考慮粗糙度和相對(duì)密實(shí)度下砂土-混凝土樁接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

陳琛，冷伍明，2，楊奇，2?，徐方，3，魏麗敏，2

（1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；3.湖南鐵院土木工程檢測(cè)有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410075）

土體-結(jié)構(gòu)物接觸面相互作用問(wèn)題廣泛存在于實(shí)際工程中，如邊坡?lián)鯄χёo(hù)、土釘、土工格柵-土體、樁土接觸等［1-4］.土體-結(jié)構(gòu)物的相互作用在很大程度上是通過(guò)接觸面的荷載傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的.一直以來(lái)，關(guān)于土體-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性的研究被認(rèn)為是解決土體-結(jié)構(gòu)物二者相互作用問(wèn)題的基礎(chǔ).其中涉及的非線性、大變形和局部不連續(xù)等力學(xué)問(wèn)題，也是巖土工程中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題.因此，開展對(duì)土體-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性的研究既有理論意義又有工程應(yīng)用價(jià)值.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用直剪、環(huán)剪等試驗(yàn)手段和DEM等數(shù)值仿真計(jì)算，就粗糙度、材料硬度、相對(duì)密實(shí)度、顆粒集配、磨圓度、含水率和法向應(yīng)力等因素對(duì)土-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性的影響開展了諸多研究［5-10］.在諸多影響因素中，接觸面粗糙度一直被認(rèn)為是影響界面剪切強(qiáng)度的重要因素之一，并得到廣泛的關(guān)注.界面粗糙度被定義為“隨機(jī)型”和“結(jié)構(gòu)型”兩類.對(duì)于“隨機(jī)型”粗糙度，Uesugi 等［11］開展了砂土-混凝土接觸面的直剪、單剪試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)接觸面相對(duì)粗糙度存在臨界值，接觸面摩擦系數(shù)并非隨相對(duì)粗糙度一直呈線性遞增關(guān)系，當(dāng)粗糙度大于該臨界值時(shí)，摩擦因素將趨于砂土自身摩擦系數(shù).Frost 和Han［12］通過(guò)直剪儀和改良的界面剪切設(shè)備，開展了砂土-纖維聚合物界面剪切特性的研究，研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物表面粗糙度、法向應(yīng)力、初始密實(shí)度和顆粒形態(tài)對(duì)剪切強(qiáng)度有較大影響，而剪切速率和試樣厚度則影響較小.Dove 和Frost［13］開展了渥太華砂、玻璃珠-聚乙烯土工膜界面剪切試驗(yàn)，基于接觸力學(xué)和摩擦理論探究了顆粒形態(tài)、材料硬度對(duì)剪切機(jī)制的影響，結(jié)果表明材料表面的粗糙度與材料硬度存在相互耦合，共同影響接觸面力學(xué)特性，在高法向應(yīng)力下的軟質(zhì)表面，不可忽視顆粒形態(tài)所產(chǎn)生的“犁滑作用”對(duì)剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn).Han 等［14］利用界面直剪實(shí)驗(yàn)開展了接觸面粗糙度、顆粒幾何形態(tài)和集配對(duì)砂土-不同銹蝕程度鋼板接觸面摩擦角的影響研究.對(duì)于“結(jié)構(gòu)型”粗糙度，Hryciw 和Irsyam［15］開展了砂土-帶肋鋼板接觸面的直剪試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)的肋間距，既可避免剪切中顆粒堵塞凹槽，又可以充分調(diào)動(dòng)土體參與變形協(xié)調(diào)而形成“被動(dòng)阻力”.Chen 等［16］基于規(guī)則型粗糙度的形態(tài)特征提出了改進(jìn)的灌砂法來(lái)量定界面粗糙度，利用大型直剪儀開展了紅黏土-混凝土接觸面界面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明粗糙度對(duì)界面剪切強(qiáng)度有顯著影響，接觸面峰值強(qiáng)度隨粗糙度增加而增大.

