棄渣混合料與混凝土接觸面剪切力學(xué)特性

朱武俊，王 晅,2，張家生,2，陳曉斌,2，成 浩，王永倩,李 度

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，長(zhǎng)沙 410075；3.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528300)

石灰?guī)r在中國(guó)南方特別是西南地區(qū)廣泛分布，在線路隧道及地下洞室開挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的灰質(zhì)巖棄渣。大多數(shù)灰質(zhì)巖棄渣具有強(qiáng)度高、變形小、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在路基、山區(qū)站場(chǎng)、廠坪等填方工程中，形成了典型的灰質(zhì)巖棄渣混合料與剛性混凝土結(jié)構(gòu)接觸面相互作用問(wèn)題。例如，在灰質(zhì)巖棄渣填方區(qū)，支擋結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用、樁土相互作用等[1]。大量研究表明，土體與結(jié)構(gòu)接觸面常常是工程中的薄弱面，關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定及長(zhǎng)期服役性能[2]。因此，深入研究灰質(zhì)巖棄渣混合料與混凝土接觸面的剪切力學(xué)特性十分必要。

土與結(jié)構(gòu)接觸面的相互作用一直是巖土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。土體和結(jié)構(gòu)面板作為接觸面的兩個(gè)組成部分，必然對(duì)接觸面的剪切特性具有顯著影響，因此，接觸面土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面板表面形貌特征備受關(guān)注。Potyondy[3]早在1961年通過(guò)一系列接觸面直剪試驗(yàn)，研究了土與不同結(jié)構(gòu)接觸面的剪切特性。為描述接觸面粗糙度對(duì)接觸面剪切特性的影響，Uesugi等[4]首次提出了相對(duì)粗糙度Rn的概念。Chen等[5]發(fā)現(xiàn)隨接觸面粗糙度的增加，接觸面抗剪強(qiáng)度逐漸增加，且接觸面的剪切破壞面逐漸由土體與混凝土面板接觸界面處向土體內(nèi)部移動(dòng)。Li等[6]指出隨著接觸面粗糙度的增加，接觸面擾動(dòng)范圍、土顆粒的運(yùn)動(dòng)和再分布顯著增加，導(dǎo)致接觸面抗剪強(qiáng)度和剪切變形明顯增大。Martinez等[7]對(duì)砂土與不同類型粗糙鋼板接觸面進(jìn)行剪切試驗(yàn)，首次提出非堵塞粗糙結(jié)構(gòu)面板能增加接觸面的被動(dòng)阻力，可使接觸面剪切強(qiáng)度高于土體剪切強(qiáng)度。Wang等[8]探討了土體顆粒粒徑和接觸面粗糙度對(duì)砂土與接觸面剪切特性的影響，并提出了“有效界面”的概念。Stutz等[9]受蛇皮鱗片的啟發(fā)，通過(guò)設(shè)置砂土與不同長(zhǎng)高比的楔形體結(jié)構(gòu)面板剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接觸面的剪切具有摩擦各向異性。Rui等[10]認(rèn)為接觸面的抗剪強(qiáng)度增加是由于粗糙結(jié)構(gòu)面板能顯著提高土顆粒與結(jié)構(gòu)面板間的相互作用。Nasrin等[11]認(rèn)為接觸面抗剪強(qiáng)度由顆粒聯(lián)鎖、剪脹作用、顆粒重排列、顆粒摩擦和破碎組成。Feng等[12]發(fā)現(xiàn)增加接觸面法向剛度能有效提高粗粒土與鋼板接觸面的抗剪強(qiáng)度。Cen等[1]通過(guò)研究土石混合料與巖石接觸面的剪切特性發(fā)現(xiàn)，隨含石量的增加，接觸面的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角均增加，但接觸面的黏聚力減小。楊忠平等[13]通過(guò)大型直剪儀研究了接觸面粗糙度對(duì)填方體與下伏基巖接觸面剪切特性的影響，指出接觸面的抗剪強(qiáng)度隨粗糙度的增加而增加。

