循環荷載作用下紅黏土與混凝土接觸面剪切特性試驗研究①

石熊，張家生，鄧國棟，孟飛，徐進，劉蓓

(1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075;2.馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發有限公司，湖南 長沙 410016;3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

土體與混凝土結構間的相互作用問題一直是巖土工程界研究的重要課題［1］，涉及到土力學的各個方面，如土體與混凝土樁的接觸面問題、土體與錨桿的接觸問題、土體與混凝土擋土墻的接觸面問題等［2－4］。在外部荷載作用下，由于土體和混凝土受力與變形的差異性，接觸面上會產生較大的力，因此研究接觸面上的受力特性和變形機理至關重要［5－7］。楊有蓮等［8－11］等國內外學者通過試驗對其進行了較為廣泛的研究，并取得了相應的研究成果。然而在以往的研究中，大多數為結構接觸面的單向剪切試驗，對循環荷載下結構接觸面的力學特性及變形機理的研究并不多，近年來，隨著地震的頻發，循環荷載作用下結構接觸面的研究顯得尤為迫切。張嘎等［12－13］利用自制的大型土與結構接觸面循環加載剪切儀對粗粒土與結構接觸面進行了試驗研究，結果表明在循環剪切荷載作用下，隨著循環次數增加，粗粒土與結構接觸面的抗剪強度基本保持不變;接觸面的相對法向位移總體上不斷增大，但在一個剪切循環內表現出包含卸載體縮等情形的有規律增減變化。但對于循環荷載作用下黏性土與混凝土接觸面的力學特性的研究較少，其受力特性及變形機理尚不明確。

紅黏土作為一種特殊性黏土，廣泛分布于我國湖南、廣西、云南、貴州，具有一定的代表性，其含水量、液限、塑限都很高，密度低，滲水性差，膨脹量小，壓縮性低，抗剪強度較高［14］。紅黏土是一種高塑性黏土，由于其塑性指數較高，相比于粗粒土，具有優良的壓縮和適應大變形的特性，在剪切過程中往往能夠延遲破壞的發生。但在實際工程中，紅黏土因其裂隙性與脹縮性常引起諸多工程病害，其特殊的工程性質及工程問題引起學者越來越多的關注［15］。

采用大型直剪儀對長沙地區紅黏土與混凝土結構接觸面進行循環荷載作用下直剪試驗，分析了不同法向應力與不同混凝土表面粗糙度條件下結構接觸面的強度和變形隨循環加載次數的變化規律。

1 接觸面試驗

1.1 試驗材料

土料采用長沙地區紅黏土，對土料進行了擊實試驗和靜三軸試驗，通過擊實試驗結果得出紅黏土的最大干密度為 1.81 g/cm3，最優含水率為14.08%，曲線見圖1;靜三軸試驗結果如表1所示。混凝土試塊采用C40混凝土，混凝土配置強度 fcu.o為 49.9 MPa，水灰比 W/C 為 0.43，1 m3混凝土的用水量為195 kg。將混凝土表面的粗糙度分為三級，制作不同粗糙度下的混凝土接觸面，利用自制的粗糙度測定儀，對其進行測定［18］，得出粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ混凝土表面的平均深度分別為0.578，1.893 和2.444 mm。

圖1 擊實試驗曲線Fig.1 Curve of compaction test

表1 紅黏土參數Table 1 Parameters of red clay

1.2 試驗方案

采用中南大學巖土工程系與長春朝陽試驗儀器有限公司合作研制TJW－800大型直剪試驗機［16］，上、下剪切盒尺寸均為500 mm×500 mm×150 mm，利用直剪試驗機通過控制法向應力(100，200和300 kPa)和混凝土結構接觸面粗糙度(粗糙度Ⅰ、粗糙度Ⅱ、粗糙度Ⅲ)對紅黏土與混凝土結構接觸面進行9個循環剪切試驗，分別進行了1000次循環，加載路徑為正弦波，圖2為加載過程中的4個循環，試驗過程中上剪切盒為試驗土料，下剪切盒為混凝土試塊。

