凍融循環(huán)對(duì)季凍土區(qū)粉質(zhì)黏土混凝土界面剪切性能的影響

摘要：

為探究季凍土區(qū)粉質(zhì)黏土混凝土界面剪切性能，進(jìn)行了不同凍融循環(huán)次數(shù)、土體含水率和法向應(yīng)力的粉質(zhì)黏土混凝土二元體凍融循環(huán)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，探討了界面抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)和抗剪強(qiáng)度損傷度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：直剪試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線均發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，可分為彈性變形階段（剪切位移為0～3 mm）和彈塑性變形階段（剪切位移為4～15 mm）；凍融循環(huán)對(duì)界面抗剪強(qiáng)度有劣化作用，即通過(guò)對(duì)土體造成損傷，導(dǎo)致界面內(nèi)摩擦角和黏聚力下降，從而降低界面抗剪強(qiáng)度；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，界面抗剪強(qiáng)度損傷度增加，當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行0、4次，抗剪強(qiáng)度損傷迅速，凍融循環(huán)進(jìn)行12～20次，抗剪強(qiáng)度損傷較緩，最大界面抗剪強(qiáng)度損傷度為25%；土體含水率的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度有削弱作用，隨著土體含水率的增加，界面內(nèi)摩擦角降低，但黏聚力先增加后減小，當(dāng)土體含水率為20.7%時(shí)，黏聚力達(dá)到最大值；法向應(yīng)力的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。

關(guān)鍵詞：

混凝土；粉質(zhì)黏土；界面；剪切性能；凍融循環(huán)；抗剪強(qiáng)度；季凍土區(qū)

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230114

中圖分類號(hào)：TU445

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

王伯昕，高銀龍，王清，等.凍融循環(huán)對(duì)季凍土區(qū)粉質(zhì)黏土混凝土界面剪切性能的影響.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2024，54（5）：15921603. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230114.

Wang Boxin，Gao Yinlong，Wang Qing，et al. Effect of Freeze-Thaw Cycles on Shear Properties of Seasonal Frozen Soil Area Silty Clay-Concrete Interface. Journal of Jilin University （Earth Science Edition） ，2024， 54（5）：15921603. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230114.

收稿日期：20230506

作者簡(jiǎn)介：王伯昕 （1980-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土混凝土界面力學(xué)性能方面的研究，E-mail： boxinwang@jlu.edu.cn

通信作者：王清（1959-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土體工程地質(zhì)方面的研究，E-mail： wangqing@jlu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42072296，42330708）；吉林省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20220101164JC）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42072296，42330708） and the Natural Science Foundation of Jilin Province （20220101164JC）

Effect of Freeze-Thaw Cycles on Shear Properties of Seasonal Frozen Soil Area Silty Clay-Concrete Interface

Wang Boxin，Gao Yinlong，Wang Qing，Liu Jiaqi

College of Construction Engineering， Jilin University， Changchun 130026， China

Abstract：

In order to explore the interfacial shear properties between silty clay and concrete in seasonal frozen soil area， the freeze-thaw cycles test and the interface direct shear test of silty clay-concrete binary with different freeze-thaw cycles， normal stress and moisture content of soil were completed， and the changes of interface shear strength， shear strength parameters and shear strength damage degree were discussed. Through direct shear tests， the variation rules on shear properties of the interface and strength parameters were investigated. The results showed that the strain-stress relation underwent strain hardening phenomenon， which can be divided into elastic deformation stage （03 mm） and elastoplastic deformation stage （415 mm）. The freeze-thaw cycles deteriorated the interfacial shear strength， that is， by causing damage to the soil， the friction angle and cohesion of interface were reduced， thereby reducing the interfacial shear strength. With the increase of the number of freeze-thaw cycles， the damage degree of interfacial shear strength increased. However， when the freeze-thaw cycles were 0 and four times， the shear strength damage was rapid， and the damage was slow when the freeze-thaw cycles were 1220 times， in which the maximum interfacial shear strength damage degree was 25%. With the increase of moisture content of soil， the increase of moisture content of soil weakened the shear strength， the friction angle of interface decreased， however the cohesion first rose and then reduced. When the soil moisture content was 20.7%， the cohesion reached the maximum. The rising of normal stress enhanced the shear strength.