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明土體的相對(duì)密實(shí)度對(duì)土體-結(jié)構(gòu)物的摩擦阻力產(chǎn)生較大的影響，對(duì)于灌注樁和連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)尤其如此［17-20］.目前，有關(guān)相對(duì)密實(shí)度對(duì)土體-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性影響的研究如下：Fakhar?ian 等［21］通過(guò)直剪儀開展了不同密實(shí)度下砂土-粗糙鋼板力學(xué)特性研究，研究發(fā)現(xiàn)初始密實(shí)度、法向應(yīng)力和恒定的法向剛度對(duì)接觸面摩阻力和破壞時(shí)剪切位移有較大影響，并就不同密實(shí)度下滑動(dòng)摩擦、剪切破壞發(fā)生階段與剪切應(yīng)力-切向位移曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了定量劃分；O'rourke 等［22］利用大型直剪儀，研究了土體密實(shí)度對(duì)砂土-聚合物界面特性的影響；王軍等［23］通過(guò)大型單調(diào)直剪、循環(huán)直剪試驗(yàn)研究不同密實(shí)度下的砂土-格柵界面剪切特性，發(fā)現(xiàn)密砂-格柵界面發(fā)生剪切軟化現(xiàn)象，密實(shí)度增加會(huì)提高筋土界面抗剪強(qiáng)度，剪脹增強(qiáng).綜上所述，盡管有不少學(xué)者開展了界面粗糙度對(duì)土體-結(jié)構(gòu)物接觸面剪切特性影響的研究，但試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物凹凸深度較?。?.001～10 mm），且與實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)物粗糙度缺乏關(guān)聯(lián)，難以表征和模擬如灌注樁、地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)物表面粗糙度.此外，對(duì)于相對(duì)密實(shí)度的研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)缺乏系統(tǒng)和清晰的認(rèn)知.“規(guī)則型”混凝土表面粗糙度與相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性的影響研究鮮有報(bào)道.

鑒于此，本文利用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔灌注樁的粗糙度分布概率，基于灌砂法基本原理，構(gòu)建了表面光滑和規(guī)則型粗糙混凝土板來(lái)模擬實(shí)際樁側(cè)表面粗糙度.開展了不同密實(shí)度下砂土-混凝土接觸面的大型直剪試驗(yàn)，研究了粗糙度、相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土-混凝土接觸面剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系、峰值剪切強(qiáng)度、割線摩擦角、峰值界面摩擦系數(shù)等影響規(guī)律.試驗(yàn)成果對(duì)深入了解土體-混凝土接觸面力學(xué)特性、構(gòu)建土體-結(jié)構(gòu)物接觸面本構(gòu)模型具有重要意義.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用位于高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家研究中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的TYJ-800大型直剪儀.儀器主要由4個(gè)部分組成，分別是液壓伺服單元、測(cè)控單元、加載單元、制作單元，如圖1 所示.該設(shè)備采用全數(shù)字環(huán)閉控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集數(shù)據(jù).上、下剪切盒尺寸長(zhǎng)×寬×高為：500 mm×500 mm×150 mm.在進(jìn)行界面直剪試驗(yàn)時(shí)，以結(jié)構(gòu)物替換下剪切盒，安置在由鋼板、螺桿和螺母組成的結(jié)構(gòu)物升降板上，通過(guò)調(diào)節(jié)高度使結(jié)構(gòu)物與上剪切盒貼合，如圖2所示.

圖1 大型界面直剪儀器主要單元Fig.1 Main element of large-scale shear apparatus

圖2 砂土-混凝土接觸面示意圖Fig.2 Schematic view of cross section of sand-concrete interface

1.2 試驗(yàn)材料制備

1.2.1 砂土

試驗(yàn)用土為湖南湘江河砂，級(jí)配曲線如圖3所示.依據(jù)顆粒分析試驗(yàn)和美國(guó)規(guī)范ASTM D2487-17e1［24］確定為粗砂，平均粒徑D50=0.75，最大孔隙比emax=0.73，最小孔隙比emin=0.43，相對(duì)密度Gs=2.55，砂土試樣含水率w為12%.詳細(xì)基礎(chǔ)物理參數(shù)如表1所示.

