循环荷载作用下红黏土与混凝土接触面剪切特性试验研究①

石熊，张家生，邓国栋，孟飞，徐进，刘蓓

(1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.马克菲尔(长沙)新型支档科技开发有限公司，湖南 长沙 410016;3.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

土体与混凝土结构间的相互作用问题一直是岩土工程界研究的重要课题［1］，涉及到土力学的各个方面，如土体与混凝土桩的接触面问题、土体与锚杆的接触问题、土体与混凝土挡土墙的接触面问题等［2－4］。在外部荷载作用下，由于土体和混凝土受力与变形的差异性，接触面上会产生较大的力，因此研究接触面上的受力特性和变形机理至关重要［5－7］。杨有莲等［8－11］等国内外学者通过试验对其进行了较为广泛的研究，并取得了相应的研究成果。然而在以往的研究中，大多数为结构接触面的单向剪切试验，对循环荷载下结构接触面的力学特性及变形机理的研究并不多，近年来，随着地震的频发，循环荷载作用下结构接触面的研究显得尤为迫切。张嘎等［12－13］利用自制的大型土与结构接触面循环加载剪切仪对粗粒土与结构接触面进行了试验研究，结果表明在循环剪切荷载作用下，随着循环次数增加，粗粒土与结构接触面的抗剪强度基本保持不变;接触面的相对法向位移总体上不断增大，但在一个剪切循环内表现出包含卸载体缩等情形的有规律增减变化。但对于循环荷载作用下黏性土与混凝土接触面的力学特性的研究较少，其受力特性及变形机理尚不明确。

红黏土作为一种特殊性黏土，广泛分布于我国湖南、广西、云南、贵州，具有一定的代表性，其含水量、液限、塑限都很高，密度低，渗水性差，膨胀量小，压缩性低，抗剪强度较高［14］。红黏土是一种高塑性黏土，由于其塑性指数较高，相比于粗粒土，具有优良的压缩和适应大变形的特性，在剪切过程中往往能够延迟破坏的发生。但在实际工程中，红黏土因其裂隙性与胀缩性常引起诸多工程病害，其特殊的工程性质及工程问题引起学者越来越多的关注［15］。

采用大型直剪仪对长沙地区红黏土与混凝土结构接触面进行循环荷载作用下直剪试验，分析了不同法向应力与不同混凝土表面粗糙度条件下结构接触面的强度和变形随循环加载次数的变化规律。

1 接触面试验

1.1 试验材料

土料采用长沙地区红黏土，对土料进行了击实试验和静三轴试验，通过击实试验结果得出红黏土的最大干密度为 1.81 g/cm3，最优含水率为14.08%，曲线见图1;静三轴试验结果如表1所示。混凝土试块采用C40混凝土，混凝土配置强度 fcu.o为 49.9 MPa，水灰比 W/C 为 0.43，1 m3混凝土的用水量为195 kg。将混凝土表面的粗糙度分为三级，制作不同粗糙度下的混凝土接触面，利用自制的粗糙度测定仪，对其进行测定［18］，得出粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ混凝土表面的平均深度分别为0.578，1.893 和2.444 mm。

图1 击实试验曲线Fig.1 Curve of compaction test

表1 红黏土参数Table 1 Parameters of red clay

1.2 试验方案

采用中南大学岩土工程系与长春朝阳试验仪器有限公司合作研制TJW－800大型直剪试验机［16］，上、下剪切盒尺寸均为500 mm×500 mm×150 mm，利用直剪试验机通过控制法向应力(100，200和300 kPa)和混凝土结构接触面粗糙度(粗糙度Ⅰ、粗糙度Ⅱ、粗糙度Ⅲ)对红黏土与混凝土结构接触面进行9个循环剪切试验，分别进行了1000次循环，加载路径为正弦波，图2为加载过程中的4个循环，试验过程中上剪切盒为试验土料，下剪切盒为混凝土试块。

图2 剪切位移－时间曲线Fig.2 Shear displacement vs time curve

2 试验结果及分析

图3为不同法向应力在混凝土结构接触面粗糙度Ⅰ下第2，5，30，100，200 和 500 次循环剪切过程的剪切位移－剪切应力特性曲线见图3所示。

图3 粗糙度Ⅰ时剪切应力－剪切位移曲线Fig.3 Shear stress vs shear displacement curves under the roughnessⅠ

图3表明:在一个完整剪切循环内，剪切位移－剪切应力曲线基本闭合，按逆时针循环走动，加载段随着循环次数的增加逐渐变直，并与卸载段越来越接近于一条直线。每个循环内剪切应力极小值和极大值分别对应于该循环内剪切位移的最大值、最小值处，剪切应力的最大值均出现在第1个循环内，随着循环次数的增加，每个循环剪切应力最大值在逐渐减小，并且随着循环次数的增加，最大剪切应力减小的速率逐渐降低。第2循环和第5循环的剪切位移－剪切应力曲线差异性较大，而第200循环和第500循环的剪切位移－剪切应力曲线基本重合，说明剪切位移－剪切应力的曲线特性的差异性随着循环次数的增加而降低。

3 抗剪强度

3.1 法向应力对剪切应力的影响

定义平均峰值剪应力是在一个循环内出现的两个极值绝对值的平均值。相同粗糙度，不同法向应力条件下循环内平均峰值剪应力－循环次数关系曲线如图4所示。

图4 不同粗糙度平均峰值剪应力－循环次数曲线Fig.4 Average peak shears stress vs cycles curves under different roughnesses