Key words：

concrete；silty clay；interface；shear properties；freeze-thaw cycles；shear strength；seasonal frozen soil area

0" 引言

在基礎(chǔ)工程、巖土工程中，土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸十分常見(jiàn)，但接觸面也出現(xiàn)了很多問(wèn)題，其中接觸面力學(xué)性能受環(huán)境影響的問(wèn)題廣受關(guān)注，如季凍土區(qū)土與樁基礎(chǔ)、擋土墻等混凝土結(jié)構(gòu)

間的接觸面［1］。凍融循環(huán)會(huì)使土體的微觀樣貌和物理參數(shù)發(fā)生改變［25］，也會(huì)對(duì)土體宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響［69］；另外，凍融循環(huán)也會(huì)在一定程度上影響混凝土的性質(zhì)，例如其強(qiáng)度下降，進(jìn)而其結(jié)構(gòu)性能受到影響［1012］。但土體與混凝土在變形及強(qiáng)度等方面相差懸殊，受力會(huì)發(fā)生變形不同步，從而在接觸面上產(chǎn)生滑動(dòng)、錯(cuò)位等變形［1315］。

有學(xué)者［1618］研究發(fā)現(xiàn)可利用摩爾庫(kù)侖理論計(jì)算界面的抗剪強(qiáng)度。為了準(zhǔn)確描述土混凝土界面剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系，陳慧遠(yuǎn)［14］、Clough等［19］、Brandt［20］和Desai等［21］先后提出了雙曲線模型、斜線水平直線的彈塑性模型、雙斜線的彈塑性模型和RO模型。隨著粗糙度及法向應(yīng)力的增加，界面從應(yīng)變軟化的滑移破壞變?yōu)閼?yīng)變硬化的彈塑性破壞。當(dāng)界面粗糙度和法向應(yīng)力較小時(shí)，破壞形式為界面邊緣破壞，但隨著粗糙度和法向應(yīng)力的增大，破壞形式逐漸以土體內(nèi)部的剪切破壞為主［2225］。

界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角共同構(gòu)成了界面的抗剪強(qiáng)度，二者是研究界面抗剪強(qiáng)度的主要參數(shù)［26］。界面的粗糙度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小，粗糙度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)內(nèi)摩擦角保持不變；但粗糙度的增加會(huì)導(dǎo)致黏聚力增加［2728］，而提高試驗(yàn)剪切速率會(huì)減小界面摩擦系數(shù)［29］，降低粗糙度。土體含水率對(duì)黏聚力的影響較為顯著，隨著土體含水率增加，黏聚力呈先上升后下降的趨勢(shì)［30］，且土的抗剪強(qiáng)度線性下降［31］，而且土體內(nèi)部黏聚力的變化也會(huì)影響峰值強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系［32］。另外，外部荷載會(huì)使土體內(nèi)部孔隙孔徑減小和孔隙數(shù)量降低，進(jìn)而對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角造成影響［3334］。

不同溫度條件對(duì)界面抗剪強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律的影響不同。如：Di Donna等［35］ 研究發(fā)現(xiàn)，在黏土混凝土界面抗剪強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加；Yavari等 ［36］研究發(fā)現(xiàn)，加熱冷卻循環(huán)對(duì)土混凝土界面抗剪強(qiáng)度峰值和殘余界面摩擦角有影響；何菲［37］進(jìn)行了凍土混凝土結(jié)構(gòu)直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同法向應(yīng)力和含水率條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度降低而增加；潘一鳴等［38］考慮了凍結(jié)與常溫對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的影響；桑松魁等［39］發(fā)現(xiàn)低溫會(huì)影響淺層土體超孔隙水壓力。此外，高溫條件會(huì)使界面剪切性能發(fā)生改變［4042］，例如：He等［43］發(fā)現(xiàn)峰值位移和殘余摩擦角均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低；Zhao等［44］研究了凍結(jié)溫度保持恒定和持續(xù)升高對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的影響。

目前，多數(shù)學(xué)者的主要研究仍集中在凍結(jié)或者低溫融化階段的界面抗剪強(qiáng)度上面。在低溫條件下，土體中冰膠結(jié)力的出現(xiàn)使得界面的抗剪強(qiáng)度得到提高。但當(dāng)土中冰晶開(kāi)始融化時(shí)，冰膠結(jié)力逐漸減小，抗剪強(qiáng)度也逐漸減??；同時(shí)，冰晶融化，土體顆粒表面形成水膜，摩擦力降低，導(dǎo)致界面變得潤(rùn)滑，界面的抗剪強(qiáng)度降低。

綜上所述，目前關(guān)于常溫條件下融化后的界面抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律的研究較少。本文通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，探究了凍融循環(huán)、法向應(yīng)力和土體含水率等對(duì)粉質(zhì)黏土混凝土界面剪切性能的影響，并研究了界面黏聚力和內(nèi)摩擦角在凍融循環(huán)作用和土體含水率影響下的變化規(guī)律，以期探究季凍土區(qū)粉質(zhì)黏土混凝土界面剪切性能。

1" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用C30自制混凝土，其中：粗骨料選擇粒徑4.75～10.00 mm的石灰?guī)r碎石；拌合水采用純凈水；水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選擇細(xì)度模數(shù)為2.4～3.0、平均粒徑為0.35～0.50 mm、含泥量為1.2%的中砂；減水劑選用Sika Ⅲ混凝土超塑化劑。