綜上，發(fā)現(xiàn)關(guān)于土體類型和接觸面粗糙度對(duì)接觸面剪切力學(xué)特性的影響研究較多。對(duì)區(qū)別于常規(guī)土石混合料的無(wú)黏性灰質(zhì)巖棄渣混合料與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的剪切力學(xué)特性的研究尚缺少足夠的報(bào)道，且鑒于生態(tài)保護(hù)的要求，在工程建設(shè)中，對(duì)棄渣資源化利用的需求日益增多，而由于棄渣混合料往往具有離散性大、級(jí)配復(fù)雜等特點(diǎn)，目前對(duì)其與剛性結(jié)構(gòu)接觸面的研究存在一定的不足，特別是在接觸面粗糙度與棄渣混合料含石量對(duì)灰質(zhì)巖棄渣混合料與混凝土接觸面剪切力學(xué)特性的影響及抗剪強(qiáng)度機(jī)制的研究上還未清晰，為此，本研究通過(guò)大型直剪儀進(jìn)行了一系列灰質(zhì)巖棄渣混合料與混凝土接觸面的剪切試驗(yàn)，研究了接觸面粗糙度、灰質(zhì)巖棄渣混合料含石量、法向應(yīng)力對(duì)接觸面剪切力學(xué)特性的影響及接觸面的抗剪強(qiáng)度機(jī)制。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用TAW-800大型直剪系統(tǒng)，如圖1所示。該直剪系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)組成，上下剪切盒尺寸長(zhǎng)×寬×高為500 mm×500 mm×150 mm。豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)的最大軸力分別為800和400 kN，水平剪切最大行程為300 mm。

圖1 TAW-800大型直剪系統(tǒng)示意

1.2 試驗(yàn)材料

土樣取自某在建高鐵隧道棄渣，巖性為白云質(zhì)石灰?guī)r，經(jīng)過(guò)人工破碎分選后形成灰質(zhì)巖棄渣混合料，用于路基填料，其顆粒粒徑范圍為0～40 mm，其中粒徑小于0.1 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%，如圖2所示。由XRD(X射線衍射儀)分析得到其成分組成如表1所示。為消除尺寸效應(yīng)，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)規(guī)定，剪切盒高度與最大顆粒粒徑之比不應(yīng)小于4，選擇試樣的最大粒徑為20 mm，采用等量替代法對(duì)原始級(jí)配進(jìn)行相應(yīng)的縮尺。

表1 試驗(yàn)土樣礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 白云質(zhì)石灰?guī)r棄渣

目前，在土石混合料的研究中普遍將5 mm作為土與石的分界粒徑[14]，為此，本試驗(yàn)亦取5 mm作為土石閥值。定義灰質(zhì)巖棄渣混合料的含石量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為w，計(jì)算公式為

(1)

式中：mr為試樣中粒徑大于5 mm的土顆?？傎|(zhì)量(kg),m為試樣總質(zhì)量(kg)。

同時(shí)，相關(guān)研究表明，當(dāng)含石量在25%～70%時(shí)，土石混合料的性質(zhì)取決于土體與塊石之間的相互作用[15]。為研究含石量對(duì)灰質(zhì)巖棄渣混合料與混凝土接觸面剪切力學(xué)特性的影響，試驗(yàn)設(shè)置含石量分別為25%、40%、55%、70%，采用改變土石比例的方法進(jìn)行配置，級(jí)配曲線和試樣最大干密度如圖3、4所示，各組土樣的基本物理性質(zhì)見表2。

圖3 試樣級(jí)配曲線

圖4 試樣最大干密度

表2 土樣基本物理參數(shù)

