循環剪切下凍黏土與結構接觸面剪切異向性研究

孫厚超 楊平 張忠擴 陸仁艷

摘?要：為探究凍土與結構接觸面的力學行為，使用研制的凍土與結構接觸面直剪儀DDJ-1，系統研究循環剪切下人工凍黏土與結構接觸面異向性力學特性的基本規律和主要影響因素。實驗結果表明：①循環剪切過程中在同一剪切循環內，剪應力-相對剪切位移關系和相對法向位移-相對剪切位移變化規律，在剪切作用的正反2個方向上存在著明顯的差異，即接觸面異向性，接觸面異向性分為接觸面剪應力異向性和法向位移異向性;②接觸面異向性隨粗糙度增大而增加，但當粗糙度增大到一定值后，對其影響程度減弱。剪應力接觸面異向性隨法向應力的增大先增大后減弱，而相對法向位移異向性則隨著法向應力的增大呈衰減性增大。接觸面異向性隨循環次數增加而減小;③接觸面異向性受法向荷載和粗糙度影響，其發揮程度與初次剪切方向和凍土特性有關。研究結果對凍土盾構法施工具有重要參考價值。

關鍵詞：接觸面;凍黏土;循環剪切;異向性;剪應力;法向位移

中圖分類號：TU435?文獻標識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0082-08

Abstract： In order to explore the mechanical behavior of the surface between frozen soil and structure， the basic laws and main influence factors of anisotropic behavior of artificial frozen clay-structure interface under cyclic shearing were systematically studied by using the developed large frozen soil direct shear instrument DDJ-1. The results showed that： ①during the cyclic shearing process， within the same shearing cycle， the relationship between shear stress-relative shear displacement nad the law of relative normal displacement-relative shear displacement changes， there were obvious differences in the positive and negative directions of the shearing actions， namely interface anisotropic， which can be divided into shearing stress anisotropic and normal displacement anisotropic. ② The interface anisotropy increased with the rise of roughness， but when the roughness increased to a certain value， the influence was weaken. The anisotropy of shearing interface increased first and then decreases with the rise of normal stress， however， the anisotropy of relative normal displacement decay increased with normal stress. The interface anisotropy decreased with the increasing of cycle times. ③ The interface anisotropy was affected by normal load and roughness. The development degree of the anisotropy was related to the first shearing direction and properties of frozen soil.The research results have important reference value for shield construction in frozen soil.

Keywords：Interface; frozen clay; cyclic shear; anisotropy; shear stress; normal displacement

0?引言

城市基礎設施（如地鐵隧道等）凍結法施工以及多年凍土地區大規模軌道交通工程建設，產生大量凍土與結構接觸面問題，涉及在地震或震動、盾構始發與接收刀盤切割凍土及盾殼體與凍土相互作用循環荷載下的工程力學特性。

國內外學者圍繞常溫土與結構接觸面相互作用開展了大量試驗，研究接觸面力學特性，探究其基本規律和影響因素。國內學者胡黎明等[1]、張嘎等[2-3]、張建民等[4]進行了大量的砂土與結構接觸面直剪試驗，并具有通過視窗觀測接觸面形態的功能，發現常溫粗粒土接觸面的剪切異向性，建立剪脹方程。國外學者Desai等[5]，Fakharian等[6]、Uesugi等[7] Fakharian等[8]、Yoshimi等[9]先后開展接觸面直剪試驗，研究接觸面力學特性的主要影響因素，并構建了接觸面剪應力與相對切向位移本構模型。