試驗(yàn)土樣取土地點(diǎn)在吉林省長(zhǎng)春市范家屯鎮(zhèn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50123—2019）［45］進(jìn)行基本土工試驗(yàn)。試驗(yàn)土樣的物理參數(shù)如表1所示。土樣測(cè)定結(jié)果表明：土樣密度2.71 g/cm3，液限34.4%，塑限19.0%，塑性指數(shù)15.4，參照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50145—2007）［46］，該土樣為低液限黏土；土體最優(yōu)含水率20.7%，黏粒（粒徑lt;0.005 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.54%，土樣依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）［47］定名為粉質(zhì)黏土。

1.2" 試塊制備

試驗(yàn)采用二元體試樣，下層為混凝土，上層為粉質(zhì)黏土。分別制備如下。

混凝土配合比如表2所示，水灰比為0.5，坍落度為50～70 mm ［48］。在試塊澆筑、拆模并養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)其表面進(jìn)行打磨至光滑，如圖1所示，長(zhǎng)×寬×高為150 mm×100 mm×30 mm。

對(duì)于粉質(zhì)黏土土樣，首先將土樣進(jìn)行風(fēng)干，碾碎土體并過(guò)2 mm網(wǎng)篩進(jìn)行篩分；其次將一定質(zhì)量篩分后的土樣放入烘箱，在108 ℃下烘干8 h至恒質(zhì)量，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱量土樣干質(zhì)量，計(jì)算土樣風(fēng)干含水率；再根據(jù)目標(biāo)含水率和風(fēng)干含水率的差值，稱量能使土樣達(dá)到目標(biāo)含水率所需的蒸餾水；然后在攪拌土樣的同時(shí)噴灑蒸餾水并攪拌均勻，對(duì)其進(jìn)行密封并靜置24 h；最后進(jìn)行含水率檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)結(jié)果合格，則該土樣可作為試驗(yàn)用土。粉質(zhì)黏土試塊長(zhǎng)×寬×高為120 mm×100 mm×30 mm。

進(jìn)行直剪試驗(yàn)前，先將混凝土放入下剪切盒，再將上剪切盒放在混凝土表面上，之后土樣分三層壓入上剪切盒中，壓實(shí)度為90%。二元體試塊制備完成后用保鮮膜密封，保證土體含水率準(zhǔn)確，二元體試樣制備流程和制備完成后的塊體如圖2所示。

1.3" 試驗(yàn)方案

1.3.1" 凍融循環(huán)試驗(yàn)

首先將環(huán)境溫度設(shè)定為-20 ℃，對(duì)試塊整體進(jìn)行低溫凍結(jié)，時(shí)間為12 h；完成后再將溫度升至20 ℃，對(duì)試塊整體進(jìn)行融化，時(shí)間為12 h，此步驟即為1次凍融循環(huán)。本研究將對(duì)試塊進(jìn)行0、4、8、12、16、20次凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.3.2" 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)采用YUC.IJZD11型定制單聯(lián)電機(jī)

式直剪儀，如圖3所示。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》

（GB 50123—2019）［45］進(jìn)行直剪試驗(yàn)，原理如圖4所示。在粉質(zhì)黏土試塊上施加法向應(yīng)力N，在混凝土試塊上施加水平推力F，使混凝土恒以0.8 mm/min的速率向右移動(dòng)，保證試塊處于受力平衡狀態(tài)，記錄剪切應(yīng)力位移曲線，抗剪強(qiáng)度選取位移為15 mm時(shí)的剪切應(yīng)力。粉質(zhì)黏土試塊上施加的法向應(yīng)力N選取100、200、300、400 kPa。

1.4" 試驗(yàn)分組與編號(hào)

本研究采用控制變量法，分別在0、4、8、12、16、20次凍融循環(huán)，100、200、300、400 kPa四種法向應(yīng)力， 以及18.7%、20.7%、22.7%三種土體含水率的條件下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)變量的不同對(duì)試塊分組編號(hào)，F(xiàn)T表示凍融循環(huán)，N表示法向應(yīng)力，W表示土體含水率（其中1、2、3分別代表土體含水率為18.7%、20.7%、22.7%）。例如組號(hào)FT12N100W2，表示凍融循環(huán)進(jìn)行12次、法向應(yīng)力為100 kPa、土體含水率為20.7%。

2" 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素

2.1" 試驗(yàn)結(jié)果

直剪試驗(yàn)測(cè)得在各種條件下的抗剪強(qiáng)度如圖5所示。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0、法向應(yīng)力為400 kPa、含水率為18.7%時(shí)，界面抗剪強(qiáng)度為最大值173.6 kPa（圖5a）；凍融循環(huán)次數(shù)為20、法向應(yīng)力為100 kPa、含水率為22.7%時(shí)，界面抗剪強(qiáng)度為最小值45.7 kPa（圖5c）。