試驗(yàn)所用的混凝土結(jié)構(gòu)面板采用C40混凝土澆筑而成，為保證剪切面的面積不變，且保證足夠大剪切位移，混凝土結(jié)構(gòu)面板尺寸設(shè)置長(zhǎng)×寬×高為570 mm×570 mm×115 mm。Dove等[16]研究表明，建筑物結(jié)構(gòu)表面的形狀多近似為三角形或梯形，本試驗(yàn)采用梯形結(jié)構(gòu)面板模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)表面，如圖5所示，其表面尺寸參數(shù)如表3所示。

圖5 混凝土板

表3 混凝土板表面幾何參數(shù)

目前，關(guān)于接觸面粗糙度的量化表征并不統(tǒng)一，主要方法有最大峰谷距法、灌砂法、相對(duì)粗糙度法、平均峰谷距法、分維法等[5,17-18]。研究表明，接觸面粗糙度不僅與結(jié)構(gòu)表面的形貌特征有關(guān)，且與顆粒粒徑和結(jié)構(gòu)表面形貌相對(duì)尺度相關(guān)[7,19-20]，為此，采用Uesugi[4]提出的能夠反映接觸面形貌特征和顆粒大小的相對(duì)粗糙度Rn描述接觸面粗糙度，Rn計(jì)算如下

Rn=H/d50

(2)

式中：H為結(jié)構(gòu)面板峰谷距(mm),d50為試驗(yàn)試樣的平均粒徑(mm)。

試驗(yàn)采用含石量為55%土樣和不同峰谷距的混凝土板研究粗糙度的影響，含石量55%土樣的平均粒徑d50=6.3 mm，因此，由式(2)可得相對(duì)粗糙度Rn分別為0、0.79、1.59、3.17、4.76。為區(qū)分接觸面的類型，將Rn=0時(shí)的接觸面稱為“光滑接觸面”，此時(shí)的混凝土板稱為光滑結(jié)構(gòu)面板，將Rn>0時(shí)的接觸面稱為“粗糙接觸面”，此時(shí)的混凝土板稱為粗糙結(jié)構(gòu)面板。

1.3 試驗(yàn)步驟及方案

為研究含石量和粗糙度對(duì)灰質(zhì)巖棄渣混合料與混凝土接觸面剪切特性的影響，將直剪系統(tǒng)下剪切盒替換為混凝土面板。試樣含水率取采樣時(shí)土樣的天然含水率4.6%，將配制好的混合料進(jìn)行悶料養(yǎng)護(hù)24 h后分3層裝入上剪切盒，并進(jìn)行人工壓實(shí)，控制試驗(yàn)的壓實(shí)度為90%，對(duì)各層土接觸面進(jìn)行鑿毛處理，防止層面效應(yīng)。每組試樣分別在50、100、200、400 kPa條件下進(jìn)行試驗(yàn)。參考相關(guān)文獻(xiàn)[21]在接觸面剪切試驗(yàn)中對(duì)剪切速率的設(shè)置，本研究取剪切速率為1 mm/min,剪切位移取試樣長(zhǎng)度的10%，設(shè)置為50 mm，試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 試樣方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粗糙度對(duì)接觸面剪切力學(xué)特性的影響