有關凍土與結構接觸面研究主要集中在凍土區樁基承載力研究，如美國陸軍部冷區研究與工程實驗室[10]在多年凍土區進行單樁承載力試驗，研究發現，凍土中樁周的凍結強度受樁身材料、凍土的流變和加荷方法的影響;Biggar等[11]對鹽質永久凍土區單樁載荷試驗發現，樁與回填材料接觸面的強度比回填材料與凍土相接觸界面的強度大;張建明等[12]對凍土中樁在動載下的沉降過程研究發現，樁的沉降速度隨凍土溫度的升高而增大，隨樁表面粗糙度的增大而減小;張軍偉等[13]通過橋梁鉆孔灌注樁現場靜載進行試驗，研究了厚層地下冰地區高溫不穩定凍土地段橋梁鉆孔灌注樁的基樁承載力和變形特性;趙曉東等[14]采用紅外熱輻射成像技術對模型樁-凍土界面上紅外輻射溫度場進行試驗研究，獲取加載過程中結構-凍土界面溫度場的時空分布規律;王騰飛等[15]利用有限元軟件，建立水熱力三場耦合模型，模擬螺旋樁在土體凍結過程中抗凍拔性能，通過數值分析比選抗凍拔最優樁型。

Liu等[16]利用研制的凍土直剪儀，研究了淤泥質凍黏土與混凝土接觸面動剪切強度的一般規律;何鵬飛等[17-18]通過直剪試驗，研究凍融循環作用對凍土與混凝土界面凍結強度的影響;趙聯楨等[19]、Zhao等 [20-21]、楊平等 [22]研制了大型凍土直剪儀，進行人工凍土與結構接觸面在恒溫和升溫、常法向剛度邊界條件下循環剪切力學性能研究，分析不同試驗條件和粗糙度對凍砂土接觸面剪切性能的影響，并基于同一框架建立了用于描述凍砂土與結構接觸面剪切行為的抗剪強度與壓縮體應變損傷模型;孫厚超等[23-24]改制凍土結構接觸界面層力學試驗系統，研究凍土界面層在常法向應力條件下單剪力學特性，并初探凍土界面層剪切本構模型;石泉彬等[25-27]等利用大型凍土直剪儀對人工凍結砂土與結構接觸面峰值凍結強度、次峰值強度和殘余強度的影響因素及其規律進行了研究，并研制出壓樁法測定接觸面凍結強度的新方法。

綜上研究表明，國內外學者已有開展直剪和循環剪切下常溫土與結構接觸面力學性能研究，揭示了接觸面的異向性。有關凍土與結構接觸面問題也已開展了一定研究，但有關凍土接觸面異向性研究尚鮮見報道，為此本文使用課題組研制的大型凍土直剪儀（DDJ-1），通過對人工凍黏土與結構接觸面循環剪切力學特性試驗，研究分析接觸面異向性力學特性及其機理，并探討其基本規律和主要影響因素。

1?接觸面試驗

1.1?試驗設備及試驗材料

循環荷載下凍黏土與結構接觸面力學特性試驗采用筆者課題組研制的大型凍土直剪儀DDJ-1開展的。該設備由水平和豎直的加載裝置、傳感器系統（包括位移、荷載及溫度傳感器）、制冷及溫控系統、數據采集系統、導軌、剪切盒和支架等組成。可提供長20 cm、寬10 cm接觸界面，可施加接觸面法向20 kN、切向100 kN載荷，可測量接觸界面相對位移切向2 cm、法向1 cm，能實現多種法向邊界條件下的單調和往返剪切， 加載與測量手段均實現自動化，可提供接觸面力學試驗。大型凍土直剪儀DDJ-1如圖1所示[19]。

試驗土料采用南京地鐵穿越的典型土層——粉質黏土的重塑土，其主要物理性質指標見表1。

結構面采用均勻排列正四棱臺形狀粗糙鋼板模擬，粗糙面峰谷距定義為鋼板粗糙度（R），如圖2所示[23]。

接觸面由1種粉質黏土和4種人工粗糙鋼板（R為：0、0.3、0.8、1.4 mm）構成，在法向應力為100、300、500、700 kPa條件下進行循環剪切試驗，其中每次試驗循環剪切次數為30次，剪切幅值為5.5 mm，剪切速率為5 mm/min。考慮工程凍結施工實況，凍黏土溫度取-10 ℃，試驗溫控精度為±0.3 ℃。