圖3 湘江河砂級(jí)配曲線Fig.3 Particle size distribution of Xiangjiang River sand

表1 湘江河砂基礎(chǔ)物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of Xiangjiang River sand

為探究密實(shí)度對(duì)砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性的影響，設(shè)置相對(duì)密實(shí)度Dr為73%、47%和23%分別對(duì)應(yīng)密實(shí)、中密和松砂3 種狀態(tài).為保證試驗(yàn)中砂土試樣的相對(duì)密實(shí)度，推導(dǎo)出填筑砂樣質(zhì)量ms與相對(duì)密實(shí)度Dr、試樣體積v的關(guān)系式，可表示為：

預(yù)設(shè)試樣初始相對(duì)密實(shí)度為73%、47%和23%，對(duì)應(yīng)孔隙率為0.51、0.59、0.66，根據(jù)混凝土板凹槽尺寸和上剪切盒體積計(jì)算得到試樣填裝質(zhì)量.

1.2.2 混凝土板

根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的方法，基于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔灌注樁孔徑檢測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到樁徑與徑向凸出尺寸的總體分布概率，利用灌砂法來(lái)建立樁側(cè)粗糙度I與徑向凸出尺寸的關(guān)系，計(jì)算后選取分布概率較大的粗糙度表征值10 mm、20 mm、30 mm 作為試驗(yàn)混凝土板的粗糙度值.為模擬混凝土預(yù)制樁表面粗糙度，制作了一塊表面無(wú)凹槽的光滑混凝土板；為模擬灌注樁樁側(cè)表面的粗糙度，在混凝土板表面設(shè)置了梯形凹槽結(jié)構(gòu)，如圖4 所示.利用混凝土板槽深h與樁側(cè)粗糙度I的關(guān)系［5］，得到相應(yīng)混凝土梯形凹槽對(duì)應(yīng)高度h分別為20 mm、40 mm、60 mm.采用C50 混凝土制作長(zhǎng)×寬×高為570 mm×570 mm×100 mm 的混凝土板，如圖5所示.

圖4 混凝土板截面尺寸Fig.4 Section size of concrete block

圖5 預(yù)制混凝土板試樣Fig.5 Concrete blocks with different roughness

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及加載方案

將混凝土板安放在大型直剪儀升降臺(tái)上，然后安裝上剪切盒，調(diào)節(jié)升降臺(tái)高度使混凝土板上沿與上剪切盒下沿緊挨.根據(jù)公式（1）按照試樣的預(yù)設(shè)相對(duì)密實(shí)度、混凝土板凹槽尺寸和上剪切盒體積計(jì)算得到試樣填裝質(zhì)量，將試樣砂土分三層填筑，依據(jù)填筑高度計(jì)算得到每次填筑砂土的質(zhì)量，利用夯錘逐層壓實(shí)至指定高度，以確保均勻和密實(shí)，最終達(dá)到設(shè)定相對(duì)密實(shí)度.一般灌注樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度小于60 m，為貼近實(shí)際工程情況，試驗(yàn)加載的法向應(yīng)力確定為50 kPa、150 kPa、250 kPa 和350 kPa.剪切過(guò)程中，剪切速率設(shè)置為1.0 mm/min［25］.當(dāng)剪切位移u達(dá)到50 mm時(shí)，終止試驗(yàn).具體試驗(yàn)方案見表2.

表2 砂土-混凝土接觸面直剪試驗(yàn)方案Tab.2 Testing programs for sand-concrete interface

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切應(yīng)力-切向位移

2.1.1 砂土自剪結(jié)果

通過(guò)大型直剪試驗(yàn)獲得不同相對(duì)密實(shí)度砂土自剪試驗(yàn)結(jié)果，選取密砂、松砂試樣的剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示.

圖6 不同密實(shí)度下砂土剪切應(yīng)力-切向位移變化曲線Fig.6 Curves of shear stress-horizontal displacement of sand sample with different densities

由圖6 可知，不同法向應(yīng)力下密砂的剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線總體呈軟化型.剪切應(yīng)力隨切向位移的增加而增大，達(dá)到峰值后逐漸衰減，并趨于穩(wěn)定的殘余剪切狀態(tài).法向應(yīng)力越大，峰值強(qiáng)度越大，其對(duì)應(yīng)的切向位移也越大.相反，松砂的剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線表現(xiàn)為硬化型.剪切應(yīng)力隨著切向位移增加在初期增長(zhǎng)較快，而后增長(zhǎng)速率減緩至0，剪切應(yīng)力也隨之保持穩(wěn)定.由此可見，相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線發(fā)展形式和剪切強(qiáng)度大小有較大影響.

