趙聯(lián)楨，陳生水，楊東全，鐘啟明，張宏斌

(1. 海南大學(xué)，海南?？凇?70228； 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京　210029)

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凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫循環(huán)剪切性能研究

趙聯(lián)楨1,2，陳生水2，楊東全1，鐘啟明2，張宏斌1

(1. 海南大學(xué)，海南?？?70228； 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029)

摘要：凍土-結(jié)構(gòu)接觸面是凍土區(qū)建筑基礎(chǔ)的薄弱地帶，開(kāi)展人工凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切性能研究對(duì)改善凍土區(qū)建筑的耐久性具有重要意義。運(yùn)用大型凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪設(shè)備對(duì)凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面在恒溫條件下的循環(huán)剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：(1)在第1個(gè)剪切循環(huán)的初始階段凍土接觸面會(huì)出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象；當(dāng)起始法向應(yīng)力不大于500 kPa時(shí)，最大剪脹量會(huì)隨著法向應(yīng)力的增大而增大，而起始法向應(yīng)力為700 kPa時(shí)接觸面剪脹又呈減小趨勢(shì)。(2)從整體趨勢(shì)來(lái)看，法向位移隨剪切循環(huán)的增長(zhǎng)呈先迅速增大后緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，而在每個(gè)循環(huán)內(nèi)部均出現(xiàn)了有規(guī)律的峰狀突起。(3)峰值剪應(yīng)力隨剪切循環(huán)的增加都呈先快后慢的減小趨勢(shì)，兩者之間呈雙曲線關(guān)系；而且在第1個(gè)循環(huán)的初始階段都會(huì)產(chǎn)生1個(gè)由凍結(jié)力和滑動(dòng)摩擦共同作用而導(dǎo)致的剪應(yīng)力最大值，最大剪應(yīng)力隨起始法向應(yīng)力的增大而增大。

關(guān)鍵詞：凍砂土； 接觸面； 循環(huán)剪切； 恒溫

無(wú)論從世界范圍，還是從中國(guó)實(shí)際情況來(lái)看，凍土分布都非常廣泛[1]。在凍土區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)和周圍凍土體之間會(huì)形成大量的凍土-結(jié)構(gòu)接觸面。由于凍土獨(dú)特的力學(xué)和熱學(xué)特性，凍土-結(jié)構(gòu)接觸面和常溫土-結(jié)構(gòu)接觸面在力學(xué)行為上存在顯著不同。此外，由于凍土-結(jié)構(gòu)接觸面兩側(cè)材料剛度存在明顯差異，此類接觸面在循環(huán)荷載作用下往往會(huì)成為建筑事故多發(fā)地帶。從一個(gè)較短的時(shí)間尺度內(nèi)來(lái)看，凍土的溫度變化速率很小，因此對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫剪切性能研究具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的研究還不太成熟，現(xiàn)將該領(lǐng)域有代表性的研究成果歸納如下。與常溫土-結(jié)構(gòu)接觸面[2]相比，凍土-結(jié)構(gòu)接觸面具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性[3]。這種強(qiáng)烈的粘結(jié)作用會(huì)對(duì)凍土與接觸面的剪切性能產(chǎn)生重大影響[4]。凍土溫度除了對(duì)接觸面的凍結(jié)力有影響之外，還會(huì)影響破壞顆粒尺寸[5]。陳湘生等[6]通過(guò)開(kāi)展人工凍結(jié)黏土在不同負(fù)溫和圍壓下的三軸試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：①凍土黏結(jié)力與負(fù)溫之間呈近似線性關(guān)系；②凍土的排氣三軸強(qiáng)度符合有效應(yīng)力原理；③莫爾-庫(kù)倫定律在圍壓小于10 MPa時(shí)有效，而當(dāng)圍壓為10～16 MPa時(shí)就需采用拋物線準(zhǔn)則，文中還給出了凍土強(qiáng)度準(zhǔn)則的線性和非線性數(shù)學(xué)描述公式。呂鵬等[7]就凍土-混凝土接觸面動(dòng)剪強(qiáng)度展開(kāi)研究，認(rèn)為凍土-混凝土接觸面的動(dòng)強(qiáng)度幅值與溫度、法向壓力、含水率、表面粗糙度、加載循環(huán)次數(shù)有關(guān)。趙聯(lián)楨等[8-10]先后研制了一臺(tái)凍土接觸面直剪儀用于凍土-混凝土接觸面的研究，結(jié)果表明剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切位移不大于2 mm。溫智等[11]開(kāi)展了青藏粉土-玻璃鋼接觸面力學(xué)特性直剪試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)：青藏粉土-玻璃鋼接觸面屈服時(shí)相應(yīng)剪切位移很小，應(yīng)變硬化階段短暫或不顯著；凍結(jié)狀態(tài)下接觸面應(yīng)力-位移性狀呈脆性破壞型，存在明顯峰值。汪仁和等[12]進(jìn)行了凍土中單樁的室內(nèi)抗拔模型試驗(yàn)，研究了在不同凍結(jié)溫度下凍土中單樁在豎向上拔荷載作用下的承載力特性及其力學(xué)性狀，分析了樁的軸力、樁土之間的凍結(jié)力沿樁身的分布規(guī)律，樁頭豎向位移與荷載的關(guān)系，并且定量分析了凍結(jié)力和承載力與凍結(jié)溫度的關(guān)系。徐春華等[13]依據(jù)側(cè)向凍結(jié)力試驗(yàn)無(wú)厚度的非線性接觸面單元模擬樁土界面，采用雙曲線非線性模型編制三維非線性有限元程序。結(jié)果表明：樁周凍土溫度、樁徑、樁長(zhǎng)強(qiáng)烈影響著樁側(cè)凍結(jié)力的分布狀態(tài)，增大樁徑是提高工程樁承載力、減小沉降量的有效措施；增大設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)對(duì)提高工程樁承載力貢獻(xiàn)較小。

