接觸面粗糙度對紅黏土-混凝土接觸面力學性質的影響

陳俊樺，張家生，李鍵，

（1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 天津市市政工程研究院，天津，300051）

接觸面粗糙度對紅黏土-混凝土接觸面力學性質的影響

陳俊樺1，張家生1，李鍵1，2

（1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 天津市市政工程研究院，天津，300051）

在混凝土試塊上設計了粗糙度不同的表面，以該表面作為土-混凝土接觸面，并采用灌砂法測定了接觸面粗糙度。利用大型直剪試驗儀對紅黏土-混凝土試塊接觸面進行了剪切試驗，定量分析接觸面粗糙度對接觸面抗剪強度參數、接觸面剪應力-切向位移關系以及紅黏土剪脹（縮）性的影響。研究結果表明：接觸面粗糙度對紅黏土-混凝土接觸面的內摩擦角影響不大。在接觸面粗糙度增大至臨界粗糙度的過程中，接觸面黏聚力隨粗糙度的增大而增大，并逐漸趨近于紅黏土自身的黏聚力。接觸面粗糙度對剪應力-切向位移關系影響較大。接觸面粗糙度對接觸面上部土體的影響范圍是有限的。該極限影響范圍對應于臨界粗糙度。當接觸面粗糙度小于臨界值時，接觸面粗糙度越大，其對接觸面上部土體的影響范圍越大。當接觸面粗糙度超過臨界值，該影響范圍不再變化。法向應力較低時，紅黏土主要表現出剪脹性。接觸面粗糙度對紅黏土剪脹（縮）性影響不大。

粗糙度；結構接觸面；大型直剪試驗；紅黏土；變形協調

研究土-結構接觸面的力學性質對解決實際工程中有關土體與結構物相互作用的問題有重要指導意義。隨著越來越多的基礎工程建設開展，土與混凝土結構接觸相互作用的問題引起了研究人員的重視。如土與混凝土樁、土與混凝土擋墻和土與混凝土壩等。張治軍等［1］對砂礫石料與夾同厚度而不同含水率的泥皮混凝土板的接觸面力學特性進行了相關試驗。趙春風等［2］通過大型結構剪切試驗研究法向應力的變化歷史對黏土-混凝土接觸面剪切變形特性和強度參數影響。影響土-結構接觸面力學性質的因素很多，如土的含水率、施加的外力和接觸面粗糙度等。不少學者認為接觸面粗糙度對土-結構接觸面的力學性質有顯著影響［3-15］。如夏紅春等［9］利用DRS-1型超高壓直殘剪試驗系統，研究土-結構接觸面的剪切力學性質，認為接觸面粗糙度影響接觸面抗剪強度。張吉順等［10］采用大型多功能界面剪切儀，針對上海地區黏性土，對具有不同表面粗糙度的土-混凝土接觸面的力學性質進行了試驗研究，發現接觸面粗糙度對接觸面力學性質有重要影響。目前，大多數研究雖然對接觸面粗糙度進行了量化評定，但是這些研究只是粗略地定性分析了接觸面粗糙度對接觸面力學性質的影響，如分析接觸面粗糙度由小變大時的接觸面抗剪強度如何變化，沒有深入地定量分析接觸面粗糙度變化產生的影響，從而不利于深化對接觸面粗糙度影響機理的認識。紅黏土在我國分布廣泛，工程中常涉及紅黏土與混凝土結構接觸相互作用的問題。為此，本文作者通過自制表面粗糙度不同的混凝土試塊，利用大型直剪儀對紅黏土-混凝土試塊接觸面進行剪切試驗，嘗試定量分析接觸面粗糙度對接觸面力學性質的影響。通過研究，加深對粗糙度影響機理的認識，同時為紅黏土-混凝土結構接觸相互作用問題的研究提供參考。

1 紅黏土-混凝土粗糙接觸面直剪試驗

1.1 試驗儀器

試驗所采用的儀器為中南大學與長春朝陽試驗儀器有限公司合作研發，位于高速鐵路建造技術國家工程實驗室內的TYJ-800大型直接剪切儀。儀器采用全數字閉環控制系統，能自動化采集數據。上剪切盒長×寬×高為50 cm×50 cm×15 cm，下剪切盒長×寬×高為 67 cm×67 cm×15 cm。垂直方向最大載荷為800 kN，水平方向最大載荷為400 kN。