2.1.2 砂土-混凝土接觸面直剪試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)砂土-混凝土接觸面直剪試驗(yàn)，獲得密砂、松砂接觸面直剪試驗(yàn)的剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線，如圖7所示.

圖7 不同相對(duì)密實(shí)度下（Dr≈73%，23%）砂土-混凝土接觸面剪切應(yīng)力-切向位移變化關(guān)系曲線Fig.7 Curves of shear stress-horizontal displacement of sand-concrete interface with different relative densities（Dr≈73%，23%）

由圖7（a）可知，對(duì)于光滑接觸面，密砂的剪切應(yīng)力在初期隨切向位移增大而近似線性增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后出現(xiàn)輕微衰減，而后保持穩(wěn)定.剪切應(yīng)力-切向位移曲線表現(xiàn)為輕微軟化型.由圖7（b）～（d）可知，隨著粗糙度增加，密砂的剪切應(yīng)力-切向位移曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的軟化型.剪切應(yīng)力達(dá)到峰值后，出現(xiàn)明顯的峰后衰減，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài).此外，粗糙度的增加同時(shí)導(dǎo)致剪切應(yīng)力峰后衰減幅度的降低，即接觸面的軟化特征隨粗糙度增加而減弱.例如當(dāng)粗糙度I=30 mm 時(shí)，法向應(yīng)力50 kPa、150 kPa、250 kPa、350 kPa 對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度分別為76.44 kPa、157.24 kPa、214.92 kPa、264.52 kPa，至殘余強(qiáng)度的衰減率分別為8.79%、11.77%、9.32%、3.51%.這與文獻(xiàn)［26］所得結(jié)論相一致.這說(shuō)明對(duì)密砂而言，接觸面粗糙度對(duì)剪切應(yīng)力-切向位移曲線的發(fā)展程度影響較大.

相同粗糙度下，密砂達(dá)到峰值強(qiáng)度所需切向位移隨法向應(yīng)力的增大而增加.相同法向應(yīng)力下，密砂達(dá)到峰值強(qiáng)度所需切向位移隨粗糙度增加而增大.這是由于粗糙度的增加，導(dǎo)致土體顆粒與結(jié)構(gòu)面接觸面積增大，參與剪切過(guò)程中變形協(xié)調(diào)的土體范圍也增加，從而達(dá)到破壞狀態(tài)所需要的切向位移亦隨之增加.對(duì)于松砂，隨著粗糙度增加，其剪切應(yīng)力-切向位移曲線表現(xiàn)出硬化型特征.

綜上所述，粗糙度對(duì)砂土-混凝土接觸面的剪切應(yīng)力-切向位移曲線的發(fā)展形式影響較小，而相對(duì)密實(shí)度則對(duì)該曲線發(fā)展形式起主導(dǎo)作用.

2.2 接觸面強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)分析

2.2.1 接觸面峰值剪切強(qiáng)度

為分析粗糙度和相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響，對(duì)于不同相對(duì)密實(shí)度下砂土-混凝土接觸面的切向位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線，分別取軟化型曲線的峰值強(qiáng)度和硬化型曲線的剪切應(yīng)力最大值作為接觸面的峰值剪切強(qiáng)度，如表3 所示.根據(jù)表3 得到不同相對(duì)密實(shí)度下接觸面峰值剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖8所示.

表3 砂土-混凝土接觸面峰值剪切強(qiáng)度Tab.3 Peak shear strength of sand-concrete interface

由圖8 可知，在相同粗糙度下，砂土-混凝土接觸面峰值剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加近似非線性增長(zhǎng).相對(duì)密實(shí)度越大，峰值剪切強(qiáng)度非線性增長(zhǎng)越明顯.Frost 和Han［12］在砂土-纖維聚合物界面直剪試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)論.周國(guó)慶等［27］和Hosseini 等［28］將這種現(xiàn)象歸結(jié)于界面土體的剪脹變化.相對(duì)密實(shí)度較大的土體，剪切過(guò)程中顆粒間容易出現(xiàn)破碎，隨著法向應(yīng)力增加，剪脹性減小，顆粒間翻滾、嵌入與摩擦程度降低，導(dǎo)致峰值剪切強(qiáng)度的變化增量減小.此外，同一相對(duì)密實(shí)度下，接觸面峰值剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加所產(chǎn)生的變化增量逐漸降低.例如相對(duì)密實(shí)度Dr=73%下，法向應(yīng)力由50 kPa增至350 kPa，粗糙度I=10 mm 的峰值剪切強(qiáng)度變化增量分別為84.57%、36.15%、26.21%.