在實(shí)際工程中，常剛度法向邊界是一種比較常見(jiàn)的法向邊界；另外，凍土區(qū)工程界面經(jīng)常處于循環(huán)荷載(如風(fēng)力、波浪和地震等)作用之下。因此，進(jìn)行凍土與結(jié)構(gòu)接觸面在此類試驗(yàn)條件下的循環(huán)剪切試驗(yàn)對(duì)凍土與結(jié)構(gòu)接觸面研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,本文運(yùn)用自主研制的大型凍土接觸面直剪設(shè)備開(kāi)展了一系列凍土與結(jié)構(gòu)接觸面在常法向剛度邊界下的恒溫循環(huán)剪切試驗(yàn)，對(duì)凍土接觸面的力學(xué)特性和變形行為進(jìn)行深入研究與分析。

1 試驗(yàn)材料及參數(shù)

1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

本文選擇南京地區(qū)典型砂土(埋深20 m)作為試驗(yàn)對(duì)象，其主要性能如表1所示，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。試驗(yàn)設(shè)備為大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀DDJ-1[14]，主要參數(shù)為：試樣長(zhǎng)20 cm，寬10 cm，法向荷載20 kN(精度±0.3%)，切向荷載100 kN(精度±1%)，法向極度限位移10 cm(精度±10-4cm)，切向極限位移20 cm(精度±10-3cm)，溫控范圍為(-30～30)℃(精度±0.3℃)。

表1　南京砂土物理力學(xué)特性

1.2試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)過(guò)程如下：①把土樣裝入剪切盒；②安裝剪切粗糙面板；③設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)并啟動(dòng)壓縮機(jī)，制冷液開(kāi)始在剪切盒周圍循環(huán)，土樣溫度逐漸降低，溫度傳感器實(shí)時(shí)記錄土樣溫度并同步反饋給溫度自穩(wěn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)土樣溫度降到目標(biāo)值時(shí)，溫度自穩(wěn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入恒溫模式(土體溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，反之則關(guān)閉，從而保持溫度恒定，溫控精度為±0.3℃)；④溫度穩(wěn)定后，施加法向邊界條件；⑤溫度再次穩(wěn)定后，施加啟動(dòng)水平加載裝置實(shí)施剪切；⑥達(dá)到設(shè)定剪切次數(shù)后，關(guān)閉水平加載系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，提升結(jié)構(gòu)面板，取下試樣。

