接觸面尺寸效應對直剪試驗的影響

康永鵬，邱子恒

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接觸面尺寸效應對直剪試驗的影響

康永鵬1，邱子恒2

（1.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450045；2.黃河水土保持西峰治理監督局，甘肅 慶陽 745000）

土體與結構的接觸面在各類巖土工程中廣泛存在，研究接觸面的強度尺寸效應與剪切變形尺寸效應的存在與否對結構穩定性有著重要的意義。通過改變剪切土盒沿剪切方向的長度，分析在不同法向正應力作用下剪應力與剪切位移的關系，研究結果表明，直剪試驗中剪應力與剪切位移關系可近似為雙曲線關系，符合Clough-Duncan非線性彈性模型，且兩者之間的關系受接觸面尺寸大小的影響，接觸面尺寸越大，對試驗結果的影響越大，即尺寸效應越大。

剪應力；剪切位移；Clough-Duncan非線性彈性模型；尺寸效應

接觸面的剪切性能問題在各類工程中廣泛存在，如沉井基礎的下沉、大型管樁的壓入等，但土體與結構物之間的摩擦與黏結能力與土體之間的接觸是不同的。土與結構的接觸面特性的研究可以為結構受力分析和變形計算提供基礎，對地下結構破損的治理、大型跨河建筑物結構分析和安全評價具有重要的意義。

解決土與結構相互作用問題的關鍵在于了解土與結構接觸面的力學特性[1]，自20世紀60年代以來，學者們就這一問題開展了大量的研究。Potyondy[2]等通過大量直剪試驗研究各類土質與鋼材等不同接觸面之間的剪切力學特性；楊大方等[3]研究發現，粘土與結構接觸界面的強度參數受接觸材料粗糙度以及土體含水量的影響；龔輝[4]等采用大型直剪儀研究法研究了黏土-混凝土界面剪切特性的影響；丁明武[5]等利用大型直剪試驗分析發現，試驗應力位移曲線呈略微軟化型；陳俊樺等[6]利用大型直剪儀，對紅粘土與混凝土試塊兩種材料接觸面進行之間進行直剪試驗，研究了粗糙度的影響機理，并對接觸面剪切破壞、變形的影響因素進行了分析。但上述試驗僅研究了不同接觸面之間的影響因素，對同一接觸面是否存在尺寸效應影響接觸面的剪切特性研究較少。

本文通過觀察不同法向壓力，不同接觸面長度下剪切力與剪切位移之間的關系變化，并對曲線與Clough-Duncan[7]非線性彈性模型進行擬合，研究了接觸面尺寸效應以及在不同法向應力作用下擬合曲線的發展趨勢。

1 試驗設計

1.1 原材料

本試驗選用的設備及原材料具體如下。

清華大學粗粒土與結構接觸面循環剪切機：TH-20tCSASSI。

剪切土盒：深=16 cm，寬=25 cm，延剪切方向最大長度=50 cm。

為了研究試樣尺寸對接觸面變形特性的影響，剪切土盒中通過預留鋼槽內剛性擋板沿剪切方向的長度，長度可分別變化為25 cm、37.5 cm和50 cm。試驗用料為糯扎渡心墻堆石壩的反濾料Ⅰ，為人工破碎的角礫巖碎石料，制樣干密度1.94 g/cm3。其級配曲線如表1所示，可見最大顆粒粒徑為20 mm，因此，在滿足尺徑比（試驗試樣尺寸/試料允許最大直徑max）/max≥5原則的情況下，采用原始級配進行試驗。制樣時分4層分別稱重和擊實，每層高度4 cm。試驗的結構面板采用混凝土面板。填料的級配如表1所示。

表1 填料的級配

填料顆粒粒徑/mm10～205～10<5 顆粒重量比/（%）181567

1.2 試驗方案

在保持接觸面寬度為25 cm不變的情況下，共進行了接觸面長度分別為25 cm、37.5 cm和50 cm三組不同接觸面尺寸的試驗。對每個接觸面尺寸又分別進行了法向正應力n=300 kPa、800 kPa和1 500 kPa的試驗。

1.3 試驗方法

試驗流程依據《土工試驗規程（SL237—1999）》有關規定進行，首先調整剪切土盒與混凝土板中心對齊，應用結構面板上部的4個油壓裝置調整結構面板使其水平，然后利用充氣氣囊施加正應力，待法向位移穩定后開始剪切，剪切速率控制在0.05 mm/s。

為了研究接觸面的尺寸效應，將兩側的結構面板與土容器剪切盒的相對位移作為接觸面的剪切位移。為了研究試樣尺寸對接觸面變形特性的影響，試驗時通過改變剪切土盒預留鋼槽中剛性擋板的位置調節土盒沿剪切方向的長度。為了保證受剪時剛性擋板能承受較大拉壓力，并保持靜止不動的狀態，在剛板后放置鋼塊，并通過螺栓相連。剛性擋板上預開空槽，槽底放置彈簧，之上放置可上下活動的剛性板。試驗時，這種結構可使得土樣四周的剛性擋板不受法向應力的作用，而只起到在四周固定土樣的作用。剪切土盒下設置輪子，剪切過程中通過液壓裝置使剪切土盒以一定的速度沿剪切方向相對混凝土板移動。