圖8 不同相對(duì)密實(shí)度下接觸面峰值剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力的變化曲線Fig.8 Curves of interface peak shear stress-normal stress with different relative densities

相對(duì)密實(shí)度在一定程度上影響砂土-混凝土接觸面的剪切強(qiáng)度關(guān)系，在理論計(jì)算和數(shù)值仿真中應(yīng)根據(jù)實(shí)際受力情況及土體密實(shí)程度、結(jié)構(gòu)物粗糙度等情況構(gòu)建本構(gòu)方程［28］.

2.2.2 接觸面割線摩擦角

由于不同相對(duì)密實(shí)度下砂土-混凝土接觸面峰值剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力的變化曲線存在一定的非線性，通常采用割線摩擦角φsec來(lái)表征接觸面的強(qiáng)度指標(biāo)［29］.由圖8 獲得不同相對(duì)密實(shí)度下砂土-混凝土接觸面割線摩擦角，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到接觸面割線摩擦角-法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖9 所示.擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2>0.903 1，相關(guān)性較好，割線摩擦角與法向應(yīng)力的擬合方程可以表示為：

圖9 不同相對(duì)密實(shí)度下割線摩擦角-法向應(yīng)力的變化曲線Fig.9 Curves of secant friction angle-normal stress with different relative densities

式中：φsec為接觸面割線摩擦角；σn為法向應(yīng)力；A、B、C為擬合參數(shù)，可通過(guò)數(shù)據(jù)回歸分析獲得.

分析圖9 可知，在相同粗糙度下，接觸面割線摩擦角隨法向應(yīng)力增加近似呈指數(shù)衰減，割線摩擦角的衰減速率先增大后變小.例如，當(dāng)I=0 mm 時(shí)，法向應(yīng)力由50 kPa 增至350 kPa，Dr=73%試樣的割線摩擦角對(duì)應(yīng)的衰減率分別為22.05%、5.27%、1.52%.在相同法向應(yīng)力下，相對(duì)密實(shí)度越大，接觸面割線摩擦角越大，法向應(yīng)力增加導(dǎo)致割線摩擦角隨相對(duì)密實(shí)度變化的衰減速率越小.I=20 mm，法向應(yīng)力在50 kPa 和350 kPa 時(shí)，Dr=73%、47%、23%對(duì)應(yīng)割線摩擦角衰減速率分別為22.37%、17.28%、5.30% 和12.93%、2.32%、0.82%.說(shuō)明相對(duì)密實(shí)度降低會(huì)減小接觸面割線摩擦角對(duì)法向應(yīng)力影響的敏感性.

2.2.3 接觸面峰值界面摩擦系數(shù)

樁-土接觸面力學(xué)特性除了可以用峰值剪切強(qiáng)度τp和接觸面割線摩擦角φsec表征外，還可以由界面摩擦系數(shù)μp來(lái)反映.為了直觀反映法向應(yīng)力和粗糙度對(duì)接觸面摩擦系數(shù)的影響，本文采用峰值界面摩擦系數(shù)μp［30］表征砂土-混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度特性.峰值界面摩擦系數(shù)μp可定義為峰值剪切強(qiáng)度τp與所施加法向應(yīng)力σn的比值，表達(dá)式如下：

根據(jù)表3 和公式（3）計(jì)算得到不同相對(duì)密實(shí)度下砂土-混凝土接觸面及砂土自剪峰值界面摩擦系數(shù)，如表4所示.基于表4結(jié)果，采用最小二乘法擬合獲得砂土-混凝土接觸面及砂土自剪峰值界面摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力的變化曲線，如圖10 所示.擬合相關(guān)系數(shù)R2>0.89，相關(guān)性較好，峰值界面摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力的擬合方程可表示為：

圖10 接觸面峰值界面摩擦系數(shù)-法向應(yīng)力變化Fig.10 Curves of peak friction coefficient-normal stress of the interface

表4 砂土-混凝土接觸面峰值界面摩擦系數(shù)Tab.4 Peak friction coefficient of sand-concrete interface

式中：μp為峰值界面摩擦系數(shù)；σn為法向應(yīng)力；A、B為擬合系數(shù)，表征峰值界面摩擦系數(shù)μp隨法向應(yīng)力的增大而衰減的程度.