表2　凍土-結(jié)構(gòu)接觸面試驗(yàn)內(nèi)容

開(kāi)展的試驗(yàn)為凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫常剛度循環(huán)剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)以下參數(shù)固定：砂土含水率為24%，鋼板粗糙度為0.8 mm，剪切幅度為11 mm，剪切速率為5 mm/min，數(shù)據(jù)采集周期為2.4 s，法向剛度為1 600 kg/cm。由于剪切時(shí)接觸界面面積保持不變，所以可用相對(duì)法向位移的變化來(lái)表征凍土體積的變化，并規(guī)定剪脹為負(fù)，剪縮(即法向位移的減小)為正。相對(duì)剪切位移以向右為正，向左為負(fù)；剪應(yīng)力以向右剪切為正，向左為負(fù)。主要試驗(yàn)內(nèi)容如表2所示。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

恒溫常剛度試驗(yàn)的曲線包括：相對(duì)法向位移v與循環(huán)次數(shù)N，相對(duì)法向位移v與相對(duì)切向位移u，法向應(yīng)力σ與循環(huán)次數(shù)N，法向應(yīng)力σ與相對(duì)法向位移v的關(guān)系曲線，法向應(yīng)力σ與相對(duì)切向位移u，剪應(yīng)力τ與循環(huán)次數(shù)N，剪應(yīng)力τ與法向應(yīng)力σ的關(guān)系曲線。

2.1300 kPa起始法向應(yīng)力常剛度試驗(yàn)分析

圖1給出了起始法向應(yīng)力為300 kPa條件下凍砂土與粗糙鋼板循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果。

圖1　300 kPa起始法向應(yīng)力常剛度剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.1　Testing results under initial normal stress of 300 kPa

由圖1(a)可以看出，在循環(huán)起始階段相對(duì)法向位移出現(xiàn)了較明顯的剪脹(0.02 mm)，這主要是因?yàn)樵诖植阡摪宓募羟凶饔孟略瓉?lái)均勻致密的冰土膠結(jié)體變得相對(duì)松散和雜亂，所以會(huì)出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。而從整個(gè)循環(huán)過(guò)程來(lái)看，凍土接觸面在常剛度循環(huán)剪切條件下會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)法向位移，且法向位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈宏觀上的增加趨勢(shì)，不過(guò)增加的速率逐漸減小；這是因?yàn)殡S著剪切循環(huán)的進(jìn)行，原來(lái)體積較大的冰土結(jié)晶體會(huì)變成較小的微粒，凍土的空隙因細(xì)小微粒的填充而減少，密實(shí)度得到提高，所以凍土接觸面的相對(duì)法向位移在剪切循環(huán)的中后期呈緩慢增加趨勢(shì)。雖然相對(duì)法向位移在總體循環(huán)上呈增大趨勢(shì)，但從每個(gè)循環(huán)內(nèi)部來(lái)看，相對(duì)法向位移先減小后增大，呈山峰狀(峰谷距約為0.07 mm，且呈緩慢增大趨勢(shì))；這說(shuō)明相對(duì)法向位移由兩部分組成，即可逆部分和不可逆部分。由圖1(a)和1(b)可知，相對(duì)法向位移v與相對(duì)切向位移u關(guān)系曲線從上至下逐漸濃密，相對(duì)法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與最大峰值(第30次循環(huán)的峰值)的比值分別為0.52，0.81，0.87，0.92，0.96，0.98，這說(shuō)明相對(duì)法向位移在第5次循環(huán)后會(huì)進(jìn)入一個(gè)比較明顯的緩慢發(fā)展階段。

由圖1(c)可見(jiàn)，法向應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈先迅速減小后緩慢降低的趨勢(shì)，這和相對(duì)法向位移增加的趨勢(shì)大致吻合，由圖1(d)可知，法向應(yīng)力與相對(duì)法向位移確實(shí)在大致上呈線性關(guān)系，其斜率絕對(duì)值為80.596 kPa/mm，這和儀器選用的法向剛度(1 600 kg/cm)是一致的(計(jì)算式見(jiàn)式(1))，從而也從側(cè)面證明了儀器的精確性。由圖1(c)和1(e)可知，法向應(yīng)力σ與相對(duì)切向位移u關(guān)系曲線從上至下逐漸濃密，法向應(yīng)力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)的峰值差值Δσ與Δσmax(第1次與30次循環(huán)的峰值之差)的比值分別為0.52，0.76，0.83，0.90，0.93，0.97，這說(shuō)明法向應(yīng)力的減小在前5次循環(huán)已經(jīng)完成了大部。在每個(gè)循環(huán)內(nèi)部法向應(yīng)力均有峰狀凸起，峰谷距約為5.2 kPa，這意味著法向應(yīng)力存在可逆部分。

