú)界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面抗剪強(qiáng)度影響，需首先量化試樣界面間的黏結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)法向應(yīng)力水平較低時(shí)，試樣破壞模式為界面滑動(dòng)，有界面黏結(jié)試樣沿界面滑動(dòng)時(shí)，首先需要克服界面之間的初始黏結(jié)強(qiáng)度而使界面脫黏，因此，有無(wú)界面黏結(jié)試樣在滑動(dòng)破壞模式下試樣的抗剪強(qiáng)度包線截距差即為界面黏結(jié)強(qiáng)度。

為準(zhǔn)確獲取試樣抗剪強(qiáng)度包線截距，首先根據(jù)破壞模式將抗剪強(qiáng)度包線進(jìn)行分段。各段劃分原則如下：首先基于破壞模式對(duì)抗剪強(qiáng)度線進(jìn)行分段擬合，各段擬合線交點(diǎn)即為各分段界點(diǎn)。分段結(jié)果如圖14 所示，可見各分段的強(qiáng)度包線均符合線性莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，且有界面黏結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度線分段界點(diǎn)均小于無(wú)界面黏結(jié)試樣。當(dāng)界面接觸角度小于30°時(shí)，抗剪強(qiáng)度線由2 段組成，這是由于低界面粗糙度試樣的破壞模式有界面滑動(dòng)與界面滑動(dòng)-界面剪斷2 種。當(dāng)界面接觸角度大于等于30°時(shí)，抗剪強(qiáng)度包線由3 段組成，因界面試樣破壞模式有界面滑動(dòng)、界面滑動(dòng)-界面剪斷、界面剪斷3 種。

圖14 不同角度下異質(zhì)土界面抗剪強(qiáng)度包線Fig.14 Phased shear strength envelope of interface specimen

據(jù)圖14 即可獲取有無(wú)界面黏結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度包線截距，進(jìn)而求出異質(zhì)土界面間的黏結(jié)強(qiáng)度如圖15 所示?？梢娊缑骈g的黏結(jié)強(qiáng)度隨界面粗糙度增大呈非線性增大。這是由于界面粗糙度越大，黃土與三趾馬紅土沿界面間的接觸面積增大，因此，壓實(shí)過程中界面間的總黏結(jié)強(qiáng)度越大。為分析界面黏結(jié)對(duì)異質(zhì)土界面抗剪強(qiáng)度提高幅度，繪制不同法向應(yīng)力下試樣界面黏結(jié)強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度提高值關(guān)系如圖16 所示?？梢娊缑骛そY(jié)存在顯著提高了試樣的峰值強(qiáng)度，提高值為68.57～209.30 kPa，但峰值強(qiáng)度提高幅度不隨界面黏結(jié)強(qiáng)度增大而持續(xù)增大，而隨界面黏結(jié)強(qiáng)度增大呈指數(shù)式衰減。這并不與常規(guī)認(rèn)識(shí)相違背，本文中界面黏結(jié)的增大主要是由于界面粗糙度增大造成，而界面粗糙度高的試樣破壞模式主要為剪斷破壞，界面間黏結(jié)對(duì)試樣峰值強(qiáng)度貢獻(xiàn)度逐漸降低。如當(dāng)界面接觸角度超過45°時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)試樣峰值抗剪強(qiáng)度提高幅度有所下降，下降幅度4.96%～54.69%。

圖15 界面黏結(jié)強(qiáng)度隨異質(zhì)土界面粗糙度變化Fig.15 Variation of initial adhesion with interface angles

圖16 界面黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)異質(zhì)土界面峰值強(qiáng)度提高幅度Fig.16 Effect of initial adhesion on peak strength of specimens

因此，對(duì)于實(shí)際黃土與三趾馬紅土界面而言，并不是界面間的膠結(jié)強(qiáng)度越高，界面抗剪強(qiáng)度提高幅度越大。當(dāng)黃土與三趾馬紅土膠結(jié)界面粗糙度較低時(shí)，界面間膠結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)弱對(duì)界面整體抗剪強(qiáng)度影響較大。當(dāng)界面接觸粗糙度高時(shí)，界面間膠結(jié)強(qiáng)弱對(duì)界面整體抗剪強(qiáng)度影響幅度下降，此時(shí)界面抗剪強(qiáng)度主要受控于界面兩側(cè)土體抗剪強(qiáng)度。

4 結(jié)論

a.黃土-三趾馬紅土界面黏結(jié)存在增大試樣沿界面間滑動(dòng)阻力，使試樣破壞模式更趨于界面剪斷，剪斷面破損程度高。

b.有界面黏結(jié)試樣脆性剪切破壞特征更顯著，黃土-三趾馬紅土界面試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線的應(yīng)變軟化特征表明了試樣的脆性剪斷特征，有界面黏結(jié)試樣剪切破壞點(diǎn)位移大于無(wú)界面黏結(jié)試樣，峰值后脆性剪切破壞特征更顯著。

c.界面黏結(jié)降低了異質(zhì)土界面試樣的剪脹效應(yīng)。黃土-三趾馬紅土界面試樣剪切過程豎向剪脹位移受法向應(yīng)力、界面粗糙度影響顯著，且其隨界面粗糙度、法向應(yīng)力變化幅度均小于無(wú)界面黏結(jié)試樣。

d.異質(zhì)土界面抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性變化趨勢(shì)，有界面黏結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度非線性變化更明顯，且界面粗糙度越小，界面黏結(jié)對(duì)界面峰值強(qiáng)度影響越大；當(dāng)界面粗糙度大時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度提高幅度下降，此時(shí)界面抗剪強(qiáng)度主要受控于界面兩側(cè)土體強(qiáng)度。

e.本文研究了有無(wú)界面黏結(jié)對(duì)黃土-三趾馬紅土異質(zhì)土界面抗剪強(qiáng)度與變形特性影響，但僅考慮界面粗糙度下界面黏結(jié)對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度影響，而實(shí)際界面間黏結(jié)強(qiáng)度還與試樣密度狀態(tài)、含水率等有關(guān)，需進(jìn)一步擴(kuò)展界面膠結(jié)強(qiáng)弱對(duì)界面抗剪強(qiáng)度與變形特性影響研究。