由表4、圖10可知，不同相對(duì)密實(shí)度下峰值界面摩擦系數(shù)隨法向應(yīng)力增加近似呈冪函數(shù)衰減，法向應(yīng)力越大，峰值界面摩擦系數(shù)衰減速率越小.例如粗糙度I=20 mm時(shí)，σn由50 kPa增加至150 kPa，Dr=73%的試樣對(duì)應(yīng)的μp由2.01減小為1.16，衰減率為42.29%；而σn由150 kPa增加至350 kPa時(shí)，μp衰減率為27.5%.

盡管峰值界面摩擦系數(shù)隨法向應(yīng)力增加而衰減，但并不說(shuō)明接觸面剪切強(qiáng)度的降低.由2.1 節(jié)分析可知，相同粗糙度下，法向應(yīng)力越大，接觸面抗剪強(qiáng)度越高.其規(guī)律可以解釋為：隨法向應(yīng)力σn的增加，峰值剪切強(qiáng)度τp的增量變化較小，導(dǎo)致τp/σn的比值減小，即使得峰值界面摩擦系數(shù)μp在高法應(yīng)力下作用逐漸趨于平穩(wěn).此時(shí)法向應(yīng)力增量引起的峰值剪切強(qiáng)度τp增量變大，導(dǎo)致峰值界面摩擦系數(shù)不會(huì)持續(xù)減小.這一規(guī)律與張玲等［31］、王協(xié)群等［32］的研究中所得結(jié)論相一致.

此外，粗糙度對(duì)峰值界面摩擦系數(shù)影響較大.不同相對(duì)密實(shí)度下，峰值界面摩擦系數(shù)滿足的關(guān)系，其中表示粗糙度為x的峰值界面摩擦系數(shù).由此可知，存在臨界粗糙度Icr=10 mm，當(dāng)粗糙度I

2.3 粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響

為了分析粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響，并判斷剪切過(guò)程中接觸面的剪切破壞位置，采用歸一化割線摩擦角φsec/φs來(lái)表征砂土-混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度.其中，φsec為接觸面割線摩擦角；φs為相同密實(shí)度下砂土割線摩擦角，具體參數(shù)見表5.

表5 砂土-混凝土接觸面割線摩擦角Tab.5 Secant friction angle of sand-concrete interface

圖11 為不同法向應(yīng)力下砂土-混凝土接觸面歸一化割線摩擦角-粗糙度關(guān)系曲線.由圖11 可知，不同密實(shí)度下，歸一化割線摩擦角隨著粗糙度增加（0 mm→10 mm）而增大，后隨粗糙度增加（10 mm→30 mm）而減小.歸一化割線摩擦角隨粗糙度的變化規(guī)律同樣證明了臨界粗糙度Icr的存在.即當(dāng)I

圖11 接觸面歸一化割線摩擦角-粗糙度變化曲線Fig.11 Curves of normalized secant friction angle-roughness of the interface

砂土-混凝土接觸面剪切破壞位置常通過(guò)接觸面剪切強(qiáng)度與砂土自剪強(qiáng)度的大小來(lái)判斷，剪切破壞面常發(fā)生在抗剪強(qiáng)度相對(duì)較小的位置.對(duì)于中密、松砂而言，歸一化割線摩擦角φsec/φs始終小于1.0，即說(shuō)明接觸面抗剪強(qiáng)度要小于砂土自剪強(qiáng)度，此時(shí)剪切破壞面可能發(fā)生在接觸面上.而對(duì)于密砂而言，歸一化割線摩擦角φsec/φs更接近1.0；當(dāng)達(dá)到臨界粗糙度Icr時(shí)，φsec/φs超過(guò)1.0.這說(shuō)明接觸面抗剪強(qiáng)度要大于砂土自剪強(qiáng)度，此時(shí)剪切破壞面可能發(fā)生在土體中.