圖2 剪切位移－時間曲線Fig.2 Shear displacement vs time curve

2 試驗結果及分析

圖3為不同法向應力在混凝土結構接觸面粗糙度Ⅰ下第2，5，30，100，200 和 500 次循環剪切過程的剪切位移－剪切應力特性曲線見圖3所示。

圖3 粗糙度Ⅰ時剪切應力－剪切位移曲線Fig.3 Shear stress vs shear displacement curves under the roughnessⅠ

圖3表明:在一個完整剪切循環內，剪切位移－剪切應力曲線基本閉合，按逆時針循環走動，加載段隨著循環次數的增加逐漸變直，并與卸載段越來越接近于一條直線。每個循環內剪切應力極小值和極大值分別對應于該循環內剪切位移的最大值、最小值處，剪切應力的最大值均出現在第1個循環內，隨著循環次數的增加，每個循環剪切應力最大值在逐漸減小，并且隨著循環次數的增加，最大剪切應力減小的速率逐漸降低。第2循環和第5循環的剪切位移－剪切應力曲線差異性較大，而第200循環和第500循環的剪切位移－剪切應力曲線基本重合，說明剪切位移－剪切應力的曲線特性的差異性隨著循環次數的增加而降低。

3 抗剪強度

3.1 法向應力對剪切應力的影響

定義平均峰值剪應力是在一個循環內出現的兩個極值絕對值的平均值。相同粗糙度，不同法向應力條件下循環內平均峰值剪應力－循環次數關系曲線如圖4所示。

圖4 不同粗糙度平均峰值剪應力－循環次數曲線Fig.4 Average peak shears stress vs cycles curves under different roughnesses

圖4表明:循環剪切試驗中，平均峰值剪應力在第1個循環內就達到最大值，在隨后的循環剪切中迅速下降，下降到一定值后趨于穩定。

在結構接觸面粗糙度相同時，平均峰值剪應力最大值及趨于穩定后的值隨法向應力的增大而增加;隨著接觸面粗糙度的增大，法向應力對循環次數－平均峰值剪應力曲線差異性的影響更為顯著。這是因為接觸面在剪切過程中必然會引起接觸面附近的薄層內的土體發生明顯的變位，也就是說剪切過程中接觸面有一定的影響范圍，隨著法向應力的增加，使接觸面影響范圍增大，從而使平均峰值剪應力最大值增加，而粗糙度的增加，使接觸面對附近土體的影響更加明顯。

3.2 粗糙度對剪切應力的影響

相同法向應力，不同粗糙度條件下循環內平均峰值剪應力－循環次數關系曲線如圖5所示。

歸連鐵路翻漿冒泥病害的探測與圈定，首次結合RADAN7與Surfer軟件(11版本或更高)應用，采用了本論文所述GPR勘探的鐵路翻漿冒泥病害底界的等值線圖繪制方法，解決了與GPR勘探配套的專業軟件例如RADAN7等無法進行翻漿冒泥病害底界狹長帶狀等值線繪制的問題，同時也為翻漿冒泥病害治理的工程設計與施工提供了高精度數據支撐。該方法簡單實用，具較好的應用推廣前景。

圖5 不同法向應力平均峰值剪應力－循環次數曲線Fig.5 Average peak shears stress vs cycles curves under different normal stresses

圖5表明:隨著法向應力的增大，粗糙度對平均峰值剪應力－循環次數曲線的影響更為顯著。由圖可知當法向應力為100 kPa時，粗糙度對平均峰值剪應力隨循環次數的變化影響較小;當法向應力增加為200和300 kPa時，粗糙度對其影響逐漸增強。說明隨著法向應力的增大，粗糙度對平均峰值剪應力－循環次數曲線的影響更為顯著。當法向應力為300 kPa時，平均峰值剪應力最大值及趨于穩定后的值隨粗糙度的增大而增加。