图4表明:循环剪切试验中，平均峰值剪应力在第1个循环内就达到最大值，在随后的循环剪切中迅速下降，下降到一定值后趋于稳定。

在结构接触面粗糙度相同时，平均峰值剪应力最大值及趋于稳定后的值随法向应力的增大而增加;随着接触面粗糙度的增大，法向应力对循环次数－平均峰值剪应力曲线差异性的影响更为显著。这是因为接触面在剪切过程中必然会引起接触面附近的薄层内的土体发生明显的变位，也就是说剪切过程中接触面有一定的影响范围，随着法向应力的增加，使接触面影响范围增大，从而使平均峰值剪应力最大值增加，而粗糙度的增加，使接触面对附近土体的影响更加明显。

3.2 粗糙度对剪切应力的影响

相同法向应力，不同粗糙度条件下循环内平均峰值剪应力－循环次数关系曲线如图5所示。

归连铁路翻浆冒泥病害的探测与圈定，首次结合RADAN7与Surfer软件(11版本或更高)应用，采用了本论文所述GPR勘探的铁路翻浆冒泥病害底界的等值线图绘制方法，解决了与GPR勘探配套的专业软件例如RADAN7等无法进行翻浆冒泥病害底界狭长带状等值线绘制的问题，同时也为翻浆冒泥病害治理的工程设计与施工提供了高精度数据支撑。该方法简单实用，具较好的应用推广前景。

图5 不同法向应力平均峰值剪应力－循环次数曲线Fig.5 Average peak shears stress vs cycles curves under different normal stresses

图5表明:随着法向应力的增大，粗糙度对平均峰值剪应力－循环次数曲线的影响更为显著。由图可知当法向应力为100 kPa时，粗糙度对平均峰值剪应力随循环次数的变化影响较小;当法向应力增加为200和300 kPa时，粗糙度对其影响逐渐增强。说明随着法向应力的增大，粗糙度对平均峰值剪应力－循环次数曲线的影响更为显著。当法向应力为300 kPa时，平均峰值剪应力最大值及趋于稳定后的值随粗糙度的增大而增加。

3.3 接触面强度分析

采用摩尔库伦准则对接触面强度进行分析。定义的平均峰值剪应力为一个循环内的抗剪强度，图6和图7为法向应力为200 kPa时不同粗糙度条件下抗剪强度指标随循环次数的变化规律。由图可以看出，在循环剪切试验过程中，接触面的黏聚力与摩擦角随着循环次数的增加一直在变化，剪切刚开始较大，随着循环次数的增加迅速减小，最后趋于稳定。

图6 黏聚力－循环次数曲线Fig.6 Cohesion vs cycles curve

图7 内摩擦角－循环次数曲线Fig.7 Internal friction angle vs cycles curve

4 变形特性

4.1 法向应力对法向变形的影响

相同粗糙度，不同法向应力条件下循环内法向位移－循环次数关系曲线如图8所示。

图8 不同粗糙度法向位移－循环次数曲线Fig.8 Normal displacement vs cycles curves under different roughnesses

由图8可知:在法向应力为100 kPa时，法向位移在第1循环内均出现较大减小，即发生剪缩，从第2循环开始出现剪胀，剪胀量最终趋于稳定;在法向应力为200 kPa和300 kPa时，法向位移一直在减小，产生剪缩，剪缩量最终趋于稳定，最终剪缩量随着法向应力的增大而增大，减缩速率也随着法向应力的增大而增加。

4.2 粗糙度对法向变形的影响

相同法向应力，不同粗糙度条件下循环内法向位移－循环次数关系曲线如图9所示。

图9表明:随着法向应力的增大，粗糙度对法向位移－循环次数曲线的影响更为显著。剪胀阶段，粗糙度Ⅱ和Ⅲ最终剪胀量基本相同，但比粗糙度Ⅰ的最终剪胀量略高。剪缩阶段，剪缩速率随着粗糙度的增加而增大;在法向应力为200 kPa时，3种粗糙度的最终剪缩量基本相同;在法向应力为300 kPa时，粗糙度Ⅱ和Ⅲ的最终剪缩量基本相同，但比粗糙度Ⅰ的最终剪缩量大。

图9 不同法向应力法向位移－循环次数曲线Fig.9 Normal displacement vs cycles curves under different normal stresses

5 结论

(1)在循环剪切过程中，每个循环内剪切应力极小值和极大值分别对应于剪切位移的最大值、最小值处，剪应力的最大值均出现在第1个循环内，随着循环次数的增加，剪切应力最大值在逐渐减小，并且随着循环次数的增加，最大剪切应力减小的速率降低。

(2)在一个完整剪切循环内，红黏土与混凝土结构接触面的剪切位移－剪切应力曲线基本闭合，曲线差异性随着循环次数的增加逐渐降低，曲线加载段随着循环次数的增加逐渐变直，并与卸载段越来越接近于一条直线。

(3)平均峰值剪应力在第1个循环内就达到最大值，在随后的循环剪切中迅速下降，到一定值后趋于稳定。平均峰值剪应力最大值及趋于稳定后的值随法向应力的增大而增加;当法向应力较低时，粗糙度对平均峰值剪应力变化影响较小，随着应力的增强，粗糙度对其影响逐渐发挥。

(4)在循环剪切试验过程中，接触面的黏聚力和摩擦角刚开始较大，随着循环次数的增加迅速减小，最后趋于稳定。

(5)当法向应力较低时，试样在第1循环内发生剪缩，从第2循环开始出现剪胀，剪胀量最终趋于稳定;随着法向应力的增大，试样出现剪缩，剪缩量最终趋于稳定，最终剪缩量随着法向应力和粗糙度的增加而增大，减缩速率也随着之增加而增大。

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