于 鵬， 劉 燦， 劉紅軍,2**， 于雅瓊

(1.中國海洋大學， 山東 青島 266100； 2. 海洋環(huán)境與生物教育部重點實驗室， 山東 青島 266100； 3. 青島市勘察測繪研究院， 山東 青島 266100)

土與結(jié)構(gòu)相互作用是巖土工程領(lǐng)域的研究熱點，其土-結(jié)構(gòu)界面的剪切性能是影響構(gòu)筑物承載力的重要因素，因而明確界面的力學特性、剪切破壞模式和其影響因素，合理確定其側(cè)摩阻力對工程設(shè)計及安全評價有著重要作用。

不同類型的地基土因其各自的力學性質(zhì)不同，在土與結(jié)構(gòu)界面上的剪切特性也有所差異。常見的地基土類型，如砂土[1]、黏土[2]、粉質(zhì)黏土[3]、粗粒土[4]和礫石[5]等與界面的力學特性已有大量研究。當前研究中，對于粘性土通?？紤]其土質(zhì)、壓實度和含水量對土-結(jié)構(gòu)界面力學特性的影響；而對于砂土和粗粒土通?？紤]其顆粒級配、土粒形狀等對土-結(jié)構(gòu)界面力學特性的影響。近年來，越來越多的特殊土或區(qū)域性特類土被考慮在內(nèi)，如廣泛分布于中國西南地區(qū)的紅黏土，有高塑性、裂隙性與脹縮性的特性，張家生等[6]和陳俊樺等[7]基于自行研制TJW-800大型直剪試驗機，分析不同法向應力與不同混凝土表面粗糙度條件下結(jié)構(gòu)接觸面的強度及變形隨循環(huán)加載次數(shù)的變化規(guī)律；針對中國西北地區(qū)風化作用下具有鹽脹性、腐蝕性、溶陷性的氯鹽漬土，丑亞玲等[8]開展了凍融次數(shù)、含鹽量、基質(zhì)吸力等因素對非飽氯鹽漬土-鋼塊接觸面力學性能影響的相關(guān)研究；Wang等[9]將青藏高原凍土與室溫下其界面剪切特性對比，發(fā)現(xiàn)凍土的抗剪強度主要來自冷凍條件下內(nèi)聚力的貢獻，即冰晶的膠結(jié)；黃泛區(qū)粉土具有較難壓實，干燥易揚塵，潮濕易溶解流動，毛細水上升高度大等特點，王騰等[10]研究了循環(huán)次數(shù)、累積位移和法向剛度對其與結(jié)構(gòu)界面摩擦疲勞性能、循環(huán)后單調(diào)剪切性能的影響；Li等[11]則研究了膨潤土砂混合物(BSM)與結(jié)構(gòu)界面的循環(huán)剪切特性。考慮到海洋土所處環(huán)境與陸基土的差異，孔令偉等[12]、閆澍旺等[13]和寇海磊等[14]分別進行了海洋砂土和海洋軟黏土與結(jié)構(gòu)物界面的剪切試驗，探究了初始不排水強度、固結(jié)程度和擾動程度對界面剪切特性的影響。另外，為響應國家對南海的開發(fā)戰(zhàn)略，針對以珊瑚碎屑為主的南海鈣質(zhì)砂，Guo等[15]研究了膠結(jié)材料和表面粗糙度對其界面抗剪強度的影響。

粉土作為介于砂土和黏土之間的過渡類型土，呈現(xiàn)出兩者的雙重力學行為，本身具有較為特殊的工程性質(zhì)。而黃河三角洲粉土是在快速沉積下形成的，土的孔隙中的水來不及排出，表層沉積物沒有經(jīng)過壓實作用的影響，具有含水量高，孔隙水壓大，壓縮性高，抗剪強度低的性質(zhì)[16]。本文以黃河三角洲粉土為研究對象，采用大型界面剪切儀，進行了粉土-鋼界面剪切試驗，從法向應力、含水率和粗糙度三個因素出發(fā)，系統(tǒng)的研究了界面的剪切力學特性及規(guī)律，以期為黃河三角洲地區(qū)工程構(gòu)筑物的設(shè)計和評估提供參考和理論借鑒。

