板岩质砂土-混凝土界面剪切特性研究

周怡，彭振斌，尹泉3，陈乐求4，陈娟5，张闯

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙，410083；2.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙，410083；3.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳，413000；4.湖南理工学院土木建筑工程学院，湖南岳阳，414006；5.湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南湘潭，411201)

影响土力学特性的因素很多，主要包括外力、温度、排水条件、土颗粒形状、级配、密实度和含水率等。若土中含较多的蒙脱石、高岭石和伊利石等亲水矿物成分，含水率是影响其工程应用的最重要因素。红砂岩质土、泥质粉砂岩质土、板岩质土、膨胀土和黄土等由于原岩矿物中含有一定量的亲水矿物[1-4]，它们的吸水性较强，土容易发生崩解和软化等现象，进而影响土的工程应用。针对与土含水率密切相关的工程实际，不少学者研究了含水率对土的力学性质的影响[5-9]，如郭安邦等[5]研究了含水率对青海地区原状黄土力学性能的影响；张庆浩等[6]研究了含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响；刘寒冰等[7]研究了含水率对压实黏质土力学性质的影响；在实际工程中，桩-土和土-挡土墙等工程问题的研究属于土-结构界面问题的研究范畴。对于吸水性强的红黏土、红砂岩质土等，含水率是影响土-结构界面相互作用的重要因素。研究土-结构界面剪切特性的主要方法为单剪试验[10-11]和直剪试验[12]，其中直剪试验条件比单剪试验简单，应用最广。陈俊桦等[12-13]以混凝土块体替代下剪切盒，对土-混凝土块体结构开展直剪试验，研究土-结构界面剪切特性。王永洪等[14]利用直剪试验研究了含水率对黏性土-混凝土界面剪切特性的影响，认为界面抗剪强度随含水率的增大而减小；当含水率小于临界值时，黏聚力随含水率的增大而增大，当含水率大于临界值时，黏聚力随含水率的增大而减小。陆业奇[15]研究了含水率对黏土与混凝土界面抗剪强度影响，认为当含水率小于12%时，界面抗剪强度基本接近，随含水率增大，抗剪强度逐渐减小，界面内摩擦角随含水率的变化规律与抗剪强度的变化规律一致，黏聚力随含水率呈先增大后减小的趋势，在含水率12%附近达到最大。熊彬涛等[16]利用直剪试验研究了含水率对桩-土界面力学特性的影响，研究结果表明，界面抗剪强度随含水率的增大而逐渐减小。卢廷浩等[17-18]认为，含水率对土-结构界面剪切强度的影响和土的类型、接触结构的类型相关。在土的工程应用中，除剪切强度外，土力学性质研究还主要包括剪切刚度和剪切破坏变形等。随着工程界对土力学性质研究不断深入，工程界对土的剪切刚度和破坏变形等的要求也不断提高。例如，高铁路基采用剪切强度和剪切刚度均较高的粗粒土进行填筑，不少重大桩基工程项目也采用粗粒土作为基础填料，以提高桩-土界面的承载性能，因此，为了进一步解决工程实际问题，除了研究对抗剪强度的影响外，还需研究含水率对土-结构界面剪切刚度和破坏变形等参数的影响，但是，目前关于这方面的研究成果比较少。板岩在我国分布较广，例如湖南和湖北不少地区分布着板岩。板岩质砂土由板岩风化后形成，具有水稳性差的特点[19]。工程中常涉及板岩质砂土与混凝土界面相互作用、含水率对板岩质砂土-混凝土界面力学性质影响等问题，为此，本文作者利用大型直剪仪设计了不同含水率条件下的板岩质砂土-混凝土界面直剪试验，通过试验研究含水率对板岩质砂土-混凝土界面的抗剪强度、黏聚力、摩擦角、剪切刚度、剪切破坏变形和残余剪切强度等参数的影响，研究含水率对板岩质砂土-混凝土界面剪切特性的影响。