1.2 試驗材料及方案

采用長沙地區特有的紅黏土進行重塑制樣。該地區紅黏土的主要礦物成分為石英和高嶺石，其質量分數大于80%。天然質量含水率為7%～70%。將紅黏土通過5 mm篩，使得紅黏土團塊不大于5 mm，保證土樣能夠均勻壓實。按14.08%的含水率配制土樣。紅黏土物理力學參數見表1。

表1 紅黏土物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of red clay

試驗為針對紅黏土-混凝土接觸面力學性質研究的大型直剪試驗。需將下剪切盒換成長×寬×高為57 cm×57 cm×17 cm的混凝土試塊。混凝土試塊用型號為C35的商品混凝土制成。參考趙春風等［2，11-12］使用的方法在試塊上設計了粗糙度不同的表面，并以該表面作為土與試塊的接觸面。考慮到應力集中效應，試驗沒有采用鋸齒形和方形的凹槽設計，而是利用直徑不變、數量改變的半圓凹槽模擬試塊表面的粗糙不平。凹槽直徑為5 cm，長度為57 cm。共制作6個混凝土試塊。試塊表面粗糙度設計圖見圖1。

圖1 混凝土試塊表面粗糙度設計Fig.1 Design of rough surface of concrete blocks

通常可采用灌砂法定量計算混凝土試塊的表面粗糙度［12-13］。其計算公式為

式中：y為灌砂平均深度，可用來衡量試塊表面的粗糙度。對于土-混凝土試塊接觸面剪切試驗，y為接觸面粗糙度；V為灌砂體積；A為試塊表面的平面積。

徐澤友等［16-17］在試驗過程中采用剪切速率為0.3～0.6 mm/min，夏紅春等［3］建議采用 0.02～1.2 mm/min。本文采用1.0 mm/min的剪切速率控制，同時在法向施加不同的壓力，針對不同的試塊沿與凹槽軸線垂直方向進行接觸面剪切試驗。法向應力采用 4個應力水平，記為Si（i=1，2，3，4）。S1，S2，S3和S4分別取100，200，400和600 kPa。利用式（1）計算試塊Ⅰ～Ⅵ的表面粗糙度。接觸面粗糙度y和法向應力水平Si等試驗控制參數見表2。

表2 紅黏土與混凝土粗糙接觸面直剪試驗方案Table 2 Direct shear test plan of rough interface between red clay and concrete

2 試驗結果分析

2.1 接觸面粗糙度對接觸面抗剪強度參數的影響

文獻［2-3， 18-20］認為研究土-結構接觸面強度性質時，可參照摩爾-庫侖破壞準則，使用黏聚力和內摩擦角這 2個參數作為土-結構接觸面的抗剪強度參數。摩爾-庫侖破壞準則的數學表達式為

式中：τmax為剪切破壞時最大剪應力；σ為法向應力；φ為內摩擦角；c為黏聚力。

利用式（2）對試驗獲得的最大剪應力 τmax和相應的法向應力σ進行回歸分析可得到φ，c及數據相關系數R。R表示 τmax與σ的線性相關性程度。根據表2，法向應力σ=Si。法向應力取值分別為S1=100 kPa，S2=200 kPa，S3=400 kPa，S4=600 kPa。試驗結果 τmax和R見表 3。紅黏土-結構接觸面的抗剪強度參數φ，c及相應的接觸面粗糙度y見表4。從表3可以看出：相關系數R大于0.98，試驗數據相關性顯著。同一法向應力作用下，隨著接觸面粗糙度的增加，最大剪應力得到顯著提高。從表4可以看出：隨著接觸面粗糙度改變，接觸面內摩擦角φ發生了變化，但是處于波動狀態，且變化不大，規律不明顯。如光滑接觸時，即粗糙度為0 mm，接觸面內摩擦角為21.84°。當接觸面粗糙度由0 mm增大到9.81 mm的過程中，接觸面內摩擦角從25.18°變化到20.22°，變化幅度較小。隨接觸面粗糙度的增大，接觸面黏聚力從40.95 kPa增大到104.10 kPa。為便于分析，結合表1和表4，將黏聚力與粗糙度的關系繪制成圖，見圖2。