圖6—8分別是不同條件下的抗剪強(qiáng)度位移曲線?？辜魪?qiáng)度位移曲線呈應(yīng)變硬化型。由圖68可見(jiàn)：在位移較?。ㄒ话銥?～3 mm）時(shí)，抗剪強(qiáng)度與位移呈線性關(guān)系，當(dāng)剪切位移增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨之增長(zhǎng)，此階段的界面剪切變形為彈性變形階段；隨位移增大（4～15 mm），抗剪強(qiáng)度與位移呈非線性關(guān)系，此階段隨剪切位移增大界面抗剪強(qiáng)度仍然增加，但當(dāng)剪切位移增加到一定范圍時(shí)，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低，此階段為彈塑性變形階段。

2.2" 影響因素

2.2.1" 凍融循環(huán)的影響

在同一條件下，凍融循環(huán)會(huì)造成界面的抗剪強(qiáng)度降低。例如，在土體含水率為18.7%，法向應(yīng)力為200 kPa條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，抗剪

強(qiáng)度依次為119.8、112.1、103.7、99.4、97.2、93.6 kPa（圖5a），

呈逐漸降低趨勢(shì)。圖5其余分組實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在不同含水率和法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)抗剪強(qiáng)度有劣化作用。

界面黏聚力和內(nèi)摩擦角均受凍融循環(huán)作用的影響。利用不同法向應(yīng)力下的峰值抗剪強(qiáng)度，計(jì)算出不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同土體含水率下的界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，如圖9所示。在含水率為18.7%（W1）的條件下，凍融循環(huán)次數(shù)依次為0、12、20時(shí)，黏聚力依次為38.50、35.10、33.25 kPa，界面的內(nèi)摩擦角依次為19.4°、15.6°、14.7°，均呈降低趨勢(shì)?？梢?jiàn)，凍融循環(huán)作用會(huì)使界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸降低。

凍融循環(huán)會(huì)使界面土體孔隙增多，裂縫增多，整體性下降，界面黏土體顆粒與混凝土表面間、黏土體顆粒間的距離增加，有效接觸面積減少，黏土體顆粒

與混凝土表面間、顆粒間連接力減弱，導(dǎo)致黏聚力降低；還會(huì)使黏土體顆粒與混凝土表面間、黏土體顆粒間的摩擦阻力減小，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低。由于黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，界面土體抵抗外部荷載的能力減弱，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。

為了表征界面的抗剪強(qiáng)度在不同凍融循環(huán)條件下的損傷程度，引入抗剪強(qiáng)度損傷度D，如式（1）所示。

D=（1－τf，nτf，0）×100% 。（1）

式中：τf，n為n次凍融循環(huán)后界面的抗剪強(qiáng)度（kPa）；τf，0為未經(jīng)歷凍融循環(huán)條件下界面的抗剪強(qiáng)度（kPa）。

如圖10、11所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強(qiáng)度損傷度呈逐漸上升趨勢(shì)，但增加速率逐漸減小，并且法向應(yīng)力和含水率不會(huì)改變抗剪強(qiáng)度損傷度的發(fā)展規(guī)律。在對(duì)試塊進(jìn)行0、4次凍融循環(huán)時(shí)，抗剪

強(qiáng)度損傷迅速；在進(jìn)行12～20次凍融循環(huán)時(shí)，界面抗剪強(qiáng)度損傷速度逐漸緩慢。這是由于當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，土體內(nèi)部孔隙水凝結(jié)、融化，反復(fù)產(chǎn)生凍脹

應(yīng)力，使得孔隙孔徑快速變大，孔隙率也迅速增大，土體內(nèi)部受損嚴(yán)重；在凍融循環(huán)次數(shù)為12～20次時(shí)，界面

處孔隙率增長(zhǎng)減緩，裂縫發(fā)展減緩，凍融循環(huán)對(duì)土體整體性的影響降低。這一規(guī)律與圖6—8得出的剪切應(yīng)力位移曲線發(fā)展規(guī)律基本一致，說(shuō)明粉質(zhì)黏土混凝土二元體在凍融循環(huán)作用初期抗剪強(qiáng)度下降很快，但凍融循環(huán)次數(shù)越多抗剪強(qiáng)度下降越慢。

當(dāng)含水率為18.7%，凍融循環(huán)次數(shù)為20，法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)，界面抗剪強(qiáng)度損傷度最大，為25%（圖10a）；當(dāng)含水率為20.7%，凍融循環(huán)次數(shù)為4，法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)，界面抗剪強(qiáng)度損傷度最小，為4%（圖10b）。

2.2.2" 土體含水率的影響

如圖12所示，當(dāng)法向應(yīng)力為200 kPa，土體含水率依次為18.7%、20.7%、22.7%時(shí)，界面的抗剪強(qiáng)度依次為119.8、107.4、96.1 kPa，可見(jiàn)含水率越大，抗剪

強(qiáng)度越低；說(shuō)明土體含水率的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度有削弱作用。