2.1.1 接觸面剪切強(qiáng)度特性分析

為方便描述，將土體與混凝土面板相互作用區(qū)域稱為接觸面，將土體與混凝土面板接觸的面稱為接觸界面或界面。

圖6分別為粗糙度Rn=0、0.79、1.59、3.17、4.76時(shí)，接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線?？梢钥闯觯植诙葘?duì)接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線影響較為明顯，光滑接觸面時(shí)，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線呈現(xiàn)“理想彈塑性”特征；而粗糙接觸面時(shí)，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化或微軟化特征。光滑接觸面的剪切應(yīng)力在較小剪切位移時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而粗糙接觸面剪切應(yīng)力達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)所需的剪切位移明顯大于光滑接觸面所需的剪切位移，即粗糙度接觸面能提高接觸面的塑性變形能力。這是由于光滑接觸面的剪切強(qiáng)度主要依賴于土體與接觸界面的摩擦，隨剪切的進(jìn)行，土體與接觸界面的摩擦作用很快達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為滑移破壞特征，而在粗糙接觸面中，粗糙結(jié)構(gòu)面板對(duì)接觸界面上方土體具有一定的擾動(dòng)作用。在剪切過(guò)程中，土顆粒隨之發(fā)生爬升、旋轉(zhuǎn)、互鎖等，到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)所需的剪切位移更大，接觸面剪切特性宏觀表現(xiàn)為接觸面塑性變形能力增加。

圖6 不同粗糙度條件下接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

2.1.2 接觸面法向變形特性分析

Pra-ai等[22]指出在常法向應(yīng)力邊界條件下，接觸面的法向位移可由試樣的法向位移替代。本研究采用試樣的法向位移變化規(guī)律反映接觸面的法向變形規(guī)律，法向位移以體積壓縮為正，體積膨脹為負(fù)。

圖7為不同粗糙度條件下接觸面的法向位移-剪切位移曲線，可以看出，在不同粗糙度條件下，接觸面在初始變形階段均為體縮，且初始剪縮量隨法向應(yīng)力的增加而增加。這是由于在初始剪切階段，試樣孔隙較大，分布不均勻，隨剪切位移和法向應(yīng)力的增加，根據(jù)孔隙均勻化原理[23]，大孔隙逐漸減小，接觸界面附近土體孔隙逐漸均勻化，宏觀上表現(xiàn)為法向位移增加，且隨法向應(yīng)力增大，土顆粒接觸更加緊密，導(dǎo)致剪縮更明顯。光滑接觸面時(shí)，接觸面法向變形隨剪切位移的增加呈現(xiàn)先剪縮后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且最終剪縮量隨法向應(yīng)力的增加而增加。例如，在50、100、200、400 kPa時(shí)的最終法向位移為0.47、0.57、1.34、1.44 mm；而粗糙接觸面時(shí)，試樣的法向變形趨勢(shì)均為先減縮后剪脹，最后逐漸趨于穩(wěn)定，剪脹量隨法向應(yīng)力的增加而減小。隨法向應(yīng)力的增加，試樣最終法向變形逐漸由剪脹向剪縮發(fā)展。這是因?yàn)樵诠饣佑|面上剪切時(shí)，接觸面為滑移破壞，試樣的法向變形以法向應(yīng)力對(duì)試樣的壓縮為主，而當(dāng)接觸面為粗糙接觸面時(shí)，結(jié)構(gòu)面板與土顆粒相互作用，導(dǎo)致土顆粒之間、土顆粒與結(jié)構(gòu)面板之間均會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑移、翻滾等位移變動(dòng)，接觸界面附近的土體孔隙比增加，發(fā)生剪脹變形。而法向應(yīng)力對(duì)土顆粒的位變約束具有較大的影響，低法向應(yīng)力對(duì)土顆粒位變約束較小，試樣剪脹明顯；高法向應(yīng)力對(duì)土顆粒位變約束更強(qiáng)，對(duì)剪脹有抑制的作用。接觸面剪切變形示意如圖8所示。

圖7 不同粗糙度條件下接觸面法向位移-剪切位移曲線

圖8 接面剪切變形示意

2.2 含石量對(duì)接觸面剪切力學(xué)特性的影響

2.2.1 接觸面剪切強(qiáng)度特性分析

圖9分別為含石量為25%、40%、55%、70%時(shí)接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線?？梢钥闯?，不同含石量條件下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線特征較相似，主要分為3個(gè)部分，即初始彈性階段、塑性增長(zhǎng)階段、殘余穩(wěn)定階段。在初始彈性階段，剪切應(yīng)力均隨剪切位移的增加而急劇增加，且接觸面初始剪切剛度均隨法向應(yīng)力的增加而增加。這是由于在試樣剪切裝樣過(guò)程中，只對(duì)試樣進(jìn)行了法向壓實(shí)，導(dǎo)致試樣不夠密實(shí)，孔隙較大且分布不均勻。隨著剪切位移的增加，試樣內(nèi)部孔隙迅速減小，剪切強(qiáng)度迅速增加，且隨法向應(yīng)力的增加，土顆粒之間接觸更加密實(shí)，抵抗剪切的能力更強(qiáng)，初始剪切剛度增加。