1 大型界面剪切試驗

1.1 大型剪切儀介紹

剪切試驗采用大連理工大學抗震研究所的JAW-500大型剪切儀，如圖1所示。該設(shè)備主要包括：冷卻系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、直剪試驗盒等。其主要優(yōu)點包括：(1)剪切盒尺寸較大，為500 mm×500 mm×300 mm，能夠有效的降低邊界效應對試驗帶來的影響[17-18]；(2)接觸面板在直剪盒的上部，法向應力通過墊層直接施加在接觸面，能夠有效的控制法向邊界條件以及消除法向應力傳遞過程中產(chǎn)生的誤差；(3)盒下方通過20根彈簧作為彈性裝置與滑動面板接觸，從而使剪切盒可以在法向自由運動，能夠有效的測出剪切過程中的體變。

圖1 JAW-500大型剪切儀

1.2 試驗材料

本次試驗粉土取自東營黃河口，是典型的黃河三角洲粉土，具有較高的圓度和孔隙度，其滲透性能和顆粒間咬合作用較差?？紤]到結(jié)構(gòu)物施工過程中的擾動，參照GB/T50123—2019土工試驗標準方法對原狀土進行重塑。經(jīng)烘干、粉碎和過篩三道工序，通過添加不同質(zhì)量水和控制干密度(1.61 g/cm3)的方法，分別配置含水率為16%，20%和24%(飽和度為63.5%，79.3%和95.2%)的重塑土樣。為保證土體內(nèi)部水分均勻，配置過程中充分攪拌，隨后將攪拌均勻的土樣封膜靜置2 d。其粉土力學參數(shù)與級配如表1和表2所示，平均粒徑d50=0.03 mm。

表1 試驗粉土基本物理性質(zhì)

表2 試驗粉土級配

鋼板尺寸為720 mm×580 mm×5 mm，其中，為保證剪切過程中土樣與鋼板的有效接觸面積不變，沿著剪切方向的鋼板尺寸比下剪切盒長220 mm?？紤]到實際工程中，基礎(chǔ)表面并不是完全光滑的，生銹或侵蝕都會改變平整度，因而采用刨槽工藝加工三種不同粗糙度，R0(光滑)、R1(較粗糙)、R2(粗糙)，如圖2所示。表面粗糙度的設(shè)定通常采用灌砂法、輪廓高度平均值、分數(shù)維法等[19]，在本次試驗中，粗糙度的規(guī)格參考了修正后的灌砂法[20]，定義峰了谷距H、凹槽橫截面寬L1和平臺間距L2三種個參數(shù)，如圖4和表3所示，其粗糙度計算公式如下：

(1)

圖2 加工鋼板

表3 鋼板粗糙度

1.3 試驗方案

為了探討不同鋼板粗糙度、含水率和法向應力對粉土-鋼界面的影響，同時考慮到大型剪切儀試驗時間過長、裝卸料工作量大等問題，共設(shè)置了3種粗糙度、3種含水率、3種法向應力總共15組別試驗。具體試驗組別參照表4。其中，含水率的設(shè)置根據(jù)馮秀麗等[16]對現(xiàn)代黃河水下三角洲軟土沉積物工程地質(zhì)特性的研究及土樣的最佳含水率(19.6%)，最大含水率設(shè)置為24%(飽和度95.2%)；法向應力的設(shè)置根據(jù)圓孔擴張理論[21]，粉土的靜止土壓力系數(shù)K0=0.33，土體的水平自重應力σcx=σcy=K0σcz=K0γz，取最大法向法向應力設(shè)置為300 kPa；加載過程中設(shè)置剪切位移為50 mm；剪切速率參照王永洪[22]的建議，為1 mm/s，進行不排水快剪試驗。