圖13為凍融循環(huán)作用下黏聚力和內(nèi)摩擦角受土體含水率影響的變化情況。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0，土體含水率依次為18.7%、20.7%、22.7%時(shí)，界面黏聚力依次為38.50、42.65、37.80 kPa，內(nèi)摩擦角依次為 19.4°、15.5°、14.3°，可見(jiàn)含水率的增加使界面內(nèi)摩擦角減小，使黏聚力先增加后減小，其中在最優(yōu)含水率（20.7%）時(shí)達(dá)到最大值。這一結(jié)論與王永洪等［30］在重塑黏性土混凝土界面直剪試驗(yàn)，與楊大方等［49］在不同剛度、表面粗糙度的黏性土結(jié)構(gòu)物界面單剪試驗(yàn)得出的結(jié)論一致，也與圖12抗剪強(qiáng)度下降率出現(xiàn)下降和上升的變化相符合。

隨著含水率增加，土體顆粒周圍的結(jié)合水膜厚度增加，導(dǎo)致黏土體顆粒與混凝土接觸面間、黏土體顆粒間的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦降低，內(nèi)摩擦角隨之降低。當(dāng)含水率較低時(shí)，土體與混凝土間的接觸面孔隙以空氣為主，土體與接觸面的吸附力較小，黏聚力較??；隨著含水率增加，接觸面孔隙由水填充，土體與混凝土間的接觸面面積增加，土體與接觸面的吸附力增加，黏聚力增加，當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率時(shí)，接觸面面積最大，黏聚力最大；隨著含水率繼續(xù)增加，土體與混凝土間的接觸面形成水層，使土體與混凝土的接觸面積減小，導(dǎo)致黏聚力降低。土體含水率的增加，導(dǎo)致顆粒周圍的結(jié)合水膜逐漸變厚，顆粒間的膠結(jié)作用減弱，內(nèi)摩阻力減小，彼此間的阻礙作用減少，故顆粒容易移動(dòng)，抗剪強(qiáng)度降低。

2.2.3" 法向應(yīng)力的影響

如圖14所示，在土體含水率為18.7%的條件下，當(dāng)法向應(yīng)力依次為100、200、300、400 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度依次為65.4、119.8、148.2、173.6 kPa?？梢园l(fā)現(xiàn)，在未進(jìn)行凍融循環(huán)和同一含水率的條件下，法向應(yīng)力越大，抗剪強(qiáng)度越大；當(dāng)法向應(yīng)力依次為200、300、400 kPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度，相較依次為100、200、300 kPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度，其增長(zhǎng)率依次為83.1%、23.7%、17.1%，即法向應(yīng)力越大，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率越小，法向應(yīng)力的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。

對(duì)二元體施加法向應(yīng)力，土體被壓密，顆粒間的距離減少，隨之阻礙作用增加，黏土體顆粒與混凝土接觸面間、黏土體顆粒間的咬合作用增強(qiáng)，導(dǎo)致混凝土表面對(duì)土體顆粒發(fā)生位移的摩擦阻力增加，抗剪強(qiáng)度增加；隨著法向應(yīng)力增加，黏土體顆粒與混凝土接表面間、黏土體間距縮小速度降低，土體密實(shí)度增加緩慢，抗剪強(qiáng)度增加變慢。

3" 結(jié)論

1） 粉質(zhì)黏土混凝土二元體界面剪切應(yīng)力位移曲線發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，根據(jù)應(yīng)力與位移間的關(guān)系可分為彈性變形階段和彈塑性變形階段。

2） 凍融循環(huán)會(huì)使界面內(nèi)摩擦角和黏聚力降低，進(jìn)而導(dǎo)致界面抗剪強(qiáng)度下降；凍融循環(huán)對(duì)界面抗剪強(qiáng)度損傷度的影響在前期（0、4次）較為顯著，后期（12～20次）較弱。

3） 土體含水率對(duì)內(nèi)摩擦角、黏聚力和抗剪強(qiáng)度的影響并不相同。當(dāng)土體含水率增加時(shí)，內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度均降低，但黏聚力先增加后降低，并且當(dāng)土體含水率達(dá)到最優(yōu)含水率（20.7%）時(shí)黏聚力最大。

4） 法向應(yīng)力對(duì)界面抗剪強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，法向應(yīng)力增加導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大為83.1%。

參考文獻(xiàn)（References）：

［1］" 沈凌鎧， 周保， 魏剛， 等. 氣溫變化對(duì)多年凍土斜坡穩(wěn)定性的影響：以青海省淺層凍土滑坡為例［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 2023， 34（1）：816.

Shen Lingkai， Zhou Bao， Wei Gang， et al. Influence of Air Temperature Change on Stability of Permafrost Slope： A Case Study of Shallow Permafrost Landslide in Qinghai Province［J］. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2023， 34（1）： 816.

［2］" 童長(zhǎng)江， 管楓年. 土的凍脹與建筑物凍害防治［M］.北京：水利電力出版社，1985.

Tong Changjiang， Guan Fengnian. Soil Frost Heaving and Building Frost Damage Prevention［M］. Beijing： Water Resources and Electric Power Press，1985.