圖9 不同含石量條件下接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

在塑性增長(zhǎng)階段，隨著剪切的進(jìn)行，接觸面剪切應(yīng)力的增長(zhǎng)速度逐漸減小至達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度。這一階段主要存在兩種剪切機(jī)制的共同作用[24]，一是土顆粒與結(jié)構(gòu)面板的相互作用，導(dǎo)致土顆粒的旋轉(zhuǎn)、翻越、咬合產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象；另外，顆粒的位變導(dǎo)致接觸界面附近土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。從抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)制的角度分析，接觸界面附近土顆粒的咬合、翻轉(zhuǎn)、嵌固能有效提高接觸面的抗剪強(qiáng)度，而顆粒的相對(duì)位變使接觸界面附近土體發(fā)生一定的剪脹現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸面土體空隙率變大，從而土顆粒相互作用減弱，抗剪強(qiáng)度發(fā)生一定的削弱。這兩種因素相互影響，共同決定接觸面的抗剪強(qiáng)度。顆粒咬合導(dǎo)致接觸面強(qiáng)度增強(qiáng)作用逐漸減弱，土體結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致接觸面強(qiáng)度弱化現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，因此，接觸面的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)速度逐漸減小，兩種因素相互影響直至接觸面的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度。

在殘余穩(wěn)定階段，在較大剪切位移下，接觸面剪切強(qiáng)度在峰值強(qiáng)度后出現(xiàn)短暫輕微的應(yīng)變軟(硬)化，之后剪切應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)接觸面達(dá)到峰值強(qiáng)度后，接觸界面附近的土體破壞，接觸面出現(xiàn)“顆粒流動(dòng)”特征，宏觀表現(xiàn)為接觸面剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2.2.2 接觸面法向變形特性分析

圖10為不同含石量條件下，接觸面法向位移-剪切位移曲線?？梢钥闯?，不同含石量條件下的接觸面法向位移-剪切位移曲線特征較為相似，接觸面法向變形趨勢(shì)均為先剪縮后剪脹，最后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于接觸面的變形主要由外部荷載對(duì)試樣的壓縮作用和顆粒相對(duì)位變導(dǎo)致的剪脹作用共同控制。其中，試樣初始剪切階段，外荷載產(chǎn)生的壓縮作用顯著，導(dǎo)致試樣發(fā)生剪縮現(xiàn)象。而隨著剪切位移的進(jìn)一步增加，結(jié)構(gòu)面板和接觸界面附近土顆粒的相互作用，導(dǎo)致顆粒的旋轉(zhuǎn)、爬升、咬合等相對(duì)位變，接觸界面附近土體剪脹作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)二者的影響相互抵消時(shí)，宏觀表現(xiàn)為“相變狀態(tài)”，即剪脹比為0。隨著剪切位移的增加，剪脹作用逐漸增強(qiáng)，接觸面發(fā)生剪脹變形，當(dāng)剪切位移較大時(shí)，剪切帶逐漸形成穩(wěn)定的剪切帶，接觸界面附近土體結(jié)構(gòu)性消失，表現(xiàn)出流動(dòng)特征，宏觀表現(xiàn)為法向變形趨于穩(wěn)定。法向應(yīng)力對(duì)接觸面的法向變形具有較大的影響，隨法向應(yīng)力的增加，接觸面的法向變形逐漸由剪脹向剪縮轉(zhuǎn)化。例如，含石量為55%，在50、100、200、400 kPa時(shí)的最終法向位移分別為-1.21、-0.86、0.25、1.44 mm。表明法向應(yīng)力對(duì)土顆粒的“剪脹運(yùn)動(dòng)”具有一定的抑制作用。