表4 試驗組別設(shè)置

試驗開始前，首先將配置好的土樣裝入剪切盒中，使用自動擊實器分五層擊實，每層6 cm，并對擊實后的每層土樣進行刮毛處理，以保證土樣為各向同性的均勻體，其中，對于含水率24%的土樣，為避免擊實器震動過大造成粉土發(fā)生液化現(xiàn)象，采用人工擊實。裝土完成后，在25 kPa的豎向壓力下進行一維固結(jié)15 min，該固結(jié)過程的目的是保證試樣頂端法向應力向試樣內(nèi)部充分傳遞。需要說明的是，考慮到試驗土樣為低塑性粉土，上述短暫固結(jié)對土結(jié)構(gòu)性影響較小，因而忽略因形成不同超固結(jié)比造成的影響。

試驗開始時，首先施加法向壓力到設(shè)置壓力，隨后采用波形文件控制油壓加載的方法施加切向力進行試驗，每組試驗周期中數(shù)據(jù)采集點為30 000個。試驗完成后，記錄切向力、切向位移、法向位移等參數(shù)，并觀察剪切面剪切破壞現(xiàn)象(見圖3)。同時對鋼板表面的殘余土樣進行清潔，以避免土樣填充對粗糙度的干擾，方可卸土、裝土開始下一組試驗。當實驗全部完成后，由系統(tǒng)自動測得的電壓值進行數(shù)據(jù)處理，需要說明的是，由于每組別試驗原始數(shù)據(jù)眾多，數(shù)據(jù)處理采用均分位移取值的方式，統(tǒng)計20～25個代表數(shù)據(jù)點繪圖分析，因而由于體變而導致的數(shù)據(jù)曲線波動現(xiàn)象不顯著[23]。

圖3 試驗完成后的剪切界面

2 試驗結(jié)果

2.1 剪應力-切向位移關(guān)系

2.1.1 法向應力的影響 圖4為粗糙度R=0.05，含水率ω=20%，法向應力分別為100，200，300 kPa作用下的界面剪應力-剪切位移曲線?？梢钥闯?，在鋼板粗糙度和土體含水率保持不變的情況下，界面初始剪切模量和最大剪應力均隨著法向應力的增大而增大。低法向應力(100，200 kPa)下剪應力-剪切位移曲線成硬化型，在此取剪切位移為50 mm時的剪應力為最大剪應力；而高法向應力(300 kPa)下剪應力-剪切曲線有明顯的軟化趨勢，為軟化型，在此取峰值剪應力為最大剪應力。不管是硬化型曲線還是軟化型曲線，其總可以分為三個階段：彈塑性快速增長階段(OA，OD)、塑性慢速增長(AB)/塑性軟化階段(DE)、近破壞平衡(BC)/殘余摩擦階段(EF)。計算可得，σ=300 kPa時，最大剪應力分別是100、200 kPa時的2.44、1.35倍，法向應力在100～200 kPa時剪應力的增長幅度要略大于200～300 kPa時的漲幅，說明隨著法向應力的增大，粉土-鋼界面之間剪應力的增長幅度減小，法向應力增大到一定程度后剪應力不會有太大的增大。另外，不同法向應力下到達剪應力速率拐點的剪切位移也成一定規(guī)律性，即法向應力越大，到達剪切速率拐點所需的剪切位移越大。剪切的本質(zhì)是做破壞功，這種現(xiàn)象可以解釋為隨著法向應力的升高，一方面下部土體被壓更加密實，另一方面土粒在壓力作用下與鋼表面接觸更加緊密，形成良好的摩擦效果，從而使得達到破壞臨界狀態(tài)所需的耗能越大，導致最大剪應力和速率拐點剪切位移越大。