表3 最大剪應力及相關系數Table 3 Maximum shearing stress and correlation coefficient

表4 接觸面粗糙度與相應的接觸面抗剪強度參數Table 4 Roughness and shear strength parameters of interface

圖2 粗糙度與黏聚力關系Fig.2 Relationships between roughness and cohesion

沿接觸面的剪切破壞現象主要表現為凹槽內充嵌的紅黏土與接觸面上部土體間的錯動滑移。根據式（2），沿接觸面發生的剪切破壞主要克服摩擦阻力和黏聚力。摩擦阻力主要體現在內摩擦角上。接觸面摩擦阻力主要由紅黏土顆粒與混凝土粗糙表面間、凹槽內紅黏土顆粒與剪切面上部土體間的摩擦效應造成。由于試驗自制粗糙表面的半圓凹槽直徑為5 cm，遠大于紅黏土顆粒的平均粒徑，因此，土體顆粒間的接觸比顆粒與接觸面間緊密。這種尺寸效應使得土體與接觸面間的摩擦阻力受接觸面粗糙度的影響較小，且低于紅黏土內顆粒間的摩擦阻力。從而導致發生摩擦滑移的主要部位為紅黏土顆粒與混凝土接觸面，而不是土體內部顆粒間。由于接觸面摩擦阻力較小，從而紅黏土-結構接觸面的內摩擦角小于紅黏土自身的內摩擦角。如表4所示，接觸面內摩擦角φ小于表1中紅黏土的內摩擦角32.2°。

沿接觸面發生的剪切滑移需要克服的另外一個因素為黏聚力。與摩擦阻力一樣，紅黏土-結構接觸面剪切破壞需克服的黏結效應也主要考慮黏土顆粒與接觸面間的黏聚力以及凹槽內黏土與剪切面上部土體顆粒間黏聚力的共同作用。其中前者的影響較小。后者與接觸面的粗糙表面積有關。接觸面粗糙表面積越大，凹槽內充嵌的黏土顆粒越多，與試塊接觸的充嵌面積越大，土與接觸面間的黏結效應越強。對于本文試驗，接觸面粗糙度隨粗糙表面積增大而增大。因此，紅黏土-結構接觸面的黏聚力隨接觸面粗糙度的增加而增大。如圖2所示，當接觸面粗糙度較低時，接觸面黏聚力較低。當接觸面粗糙度等于0 mm和1.96 mm時，接觸面黏聚力分別為40.95 kPa和42.67 kPa。此時，紅黏土-結構接觸面剪切破壞主要表現在克服黏土顆粒與接觸面間的黏聚力。隨著接觸面粗糙度增大，接觸面黏聚力逐漸增大。接觸面粗糙度大于5.89 mm時，接觸面剪切破壞時的黏聚力趨近于紅黏土自身的黏聚力95.71 kPa，并在該值附近略有波動。這種波動可能由土體的不均勻性導致。此時，紅黏土-結構接觸面剪切破壞主要需克服凹槽內充嵌的黏土與其上部土體間的黏聚力。當紅黏土-結構接觸面的黏聚力達到紅黏土自身的黏聚力時，發生破壞的位置也有可能出現在土體內。

據以上分析可知：接觸面粗糙度對接觸面抗剪強度影響較為顯著。接觸面是最容易發生剪切破壞的位置。但是隨著接觸面粗糙度增加，剪切破壞也有可能發生在接觸面附近的紅黏土內。接觸面粗糙度對接觸面內摩擦角影響不大。存在臨界粗糙度，當接觸面粗糙度小于該臨界值時，紅黏土-結構接觸面的黏聚力隨接觸面粗糙度的增大而增大。當接觸面粗糙度大于臨界粗糙度時，紅黏土-結構接觸面的黏聚力趨近于紅黏土自身的黏聚力。

2.2 剪應力-切向位移關系分析

不同法向應力水平作用下，紅黏土與不同試塊的接觸面剪應力-切向位移曲線見圖3～6。從圖3～6可以看出：同一法向應力作用下，接觸面粗糙度不同，剪應力-切向位移曲線明顯不一樣，即接觸面粗糙度對剪應力-切向位移關系有重要影響。主要有以下兩點規律：

