土-结构物接触面试验研究进展综述

陈海康，梁海安，胡清波，邱思检，刘超，张龙鹏

（东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西南昌 330013）

0 引言

结构物与土的相互接触问题在各个岩土工程中都无法避免。由于土和结构物在强度和物理特性上具有巨大的差异[1]，在外部荷载的作用下二者产生的接触面往往较土体和结构物自身更容易出现破坏[2]，对工程的安全稳定产生威胁。对土与不同结构物之间接触面力学及变形方面的试验研究具有很大的实际意义，可以解决工程中的难题，近年来有较多学者基于各种不同工程背景对该问题进行了研究。熊彬涛[3]等基于预制混凝土抗拔桩工程利用混凝土-土接触面单剪试验研究了粗糙度对抗拔桩侧摩阻的影响。周小文[4]等为研究面板堆石坝的面板应力与变形关系进行了不同保护条件下的混凝土板与砾石垫层接触面的剪切试验。杨庆光等[5]采用自行研发的接触面试验装置分析了土的压实度与含水率对锚固体与土接触面的剪切特性，强调了土体压实度在锚体抗拔力设计中的重要性。檀俊坤[6]等针对深部地下工程出现的高应力条件问题进行了高应力下的土-结构接触面试验，发现在高应力条件下接触面极限抗剪强度受法向应力和结构面粗糙度影响较大。

本文对近年来土-结构物接触面的试验方法和试验研究对象进行综合论述，并提出一些新的研究发展方向。

1 试验仪器的选取

接触面的剪切试验不同于土体剪切，它需要仪器能够同时装载固定土样以及结构物两种不同的物体，所以在试验难度上大于土体内部的剪切。目前，主要用于接触面剪切研究的有直剪仪、单剪仪、环剪仪、扭剪仪以及共振柱这五类仪器[7]。

1.1 直剪仪

直剪仪是研究土与结构物接触面剪切特性比较常用的仪器，目前主要有盒式直剪仪和同心杆式直剪仪两种。

盒式直剪仪使用时是将土样放在上盒，将下盒用试验所需的结构物进行替换，试验时上盒不动，对下盒施加横向作用力并记录该作用力随下盒位移的变化。盒式直剪仪最早由Potyond应用于接触面试验[8]。但是这种直剪仪在剪切过程中剪切面积会不断变化，不能确定试验中施加的应力条件，也不能区分剪切过程中的土内剪切位移和接触面滑移位移。所以针对这一缺点，后人对直剪仪进行了一定的改造。

DESAI[9]等人在1985年研制出双自由度循环剪力仪，可作为直剪仪使用。相对于普通直剪仪，该仪器在近接触面处对无法被上盒覆盖的土样采用乳胶层进行围封，解决了一般直剪仪实验过程中可能导致的人为控制剪切面以及剪切过程中土样从接触面缝中漏失的问题。

殷宗泽[10]等在进行土与混凝土接触面的直剪试验时，在直剪仪进接触面处不同水平位置安装了潜望镜，以观察不同位置接触面上的点在剪切过程中的真实位移与剪切盒总位移之间的关系。

陈俊桦[11]、成浩[12]、石熊[13]等人采用大型直剪仪，研究了红黏土与混凝土接触面的剪切特性，并分析了影响其剪切特性的相关因素。熊斌涛等[3，14]采用大型直剪仪研究了抗拔桩工程中接触面的剪切特性，分别对接触面的剪应力-剪位移曲线、抗剪强度以及剪缩剪胀性进行分析。赵春风[15]、胡顺洋[16]用砂土分别与混凝土和钢两种结构面进行了大型直剪试验。前者分析了不同加、卸荷状态下接触面的力学特性以及卸荷程度、粗糙度等对接触面软化特性和剪胀（缩）性的影响；后者在常应力状态下进行接触面直剪试验，将土体内部以及土与结构面的剪切特性进行对比分析。此外，赵少飞[17]、周国庆[18]、孙兆辉[19]、殷殷[20]、檀俊坤[6]、Omar Al-Emami[21]等人针对扰动土、深部土、盐渍化冻土、糯扎渡反滤料I、高应力下粗砂以及重置伊拉克土等不同的土料与结构接触面的剪切特性进行了研究分析，均取得了非常理想的研究成果。

1.2 单剪仪

在直剪试验中，由于上盒对土样的固定使得直剪仪不能区分试样的变形是存在于本身还是沿接触面变形，而单剪仪能够很好地解决上述直剪仪的弱点，且在一定程度上改善土试样的应力状态，近似地再现现场实际应力情况[2]。

H.KISHIDA和 M.UESUGI[22]在1987年提出了矩形土样盒的叠层式单剪仪，图1是其简图。结构面长度为400mm，宽度为100mm。由于结构面比接触面长度长，所以即使在接触面处的土样开始滑动之后，接触面的面积也保持不变。长方体的砂土样装在由堆叠的铝板组成的容器中，铝板的水平表面涂有特氟隆，使砂土产生变形时受到的阻力最小。这样的设计避免了传统直剪试验中剪切盒对上层土试样完全刚性的包裹，能够对接触面剪切过程中土体内部剪切变形与土体-结构物接触面处剪切变形进行很好的区分测量。Vucetic[23]也设计了一种圆形截面的单剪仪用于接触面试验。