圖4 不同法向應力條件下剪應力-剪切位移曲線

2.1.2 粗糙度的影響 圖5為含水率ω=20%，法向應力分別在100，200，300 kPa作用下，在3個不同粗糙度R=0，0.025，0.05鋼板上的界面剪切試驗結(jié)果。從剪應力-剪切位移曲線可以看出，同一法向應力下，不同粗糙度的剪應力-剪切位移曲線在初始階段即彈性階段基本重合，初始剪切剛度基本不變，隨著粗糙度的增大相繼產(chǎn)生剪切破壞而分離，最大剪應力和剪應力速率拐點位移均隨著粗糙度的增加而增大，說明在各種法向應力下，粗糙度都對粉土-鋼界面的抗剪強度存在影響。分析其原因，界面粗糙度較小時，能夠嵌入凹槽內(nèi)的土較少，其剪切位移主要是由凹槽內(nèi)的土發(fā)生錯動，界面處發(fā)生的是直接滑動破壞，導致最大剪應力和剪應力速率拐點位移較?。欢植诙容^大時，能夠嵌入凹槽內(nèi)的土較多，其剪切位移由界面凹槽內(nèi)的土與界面下部土體共同產(chǎn)生，界面處發(fā)生的是彈塑性破壞，土體內(nèi)部出現(xiàn)剪切滑動帶，導致最大剪應力和剪應力速率拐點位移較大。另外，隨著法向應力的增大，不同粗糙度下的剪應力-剪切位移曲線基本朝著硬化型-折線型-軟化型的趨勢發(fā)展，且不同粗糙度下曲線差異減小，說明粗糙度對界面剪應力的影響隨法向應力的增大而逐漸減小，這是由于隨著壓力增大而被擠壓進入凹槽內(nèi)的土粒增多，使得接觸面的不均勻性得以改善。相關(guān)學者在研究粗糙度對界面剪切行為時提出了“臨界粗糙度”[24]和“極限粗糙度”[25]的概念，由于本次試驗粗糙度的設(shè)置采用的了簡化的灌砂法，因此不再討論。

圖5 不同粗糙度條件下剪應力-剪切位移曲線

2.1.3 含水率的影響 土體的含水率對土本身的強度有一定的影響，同時也會影響到土與結(jié)構(gòu)界面的剪切特性。圖6為粗糙度R=0.05，法向應力分別在100，200，300 kPa作用下，使用三個含水率ω=16%，20%，24%(試驗后測得含水率為15.9%，19.8%，23.2%)土樣的界面剪切結(jié)果。從剪應力-剪切位移曲線可以看出，同一法向應力下，在初始階段，更接近于最優(yōu)含水率ω=19.6%的組別(16%，20%)曲線斜率基本一致，隨著含水率的增加，斜率減小。當含水率較小時，剪應力-剪切位移曲線呈軟化型，隨著含水率的升高，剪應力-剪切位移曲線由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變。其硬化曲線的最大剪應力及軟化曲線的峰值剪應力，均隨著含水率的增加而減小，分析其原因是在低含水率條件下土樣較硬，其在剪切過程中顆粒接觸逐漸緊密[33]，剪應力增大；而當含水率增大時，粉土與鋼結(jié)構(gòu)之間的結(jié)膜水厚度變大，由此產(chǎn)生的潤滑作用增加，從而使得界面之間的摩阻力下降，即孔隙水壓力增大造成有效應力降低，最終導致其抗剪強度降低。上述結(jié)論與張建偉等[26]的研究結(jié)果不同，而與高登輝[27]的結(jié)果相同，其原因在于裝土過程中采用了控制干密度的方法，因而排除了壓實度的影響[28]。另外，在低法向應力條件下(100，200 kPa),較小含水率的界面首先出現(xiàn)剪切破壞，由于本次試驗采取的不排水快剪，出現(xiàn)這種情況的原因可能與非飽和土的基質(zhì)吸力有關(guān)[29]。

圖6 不同含水率條件下剪應力-剪切位移曲線

2.2 抗剪強度

將本次試驗中的峰值剪切應力/最大剪應力和法向應力的關(guān)系線性進行擬合，如圖7所示擬合度較好，界面破壞形式符合Mohr-Coulomb破壞準則，即：

τ=σtanφ+c。

(2)