1.2?試驗方法和步驟

（1）按表1黏土物理性質在拌和盆中配置試驗用土，用塑料薄膜密封土盆后靜置24 h。待靜置完畢后，將土樣分3層裝入銅制剪切盒。

（2）將填入土樣的剪切盒放到DDJ-1的水平導軌上，啟動伺服電機的快速前進按鈕，使粗糙鋼板的中心位置與土樣盒的中心位置相互重合;安裝和調整位移傳感器，在土盒側面的預留孔插入溫度傳感器;最后將溫控系統的制冷管與土盒上的銅管相連。

（3）啟動制冷系統對土樣實施降溫，溫度傳感器實時記錄土樣溫度，并同步反饋給溫度自穩調節系統，當土樣溫度降到設定的數值，溫度自穩系統轉入保溫模式。

（4）啟動豎向加載系統，將試驗選定的法向邊界條件通過結構面板下部的粗糙面板施加在凍土表面上;待溫度穩定及法向位移穩定后，啟動水平加載系統以試驗設定好的剪切速率實現單調或循環剪切;試驗過程中，接觸面的切向位移、切向荷載、法向位移、法向荷載以及接觸面溫度都由各自的傳感器采集，并和計算機控制軟件實時交互。

（5）達到設定剪切位移或循環剪切次數后，試驗自動結束，關閉豎向加載系統和溫控系統，提升結構面板，取下試樣，試驗結束。

2?試驗結果與分析

2.1?循環剪切接觸面剪應力與相對法向位移異向性

圖3為粗糙度0.3 mm、溫度-10 ℃、法向應力100 kPa循環剪切條件下剪應力τ與相對剪切位移μ之間的關系。

由圖3可看出，剪切初始階段，即第一循環開始剪切時剪應力出現急劇增加至峰值剪應力103.35 kPa，因為開始剪切時，剪應力需要克服人工凍土與結構接觸面之間的凍結力和接觸面之間摩擦力。隨著循環次數增加，凍土與結構接觸面的剪應力和相對剪切位移的關系也不斷接近。

除第一循環外的其他剪切循環內，接觸面剪應力與相對剪切位移關系曲線基本閉合，剪應力與相對剪切位移關系未出現明顯軟化。

在不同剪切方向上，同一循環的剪應力與剪切位移關系出現不對稱性，具體表現為沿初始剪切方向比其反方向的剪應力峰值高，如第5循環內最大剪應力值為85.26 kPa，另一剪切方向最大剪應力為73.84 kPa，兩向差值為11.42 kPa;而第15循環內最大剪應力值為64.95 kPa，反方向剪切最大剪應力為55.32 kPa，兩向之差為9.63 kPa。隨著循環次數增加，這種不對稱性即異向性逐漸弱化。

圖4為循環剪切時相對法向位移與相對剪切位移的關系，由圖4可知，剪切時接觸面發生明顯的負向法向位移，可解釋為結構面附近的凍土產生剪脹體變，隨剪切循環次數增加，剪切引起的相對法向位移總體上表現為增大并趨于穩定。如第1循環內最大法向位移為-0.103 mm，而第30循環內最大相對法向位移為-0.254 mm，且不同剪切循環內的相對法向位移與相對剪切位移的關系越來越相似，表現為曲線形狀越來越接近。

在同一剪切循環的相對法向位移與相對剪切位移變化規律表現出一定的不對稱性，大部分試驗結果呈現沿初次剪切方向剪切時，發生相對法向位移增大，沿其反方向剪切時發生相對法向位移減小的情形，正反2個方向上產生最大法向位移差值隨著循環次數增加而減小，這種現象稱為接觸面異向性。