图1 单剪仪[22]

单剪仪可以很好地区分剪切过程中土体自身变形和沿接触面变形，近年来也广为国内外学者用于接触面的剪切试验中。Morihichi Uesugi[24]利用单剪仪研究了不同类型的砂（藤川砂、福岛砂、东友拉砂、玻璃珠）对砂-钢接触面摩擦系数的影响，发现钢的表面粗糙度对摩擦系数有显著影响，而法向应力和砂平均粒径影响不显著且砂体的剪切变形受钢表面粗糙度的影响。Chandra S.Desai[25]利用循环多自由度单剪仪对渥太华砂-混凝土接触面进行了剪切试验，发现接触面处砂土的液化比周围砂土液化早。刘方成[26]利用改进的循环单剪仪进行了粉质黏土与混凝土接触面单剪试验，分析了接触面粗糙度、法向压力以及土样厚度对接触面剪切特性的影响。周小文[4]设计了大型叠环式单剪仪，研究了砂浆护层和沥青护层对混凝土-砾石接触面剪切特性的影响。

1.3 环剪仪

在进行接触面剪切试验研究时，环剪仪也是一种较好的测试仪器。相对于直剪仪和单剪仪，环剪仪能够实现较大的剪切位移，试验过程中可保持剪切面积不变，并且试样可在连续的位移条件下进行剪切[27]，且环剪仪能够对土以及接触面的残余强度进行很好的测量。

BISHOP[28]在1971年发明的环剪仪主要结构如图2所示。类似于直剪仪，采用上下分离的剪切盒，试验时上盒固定对下盒施加扭矩使其产生环向剪力，并在上下盒的缝隙中产生剪切破坏面。Bromhead[29]在1979年也设计了一种环剪仪，如图3所示，其采用无缝试样盒，试验过程中试样盒固定不动，对顶部荷载板施加扭矩和轴压使荷载板产生环形剪力，试样剪切破坏的位置在近荷载板处。

环剪仪具有剪切位移大，可较准确测定接触面残余强度等优点，近些年也广为研究者们使用。杨有莲[30]针对泥皮对接触面剪切特性的影响进行了环剪试验，结果表明泥皮较为明显地改变了接触面的剪切性状，接触面的峰值剪应力与作用在其上的法向应力具有较好的线性关系，可用摩尔-库仑强度准则进行描述。朱俊高[31]对比了相同试验条件下环剪试验与单剪试验的结果，发现环剪试验测得的接触面抗剪强度大于单剪试验，环剪仪更适合用于接触面的剪切特性试验，单剪仪更适合用于应力水平较低的试验条件下。F.Hammouda[32]利用环剪仪研究了粗糙度对黏性土与钢、混凝土接触面剪切特性的影响，结果表明在给定的法向应力水平下，相对粗糙度和颗粒的平均直径对接触面剪切强度有显著的影响。

图2 BISHOP环剪仪

图3 Bromhead环剪仪

1.4 其他仪器

除了直剪仪、单剪仪和环剪仪以外，能够应用于土-结构接触面剪切试验的仪器还有扭剪仪以及共振柱仪。扭剪仪和环剪仪类似，试样具有无限的剪切位移，但是其环柱状的试样制作过于困难，所以在国内接触面剪切特性研究中应用较少。而共振柱仪在试验过程中测得的剪切位移包含了土样的变形以及接触面上的变形这两部分，而将这二者分开比较困难，所以应用也较少。

2 试验研究变量

目前国内外针对土-结构物接触面的变量研究主要集中于两个大类：不同性质的土以及不同性质的结构面。

2.1 不同类型土

土的不同物理性质是土-接触面试验的重要变量之一。目前，主要以砂土和黏土与结构接触面的研究偏多。由于工程需要，还有很多其他的特殊土，如赵少飞[17]对扰动土与混凝土接触面进行剪切试验研究，石泉彬[33]探究了冻土与结构接触面冻结强度影响因素及其影响规律，陈俊桦[11]研究了红黏土与混凝土接触面的剪切力学性质。

土的物理性质会对土-结构接触面的剪切力学性质产生影响。檀俊坤[6]在研究粗砂与混凝土接触面的剪切特性时分析了砂土含水率的影响，蒋劲羽[34]在研究粗砂与混凝土接触面时考虑了粗砂的孔隙比。而对于黏性土，其矿物成分的组成也是影响其与结构接触面的重要因素，Hammoud[32]就针对这点进行了研究。他将雪莱土、高岭土、膨润土以及雪莱土与膨润土的混合土进行平行试验后发现，对于高岭土和雪莱土-高岭土混合土，接触面的抗剪强度上限为土的抗剪强度；但对于膨润土和雪莱土，当土样发生剪切破坏时，接触面抗剪强度与土体最大抗剪强度不一致，他们认为这是由于蒙脱石这一矿物组分的存在导致。