［3］" 楊平， 張婷. 人工凍融土物理力學(xué)性能研究［J］.冰川凍土， 2002， 24（5）：665667.

Yang Ping， Zhang Ting. The Physical and the Mechanical Properties of Original and Frozen-Thawed Soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2002， 24（5）：665667.

［4］" 齊吉琳， 張建明， 朱元林. 凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)性影響的土力學(xué)意義［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2003， 22（增刊2）：26902694.

Qi Jilin， Zhang Jianming， Zhu Yuanlin. Influenceof Freezing-Thawing on Soil Structure and Its Soil Mechanics Significance［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003， 22（Sup.2）：26902694.

［5］" 齊吉琳， 程國(guó)棟， Vermeer P A. 凍融作用對(duì)土工程性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀［J］.地球科學(xué)進(jìn)展， 2005， 20（8）：887894.

Qi Jilin， Cheng Guodong，Vermeer P A. State of the Art of Influence of Freeze Thaw on Engineering Properties of Soils［J］. Advances in Earth Science， 2005， 20（8）：887894.

［6］" 王大雁， 馬巍， 常小曉， 等. 凍融循環(huán)作用對(duì)青藏黏土物理力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2005， 24（23）：43134319.

Wang Dayan， Ma Wei， Chang Xiaoxiao， et al. Physico-Mechanical Properties Changes of Qinghai-Tibet Clay due to Cyclic Freezing and Thawing［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（23）：43134319.

［7］" 馬巍， 徐學(xué)祖， 張立新. 凍融循環(huán)對(duì)石灰粉土剪切強(qiáng)度特性的影響［J］.巖土工程學(xué)報(bào)， 1999， 21（2）：2325.

Ma Wei， Xu Xuezu， Zhang Lixin. Influence of Frost and Thaw Cycles on Shear Strength of Lime Silt［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1999， 21（2）：2325.

［8］" 劉樂(lè)青， 張吾渝， 張丙印， 等. 凍融循環(huán)作用下黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和微觀規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2021， 48（4）：109115.

Liu Leqing， Zhang Wuyu， Zhang Bingyin， et al. Effect of Freezing-Thawing Cycles on Mechanical Properties and Microscopic Mechanisms of Loess［J］. Hydrogeology amp; Engineering Geology， 2021， 48（4）：109115.

［9］" 陳忠清， 朱澤威， 呂越. 粉煤灰基地聚物加固土的強(qiáng)度及抗凍融性能試驗(yàn)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2022， 49（4）：100108.

Chen Zhongqing， Zhu Zewei， Lü Yue. Laboratory Investigation on the Strength and Freezing-Thawing Resistance of Fly Ash Based Geopolymer Stabilized Soil［J］. Hydrogeology amp; Engineering Geology， 2022， 49（4）：100108.

［10］" 汪飛. 鹽蝕凍融荷載耦合作用下混凝土的損傷研究［D］. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)， 2018.

Wang Fei. Study on Damage of Concrete Under the Coupling Action of Salt Attacks， Freeze-Thaw Cycles and Load［D］. Changchun： Jilin University， 2018.

［11］" Wang B X， Pan J J， Fang R C， et al. Damage Model of Concrete Subjected to Coupling Chemical Attacks and Freeze-Thaw Cycles in Saline Soil Area［J］. Construction and Building Materials， 2020， 242：118205.

［12］" Wang B X， Wang F， Wang Q. Damage Constitutive Models of Concrete Under the Coupling Action of Freeze-Thaw Cycles and Load Based on Lemaitre Assumption［J］. Construction and Building Materials， 2018， 173：332341.

［13］" 王永洪， 銀吉超， 張明義， 等. 黏性土中靜力沉樁過(guò)程樁土界面土壓力模型試驗(yàn)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2023， 53（1）：196206.

Wang Yonghong， Yin Jichao， Zhang Mingyi， et al. Model Test of Soil Pressure at Pile-Soil Interface During Static Pile Driving in Cohesive Soil［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2023， 53（1）：196206.

［14］" 陳慧遠(yuǎn).摩擦接觸單元及其分析方法［J］.水利學(xué)報(bào)， 1985， 16（4）：4450.

Chen Huiyuan. Friction Contact Unit and Its Analysis Method［J］. Journal of Hydraulic Engineering， 1985， 16（4）：4450.

［15］" Chen W B， Zhou W H， Dos Santos J A. Analysis of Consistent Soil-Structure Interface Response in Multi-Directional Shear Tests by Discrete Element Modeling［J］. Transportation Geotechnics， 2020， 24：100379.

［16］" Hu L M， Pu J L. Testing and Modeling of Soil-Structure Interface［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2004， 130（8）：851860.

［17］" Wang J F， Jiang M J. Unified Soil Behavior of Interface Shear Test and Direct Shear Test Under the Influence of Lower Moving Boundaries ［J］. Granular Matter， 2011， 13（5）：631641.

