土-結構物接觸面試驗研究進展綜述

陳海康，梁海安，胡清波，邱思檢，劉超，張龍鵬

（東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西南昌 330013）

0 引言

結構物與土的相互接觸問題在各個巖土工程中都無法避免。由于土和結構物在強度和物理特性上具有巨大的差異[1]，在外部荷載的作用下二者產生的接觸面往往較土體和結構物自身更容易出現破壞[2]，對工程的安全穩定產生威脅。對土與不同結構物之間接觸面力學及變形方面的試驗研究具有很大的實際意義，可以解決工程中的難題，近年來有較多學者基于各種不同工程背景對該問題進行了研究。熊彬濤[3]等基于預制混凝土抗拔樁工程利用混凝土-土接觸面單剪試驗研究了粗糙度對抗拔樁側摩阻的影響。周小文[4]等為研究面板堆石壩的面板應力與變形關系進行了不同保護條件下的混凝土板與礫石墊層接觸面的剪切試驗。楊慶光等[5]采用自行研發的接觸面試驗裝置分析了土的壓實度與含水率對錨固體與土接觸面的剪切特性，強調了土體壓實度在錨體抗拔力設計中的重要性。檀俊坤[6]等針對深部地下工程出現的高應力條件問題進行了高應力下的土-結構接觸面試驗，發現在高應力條件下接觸面極限抗剪強度受法向應力和結構面粗糙度影響較大。

本文對近年來土-結構物接觸面的試驗方法和試驗研究對象進行綜合論述，并提出一些新的研究發展方向。

1 試驗儀器的選取

接觸面的剪切試驗不同于土體剪切，它需要儀器能夠同時裝載固定土樣以及結構物兩種不同的物體，所以在試驗難度上大于土體內部的剪切。目前，主要用于接觸面剪切研究的有直剪儀、單剪儀、環剪儀、扭剪儀以及共振柱這五類儀器[7]。

1.1 直剪儀

直剪儀是研究土與結構物接觸面剪切特性比較常用的儀器，目前主要有盒式直剪儀和同心桿式直剪儀兩種。

盒式直剪儀使用時是將土樣放在上盒，將下盒用試驗所需的結構物進行替換，試驗時上盒不動，對下盒施加橫向作用力并記錄該作用力隨下盒位移的變化。盒式直剪儀最早由Potyond應用于接觸面試驗[8]。但是這種直剪儀在剪切過程中剪切面積會不斷變化，不能確定試驗中施加的應力條件，也不能區分剪切過程中的土內剪切位移和接觸面滑移位移。所以針對這一缺點，后人對直剪儀進行了一定的改造。

DESAI[9]等人在1985年研制出雙自由度循環剪力儀，可作為直剪儀使用。相對于普通直剪儀，該儀器在近接觸面處對無法被上盒覆蓋的土樣采用乳膠層進行圍封，解決了一般直剪儀實驗過程中可能導致的人為控制剪切面以及剪切過程中土樣從接觸面縫中漏失的問題。

殷宗澤[10]等在進行土與混凝土接觸面的直剪試驗時，在直剪儀進接觸面處不同水平位置安裝了潛望鏡，以觀察不同位置接觸面上的點在剪切過程中的真實位移與剪切盒總位移之間的關系。

陳俊樺[11]、成浩[12]、石熊[13]等人采用大型直剪儀，研究了紅黏土與混凝土接觸面的剪切特性，并分析了影響其剪切特性的相關因素。熊斌濤等[3，14]采用大型直剪儀研究了抗拔樁工程中接觸面的剪切特性，分別對接觸面的剪應力-剪位移曲線、抗剪強度以及剪縮剪脹性進行分析。趙春風[15]、胡順洋[16]用砂土分別與混凝土和鋼兩種結構面進行了大型直剪試驗。前者分析了不同加、卸荷狀態下接觸面的力學特性以及卸荷程度、粗糙度等對接觸面軟化特性和剪脹（縮）性的影響；后者在常應力狀態下進行接觸面直剪試驗，將土體內部以及土與結構面的剪切特性進行對比分析。此外，趙少飛[17]、周國慶[18]、孫兆輝[19]、殷殷[20]、檀俊坤[6]、Omar Al-Emami[21]等人針對擾動土、深部土、鹽漬化凍土、糯扎渡反濾料I、高應力下粗砂以及重置伊拉克土等不同的土料與結構接觸面的剪切特性進行了研究分析，均取得了非常理想的研究成果。

