张 磊 刘 慧

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

原状黄土与结构接触特性直剪试验研究★

张 磊 刘 慧

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

采用大型直剪仪对常、变法向应力下原状黄土与混凝土接触面力学特性开展研究。结果表明：法向应力及混凝土表面粗糙程度均对剪应力—剪切位移曲线影响很大，接触面抗剪强度符合摩尔—库仑定律。

饱和软黄土,接触面,直剪试验,剪应力,剪切位移

0 引言

在岩土工程中，土与结构相互作用问题经常遇到，如土体与桩、土体与挡土结构、土体与隧道侧壁等的相互作用。由于土体与结构物材料的物理力学性质差异较大，在分析两者相互作用时不能只考虑各自特性，需对接触面上的剪切传递机理进行研究[1]。卢廷浩等[2]利用改进的直剪仪研究了不同含水量下黏土自身及与混凝土、石、砖之间的剪切力学特性。朱俊高等[3]针对黏土与混凝土接触问题研究了单剪和环剪试验成果的差异，分析了直剪仪、单剪仪和环剪仪用于接触面应力变形及强度特性试验时的优缺点。以上研究[1-3]均发现法向应力对接触面剪应力—剪切位移曲线及抗剪强度有很大影响，但都把法向应力取为常值。在桩基工程中，由于地面堆载、打桩法施工后桩周土固结沉降等原因，桩侧表面法向应力逐渐增大，目前变法向应力下土与结构接触面剪切力学特性研究还较为少见。梁鹏等[4]和曹卫平等[5]分别针对松砂和密砂与混凝土接触问题开展直剪试验研究，得到了变法向应力下剪应力与剪切位移曲线。

现有的土与结构接触面剪切试验研究大多针对黏土和砂土，目前关于原状黄土与结构接触面剪切试验的研究还很少见。冯皎等[6]利用自制的大型单剪仪开展原状黄土及重塑黄土与混凝土接触面剪切试验研究，但把法向应力取为常值。本文利用Shear Trac-Ⅲ型直剪仪对常、变法向应力下原状黄土与混凝土接触面力学特性开展研究，以提高原状黄土与混凝土接触问题分析水平。

1 接触面直剪试验

1.1实验仪器

试验仪器采用美国Geocomp公司生产的Shear Trac-Ⅲ型直剪仪。下剪切盒长为40.5 cm、宽为30.5 cm、高为10.2 cm，上剪切盒长和宽均为30.5 cm、高为10.2 cm。下剪切盒比上剪切盒长，可保证试验过程中剪切面积保持不变。另外，上剪切盒面积约为普通直剪仪的31倍，可明显减小文献[3]所述的，由装土剪切盒后侧壁处土体挤压及前侧壁处土体松动等导致的接触面应力和应变分布不均引起的误差。直剪仪剪切盒示意图参阅文献[4]。该仪器可施加的最大法向力为45 kN，由电脑控制自动分级施加。剪应力施加方式为应变控制式。剪切速率由高精度电机控制，范围为3×10-5～15 mm/min，最大剪切位移幅值为50 mm。剪切位移可通过高精度位移传感器量测。实验数据由机载软件自动采集。

1.2试样制备

试验土样取自西安市碑林区某基坑，取土深度约为10.2 m，为上更新统风积黄土，褐黄色，具大孔及虫孔，含少许钙丝。土颗粒相对密度：2.72，天然密度：1.75 g/cm3，天然含水量：24.7%，液限：29.7%，塑限：17.7%，自重湿陷系数：0.026，由固结快剪试验得粘聚力和内摩擦角分别为35.2 kPa和24°，为饱和软黄土。取土时用两个特制的半圆筒形取土容器把土样箍住，用螺栓上紧后小心带回实验室，并用削土刀削成长和宽均为30.5 cm、高为8.0 cm的土样。混凝土试块长为40.5 cm、宽为30.5 cm、高为10.2 cm，强度等级为C30，共2块，1块经人工拉毛后表面较粗糙(粗糙面)，1块经人工压平后表面较光滑(光滑面)。

1.3试验方案及步骤

将混凝土块放入下剪切盒，把削好的土样套入上盒。剪切时上盒保持不动，下盒以0.2 mm/min的速率进行剪切。在法向应力施加及剪切过程中土体体积减小时，土样里的水可通过上承压板的排水孔排出。对原状黄土—光滑面混凝土接触面进行了2组向应力分别为50 kPa和300 kPa的常法向应力剪切试验，及1组变法向应力剪切试验，即法向应力保持为200 kPa不变进行剪切，待剪切位移达到20 mm时法向应力增加到400 kPa并继续剪切。对原状黄土—粗糙面混凝土进行了3组法向应力分别为50 kPa，300 kPa和400 kPa的常法向应力剪切试验，以及2组变法向应力剪切试验，即法向应力分别保持为100 kPa和200 kPa不变进行剪切，待剪切位移达到20 mm时法向应力分别增加到200 kPa和400 kPa并继续剪切。最大剪切位移为40 mm。