3.3 接觸面強度分析

采用摩爾庫倫準則對接觸面強度進行分析。定義的平均峰值剪應力為一個循環內的抗剪強度，圖6和圖7為法向應力為200 kPa時不同粗糙度條件下抗剪強度指標隨循環次數的變化規律。由圖可以看出，在循環剪切試驗過程中，接觸面的黏聚力與摩擦角隨著循環次數的增加一直在變化，剪切剛開始較大，隨著循環次數的增加迅速減小，最后趨于穩定。

圖6 黏聚力－循環次數曲線Fig.6 Cohesion vs cycles curve

圖7 內摩擦角－循環次數曲線Fig.7 Internal friction angle vs cycles curve

4 變形特性

4.1 法向應力對法向變形的影響

相同粗糙度，不同法向應力條件下循環內法向位移－循環次數關系曲線如圖8所示。

圖8 不同粗糙度法向位移－循環次數曲線Fig.8 Normal displacement vs cycles curves under different roughnesses

由圖8可知:在法向應力為100 kPa時，法向位移在第1循環內均出現較大減小，即發生剪縮，從第2循環開始出現剪脹，剪脹量最終趨于穩定;在法向應力為200 kPa和300 kPa時，法向位移一直在減小，產生剪縮，剪縮量最終趨于穩定，最終剪縮量隨著法向應力的增大而增大，減縮速率也隨著法向應力的增大而增加。

4.2 粗糙度對法向變形的影響

相同法向應力，不同粗糙度條件下循環內法向位移－循環次數關系曲線如圖9所示。

圖9表明:隨著法向應力的增大，粗糙度對法向位移－循環次數曲線的影響更為顯著。剪脹階段，粗糙度Ⅱ和Ⅲ最終剪脹量基本相同，但比粗糙度Ⅰ的最終剪脹量略高。剪縮階段，剪縮速率隨著粗糙度的增加而增大;在法向應力為200 kPa時，3種粗糙度的最終剪縮量基本相同;在法向應力為300 kPa時，粗糙度Ⅱ和Ⅲ的最終剪縮量基本相同，但比粗糙度Ⅰ的最終剪縮量大。

圖9 不同法向應力法向位移－循環次數曲線Fig.9 Normal displacement vs cycles curves under different normal stresses

5 結論

(1)在循環剪切過程中，每個循環內剪切應力極小值和極大值分別對應于剪切位移的最大值、最小值處，剪應力的最大值均出現在第1個循環內，隨著循環次數的增加，剪切應力最大值在逐漸減小，并且隨著循環次數的增加，最大剪切應力減小的速率降低。

(2)在一個完整剪切循環內，紅黏土與混凝土結構接觸面的剪切位移－剪切應力曲線基本閉合，曲線差異性隨著循環次數的增加逐漸降低，曲線加載段隨著循環次數的增加逐漸變直，并與卸載段越來越接近于一條直線。

(3)平均峰值剪應力在第1個循環內就達到最大值，在隨后的循環剪切中迅速下降，到一定值后趨于穩定。平均峰值剪應力最大值及趨于穩定后的值隨法向應力的增大而增加;當法向應力較低時，粗糙度對平均峰值剪應力變化影響較小，隨著應力的增強，粗糙度對其影響逐漸發揮。

(4)在循環剪切試驗過程中，接觸面的黏聚力和摩擦角剛開始較大，隨著循環次數的增加迅速減小，最后趨于穩定。

(5)當法向應力較低時，試樣在第1循環內發生剪縮，從第2循環開始出現剪脹，剪脹量最終趨于穩定;隨著法向應力的增大，試樣出現剪縮，剪縮量最終趨于穩定，最終剪縮量隨著法向應力和粗糙度的增加而增大，減縮速率也隨著之增加而增大。

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