產生該異向性的原因為：剪切過程中結構面對凍土顆粒集中施加定向約束作用，使得結構面附近凍土顆粒形成明顯結構異向性;結構接觸面初次剪切由剪切前的土顆粒與冰晶無序狀態，經歷滑動、破碎和轉動等細觀變化，轉變為偏向剪切方向的有序狀態，隨著剪切方向改變，凍土顆粒以這個穩定位置為起始狀態發生再次重排列的過程;由于凍土顆粒的不規則性和結構異向性，結構面帶動下凍土顆粒在正反2個方向上呈現不同體變趨勢。

2.2?剪應力和法向位移接觸面異向性分析

凍黏土與結構接觸面循環剪切實驗結果表明，在同一剪切循環內，剪應力與相對剪位移關系和法向位移與剪位移關系變化規律，在剪切正反2個方向上存在明顯差異。因此，這種接觸面異向性可分為剪應力接觸面異向性和法向位移接觸面異向性。

（1）剪應力接觸面異向性

圖5為R=0.8 mm、T=-10 ℃、σ=300 kPa不同循環下剪應力與相對剪切位移的關系曲線，從圖5中可以看出，剪應力表現出接觸面異向性，正向剪切的最大剪應力值與負向剪切不同，如第1循環內，正、反方向最大剪應力值分別為294.85、275.9 kPa，最大剪應力差值為18.95 kPa。

這種現象與初始剪切方向有關。因為初始狀態時結構面附近的土顆粒與冰晶的集合是雜亂無章的，經歷沿結構面的初次剪切而使得結構面附近的土顆粒冰晶發生滑動、轉動和破碎等細觀變化，結果會導致土顆粒與冰晶偏向于初始剪切方向，結構面附近的土顆粒在總體上形成一個新的定向排列，由初次剪切前的無序狀態轉變為有一定方向性的有序狀態。這樣在剪切方向改變時，土顆粒與冰晶就以這個穩定位置為起始狀態再次重新排列。

為了更清楚表明接觸面異向性的存在，以正反2個方向最大剪應力差值（絕對值）作為指標，得出不同循環次數下最大剪應力差值與法向應力、粗糙度之間關系，如圖6所示。

由圖6可知，最大剪應力差值即接觸面異向性隨著法向應力的增大先增大，達到某一峰值后再減小。如同樣在第1循環內，當法向應力為100、300、500、700 kPa時，最大剪應力差值分別為15.21、18.95、20.71、7.81 kPa。究其原因為：循環剪切時隨法向應力增加凍土與結構面咬合程度增強，從而加大接觸面的剪切異向性，當法向應力超過500 kPa，凍土與結構面咬合受其影響減弱，接觸面剪切性能趨向于凍土體的力學性能。

由于凍土中賦存著冰包裹體，任何法向應力都將導致冰的塑性流動和冰晶的重新定向，同時冰在法向荷載和水平剪切荷載作用下，會產生壓融，即冰轉化成液態水，未凍水在荷載作用下也會發生遷移，而且這些現象隨著法向應力的增大越來越明顯，但是隨著法向應力的增加法向位移增大，這就導致結構面深入凍土體中，從而使接觸面剪切轉變為結構面附近凍土體的剪切，從而降低剪應力接觸面異向性。

接觸面異向性隨著剪切循環次數的增加逐漸減弱，如圖7所示。當法向應力為100 kPa時，第1循環、第5循環、第15循環、第30循環正反向最大剪應力差值分別為15.21、9.24、5.75、4.76 kPa。這是因為隨著循環剪切次數增加，凍土與結構接觸面力學性質在正反2個方向上趨同，異向性減弱。當法向應力為700 kPa時，剪切越來越表現出接觸面附近凍土的性質，接觸面異向性最小。