1.2 單剪儀

在直剪試驗中，由于上盒對土樣的固定使得直剪儀不能區分試樣的變形是存在于本身還是沿接觸面變形，而單剪儀能夠很好地解決上述直剪儀的弱點，且在一定程度上改善土試樣的應力狀態，近似地再現現場實際應力情況[2]。

H.KISHIDA和 M.UESUGI[22]在1987年提出了矩形土樣盒的疊層式單剪儀，圖1是其簡圖。結構面長度為400mm，寬度為100mm。由于結構面比接觸面長度長，所以即使在接觸面處的土樣開始滑動之后，接觸面的面積也保持不變。長方體的砂土樣裝在由堆疊的鋁板組成的容器中，鋁板的水平表面涂有特氟隆，使砂土產生變形時受到的阻力最小。這樣的設計避免了傳統直剪試驗中剪切盒對上層土試樣完全剛性的包裹，能夠對接觸面剪切過程中土體內部剪切變形與土體-結構物接觸面處剪切變形進行很好的區分測量。Vucetic[23]也設計了一種圓形截面的單剪儀用于接觸面試驗。

圖1 單剪儀[22]

單剪儀可以很好地區分剪切過程中土體自身變形和沿接觸面變形，近年來也廣為國內外學者用于接觸面的剪切試驗中。Morihichi Uesugi[24]利用單剪儀研究了不同類型的砂（藤川砂、福島砂、東友拉砂、玻璃珠）對砂-鋼接觸面摩擦系數的影響，發現鋼的表面粗糙度對摩擦系數有顯著影響，而法向應力和砂平均粒徑影響不顯著且砂體的剪切變形受鋼表面粗糙度的影響。Chandra S.Desai[25]利用循環多自由度單剪儀對渥太華砂-混凝土接觸面進行了剪切試驗，發現接觸面處砂土的液化比周圍砂土液化早。劉方成[26]利用改進的循環單剪儀進行了粉質黏土與混凝土接觸面單剪試驗，分析了接觸面粗糙度、法向壓力以及土樣厚度對接觸面剪切特性的影響。周小文[4]設計了大型疊環式單剪儀，研究了砂漿護層和瀝青護層對混凝土-礫石接觸面剪切特性的影響。

1.3 環剪儀

在進行接觸面剪切試驗研究時，環剪儀也是一種較好的測試儀器。相對于直剪儀和單剪儀，環剪儀能夠實現較大的剪切位移，試驗過程中可保持剪切面積不變，并且試樣可在連續的位移條件下進行剪切[27]，且環剪儀能夠對土以及接觸面的殘余強度進行很好的測量。

BISHOP[28]在1971年發明的環剪儀主要結構如圖2所示。類似于直剪儀，采用上下分離的剪切盒，試驗時上盒固定對下盒施加扭矩使其產生環向剪力，并在上下盒的縫隙中產生剪切破壞面。Bromhead[29]在1979年也設計了一種環剪儀，如圖3所示，其采用無縫試樣盒，試驗過程中試樣盒固定不動，對頂部荷載板施加扭矩和軸壓使荷載板產生環形剪力，試樣剪切破壞的位置在近荷載板處。