圖10 不同含石量條件下接觸面法向位移-剪切位移曲線

3 接觸面抗剪強(qiáng)度及參數(shù)分析

3.1 接觸面抗剪強(qiáng)度分析

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)規(guī)定，抗剪強(qiáng)度應(yīng)取峰值強(qiáng)度或穩(wěn)定值，剪切應(yīng)力無(wú)明顯峰值時(shí)，取剪切位移達(dá)到試樣直徑的1/15～1/10時(shí)的剪切應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)不同工況條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同粗糙度和不同含石量條件下接觸面的抗剪強(qiáng)度，并進(jìn)行莫爾-庫(kù)倫線性擬合，擬合結(jié)果如表5、6所示，由表5、6可知，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，表明接觸面的抗剪強(qiáng)度符合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。

表5 不同粗糙度條件下的接觸面抗剪強(qiáng)度

表6 不同含石量條件下接觸面的抗剪強(qiáng)度

不同法向應(yīng)力條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨粗糙度增加的變化曲線如圖11所示?？梢钥闯?，不同粗糙度條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力的增加而增加。在相同法向應(yīng)力條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨粗糙度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在粗糙度Rn=1.59時(shí)達(dá)到最大。但隨法向應(yīng)力的增加，粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化作用逐漸減弱。例如，在粗糙度Rn=1.59時(shí)，相比光滑接觸面，在50、100、200、400 kPa時(shí)接觸面的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為243.6%、216.9%、136.5%、99.9%。

圖12為不同法向應(yīng)力條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨含石量增加的變化曲線，可以看出，接觸面抗剪強(qiáng)度隨含石量的變化規(guī)律受法向應(yīng)力的影響較大。在較低法向應(yīng)力(50、100 kPa)，含石量為40%時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大；在200 kPa條件下，抗剪強(qiáng)度隨含石量的增加而增加，在含石量為70%時(shí)達(dá)到最大；而在較高法向應(yīng)力400 kPa時(shí)，接觸面抗剪強(qiáng)度在含石量為55%時(shí)達(dá)到最大。

圖12 接觸面抗剪強(qiáng)度隨含石量的變化

3.2 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

3.2.1 粗糙度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖13為接觸面表觀黏聚力和內(nèi)摩擦角隨粗糙度增加的變化，可以看出，相比光滑接觸面，粗糙接觸面的表觀黏聚力c急劇增加，而在粗糙接觸面上表觀黏聚力c規(guī)律不明顯，呈現(xiàn)波動(dòng)特征。在光滑接觸面中，接觸面為滑移破壞，土顆粒之間的相對(duì)位移較小，接觸面主要由土顆粒與混凝土結(jié)構(gòu)面板的滑移摩阻力承擔(dān)。而在粗糙接觸面中，由于混凝土面板“鋸齒”對(duì)土樣的擾動(dòng)作用，土顆粒不斷地調(diào)整位置，發(fā)生劇烈咬合嵌固作用，產(chǎn)生“被動(dòng)阻力”[2]，導(dǎo)致表觀黏聚力急劇增加。當(dāng)“鋸齒”深度相對(duì)于土顆粒粒徑較大時(shí)，土顆粒易“凹陷”在凹槽底部，如圖14所示，與原凹槽和接觸界面附近的土體形成“有效界面”[1]，如圖15所示,導(dǎo)致實(shí)際粗糙度發(fā)生變化，表觀黏聚力變化規(guī)律不明顯。