圖8為最大剪應力差值與粗糙度的關系，從圖8中可知，接觸面異向性隨著粗糙度的增加先增大后減小，并隨著剪切循環次數的增加逐漸變小。究其原因為：隨著粗糙度的增加，粗糙結構鋼板與凍土接觸面積增大，凍土與結構咬合能力增強，從而導致接觸面剪切由界面滑移剪切為主向凍土內部剪切為主轉變，而凍土內部剪切受結構粗糙度影響小，主要受法向荷載及溫度的影響。

（2）法向位移接觸面異向性

不同循環次數下相對法向位移與相對剪切位移關系曲線如圖9所示，由圖9可知，相對法向位移的接觸面異向性比較明顯，正向剪切時產生的法向位移總是與負向剪切時不同，如第30循環內，正向剪切引起的最大法向位移為-0.21 mm，而反向剪切時為-0.25 mm。

這種現象是由初始剪切方向造成的，和剪應力的接觸面異向性相類似。和剪應力與相對剪切位移關系一樣，為了使接觸面異向性的規律表現得更直觀，以正反2個方向的最大相對法向位移絕對值之差作為指標，得出不同循環次數接觸面異向性。

圖10為相對法向位移差值與法向應力的關系，由圖10可知接觸面異向性隨著法向應力的增大而呈逐漸衰減性增大。這是因為：凍土中賦存著冰包裹體，法向應力作用導致冰的塑性流動和凍土顆粒的重新定向，循環剪切過程中既有凍土中冰在荷載作用下產生壓力融化，并伴隨未凍水的遷移，試驗凍土溫度動態穩定，從而產生循環剪切時法向位移差值隨著法向應力呈衰減性增大。另外相對法向位移的接觸面異向性又隨著剪切循環次數的增加逐漸減小，是因為接觸面凍土溫度動態穩定，凍土壓融與凍結隨循環次數增加而趨同。

圖11為最大相對法向位移差值與粗糙度的關系，從圖11中可以看出接觸面異向性也是隨著粗糙度的增大先增大后減小。這是因為隨著粗糙度增大，凍土與結構接觸面積增大，循環剪切過程中結構接觸面法向位移幅值增大，從而加大了接觸面異向性，而當粗糙度增加到1.4 mm時，原來發生在接觸粗糙面上的剪切轉變為剪切主要發生在結構面附近的凍土界面層內，主要表現出凍土的性質，從而降低了接觸面異向性。另外相對法向位移的接觸面異向性又隨著剪切循環次數的增加逐漸變小，這是因為循環剪切過程中凍土溫度保持恒定，凍土顆粒和冰晶壓融、凍結變化穩定，凍土接觸面微觀特性逐漸趨同。

3?結論

基于試驗分析了循環剪切下人工凍黏土與結構接觸面異向性力學特性的主要影響因素、基本規律和機理，主要結論如下。

（1）循環剪切過程中，在同一剪切循環內，剪應力與相對剪切位移關系、相對法向位移與相對剪切位移變化規律在剪切作用的正反2個方向上存在著明顯的差異，即接觸面異向性，分為接觸面剪應力異向性和法向位移異向性。

（2）產生異向性的原因為：結構接觸面初次剪切由剪切前的土顆粒與冰晶無序狀態，經歷滑動、破碎和轉動等細觀變化，轉變為偏向剪切方向的有序狀態，隨著剪切方向改變，凍土顆粒以此穩定位置為起始狀態發生再次重排列。

（3）接觸面異向性隨粗糙度增大而增加，但當粗糙度增大到一定值后，粗糙度對其影響程度減弱，接觸面異向性將隨粗糙度增大而減小，說明存在一個峰值點對應于最大異向性。

（4）剪應力接觸面異向性隨著法向應力的增大先衰減性增大后減小，而相對法向位移異向性則隨著法向應力的增大呈衰減性增大。

（5）接觸面異向性受法向荷載和粗糙度影響，其發揮程度與初次剪切方向和凍土特性有關。隨著循環剪切次數增加，凍土與結構接觸面力學性質在正反兩個方向上趨同，異向性減弱，接觸面異向性隨循環次數增加而減小。

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