(1)

由圖1(f)可知，剪應(yīng)力在第1次剪切循環(huán)初始階段產(chǎn)生1個(gè)遠(yuǎn)大于其他剪應(yīng)力的極大值(307.5 kPa)，隨后剪應(yīng)力迅速減小；此后，凍土與結(jié)構(gòu)接觸面之間的剪應(yīng)力在諸循環(huán)內(nèi)的峰值隨剪切循環(huán)的增加呈不斷減小趨勢(shì)，且減小速率在開(kāi)始的幾個(gè)循環(huán)內(nèi)較大，隨后逐漸降低。剪應(yīng)力在第2次、第5次、10次、15次、30次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)峰值的比值分別為0.46，0.41，0.36，0.33，0.30，這也說(shuō)明剪應(yīng)力在第1次剪切循環(huán)時(shí)會(huì)出現(xiàn)1個(gè)非常顯著的減小。而常溫土與結(jié)構(gòu)接觸面在類似循環(huán)剪切條件下剪應(yīng)力的變化規(guī)律是：剪應(yīng)力隨循環(huán)的進(jìn)行呈較均勻的減小趨勢(shì)，但是在初始階段不會(huì)出現(xiàn)1個(gè)剪應(yīng)力極大值，而且剪應(yīng)力在剪切終了階段的數(shù)值約為其初始值的26%。

出現(xiàn)上述兩種不同規(guī)律的機(jī)理如下：對(duì)于凍土接觸面而言，在凍土與接觸面的膠結(jié)狀態(tài)破壞之前，剪應(yīng)力由兩部分組成：其一是結(jié)構(gòu)面板和凍土之間由于冰的膠結(jié)作用產(chǎn)生的凍結(jié)力；其二是兩者之間的摩擦力。隨著剪切位移的增大，膠結(jié)狀態(tài)會(huì)在粗糙面板的剪切作用下迅速破壞，這時(shí)凍結(jié)力迅速衰減為零；此后，剪切力僅由滑動(dòng)摩擦力組成，破碎的冰土膠結(jié)物會(huì)在持續(xù)的剪切之下部分冰產(chǎn)生融化，且冰土膠結(jié)物逐漸變得更細(xì)更密實(shí)，再加之法向應(yīng)力也會(huì)隨循環(huán)進(jìn)行而減小，所以剪應(yīng)力峰值隨剪切循環(huán)的進(jìn)行逐漸減小。對(duì)于常溫土接觸面而言，剪應(yīng)力一直僅由滑動(dòng)摩擦力組成，而且與凍土相比，常溫土的強(qiáng)度要小得多。如果常溫土可以看成塑性體，那么在一個(gè)較小的時(shí)間尺度上，凍土可以看做剛性體。所以常溫土接觸面在循環(huán)剪切作用下，剪應(yīng)力的衰減一直比較穩(wěn)定；而凍土接觸面的剪應(yīng)力，只在接觸面膠結(jié)狀態(tài)變化比較明顯的前10個(gè)循環(huán)衰減較快。

另一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)慶活動(dòng)中，主持人也常常提到海外僑民對(duì)節(jié)慶活動(dòng)的貢獻(xiàn)，例如僑民組織或個(gè)人贊助了某項(xiàng)活動(dòng)，或者為抽獎(jiǎng)活動(dòng)提供了獎(jiǎng)品等。節(jié)日中另一些場(chǎng)合，例如校舍竣工儀式等，也會(huì)拉橫幅感謝作出貢獻(xiàn)的僑民。海外僑民的貢獻(xiàn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)慶中是顯性的存在、公開(kāi)的話語(yǔ)。

圖1(g)表明，剪應(yīng)力峰值會(huì)隨法向應(yīng)力的減小而減小，并且二者存在線性關(guān)系；剪應(yīng)力為正時(shí)的斜率絕對(duì)值要小于剪應(yīng)力為負(fù)時(shí)的。

2.2500和700 kPa起始法向應(yīng)力常剛度試驗(yàn)

圖2給出了起始法向應(yīng)力為500 kPa條件下凍砂土與粗糙鋼板循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果。

圖2　500 kPa起始法向應(yīng)力常剛度剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.2　Testing results under initial normal stress of 500 kPa