1 界面剪切试验

1.1 试验仪器

直剪试验仪器为TYJ-800大型直接剪切仪，该仪器采用全数字闭环控制系统，可以对上、下剪切盒施加垂直向和水平向荷载，从而在垂直力或法向力作用下对剪切盒内的土样进行水平剪切。仪器在加载过程中自动采集数据。上、下剪切盒形状均为长方体，其中上剪切盒长×宽×高为50 cm×50 cm×15 cm，下剪切盒长×宽×高为67 cm×67 cm×15 cm。垂直方向可施加的最大载荷为800 kN，水平方向可施加的最大载荷为400 kN。加荷控制包括位移加载和力加载2种控制模式。

1.2 试验方案

1.2.1 试样级配

土样取自湖南长沙，为褐黄色的板岩质砂土，由板岩风化形成，其主要矿物成分为白云母、石英、绿泥石和高岭石等。其中，绿泥石和高岭石属于亲水矿物成分。图1所示为土样的级配曲线。根据图1可知：土样中颗粒粒径均小于2mm，其中细颗粒质量分数为10%，土的不均匀系数为5.6，曲率系数为1.3。根据GB/T50145—2007“土的工程分类标准”，土样命名为级配良好的含细粒土砂。

图1 板岩土样的级配曲线Fig.1 Gradation curve of argillite-slate soil sample

1.2.2 制样

为研究含水率的影响，采用重型击实仪器对不同含水量的土体进行标准击实，测定各种状态下土的含水量与干密度的关系，获得最大干密度和最优含水率。表1所示为干密度和含水率统计结果。

根据实验结果以干密度为1.65 g/cm3以及含水率w分别为5%，7%，10%和16%制作4种试样。

1.2.3 界面剪切模拟

利用大型直剪试验研究板岩质砂土-混凝土界面剪切力学性质，需将下剪切盒换成混凝土块体[12-13]。混凝土块体由型号为C35的商品混凝土制成。在实际工程中，土与混凝土结构的界面通常是粗糙面，即与土接触的混凝土结构面通常不光滑，具有一定的起伏。为此，参考文献[12-13]中的方法，在混凝土块体表面制作半圆凹槽来模拟界面粗糙起伏。设计的混凝土块体如图2所示。由图2可见：混凝土块体形状为长方体，长×宽×高为57 cm×57 cm×17 cm。半圆凹槽的直径为5 cm，长度为57 cm。

采用力控制模式对试样施加界面法向荷载(垂直荷载)。界面法向应力为压应力，记为S，分别为100，200和400 kPa。水平向施加荷载采用位移控制模式，加载速率为1.0 mm/min。

试验步骤如下：在上剪切盒内制作含水率为w的试样。下剪切盒换成图2所示的混凝土块。沿界面对试样施加法向荷载，当在试样上施加的法向应力达到稳定后，沿界面切向(垂直凹槽轴线的水平方向)施加水平向位移。板岩质砂土-混凝土界面剪切模拟示意图如图3所示。

图3 板岩质砂土-混凝土界面直剪试验加载Fig.3 Plot of shearing along interface between argillaceous slate sand and concrete

2 试验结果及分析

2.1 界面剪切力和剪切位移关系

设界面剪切力为τ，剪切位移为u。当界面法向应力S分别为100，200和400 kPa时，不同含水率条件下的τ与u的关系曲线如图4所示。

从图4可知：板岩质砂土-混凝土界面剪切应力和剪切位移关系曲线为软化型曲线。根据现有研究表明：土-混凝土界面剪切破坏主要发生在界面附近的土体内[12-13]。在加载初始，土的结构未被破坏，随着剪切位移的增加，τ随u线性递增，且关系曲线近似为直线；界面附近土样的颗粒逐渐产生摩擦滑移，导致土样内部结构逐渐被破坏，土的抗剪力学性质逐渐被劣化，τ与u的关系由线性递增向非线性递增关系转变；当界面附近土样内部结构被破坏到一定程度时，剪应力达到峰值或者抗剪切强度，此后，界面附近土样的颗粒重新排列，土样的内部结构逐渐重新形成；在这一阶段，随u增加，τ逐渐下降；随着土样的颗粒重新排列趋于稳定状态，界面附近土样逐渐恢复一部分抗剪能量，表现为界面附近土样具有一定的残余剪切强度，此时，τ与u的关系曲线近似为水平线。