圖13 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨粗糙度增加的變化

圖14 土顆粒填充

圖15 “有效界面”示意

相比光滑接觸面，粗糙接觸面的內(nèi)摩擦角顯著增大。例如，相對(duì)于光滑接觸面，在Rn=0.79、1.59、3.17、4.76時(shí)，接觸面內(nèi)摩擦角分別增大了27.8%、44.7%、41.4%、30.5%。且接觸面的內(nèi)摩擦角隨粗糙度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

3.2.2 含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

由圖16為接觸面表觀黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含石量增加的變化規(guī)律，可以看出，隨含石量的增加，接觸面表觀黏聚力呈現(xiàn)先增加后減小并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且在含石量為40%時(shí)達(dá)到最大。接觸面內(nèi)摩擦角總體呈現(xiàn)隨含石量的增加逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于試樣中不同含石量的接觸面試驗(yàn)均是在相同粗糙度條件下進(jìn)行，因此，接觸面表觀黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化主要是由于接觸界面上方土顆粒間地咬合嵌固、相對(duì)滑移程度不同產(chǎn)生的。試驗(yàn)土樣隨著含石量的變化，級(jí)配也相應(yīng)的發(fā)生了改變，對(duì)其顆粒和孔隙的分布產(chǎn)生了較大的影響。如圖4所示，本試驗(yàn)采用土樣的最大干密度隨含石量的變化呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)，在含石量為40%時(shí)，土樣的最大干密度最大，土顆粒之間的接觸更加緊密，在接觸面剪切中，土顆粒之間的相互作用更加劇烈，表現(xiàn)為表觀黏聚力在含石量為40%達(dá)到最大，而隨含石量的繼續(xù)增加，顆粒破碎增加和接觸面土體密實(shí)度的減小，導(dǎo)致接觸面表觀黏聚力減小并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)隨含石量的增長(zhǎng)，土樣的粗顆粒越多，其顆粒之間的，摩擦作用更加凸顯，且粗顆粒與接觸面之間的有效接觸摩擦也相對(duì)增加，因此接觸面內(nèi)摩擦角隨含石量的增加而增加。

圖16 接觸面強(qiáng)度參數(shù)隨含石量增加的變化

4 接觸面抗剪強(qiáng)度機(jī)制分析

綜合Frost[25]、Tang[26]、Martinez[7]、Kang[27]等對(duì)接觸面強(qiáng)度機(jī)制的研究，可認(rèn)為接觸面的抗剪強(qiáng)度主要由兩部分組成：一是混凝土結(jié)構(gòu)面板的存在，使土體顆粒與接觸面板之間摩擦、咬合等相互作用及結(jié)構(gòu)面板對(duì)土體擾動(dòng)作用產(chǎn)生的剪切阻力，稱為被動(dòng)阻力(τAP)；二是接觸面內(nèi)部土體相互嵌固、翻轉(zhuǎn)、咬合等相互作用產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度，稱為內(nèi)阻力(τIF)，接觸面剪切強(qiáng)度機(jī)制示意見圖17。

圖17 接觸面剪切強(qiáng)度機(jī)制示意

被動(dòng)阻力τAP的確定方法存在一定的差異，本研究采用Kang等[27]對(duì)被動(dòng)阻力τAP的確定方法，取接觸面的被動(dòng)阻力τAP為接觸面強(qiáng)度包絡(luò)線與縱坐標(biāo)軸的截距，即接觸面的表觀黏聚力，如圖18所示。因此，內(nèi)阻力摩擦角φIF可按式(3)計(jì)算:

圖18 接觸面抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

(3)

式中：φIF為內(nèi)阻力摩擦角(°)，τ為接觸面峰值強(qiáng)度(kPa),τAP為被動(dòng)阻力(kPa),σn為法向應(yīng)力(kPa)。