3.4 相對(duì)密實(shí)度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響

由表5 繪制得到不同法向應(yīng)力下砂土-混凝土接觸面割線摩擦角-相對(duì)密實(shí)度的變化曲線，如圖12所示.由圖12 可知，相同法向應(yīng)力下，接觸面割線摩擦角隨相對(duì)密實(shí)度的增大而增加.例如法向應(yīng)力σn=50 kPa 時(shí)，粗糙度I=10 mm 的試樣相對(duì)密實(shí)度為23%、47%、73%，對(duì)應(yīng)的接觸面割線摩擦角為49.39°、55.14°、65.9°.通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到割線摩擦角與相對(duì)密實(shí)度的變化曲線，發(fā)現(xiàn)二者存在良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2>0.803 5.其擬合方程為：

圖12 接觸面割線摩擦角-相對(duì)密實(shí)度變化曲線Fig.12 Curves of secant friction angle-relative density of the interface

式中：A、B均為擬合參數(shù)，分別表征接觸面割線摩擦角φsec隨相對(duì)密實(shí)度增大而增加的程度以及除相對(duì)密實(shí)度外的其他因素對(duì)割線摩擦角φsec的影響.

相同粗糙度下，接觸面割線摩擦角φsec的增長(zhǎng)速率隨法向應(yīng)力增加逐漸減小.例如在粗糙度I=10 mm下，法向應(yīng)力50～350 kPa 對(duì)應(yīng)的接觸面割線摩擦角φsec的增長(zhǎng)速率分為33.43%、29.38%、19.70%、19.06%.相同法向應(yīng)力下，無(wú)論相對(duì)密實(shí)度如何變化，光滑接觸面的割線摩擦角始終是下限值，而臨界粗糙度Icr=10 mm的接觸面割線摩擦角始終是上限值.

3 結(jié)論

本文利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)樁徑曲線所獲的樁側(cè)粗糙度分布頻率，構(gòu)建了可模擬實(shí)際樁側(cè)粗糙度的混凝土接觸面.采用大型直剪儀開展了砂土-混凝土接觸面直剪試驗(yàn)，探究了不同粗糙度和相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律.主要研究結(jié)論如下：

1）密砂在光滑接觸面下，剪切應(yīng)力-切向位移曲線呈輕微軟化，隨著粗糙度增加，曲線軟化趨勢(shì)越明顯.密砂達(dá)到峰值強(qiáng)度所需切向位移隨法向應(yīng)力、粗糙度增加而增大.松砂的剪切應(yīng)力-切向位移曲線始終呈硬化趨勢(shì).密實(shí)度對(duì)剪切應(yīng)力-切向位移曲線發(fā)展形式起主導(dǎo)作用，而粗糙度對(duì)曲線的發(fā)展程度影響較大.

2）界面峰值剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加近似非線性增長(zhǎng)，相對(duì)密實(shí)度越大，非線性增長(zhǎng)越明顯.接觸面割線摩擦角隨法向應(yīng)力增加呈指數(shù)衰減，但隨相對(duì)密實(shí)度增加呈線性增長(zhǎng).相同粗糙度下，相對(duì)密實(shí)度越大，接觸面割線摩擦角越大.

3）不同相對(duì)密實(shí)度下接觸面峰值界面摩擦系數(shù)則隨法向應(yīng)力增加呈冪函數(shù)衰減，衰減速率逐漸減小，這并不代表剪切強(qiáng)度的減小，而是剪切強(qiáng)度的增量變化較小所導(dǎo)致.光滑接觸面的峰值界面摩擦系數(shù)始終是砂土-混凝土接觸面的下限值，砂土自剪的峰值界面摩擦系數(shù)卻不總是其上限值.對(duì)密砂而言，當(dāng)粗糙度達(dá)到臨界值時(shí)，容易產(chǎn)生“被動(dòng)阻力”，使得砂土-混凝土接觸面峰值界面摩擦系數(shù)超過(guò)砂土自剪的峰值界面摩擦系數(shù)；對(duì)中密砂、松砂而言，砂土自剪的峰值界面摩擦系數(shù)仍然是其上限值.

4）存在臨界粗糙度Icr，當(dāng)I