1） 剪切變形過程中，接觸面粗糙度越大，與峰值剪應力對應的位移也增大，即破壞時產生的變形增大，塑性流動破壞也變得明顯。

2） 當接觸面粗糙度較小、法向應力較大時，峰值點后剪應力-切向位移曲線表現出較為明顯的應變軟化性質。

由以上規律可知：接觸面粗糙度對接觸面剪應力-切向位移關系的影響主要表現在剪應力峰值前后的曲線變化。該變化主要與接觸面附近土體的變形協調相關。這種變形協調反映了接觸面粗糙度對接觸面上部土體的影響。由于混凝土塊體的彈性模量遠大于紅黏土的彈性模量，可將試塊看作剛性體。這樣試驗中產生的切向變形主要由接觸面凹槽內紅黏土和接觸面上部土體產生。即沿接觸面的切向變形不可避免對接觸面上部土體產生影響。這與文獻［14-15］得出的結論一致。在本文試驗中，這種影響主要考慮由接觸面粗糙度導致。剪切變形過程中，該影響范圍不斷增大，不斷有接觸面凹槽內紅黏土和接觸面上部土體參與到變形協調中。接觸面粗糙度較低時，接觸面凹槽內嵌入的紅黏土較少，接觸面上土體與凹槽內紅黏土接觸的面積較小，參與變形協調的接觸面上部土體也較少。此時，接觸面粗糙度對上部土體的影響范圍較小。反之，接觸面粗糙度對上部土體的影響范圍增大。

由前面接觸面粗糙度如何影響接觸面抗剪強度參數的分析可知：接觸面粗糙度越大，接觸面黏聚力越大，峰值剪應力越大。同時，接觸面粗糙度的影響范圍也隨之增大，此時接觸面上部較多的土體參與變形協調過程中，接觸面抵抗剪切變形的能力增強。因此，接觸面粗糙度較大時，達到剪切破壞時的切向位移或變形增大，有可能出現塑性流動，即試驗得到的規律1）。圖3中對應試塊Ⅵ的接觸面粗糙度大于試塊Ⅲ的接觸面粗糙度，2條曲線達到峰值剪應力時的切向位移分別為13.70 mm和1.04 mm。試塊Ⅵ對應的接觸面剪切過程明顯產生塑性流動。由于接觸面粗糙度超過該臨界粗糙度時，接觸面黏聚力接近紅黏土黏聚力。因此，當紅黏土-結構接觸面的黏聚力接近紅黏土黏聚力并發生剪切破壞時，接觸面粗糙度對上部土體的影響范圍也達到最大。考慮到臨界粗糙度與黏聚力的關系，本文作者認為存在與接觸面粗糙度的極限影響范圍對應的臨界粗糙度。當接觸面粗糙度大于該臨界值時，接觸面粗糙度的影響范圍不再增加。

圖3 法向應力S1作用下的剪應力-切向位移曲線Fig.3 Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S1

圖4 法向應力S2作用下的剪應力-切向位移曲線Fig.4 Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S2

圖5 法向應力S3作用下的剪應力-切向位移曲線Fig.5 Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S3

圖6 法向應力S4作用下的剪應力-切向位移曲線Fig.6 Curves of shear stress-tangential displacement under normal stress S4

剪應力峰值后，紅黏土-結構接觸面的原始黏聚力被破壞，但會隨時間的增加而恢復一部分作為破壞后的抵抗力。繼續施加外力作用的過程中，接觸面凹槽內充嵌的紅黏土和接觸面上的土體需要重新協調變形，同時峰值前存儲的應變能將釋放。法向應力較大時，峰值前在紅黏土中將儲存較多的應變能。接觸面粗糙度較低時，峰值后剪切抵抗力較低。因此，法向應力較大、接觸面粗糙度較低時，剪切破壞后較多的應變能以較快的速率釋放，剪應力下降較為迅速，剪應力-切向位移曲線表現的規律性如規律 2）所示。由圖6可知：在法向應力S1=600 kPa作用下，與試塊Ⅰ和Ⅱ對應的曲線的應變軟化比與試塊Ⅵ和Ⅴ對應的曲線的明顯。

2.3 粗糙度對接觸面附近紅黏土剪脹（縮）性質的影響

剪脹（縮）量反映了剪切過程中紅黏土體積變化，為土樣體積膨脹（壓縮）量與初始體積的比值。設定剪縮量為正值，剪脹量為負值。將不同法向應力作用下的紅黏土剪脹（縮）量進行統計，結果見表5。