式中:σ為垂直應力;φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力。

圖7 抗剪強度擬合曲線

2.2.1 粗糙度對抗剪強度及參數(shù)的影響 圖8是不同粗糙度條件下的抗剪強度和其參數(shù)，粗糙度R=0、0.025、0.05對應的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為2.25、4.03、5.76 kPa和11.21°、12.68°、13.19°?？梢钥闯?，隨著粗糙度的增加，經(jīng)剪切破壞后接觸面的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別增加，其增幅分別為1.56倍和17.67%，說明接觸面黏聚力受粗糙度影響較大。分析其原因，隨著粗糙度的增大，一方面結(jié)構(gòu)凹槽深度加深，土顆粒發(fā)生滑移翻滾所需的剪阻力增大；另一方面土顆粒與結(jié)構(gòu)表面的接觸面積增大，剪切過程中槽內(nèi)土體填充增多，使得土體與槽內(nèi)土體黏結(jié)效果增強，黏結(jié)強度此時成為抗剪強度的主要部分。這種規(guī)律在粗糙度差別更大的不同凹槽結(jié)構(gòu)鋼板試驗中更加顯現(xiàn)[30]。而摩擦角指的是界面間的摩擦作用，隨著粗糙度的增加，填充入凹槽內(nèi)的土體增加，導致土體與結(jié)構(gòu)面光滑部分(L2)之間的摩擦作用減弱，而與凹槽內(nèi)土體之間的摩擦作用增加，最終表現(xiàn)為界面摩擦角的輕微增加。

圖8 不同粗糙度條件下抗剪強度參數(shù)

2.2.2 含水率對抗剪強度及參數(shù)的影響 圖9是不同含水率條件下的抗剪強度和其參數(shù)，含水率ω=16%、20%、24%對應的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為4.7、5.76、3.61 kPa和15.08°、13.19°、10.5°。隨著含水率的增加，接觸面黏聚力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其在16%～20%增加的速率小于20%～24%減小的速率。分析其原因，當含水率較低時，隨著含水率的增加，一方面使土樣的密度增大，另一方面土顆粒之間因水的吸附作用，使土黏聚力增大；根據(jù)前人研究，當含水率達到塑限附近[31]或最優(yōu)含水率[32]時出現(xiàn)黏聚力峰值，本次研究黏聚力峰值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率(19.6%)附近；隨著含水率進一步增加，土顆粒間的結(jié)膜水厚度變大，弱結(jié)合水增多，自由水逐漸產(chǎn)生，這些水壓力將土顆粒分開，使得結(jié)構(gòu)吸力對黏聚力的貢獻逐漸消失，最終導致了黏聚力的快速下降[33]。而隨著含水率的增加，界面間水膜潤滑作用的增強，內(nèi)摩擦角成下降趨勢，降幅達到30.37%，說明接觸面內(nèi)摩擦角受含水率影響較大。

圖9 不同含水率條件下抗剪強度

2.3 體應變規(guī)律

本次試驗中剪切界面的截面積為定值，因此，測定其法向位移來反映剪切過程中試樣的體積變化，即接觸面剪切體變特性。

2.3.1 法向應力的影響 圖10為粗糙度R=0.05，含水率ω=20%，法向應力分別為100，200，300 kPa作用下的界面法向位移-剪切位移曲線?？梢钥闯?，在鋼板粗糙度和土體含水率保持不變的情況下，不同法向應力所呈現(xiàn)的界面體變規(guī)律不同，在低應力(100 kPa)條件下，界面表現(xiàn)出剪脹性，隨著法向應力的增加，在中應力(200 kPa)條件下，界面體變呈現(xiàn)先剪縮后輕微剪脹總體減縮的規(guī)律，法向應力進一步增加，在高應力(300 kPa)條件下，界面表現(xiàn)出剪縮性。但不管其剪縮還是剪脹，法向位移-剪切位移曲線總是可以分為三個階段：快速體變階段(OA，OD)、慢速體變(AB)/體變變向階段(DE)、體變平衡階段(BC，EF)。分析其原因，在裝土擊實過程中，土體承受了部分的壓實功，剪切過程中由于土粒錯動位移，導致?lián)魧嵾^程中累積的黏聚勢能和摩擦勢能釋放，產(chǎn)生向上的作用力，法向應力較低時，此部分向上作用力與法向應力抵消壓力差為正，從而表現(xiàn)出剪脹性；而法向應力較高時，此部分向上作用力與法向應力抵消壓力差為負，土粒間隙被壓縮，從而表現(xiàn)出剪縮性[34]。另外，在中應力(200 kPa)條件下出現(xiàn)先減縮后剪脹的原因可能是，先前被壓縮空隙的土顆粒之間，隨著剪切的進行產(chǎn)生了顆粒錯動恢復了部分空隙，從而表現(xiàn)出體積先較小后增大的現(xiàn)象。