［18］" Hu L M， Pu J L. Experimental Study on Mechanical Characteristics of Soil-Structure Interface［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2001， 23（4）：431.

［19］" Clough G W， Duncan M J. Finite Element Analyses of Retaining Wall Behavior［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 1971， 97（12）：16571673.

［20］" Brandt J R T. Behaviour ofSoil-Concrete Interfaces［D］. Alberta： University of Alberta， 2017.

［21］" Desai C S， Drumm E C， Zaman M M. Cyclic Testing and Modeling of Interfaces［J］. Journal of Geotechnical Engineering， 1985， 111：793815.

［22］" 石熊，張家生，劉蓓， 等. 土混凝土接觸面剪切破壞模式分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2015， 12（4）：790794.

Shi Xiong， Zhang Jiasheng， Liu Bei， et al. Analysis of Shear Failure Mode for Clay-Concrete Interface［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2015， 12（4）：790794.

［23］" 劉方成， 尚守平， 王海東. 粉質(zhì)黏土混凝土接觸面特性單剪試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2011， 30（8）：17201728.

Liu Fangcheng， Shang Shouping， Wang Haidong. Study of Shear Properties of Silty Clay-Concrete Interface by Simple Shear Tests［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2011， 30（8）：17201728.

［24］" 陳俊樺， 張家生， 李鍵. 接觸面粗糙度對(duì)紅黏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(bào)（自然科學(xué)版）， 2016， 47（5）：230236.

Chen Junhua， Zhang Jiasheng， Li Jian. Influence of Interface Roughness on Mechanical Properties of Red Clay-Concrete Interface［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2016， 47（5）：230236.

［25］" 王永洪， 張明義， 劉俊偉， 等. 接觸面粗糙度對(duì)黏性土混凝土界面剪切特性影響研究［J］.工業(yè)建筑， 2017， 47（10）：9397.

Wang Yonghong， Zhang Mingyi， Liu Junwei， et al. Effect of Interface Roughness on Interfacial Shear Properties of Clayey Soil-Concrete［J］. Industrial Construction， 2017， 47（10）：9397.

［26］" 李廣信.高等土力學(xué)［M］. 2版. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2016.

Li Guangxin. Advanced Soil Mechanics［M］.2nd ed. Beijing： Tsinghua University Press， 2016.

［27］" 成浩， 王晅， 張家生，等. 考慮粗糙度影響的不同土與混凝土界面大型直剪試驗(yàn)研究［J］.工程科學(xué)與技術(shù)， 2019， 51（5）：117125.

Cheng Hao， Wang Xuan， Zhang Jiasheng， et al. Large-Scale Direct Shear Tests of Interfaces Between Different Soils and Concrete Considering Roughness Effect［J］. Advanced Engineering Sciences， 2019， 51（5）：117125.

［28］" 潘一鳴. 凍土混凝土接觸面剪切力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2020.

Pan Yiming. Experimental Study on Shear Mechanical Properties of Frozen Soil-Concrete Interface［D］. Changchun： Jilin University， 2020.

［29］" 王永洪， 張明義， 白曉宇， 等. 剪切速率對(duì)黏性土混凝土界面抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］.土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)， 2019， 41（1）：4854.

Wang Yonghong， Zhang Mingyi， Bai Xiaoyu， et al. Experimental Research on Effect of Shear Rate on Shear Strength of Clayey Soil-Concrete Interface［J］. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2019， 41（1）：4854.

［30］" 王永洪， 張明義， 白曉宇， 等. 不同含水率狀態(tài)下黏性土混凝土界面剪切特性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)， 2018， 38（1）：118123，192.

Wang Yonghong， Zhang Mingyi， Bai Xiaoyu， et al. Laboratory Experimental Study on Shear Behavior of Clayey Soil-Concrete Interface Under Different Moisture Conditions［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2018， 38（1）：118123，192.

［31］" 張琦，楊忠年，時(shí)偉，等. 凍融循環(huán)下初始含水率對(duì)非飽和膨脹土剪切特性試驗(yàn)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2021， 51（5）：15441550.

Zhang Qi， Yang Zhongnian， Shi Wei， et al. Experiment on Shear Characteristics of Unsaturated Expansive Soil with Initial Moisture Content Under Freezing-Thawing Cycles［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2021， 51（5）：15441550.

［32］" 洪勇， 岳玉秋， 鄭孝玉， 等. 大連濱海粉質(zhì)黏土剪切力學(xué)特性環(huán)剪試驗(yàn)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2016， 46（5）：14751481.

Hong Yong， Yue Yuqiu， Zheng Xiaoyu， et al. Shear Strength of Silty Clay in Dalian by Ring Shear Tests［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2016， 46（5）：14751481.

［33］" 李楊， 王清， 趙安平， 等. 長(zhǎng)春地區(qū)季凍土基本性質(zhì)對(duì)水分遷移的影響［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2008， 38（2）：279284.