圖19為接觸面內(nèi)阻力摩擦角φIF隨粗糙度Rn增加的變化，可以看出，隨粗糙度的增加，接觸面內(nèi)阻力摩擦角φIF呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。表明隨著粗糙度的增加，混凝土結(jié)構(gòu)面板對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)作用增大，引起接觸面內(nèi)部土顆粒的滾動(dòng)、滑移等相互作用逐漸增強(qiáng)，加劇了顆粒之間的摩擦效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)阻力摩擦角增加。而隨著粗糙度的進(jìn)一步增加，土顆粒對(duì)凹槽的填充作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面板對(duì)土體的調(diào)動(dòng)作用減小，內(nèi)阻力摩擦角和被動(dòng)阻力均有不同程度的減小，同時(shí)也解釋了接觸面存在最優(yōu)粗糙度，使接觸面抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖19 內(nèi)阻力摩擦角隨粗糙度的變化

通過(guò)對(duì)接觸面內(nèi)阻力摩擦角φIF和被動(dòng)阻力τAP的分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于光滑接觸面，粗糙接觸面能較大程度地提高接觸面的內(nèi)阻力摩擦角和被動(dòng)阻力。由此分析粗糙結(jié)構(gòu)面板對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的提高主要源于兩方面：1)粗糙接觸面增大了土顆粒與結(jié)構(gòu)面板之間的接觸面積，提高了顆粒與結(jié)構(gòu)面板之間的摩擦、咬合作用；2)粗糙結(jié)構(gòu)面板的凹槽能有效地調(diào)動(dòng)接觸界面上方土顆粒的相互作用，提高顆粒之間的摩擦、咬合效應(yīng)，從而起到增大接觸面抗剪強(qiáng)度的作用。同時(shí)，粗糙結(jié)構(gòu)面板凹槽的“耕犁”作用導(dǎo)致接觸界面上方土體相對(duì)松散，對(duì)接觸面強(qiáng)度起到一定的削弱作用，因此，粗糙結(jié)構(gòu)面板對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的提高作用有限，存在最優(yōu)粗糙度使粗糙結(jié)構(gòu)面板對(duì)接觸面強(qiáng)度的提高達(dá)到最大。即此時(shí)土體與結(jié)構(gòu)面板形成的“有效界面”能最大程度地產(chǎn)生土顆粒之間的嵌固、咬合作用，使接觸面的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

5 結(jié) 論

1)相同法向應(yīng)力條件下，光滑接觸面表現(xiàn)為滑移破壞特征，而粗糙接觸面表現(xiàn)為應(yīng)變硬化或微軟化破壞特征。隨粗糙度的增加，接觸面抗剪強(qiáng)度呈先增加后減小的趨勢(shì)，存在最優(yōu)粗糙度使接觸面的強(qiáng)度達(dá)到最大。由于凹槽的“調(diào)動(dòng)作用”，粗糙接觸面能顯著地增強(qiáng)接觸面的塑性變形能力和剪脹性。但隨法向應(yīng)力的增加，粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化作用和對(duì)接觸面的剪脹作用均減弱。

2)接觸面抗剪強(qiáng)度隨含石量變化的規(guī)律受法向應(yīng)力的影響較大。在較低法向應(yīng)力下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨含石量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),在40%時(shí)達(dá)到最大；在較高法向應(yīng)力下，變化規(guī)律不明顯。不同含石量條件下，接觸面法向變形趨勢(shì)均為先剪縮后剪脹，且隨法向應(yīng)力的增加，接觸面最終法向位移越大，剪縮現(xiàn)象越明顯。

3)接觸面的抗剪強(qiáng)度符合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，隨粗糙度的增加，接觸面的表觀黏聚力先增加后呈現(xiàn)波動(dòng)特征，接觸面內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；隨含石量的增加，接觸面表觀黏聚力呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，接觸面內(nèi)摩擦角隨含石量的增加而逐漸增加，但變化幅度較小。粗糙度和含石量對(duì)接觸面表觀黏聚力的影響相比對(duì)接觸面內(nèi)摩擦角的影響更為顯著。