環剪儀具有剪切位移大，可較準確測定接觸面殘余強度等優點，近些年也廣為研究者們使用。楊有蓮[30]針對泥皮對接觸面剪切特性的影響進行了環剪試驗，結果表明泥皮較為明顯地改變了接觸面的剪切性狀，接觸面的峰值剪應力與作用在其上的法向應力具有較好的線性關系，可用摩爾-庫侖強度準則進行描述。朱俊高[31]對比了相同試驗條件下環剪試驗與單剪試驗的結果，發現環剪試驗測得的接觸面抗剪強度大于單剪試驗，環剪儀更適合用于接觸面的剪切特性試驗，單剪儀更適合用于應力水平較低的試驗條件下。F.Hammouda[32]利用環剪儀研究了粗糙度對黏性土與鋼、混凝土接觸面剪切特性的影響，結果表明在給定的法向應力水平下，相對粗糙度和顆粒的平均直徑對接觸面剪切強度有顯著的影響。

圖2 BISHOP環剪儀

圖3 Bromhead環剪儀

1.4 其他儀器

除了直剪儀、單剪儀和環剪儀以外，能夠應用于土-結構接觸面剪切試驗的儀器還有扭剪儀以及共振柱儀。扭剪儀和環剪儀類似，試樣具有無限的剪切位移，但是其環柱狀的試樣制作過于困難，所以在國內接觸面剪切特性研究中應用較少。而共振柱儀在試驗過程中測得的剪切位移包含了土樣的變形以及接觸面上的變形這兩部分，而將這二者分開比較困難，所以應用也較少。

2 試驗研究變量

目前國內外針對土-結構物接觸面的變量研究主要集中于兩個大類：不同性質的土以及不同性質的結構面。

2.1 不同類型土

土的不同物理性質是土-接觸面試驗的重要變量之一。目前，主要以砂土和黏土與結構接觸面的研究偏多。由于工程需要，還有很多其他的特殊土，如趙少飛[17]對擾動土與混凝土接觸面進行剪切試驗研究，石泉彬[33]探究了凍土與結構接觸面凍結強度影響因素及其影響規律，陳俊樺[11]研究了紅黏土與混凝土接觸面的剪切力學性質。

土的物理性質會對土-結構接觸面的剪切力學性質產生影響。檀俊坤[6]在研究粗砂與混凝土接觸面的剪切特性時分析了砂土含水率的影響，蔣勁羽[34]在研究粗砂與混凝土接觸面時考慮了粗砂的孔隙比。而對于黏性土，其礦物成分的組成也是影響其與結構接觸面的重要因素，Hammoud[32]就針對這點進行了研究。他將雪萊土、高嶺土、膨潤土以及雪萊土與膨潤土的混合土進行平行試驗后發現，對于高嶺土和雪萊土-高嶺土混合土，接觸面的抗剪強度上限為土的抗剪強度；但對于膨潤土和雪萊土，當土樣發生剪切破壞時，接觸面抗剪強度與土體最大抗剪強度不一致，他們認為這是由于蒙脫石這一礦物組分的存在導致。

2.2 結構面的粗糙度

結構面的粗糙度一直以來是接觸面研究的熱門話題。粗糙度的量化方式繁多，且在研究過程中又有不斷的創新和改進。粗糙度是指材料表面某一長度L范圍內的最大高差Ra，可以將接觸面粗糙度的設計總體分為隨機型和規則型。早期研究以隨機型為主。Kishida[22]在1981年提出利用結構面的表面輪廓進行粗糙度的判定，定義粗糙度Rmax（L=2.5mm）為沿2.5mm長度上的表面輪廓的最高峰和最低谷之間的相對高度。而在1987年Kishida又對粗糙度進行了一定的修正，將標距L修改為砂樣中粒徑占比超過50%的顆粒粒徑，即Rmax（L=D50），修正后的粗糙度與接觸面摩擦系數相關。歸一化粗糙度Rn定義為Rn=Rmax（L=D50）/D50，經過修正后的歸一化粗糙度Rn和在較大范圍的砂直徑下與接觸面摩擦系數之間獲得了良好的相關性，胡黎明、濮家騮[35]和Uesugi[24]也采用了這種方法。 J.D.Frost[36]、S.S.Rao[37]、趙志方[38]、易成[39]也都采用了隨機性的粗糙度結構面，但是他們量化粗糙度的方式不相同。J.D.Frost[36]采用結構物的表面起伏程度的算術平均值來定義粗糙度。S.S.Rao[37]以Rn=Ra/D50定義接觸面相對粗糙度，其中Ra為粗糙度算術平均值，D50為試驗土樣粒徑占比超過50%的顆粒粒徑。