2.2 结构面的粗糙度

结构面的粗糙度一直以来是接触面研究的热门话题。粗糙度的量化方式繁多，且在研究过程中又有不断的创新和改进。粗糙度是指材料表面某一长度L范围内的最大高差Ra，可以将接触面粗糙度的设计总体分为随机型和规则型。早期研究以随机型为主。Kishida[22]在1981年提出利用结构面的表面轮廓进行粗糙度的判定，定义粗糙度Rmax（L=2.5mm）为沿2.5mm长度上的表面轮廓的最高峰和最低谷之间的相对高度。而在1987年Kishida又对粗糙度进行了一定的修正，将标距L修改为砂样中粒径占比超过50%的颗粒粒径，即Rmax（L=D50），修正后的粗糙度与接触面摩擦系数相关。归一化粗糙度Rn定义为Rn=Rmax（L=D50）/D50，经过修正后的归一化粗糙度Rn和在较大范围的砂直径下与接触面摩擦系数之间获得了良好的相关性，胡黎明、濮家骝[35]和Uesugi[24]也采用了这种方法。 J.D.Frost[36]、S.S.Rao[37]、赵志方[38]、易成[39]也都采用了随机性的粗糙度结构面，但是他们量化粗糙度的方式不相同。J.D.Frost[36]采用结构物的表面起伏程度的算术平均值来定义粗糙度。S.S.Rao[37]以Rn=Ra/D50定义接触面相对粗糙度，其中Ra为粗糙度算术平均值，D50为试验土样粒径占比超过50%的颗粒粒径。

规则型的结构面近年来也为各研究者广泛采用。R.D.Hryciw和M.Irsyam[39]在进行砂土-钢接触面直剪试验时发现，合理的槽宽可避免土颗粒堵塞凹槽，还可以加强凹槽对槽内土的被动阻力作用。张嘎[40]和赵联桢[41]在设计接触面粗糙度时都采用了梯形结构突起，前者将不同表面齿型的峰谷间距作为粗糙度量化值，后者以梯形凸起的边长R来量化粗糙度。陆勇[42]和G.Koval[43]均采用了锯齿状的结构面，前者以表面形态纹理特征参数表征结构接触面粗糙度，后者将相对粗糙度与凹槽槽深等几何参数结合来量化接触面粗糙度。陈俊桦[11]和X.B.Chen[44]采用的为半圆弧形的规则凹槽，前者通过单位长度下半圆弧凹槽的个数进行粗糙度控制，以灌砂法进行粗糙度量化。而X.B.Chen[44]则对灌砂法进行了一定的修正。金子豪[45]和王涛[46]针对室内剪切试验中结构面较小的凹凸深度较难表征实际工程中的粗糙度的缺陷，基于实际工程中钻孔表面的凹凸曲线，采用统计分析法研究实际工程中结构面凹凸程度的分布频率，并由此设计室内剪切试验的结构面粗糙度。

3 需要解决的问题和今后的发展方向

土与结构物接触面的力学特性是各土木工程无法避免的重要问题。近年来随着研究方法和研究人员的不断增多，接触面的研究也愈来愈完善。例如周国庆[18]、孙兆辉[19]、殷殷[20]等人对特殊土的研究扩大了接触面的力学特性工程研究范围。檀俊坤[6]对高应力下的接触面进行研究填补了模拟深部地下空间接触面力学特性研究的空白。但是，土与结构接触面力学特性的研究仍然存在几个需要解决补全的问题：

（1）国内外诸多文献的研究范围主要集中在土与结构相互作用的影响因素方面，而对接触面剪切破坏机理的分析研究还主要停留在宏观方面。早在1994年朱泓[7]的试验中就采用了潜望镜对接触面内部的破坏模式进行观察，但取得的成果还不能完全说明接触面破坏的力学机理。如何在接触面试验当中加入对接触面微观形变的观察是当前需要解决的重要问题，设计出带有微观观测装置的剪切仪也是先进仪器设备发展的重要方向；

（2）现有的试验装置较少考虑结构体外形、剪切过程接触面积的变化，以及接触面剪切方向与实际剪切方向不同等问题。杨庆光[5]设计的一种锚固体-土接触面剪切装置能够充分考虑锚杆的实际形状特征和剪切方向，并具有能够保证剪切过程中接触面面积不变等特点，填补了这方面的研究空白，但是类似的研究非常之少，大部分的研究人员都是直接采用直剪仪、环剪仪等现有仪器进行接触面剪切特性的探究。如何使接触面试验更符合实际工程的性态是今后研究人员努力的方向；

（3）实际工程中的接触面剪切破坏是多场耦合作用下的结果，但目前接触面试验的研究很少将温度场和渗流场的影响进行带入，这也是将来研究者进行更加深入探索的方向。