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)試驗(yàn)的起始法向應(yīng)力為500 kPa時(shí)，諸曲線的變化趨勢(shì)與起始法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)諸曲線的變化規(guī)律非常類似，只是存在著數(shù)值大小上的差異,因此在此僅作簡(jiǎn)要介紹。

由圖2(a)和(b)可知：剪切初始階段的剪脹為0.068 mm；在每個(gè)剪切循環(huán)內(nèi)部，相對(duì)法向位移的峰谷距約為0.09 mm；相對(duì)法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與最大峰值(第30次循環(huán)的峰值)的比值分別為0.23，0.60，0.75，0.86，0.91，0.96。

由圖2(c)，(d)和(e)可以看出:法向應(yīng)力與相對(duì)法向位移呈線性關(guān)系，其斜率絕對(duì)值為80.02；在每個(gè)循環(huán)內(nèi)部法向應(yīng)力峰谷距約為6.1 kPa；法向應(yīng)力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)的峰值差值Δσ與Δσmax(第1次與30次循環(huán)的峰值之差)的比值分別為0.30，0.57，0.69，0.81，0.91，0.95。

由圖2(f)可知:剪應(yīng)力在第1次剪切循環(huán)的初始階段產(chǎn)生的極大值為637 kPa；剪應(yīng)力在第2次、第5次、10次、15次、30次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)峰值的比值分別為0.51，0.41，0.36，0.34，0.28。

由圖2(g)可知：剪應(yīng)力峰值會(huì)隨著法向應(yīng)力的減小而減小，并且二者存在線性關(guān)系；剪應(yīng)力為正時(shí)的斜率絕對(duì)值要小于剪應(yīng)力為負(fù)時(shí)的。

圖3給出了起始法向應(yīng)力為700 kPa時(shí)凍砂土與粗糙鋼板循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可以看出，當(dāng)試驗(yàn)的起始法向應(yīng)力為700 kPa時(shí)，諸曲線的變化趨勢(shì)與起始法向應(yīng)力為300和500 kPa時(shí)諸曲線的變化規(guī)律比較類似。

圖3　700 kPa起始法向應(yīng)力常剛度剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.3　Testing results under initial normal stress of 700 kPa

由圖3(a)和(b)可知：剪切初始階段的剪脹為0.033 mm，這說(shuō)明在高圍壓之下，循環(huán)初始階段所產(chǎn)生的剪脹非常微小，法向應(yīng)變主要表現(xiàn)為剪縮(即法向位移的減小)；在每個(gè)剪切循環(huán)內(nèi)部，相對(duì)法向位移的峰谷距約為0.11 mm,結(jié)合起始法向應(yīng)力為300和500 kPa的兩組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：相對(duì)法向位移的峰谷距隨著法向應(yīng)力的增加而增大，這是由于接觸帶可以看成彈塑性體，而其中的可逆性法向位移可以看成彈性變形，彈性變形又與法向應(yīng)力保持正比例關(guān)系；相對(duì)法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與最大峰值(第30次循環(huán)的峰值)的比值分別為0.38，0.73，0.85，0.90，0.94，0.97。

由圖3(c)，(d)和(e)可以看出：法向應(yīng)力與相對(duì)法向位移呈線性關(guān)系，其斜率絕對(duì)值為80.01；在每個(gè)循環(huán)內(nèi)部法向應(yīng)力峰谷距約為6.5 kPa；法向應(yīng)力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)的峰值差值Δσ與Δσmax(第1次與30次循環(huán)的峰值之差)的比值分別為0.36，0.59，0.75，0.84，0.91，0.98。

由圖3(f)可知:剪應(yīng)力在第1次剪切循環(huán)的初始階段產(chǎn)生的極大值為831.8 kPa；剪應(yīng)力在第2次、第5次、10次、15次、30次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)峰值的比值分別為0.53，0.44，0.38，0.35，0.32。

由圖3(g)可知：剪應(yīng)力峰值會(huì)隨著法向應(yīng)力的減小而減小，并且二者存在線性關(guān)系；剪應(yīng)力為正時(shí)的線性斜率絕對(duì)值要小于剪應(yīng)力為負(fù)時(shí)的。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展凍砂土接觸面在恒溫常剛度法向邊界條件下的循環(huán)剪切試驗(yàn)，得到主要結(jié)論如下：