图4 不同含水率条件下的τ与u的关系曲线Fig.4 Relationship between τ and u in different mositure ratioes

在界面法向应力相同的情况下，含水率不同，界面剪切应力和剪切位移关系曲线也不同。图4(b)中，S=200 kPa，含水率为5%和10%的2条曲线有较大差异，曲线峰值点剪应力或者抗剪强度分别为154.3 kPa和125.2 kPa，相差29.1 kPa。破坏时的剪切位移(与峰值剪应力对应)分别为14.22 mm和20.98 mm，相差6.76 mm。残余剪应力强度分别为136.89 kPa和114.45 kPa，相差22.44 kPa。对于剪应力与剪切位移曲线，峰值剪应力、破坏时的剪切位移、残余剪应力强度均是曲线关系的特征参数。因此，含水率对板岩质砂土-混凝土界面剪切应力和剪切位移关系特征参数有重要影响，从而影响界面剪切应力和剪切位移关系。

2.2 含水率对界面抗剪强度参数的影响

2.2.1 界面抗剪强度

设板岩质砂土-混凝土界面抗剪强度为τs，不同含水率下的板岩质砂土-混凝土界面抗剪强度如图5所示。从图5可见：法向应力相同时，抗剪强度随含水率的增加而减小。例如，当S=100 kPa时，随着含水率w从5%增加到16%，界面抗剪强度τs从106.3 kPa减小至70.6 kPa，再减小至35.7 kPa，减小幅度为33.6%(本文假设参数的减小幅度或者增大幅度为相对含水率为5%时的值)。这表明含水率对板岩质砂土-混凝土界面抗剪强度有显著影响。当其他条件相同时，随着含水率的增加，板岩质砂土-混凝土界面抗剪强度显著减小，减小幅度超过30%。

图5 界面抗剪强度和含水率之间的关系Fig.5 Relationship between shear strength of interface and moisture ratio of soil

2.2.2 界面摩擦角和黏聚力

抗剪强度和法向应力之间的关系如图6所示。从图6可见：当含水率相同时，抗剪强度和法向应力近似为线性递增关系，满足摩尔-库仑破坏准则。摩尔-库仑破坏准则为：

式中：φ为板岩质砂土-混凝土界面的摩擦角；c为板岩质砂土-混凝土界面的黏聚力。

图6 界面抗剪强度和法向应力之间的关系Fig.6 Relationship between shear strength of interface and normal stress

根据式(1)对图6中的数据进行拟合，得到φ和c。从图6可见：拟合相关系数为0.982～0.997，拟合效果良好。拟合得到的φ和c分别如图7所示。从图7(a)可见：随着含水率从5%增加至16%，界面黏聚力先由32.5 kPa逐渐增加至36.4 kPa，最后减小至26.3 kPa，最终减小差值为6.2 kPa，减小幅度为19.1%。从图7(b)可见：随着含水率从5%增加至16%，界面摩擦角从33.6°逐渐减少至22.9°，最终减小至10.7°，最终减小幅度为31.8%。因此，随着含水率增大，界面黏聚力先缓慢增加后迅速减小，而界面摩擦角显著减小。当含水率不超过10%时，界面黏聚力随含水率增加而缓慢增大，当含水率超过10%后，界面黏聚力随含水率增加而迅速下降。因此，含水率对界面黏聚力和摩擦角这2个抗剪强度参数均有影响，其中，随着含水率增加，界面摩擦角显著减小且减小幅度超过30%。