Li Yang，Wang Qing， Zhao Anping， et al. Influence of Basic Properties of Seasonally Frozen Soil on Moisture Movement in Changchun Area［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2008， 38（2）： 279284.

［34］" 穆銳， 黃質(zhì)宏， 姚未來(lái)， 等. 分級(jí)循環(huán)荷載下原狀紅黏土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2022， 49（3）：94102.

Mu Rui， Huang Zhihong， Yao Weilai， et al. An Experimental Study of the Dynamic Characteristics of the Undisturbed Laterite Under Graded Cyclic Loading［J］. Hydrogeology amp; Engineering Geology， 2022， 49（3）：94102.

［35］" Di Donna A， Ferrari A， Laloui L. Experimental Investigations of the Soil-Concrete Interface： Physical Mechanisms， Cyclic Mobilization， and Behaviour at Different Temperatures［J］. Canadian Geotechnical Journal， 2016， 53（4）：659672.

［36］" Yavari N， Tang A M， Pereira J M， et al. Effect of Temperature on the Shear Strength of Soils and the Soil-Structure Interface［J］. Transportation Geotechnics， 2016， 53（7）：11861194.

［37］" 何菲. 凍結(jié)粉土混凝土界面非線性剪切蠕變特性研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)， 2019.

He Fei. Research on the Nonlinear Shear Creep Behaviors of Frozen Silt-Concrete Interface ［D］. Lanzhou： Lanzhou Jiaotong University， 2019.

［38］" 潘一鳴， 王伯昕， 張中瓊， 等. 正融土混凝土接觸面力學(xué)性質(zhì)分析［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 41（1）：167173.

Pan Yiming，Wang Boxin，Zhang Zhongqiong， et al. Analysis on Mechanical Properties of Thawing Soil-Concrete Interface［J］. Journal of Henan Polytechnic University （Natural Science）， 2022， 41（1）：167173.

［39］" 桑松魁，王永洪，張明義，等. 粉土與粉質(zhì)黏土互層中靜壓樁樁土界面孔隙水壓力［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2021， 51（5）：15511559.

Sang Songkui， Wang Yonghong， Zhang Mingyi， et al. Pore Water Pressure at Pile-Soil Interface of Jacked Pile in Silty Soil and Silty Clay［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2021， 51（5）：15511559.

［40］" Xiao S G， Suleiman M T， Al-Khawaja M. Investigation of Effects of Temperature Cycles on Soil-Concrete Interface Behavior Using Direct Shear Tests［J］. Soils and Foundations， 2019， 59（5）：12131227.

［41］" 徐韓強(qiáng). 溫度效應(yīng)下砂混凝土樁界面直剪試驗(yàn)研究［D］. 杭州：浙江大學(xué)， 2018.

Xu Hanqiang. Direct Shear Test for Sand-Concrete Interface Performance Under Temperature Effect ［D］. Hangzhou： Zhejiang University， 2018.

［42］" 王博， 劉志強(qiáng)， 趙曉東， 等. 高壓正融土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)， 2017， 38（12）：35403546.

Wang Bo， Liu Zhiqiang， Zhao Xiaodong， et al. Experimental Study on Shearing Mechanical Characteristics of Thawing Soil and Structure Interface Under High Pressure［J］. Rock and Soil Mechanics， 2017， 38（12）：35403546.

［43］" He P F， Mu Y H， Yang Z H， et al. Freeze-Thaw Cycling Impact on the Shear Behavior of Frozen Soil-Concrete Interface［J］. Cold Regions Science and Technology， 2020， 173：103024.

［44］" Zhao L Z， Yang P， Wang J G， et al. Cyclic Direct Shear Behaviors of Frozen Soil-Structure Interface Under Constant Normal Stiffness Condition［J］. Cold Regions Science and Technology， 2014， 102：5262.

［45］" 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB 50123—2019［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

Standard for Soil Test Method：GB 50123—2019［S］. Beijing：China Architecture amp; Building Press，2019.

［46］" 土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)：GBT 50145—2007［S］. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

Standard for Engineering Classification of Soil： GBT 50145—2007［S］. Beijing：China Planning Press，2008.

［47］" 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011［S］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

Code for Design of Building Foundation： GB 50007—2011［S］. Beijing：China Architecture amp; Building Press，2012.

［48］" 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ 55—2011［S］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

Specification for Mix Proportion Design of Ordinary Concrete：JGJ 55—2011［S］. Beijing： China Architecture amp; Building Press，2011.

［49］" 楊大方， 牛雙建， 葛雙雙， 等. 含水量對(duì)黏土與結(jié)構(gòu)物接觸界面單剪特性影響規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)， 2019， 34（2）：258266.

Yang Dafang， Niu Shuangjian， Ge Shuangshuang， et al. Experimental Study of the Influence of Water Content on Clay and Structure Contact Interface Single Shear Characteristics［J］. Journal of Experimental Mechanics， 2019， 34（2）：258266.