(1)在剪切循環(huán)中，第1個(gè)循環(huán)的初始階段凍土接觸面會(huì)出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象；當(dāng)起始法向應(yīng)力為300，500和700 kPa時(shí)，恒溫剪切試驗(yàn)出現(xiàn)的最大剪脹量分別為0.02，0.068，0.033 mm?？梢钥闯霎?dāng)起始法向應(yīng)力不大于500 kPa時(shí)，試驗(yàn)的最大剪脹量會(huì)隨著法向應(yīng)力的增大而增大，而起始法向應(yīng)力為700 kPa時(shí)接觸面的剪脹又呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

(2)在恒溫循環(huán)剪切試驗(yàn)中，從整體趨勢(shì)來(lái)看，法向位移隨剪切循環(huán)的增長(zhǎng)呈先迅速增大后緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，而在每個(gè)循環(huán)內(nèi)部均出現(xiàn)了有規(guī)律的峰狀突起，不同起始法向應(yīng)力(從小到大)對(duì)應(yīng)的法向位移平均峰谷距分別為0.07，0.09，0.011 mm，可見(jiàn)法向位移平均峰谷距隨著起始法向應(yīng)力的增大而增大。

(3)在恒溫常剛度循環(huán)剪切試驗(yàn)中，不論起始法向應(yīng)力為多少，法向應(yīng)力隨剪切循環(huán)的減小趨勢(shì)和法向位移隨剪切循環(huán)的增大趨勢(shì)是一致的，且兩者呈線性關(guān)系，其斜率為-80 kPa/mm。

(4)在恒溫剪切試驗(yàn)中，峰值剪應(yīng)力隨剪切循環(huán)的增加都呈先快后慢的減小趨勢(shì)，兩者之間呈雙曲線關(guān)系；而且在第1個(gè)循環(huán)的初始階段都會(huì)產(chǎn)生1個(gè)由凍結(jié)力和滑動(dòng)摩擦共同作用而導(dǎo)致的剪應(yīng)力最大值τmax。起始法向應(yīng)力為300，500，700 kPa時(shí)，恒溫剪切試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的τmax分別為307.5，637，831.8 kPa，可見(jiàn)最大剪應(yīng)力隨著起始法向應(yīng)力的增大而增大。

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Cyclic shear property studies on frozen silt-structure interface under constant temperature

ZHAO Lian-zhen1,2， CHEN Sheng-shui2， YANG Dong-quan1， ZHONG Qi-ming2， ZHANG Hong-bin1

(1.HainanUniversity,Haikou570228,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract：Frozen soil-structure interface is the weak zone of building foundation, therefore, it is of great significance to study the cyclic shear property of the frozen silt-structure interface. By using the large-scale multi-functional cycle direct shear apparatus for the frozen soil-structure interface, the experimental studies of cyclic shear property of frozen silt-structure interface are carried out. The study results are as follows: (1) in the first cycle, the frozen soil shear zone displays the maximum dilatation at the beginning stage, and this maximum dilatation increases with the increase of initial normal stress when this initial normal stress is more than 500 kPa, and then decreases with the decrease of initial normal stress; (2) on the whole, the normal displacement increases with a cyclic loading time at a decreasing rate, and the peak-to-trough of normal displacement is observed inside each shear cycle; (3) the peak shear stress in each cycle decreases, but the rate of decrease gradually slows down with the cyclic loading time, and the relationship between the two is a hyperbolic curve. Moreover, the maximum shear stress formed under the joint actions of the freezing force and the frictional force between the structure and the frozen soil is observed in the initial stage of the first cycle. This maximum shear stress increases with the increase of initial normal stress.

Key words：frozen silt; interface; cyclic shear; constant temperature

中圖分類號(hào)：TU411.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2016)01-0093-07

作者簡(jiǎn)介：趙聯(lián)楨(1984—)， 男， 山東滕州人， 講師， 博士， 主要從事巖土與地下工程的教學(xué)與研究。

基金項(xiàng)目：海南大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(kyqd1504: VR23269001001001011)

收稿日期：2015-06-07

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.014

趙聯(lián)楨， 陳生水， 楊東全， 等. 凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫循環(huán)剪切性能研究[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2016(1): 93-99. (ZHAO Lian-zhen, CHEN Sheng-shui, YANG Dong-quan, et al. Cyclic shear property studies on frozen silt-structure interface under constant temperature[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 93-99.)

E-mail: zhaolianzhen@163.com 通信作者：陳生水(E-mail: sschen@nhri.cn)