2.3 含水率对界面剪切破坏位移的影响

设板岩质砂土-混凝土界面剪切破坏时的位移为us，不同含水率下的板岩质砂土-混凝土结构界面剪切破坏位移如图8所示。

从图8可见：当法向应力相同时，界面剪切破坏位移us随含水率的增加而增大。例如，当S=100kPa时，随着含水率w从5%增加到16%，us从11.05 mm增大至18.32 mm，增大幅度为65.8%，这表明含水率对板岩质砂土-混凝土界面剪切破坏位移有显著影响。当其他条件相同时，随着含水率增大，板岩质砂土-混凝土界面剪切破坏位移显著增大，剪切破坏位移的增大幅度超过65%。

图7 界面抗剪特征与含水率之间的关系Fig.7 Relationship between shear characteristic of interface and moisture ratio

图8 界面剪切破坏位移和含水率之间的关系Fig.8 Relations between shear failure displacement of interface and moisture ratio

2.4 含水率对界面剪切刚度的影响

在土力学中，固体结构的剪切刚度通常采用剪切模量表示，但是，通过直剪试验无法获得剪切模量。如图4所示，界面剪应力与剪切位移曲线加载初始的一段近似为直线，该直线段的斜率越大，则界面剪切刚度越大。因此，以该直线段斜率表征土-混凝土结构界面的等效剪切模量，计算式为

式中：τe为界面线弹性极限剪应力，kPa；ue为界面线弹性极限剪位移，mm。Geq为板岩质砂土-混凝土结构界面等效剪切模量，kPa/mm。

界面等效剪切模量Geq和含水率w之间的关系如图9所示。从图9可见：当法向应力相同时，含水率越大，界面等效剪切模量显著越小。当S=100kPa时，随着w从5%增加到16%，Geq从134.8 kPa/mm减小至80.6 kPa/mm，减小54.2 kPa/mm，减小幅度为40.2%。可见，随着含水率的增加，界面等效剪切模量显著减小，且减小幅度超过20%，因此，含水率对板岩质砂土-混凝土界面剪切刚度有显著的劣化影响。

图9 界面等效剪切模量和含水率之间的关系Fig.9 Relationship between equivalent shear stiffness of interface and moisture ratio

2.5 含水率对界面剪切残余强度的影响

由图4可知：在剪应力达到峰值后，板岩质砂土-混凝土界面剪应力逐渐减小并趋于稳定，由试验获得的稳定值为界面残余剪切强度。设该残余剪切强度为τ′s，界面残余剪切强度为τ′s与含水率之间的关系如图10所示。

从图10可见：当法向应力相同时，含水率越大，界面残余剪切强度越小。例如，当S=100 kPa时，随着含水率w从5%增加到16%，τ′s从80.07kPa减小至57.96 kPa，减小22.11 kPa，减小幅度为27.6%。可见，含水率对板岩质砂土-混凝土界面的残余剪切强度有显著的劣化影响。

图10 界面剪切残余强度和含水率之间的关系Fig.10 Relationship between residual shear strength of interface and moisture ratio

3 含水率对界面剪切特性的影响机理

影响土的力学性质的因素包括外因和内因。外因主要包括指温度、应力状态(围压、剪切面法向应力)、应力历史、主应力方向、排水条件等。内因主要包括土的组成(土颗粒的矿物成分，颗粒大小与级配，颗粒形状与含水率等)、状态(孔隙比和密实度等)和结构等。对于本文试验条件，在界面法向应力一定时，含水率是影响板岩质砂土-混凝土界面剪切特性的主要因素。界面抗剪强度由界面滑移产生的黏聚力和摩擦阻力构成。其中，摩擦阻力与摩擦角成正比。对于本文试验，土样为板岩质砂土，其颗粒粒径比细粒土的大，通常砂类土等粗粒土的摩擦阻力在抗剪强度中所占比例较大。如图6和图7所示，在不同含水率条件下，界面抗剪强度为70.6～302.0 kPa，界面黏聚力为26.3～36.4 kPa，因此，界面黏聚力所占比例较小，而摩擦阻力在抗剪强度或者残余剪切强度中所占比例较大，摩擦角对抗剪强度的影响较大。