表5 剪脹（縮）量統計Table 5 Statistics of shear dilatancy & shear shrinkage

從表5可以看出：法向應力較低時，如法向應力為S1=100 kPa，接觸面紅黏土的體積變化主要表現為剪脹。隨著法向應力的增大，即法向應力水平由S1增大至S4的過程中，紅黏土的體積變化主要表現為剪縮。法向應力相同時，剪脹（縮）量隨接觸面粗糙度變化而上下波動，變化不大，無明顯規律。從細觀角度可以看出：紅黏土的體積剪脹（縮）主要受顆粒間的摩擦、擠壓效應影響。而這種效應在宏觀上常用內摩擦角描述。由前面分析接觸面粗糙度對紅黏土-結構接觸面內摩擦角的影響可知：隨接觸面粗糙度的變化，接觸面內摩擦角的變化無明顯規律。因此，接觸面粗糙度對紅黏土的體積剪脹（縮）性影響不大。

3 結論

1） 增加接觸面粗糙度可提高接觸面抗剪強度。紅黏土-混凝土接觸面的粗糙度主要影響黏聚力，對內摩擦角影響較小。隨著接觸面粗糙度增大至臨界粗糙度，紅黏土-結構接觸面的黏聚力增大并趨于土體的黏聚力。接觸面粗糙度較低時，剪切破壞主要發生在紅黏土-混凝土接觸面。隨著接觸面粗糙度增加，剪切破壞可能同時發生在接觸面和接觸面外的土體內。

2） 剪應力-切向位移關系與接觸面粗糙度對接觸面外土體的影響范圍相關。該影響范圍隨接觸面粗糙度增大而增大。當接觸面粗糙度大于臨界值，粗糙度影響范圍達到最大。

3） 低法向應力下，接觸面附近紅黏土主要表現出剪脹性。隨著法向應力增大，土體表現出剪縮性。紅黏土的剪（縮）脹性受接觸面粗糙度的影響不大。

4） 與以往較為粗略地定性研究接觸面粗糙度的影響不同，試驗定量分析了接觸面粗糙度對土-結構接觸面力學性質的影響，認識到接觸面粗糙度存在臨界值和粗糙度影響范圍存在極限值。但是對臨界粗糙度和極限影響范圍仍需進一步研究。試驗通過改變混凝土塊體表面半圓凹槽的數量模擬接觸面粗糙度的改變，這與實際情況存在差別。對于工程實際，粗糙接觸面上凹槽的形狀是不規則的，凹槽尺寸及其分布均是隨機的。但是，本文試驗研究是一種積極的嘗試，研究成果有一定的參考價值，有助于加深對土與粗糙結構接觸面相互作用機理的認識。

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（編輯 楊幼平）

Influence of interface roughness on mechanical properties of red clay-concrete interface

CHEN Junhua1， ZHANG Jiasheng1， LI Jian1，2

（1. School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075， China；2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute， Tianjin 300051， China）

Concrete block surface with different roughness were made and the surface was used as the soil-concrete interface. The interface roughness was measured by sand filling method. The direct shear tests on the interface of red clay-block by using the large-direct shear apparatus were carried out. The influences of interface roughness on the parameters of shear strength， the relationships between shear stress and tangential displacement and the behavior of shear dilatancy & shear shrinkage were studied by quantitative analysis of roughness. The results show that the interface roughness has little influence on the angle of internal friction of red clay-concrete interface. With the interface roughness approaching its marginal value， cohesion of red clay-concrete interface increases with the increase of roughness and its value is approaching that of red clay. The interface roughness has a great influence on the relationships between shear stress and tangential displacement. There is the zone above the interface， in the soil， in which the mechanical properties are affected by the interface roughness. The zone expands with the increment of interface roughness until it reaches the maximum when the roughness also reaches or exceeds its marginal value. The behavior of shear dilatancy of the red clay is shown when the normal stress is low. The interface roughness has little influence on the behavior of shear dilatancy & shear shrinkage of red clay.

roughness； structure interface； large-scale direct shear test； red clay； compatibility of deformation

TU411

A

1672-7207（2016）05-1682-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.030

2015-05-29；

2015-07-11

國家自然科學基金資助項目（51378514） （Project（51378514） supported by the National Natural Science Foundation of China）

陳俊樺，博士研究生，從事巖土工程、爆破工程研究；E-mail： jhchan@126.com