圖10 不同法向應力條件下法向位移-剪切位移曲線

2.3.2 粗糙度的影響 圖11為含水率ω=20%，法向應力分別在100,200,300 kPa作用下，在3個不同粗糙度R=0，0.025,0.05鋼板上的界面剪切試驗結(jié)果。從法向位移-剪切位移曲線可以看出，同一法向應力下，隨著粗糙度的增加，界面體變越大。具體表現(xiàn)為在低應力剪脹階段，粗糙度越大，剪脹量越大；在高應力階段，粗糙度越大，減縮量越大。分析其原因，粗糙度的增加提升了土顆粒與界面的咬合程度，導致嵌入粗糙凹槽內(nèi)土顆粒的增加，并增大了界面剪切帶的厚度[35]，從而引起體變的增大。

圖11 不同粗糙度條件下法向位移-剪切位移曲線

2.3.3 含水率的影響 圖12為粗糙度R=0.05，法向應力分別在100,200,300 kPa作用下，使用三個含水率ω=16%，20%，24%土樣的界面剪切結(jié)果。從法向位移-剪切位移曲線可以看出，在不同的法向應力下，較低含水率(16%)總是呈現(xiàn)一定的剪脹性，即使是在高應力(300 kPa)條件下，其法向位移-剪切位移曲線也呈現(xiàn)先減縮后剪脹的規(guī)律。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能由填土方式導致，為了控制其填土的干密度，含水率較小的土樣需要承受更大的擊實功，因此擊實后的土可能具有超固結(jié)性質(zhì)[36-37]。與此同時，隨著法向應力的增加，體變程度變化較小，說明在低含水率條件下，法向應力升高到一定程度，其對界面體變的影響程度減弱。這是因為法向應力越大，土體壓縮越發(fā)密實，水敏性相對越弱，使得接觸面上的力學特性受含水率的影響就相對減小。而較高含水率(24%)總是呈現(xiàn)出剪縮性，即便在低應力(100 kPa)條件下，分析其原因，可能由于該試樣處于接近飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)(Sr=95.2%)，剪切過程中會有部分土體被擠出，從而導致剪縮性。另外，同一法向應力下，隨著含水率的升高，其體變曲線初始斜率減小，這與上述剪應力-剪切位移曲線具有相同的規(guī)律性。

圖12 不同含水率條件下法向位移-剪切位移曲線

3 結(jié)論

通過對粉土-鋼界面大型剪切試驗，系統(tǒng)的分析了不同法向應力、鋼板粗糙度和含水率對界面抗剪強度和體變的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)剪應力-剪切位移曲線總是可以分為三個階段：彈塑性快速增長階段、塑性慢速增長/塑性軟化階段、近破壞平衡/殘余摩擦階段。最大剪應力隨著法向應力的增大、鋼板粗糙度的增加、含水率的減小而增大。

(2)鋼板粗糙度對經(jīng)剪切破壞后接觸面的黏聚力影響顯著，粗糙度越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角越大；而含水率主要影響內(nèi)摩擦角，含水率越高，內(nèi)摩擦角越小，其黏聚力隨含水率的升高呈先升高后下降的趨勢，在最優(yōu)含水率附近達到峰值。

(3)法向位移-剪切位移曲線也可分為三個階段：快速體變階段、慢速體變/體變變向階段、體變平衡階段。法向應力越低，含水率越低，界面剪脹性越明顯；隨著法向應力和粗糙度的增加，界面剪縮趨勢增加，體變量也隨之增大。

(4)研究成果能為黃河三角洲地區(qū)工程設(shè)計及安全評價提供參考。