規則型的結構面近年來也為各研究者廣泛采用。R.D.Hryciw和M.Irsyam[39]在進行砂土-鋼接觸面直剪試驗時發現，合理的槽寬可避免土顆粒堵塞凹槽，還可以加強凹槽對槽內土的被動阻力作用。張嘎[40]和趙聯楨[41]在設計接觸面粗糙度時都采用了梯形結構突起，前者將不同表面齒型的峰谷間距作為粗糙度量化值，后者以梯形凸起的邊長R來量化粗糙度。陸勇[42]和G.Koval[43]均采用了鋸齒狀的結構面，前者以表面形態紋理特征參數表征結構接觸面粗糙度，后者將相對粗糙度與凹槽槽深等幾何參數結合來量化接觸面粗糙度。陳俊樺[11]和X.B.Chen[44]采用的為半圓弧形的規則凹槽，前者通過單位長度下半圓弧凹槽的個數進行粗糙度控制，以灌砂法進行粗糙度量化。而X.B.Chen[44]則對灌砂法進行了一定的修正。金子豪[45]和王濤[46]針對室內剪切試驗中結構面較小的凹凸深度較難表征實際工程中的粗糙度的缺陷，基于實際工程中鉆孔表面的凹凸曲線，采用統計分析法研究實際工程中結構面凹凸程度的分布頻率，并由此設計室內剪切試驗的結構面粗糙度。

3 需要解決的問題和今后的發展方向

土與結構物接觸面的力學特性是各土木工程無法避免的重要問題。近年來隨著研究方法和研究人員的不斷增多，接觸面的研究也愈來愈完善。例如周國慶[18]、孫兆輝[19]、殷殷[20]等人對特殊土的研究擴大了接觸面的力學特性工程研究范圍。檀俊坤[6]對高應力下的接觸面進行研究填補了模擬深部地下空間接觸面力學特性研究的空白。但是，土與結構接觸面力學特性的研究仍然存在幾個需要解決補全的問題：

（1）國內外諸多文獻的研究范圍主要集中在土與結構相互作用的影響因素方面，而對接觸面剪切破壞機理的分析研究還主要停留在宏觀方面。早在1994年朱泓[7]的試驗中就采用了潛望鏡對接觸面內部的破壞模式進行觀察，但取得的成果還不能完全說明接觸面破壞的力學機理。如何在接觸面試驗當中加入對接觸面微觀形變的觀察是當前需要解決的重要問題，設計出帶有微觀觀測裝置的剪切儀也是先進儀器設備發展的重要方向；

（2）現有的試驗裝置較少考慮結構體外形、剪切過程接觸面積的變化，以及接觸面剪切方向與實際剪切方向不同等問題。楊慶光[5]設計的一種錨固體-土接觸面剪切裝置能夠充分考慮錨桿的實際形狀特征和剪切方向，并具有能夠保證剪切過程中接觸面面積不變等特點，填補了這方面的研究空白，但是類似的研究非常之少，大部分的研究人員都是直接采用直剪儀、環剪儀等現有儀器進行接觸面剪切特性的探究。如何使接觸面試驗更符合實際工程的性態是今后研究人員努力的方向；

（3）實際工程中的接觸面剪切破壞是多場耦合作用下的結果，但目前接觸面試驗的研究很少將溫度場和滲流場的影響進行帶入，這也是將來研究者進行更加深入探索的方向。