2 试验结果及分析

2.1常法向应力剪切试验

图1为不同常法向应力下原状黄土与混凝土接触面剪应力—剪切位移曲线，图1中σn为法向应力。由图1可见，当σn=50 kPa且混凝土表面较为粗糙时，剪应力—剪切位移曲线为硬化型，即剪应力随剪切位移的增加而增大，其变化速率在曲线的前段稍有减小，在曲线的中段迅速减小，在曲线的后段又稍有减小，最后剪应力趋近于某稳定值。当σn=50 kPa且混凝土表面较为光滑时，剪应力—剪切位移曲线为软化型，即剪切位移从0 mm增至9.6 mm时剪应力先逐渐增至最大值，而后剪应力随剪切位移的增加而减小，其变化速率也逐渐减小，最后剪应力趋近于某稳定值，并与粗糙面对应的曲线基本重合。当σn>50 kPa时，剪应力—剪切位移曲线呈三段式，即剪应力随剪切位移的增加而增大，在曲线的前段其变化速率随剪切位移的增加而稍有减小，随法向应力的增加而增大；在曲线的中段其变化速率迅速减小；在曲线的后段其变化速率接近于某常数，但随法向应力的增加而增大。由图1还可见，当法向应力较小时，相同剪切位移下接触面粗糙程度对剪应力值的大小影响较小；当法向应力较大时，相同剪切位移下光滑面对应的剪应力比粗糙面对应的剪应力大。

取每级法向应力下剪切位移为20 mm对应的剪应力为接触面抗剪强度τf[4]，图2为原状黄土—粗糙面混凝土接触面抗剪强度与法向应力的线性拟合结果。由图2可见，抗剪强度与法向应力成良好的线性关系，即符合摩尔—库仑定律。试验测得接触面粘聚力约为22.3 kPa，内摩擦角约为28.4°。

2.2变法向应力剪切试验

图3为常法向应力下和变法向应力下原状黄土与混凝土接触面剪应力—剪切位移曲线对比，图3中σn1和σn2分别为施加的第一级和第二级法向应力。由图3可见，变法向应力时(剪切位移为20 mm处)剪应力降低，这是由于第二级法向应力施加时下剪切盒保持不动、剪切停止所致。第二级法向应力施加后，剪应力—剪切位移曲线的初始斜率比第一级法向应力施加时的初始斜率大，接近于与第二级法向应力相同的常法向应力下剪应力—剪切位移曲线的初始斜率。经过20 mm的剪切位移，变法向应力下剪应力没有稳定，且在相同的剪切位移下，第二级法向应力施加后的剪应力比与第二级法向应力相同的常法向应力下的剪应力小。第二级法向应力为400 kPa时，相同剪切位移下粗糙面和光滑面对应的剪应力相差不大。

3 结语

本文利用大型直剪仪对原状黄土与混凝土接触面开展了直剪试验研究。考虑混凝土表面粗糙程度的影响，分析了常、变法向应力下的剪应力—剪切位移特征，并得到以下几点结论：

1)在常法向应力下，法向应力为50 kPa时，粗糙面和光滑面混凝土对应的剪应力—剪切位移曲线分别为硬化型和软化型。法向应力大于50 kPa时，剪应力—剪切位移曲线呈明显的三段式。接触面粗糙程度对相同剪切位移下剪应力值大小的影响随法向应力的增加而增大。原状黄土与粗糙面混凝土接触面抗剪强度符合摩尔—库仑定律。

2)第二级法向应力施加后，剪应力—剪切位移曲线的初始斜率接近于与第二级法向应力相同的常法向应力下剪应力—剪切位移曲线的初始斜率。

[1] Fakharian Kazem, Evgin Erman. Elasto-plastic modeling of stress-path-dependent behavior of interfaces[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2000,24(2):183-199.

[2] 卢廷浩,王 伟,王晓妮.土与结构接触界面改进直剪试验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006,22(1):82-85,99.

[3] 朱俊高,Shakir R R,杨有莲,等.土—混凝土接触面特性环剪单剪试验比较研究[J].岩土力学,2011,32(3):692-696.

[4] 梁 鹏,曹卫平,陆清元.常/变法向应力下松砂—混凝土接触面剪切力学性状试验研究[J].建筑结构,2014,44(8):61-65.

[5] 曹卫平,陆清元,梁 鹏.常/变法向应力作用下密砂—混凝土接触面剪切力学性状试验研究[J].建筑结构,2015,45(1):82-86.

[6] 冯 皎,刘增荣,王 瑜.原状黄土与混凝土接触面特性的大型单剪试验研究[J].水利与建筑工程学报,2009,7(3):120-122.

Directsheartestoncontactcharacteristicsbetweenundisturbedloessandconcrete★

ZhangLeiLiuHui

(SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Large-scale direct shear tests under constant and varying normal stresses were made. Test results show that the normal stress and the degree of roughness of the surface of concrete play important roles in the shear stress-shear displacement curves. The shear strengh of interface satisfies the Mohr-Coulomb criterion.

saturated soft loess, interface, direct shear test, shear stress, shear displacement

1009-6825(2017)32-0046-02

2017-09-01 ★：国家自然科学基金(项目编号：51508455)；陕西省教育厅专项科研计划(项目编号：16JK1444)；西安建筑科技大学青年科技基金(项目编号：QN1614)

张 磊(1981- )，男，博士，讲师； 刘 慧(1994- )，男，在读硕士

TU411.3

A