2 試驗結果與分析

2.1 變形模量、接觸面強度與法向正應力

通過以法向正應力與接觸面尺寸為自變量設計實驗，其結果符合接觸面試驗的一般規律。在取值為25 cm、37.5 cm、50 cm三種條件下剪應力隨著剪切位移逐漸增大，且法向正應力越大，在相同剪切位移下的剪應力越大，但變形模量即曲線的斜率逐漸增大，直到達到該正應力下的接觸面強度即極限剪應力。此時，剪應力不再隨剪切位移增加。接觸面上剪應力與剪切位移可近似為雙曲線關系，即基本符合Clough-Duncan非線性彈性模型。變形模量和接觸面強度均隨著正應力的增大而增大。

2.2 尺寸效應

為了分析接觸面尺寸效應，根據試驗結果，重新整理了相同正應力條件下不同接觸面試樣尺寸的剪應力-剪切位移試驗結果。

2.2.1 接觸面強度特性尺寸效應分析

通過實驗結果得到，在n分別取值為300 kPa、800 kPa、1 500 kPa時，剪應力隨剪切位移的變化受沿剪切方向長度的影響很小，因此，無論是對低法向應力還是高法向應力，接觸面強度基本不受接觸面尺寸大小的影響，即接觸面強度特性基本不存在尺寸效應。

2.2.2 接觸面剪切變形尺寸效應分析

實驗結果表明，接觸面尺寸對試驗的剪應力與剪切位移關系曲線有一定的影響，而且影響的大小與所受到的法向正應力的高低有關。當接觸面試驗的法向正應力較低時（比如本次試驗的n=300 kPa），不同接觸面尺寸大小情況下的試驗結果基本重合，基本不存在接觸面尺寸效應。隨著接觸面法向正應力的提高，接觸面尺寸大小對試驗結果的影響逐步增大，也即尺寸效應越來越明顯。當法向應力n=800 kPa且未達到極限剪應力時，在相同剪應力條件下，試樣長度越大，其剪切位移越大。當法向應力n=1 500 kPa時，對于相同的剪應力，試樣長度=25 cm的試樣所得到的剪切位移最小，試樣長度=37.5 cm的試驗結果居中，而試樣長度=50 cm的試驗結果最大。

由于接觸面直剪試驗存在上述的尺寸效應，由直剪試驗確定的Clough-Duncan非線性彈性模型參數應為特定試驗試樣尺寸條件下的結果，并不能代表接觸面變形的一般規律。根據接觸面長度=25 cm的直剪試驗結果擬合了Clough-Duncan模型的參數，反算出了相對應的參數擬合線，并與本次試驗不同接觸面尺寸的結果進行了對比，分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 試驗結果與擬合曲線對比圖（L=25 cm）

圖2 試驗結果與擬合曲線對比圖（L=37.5 cm）

圖3 試驗結果與擬合曲線對比圖（L=50 cm）

由圖1、圖2和圖3可以看出，當法向應力n=300 kPa時，參數擬合曲線與不同尺寸試驗結果均較好。但當法向應力n=1 500 kPa時，隨接觸面尺寸的增大，擬合曲線的初始段逐漸位于試驗曲線的上方。對于=50 cm的試驗，其初始模量明顯小于擬合曲線，表現為相同剪應力時，試驗曲線位移較擬合曲線為大。上述的結果也從另一個方面證明接觸面直剪試驗中試樣尺寸效應的存在。

3 結論

本文針對糯扎渡反濾料Ⅰ-混凝土底板接觸面，設計不同法向正應力不同接觸面長度進行接觸面直剪試驗，分析了不同法向正應力不同接觸面長度下的剪應力與剪切位移關系。通過本文的研究工作可得到結論如下：①在相同接觸面長度條件下，剪切力與剪切位移的關系基本符合Clough-Duncan非線性彈性模型。法向應力越大，在相同剪切位移下的剪應力越大，但是變形模量即曲線的斜率逐漸增大，直到達到該正應力下的接觸面強度即極限剪應力，此時，剪應力不再隨剪切位移增加；②接觸面強度不存在尺寸效應，對于低法向應力和高法向應力，剪應力隨剪切位移的變化始終受沿剪切方向長度的影響很小；③接觸面尺寸大小對試驗的剪應力與剪切位移的關系曲線有一定的影響，而且影響的大小與所受到的法向正應力的高低有關，法向正應力越大，對剪應力與剪切位移關系的影響越大。

［1］郭佳奇，劉希亮，蘇承東.高應力下砂土與結構界面單剪試驗研究［J］.土木建筑與環境工程，2011，33（04）：120-126.

［2］POTYONDY J G，ENG M.Skin friction between various soils and construction materials［J］.Geotechnique，1961（11）：339-353.

［3］楊大方，劉希亮，何軍.粘土與結構接觸界面剪切特性的試驗研究［J］.金屬礦山，2009（03）：39-40.

［4］龔輝，趙春風，陶幗雄.應力歷史對黏土-混凝土界面剪切特性的影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（08），1712-1719.

［5］丁明武，徐澤友，盧廷浩.土與混凝土面板接觸面剪切試驗研究［J］.中國港灣建設，2012，178（01）：32-35.

［6］陳俊樺，張家生，李健.接觸面粗糙度對紅粘土-混凝土接觸面力學性質的影響［J］.中南大學學報（自然科學版），2016，45（05）：1682-1688.

［7］Clough G W，Duncan J M.Finite element analysis of retaining wall behavior［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1971，97（SM12）：117-123.

2095－6835（2019）03－0051－02

TU528

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.051

康永鵬，男，華北水利水電大學碩士。

〔編輯：張思楠〕