黏聚力是土颗粒间胶结、咬合和水膜联结等作用的宏观体现，通常对粗粒土颗粒间的咬合起主要作用。但是，如果粗粒土颗粒的矿物组成含较多的亲水矿物成分，例如本文试验的板岩质砂土，那么，含水率增大会导致大颗粒崩解成小颗粒，土中细颗粒数量增加，同时土颗粒间的水膜联结强度也逐渐增加，从而逐渐增大土的黏聚力。随着含水率进一步增加，当含水率超过临界值时，颗粒间的水膜联结强度会迅速下降，导致黏聚力迅速下降。由于土-结构界面剪切主要影响界面附近一定厚度的土体[13-14](该厚度与颗粒平均粒径相关)，界面黏聚力由界面附近一定厚度的土体内的土颗粒的咬合和水膜联结等作用产生。因此，含水率对界面黏聚力的影响主要发生在该厚度的土体内，临界含水率与该厚度相关。对于本文试验，根据图7(a)可以初步判定临界含水率为10%，当含水率小于10%时，界面黏聚力随含水率增加而缓慢增大，当含水率大于10%，界面黏聚力随含水率增加而迅速下降。

界面摩擦阻力由土颗粒间的咬合摩擦和土颗粒与混凝土块体表面间的滑移摩擦共同作用产生。含水率增大对界面摩擦阻力的影响主要体现在2个方面：1)含水率增大使得土中粗颗粒逐渐崩解为细颗粒，颗粒粒径减小导致摩擦阻力较小；2)含水率增大使得土颗粒间的润滑作用增强，同样减小摩擦阻力。这2方面作用使得界面附近土体中颗粒间、颗粒与界面间的相互摩擦减小，从而显著降低界面剪切滑移产生的摩擦阻力，而摩擦阻力和摩擦角成正比。此外，摩擦阻力在抗剪强度和残余剪切强度中均起主要作用，因此，界面的抗剪强度、摩擦角和残余剪切强度均随含水率的增加而显著降低，分别如图5、图7(b)和图10所示。

相比黏聚效应，摩擦效应在砂土-混凝土界面结构体系中起主要作用，因此，界面摩擦阻力越大，界面剪切变形越难产生，即随着含水率增大，界面摩擦阻力减小，砂土-混凝土界面结构体系稳定性变差，界面剪切刚度减小，破坏时剪切滑移产生的变形增大，表现出图8和图9所示的规律。

4 结论

1)含水率对板岩质砂土-混凝土界面的抗剪强度、剪切刚度和剪切破坏位移等特性参数有重要影响，从而影响界面剪切应力和剪切位移之间的关系。

2)含水率对界面抗剪强度和摩擦角的影响较黏聚力的影响显著。当法向应力相同时，随着含水率增加(从5%增加到16%)，板岩质砂土-混凝土界面抗剪强度和摩擦角均显著减小，幅度均超过30%；当含水率不超过临界值(10%)时，界面黏聚力缓慢增加，当含水率超过临界值后，界面黏聚力迅速减小，减小幅度为19.1%。

3)当法向应力相同时，随着含水率增加(从5%增加到16%)，板岩质砂土-混凝土界面剪切破坏变形显著增大，剪切破坏位移的增大幅度超过65%。

4)含水率对板岩质砂土-混凝土界面剪切刚度和残余剪切强度有显著的劣化影响。当法向应力相同时，随着含水率增加(从5%增加到16%)，界面等效剪切模量显著减小，减小幅度超过20%；界面残余剪切强度亦显著减小，减小幅度超过27%。