接触角度对黄土-三趾马红土界面剪切力学特性影响研究*

祝艳波 韩宇涛 兰恒星 苗帅升 李文杰

(长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054， 中国)

0 引 言

黄土地区大中型滑坡大部分沿黄土-三趾马红土接触层面产生(曲永新等， 1999)，此类滑坡称为黄土与三趾马红土(基岩)复合滑坡(文宝萍等， 1997； 雷祥义， 2014)，约占黄土滑坡的55%(张栋平等， 2013)。黄土与三趾马红土异质土接触层面往往成为此类滑坡频繁发生与复活的基本控制因素(孙萍萍等， 2020)。而滑坡形成与演化往往是滑带土变形及剪切破坏过程(龙建辉等， 2010)，因此研究滑带土剪切力学特性对于揭示此类滑坡形成演化机制具有重要意义，尤其对于结构特殊的黄土(潘振兴等， 2020)。

目前关于黄土滑坡中异质滑带研究主要集中在黄土-泥岩、黄土-古土壤、黄土-基岩以及黄土-红黏土接触面等类型(文宝萍等， 2005； 刘红玫等， 2006； 周自强等， 2007； 辛鹏等， 2012； 吴玮江等， 2014； Wang et al.，2018， 2019)，但以定性揭示滑坡形成机理为主，定量研究界面强度与变形特性的不多。近些年来一些学者研究了黄土与砂土、黄土与混凝土、黄土与基岩等界面的剪应力-剪应变关系、抗剪强度等，如张新善等(2005)通过开展黄土与混凝土界面直剪试验，发现高应力下黄土与混凝土界面剪切强度明显大于黄土剪切强度； 乔来军等(2010)研究了含水率对黄土-砂浆界面强度影响，结果表明界面黏聚力随含水率增大呈先增大而后减小趋势； Wang et al. (2018， 2019)开展了三轴加载剪切与增湿剪切试验，揭示了加载与增湿引起黄土剪切破坏的力学机制与差异性，提出不同类型黄土滑坡的形成机理。周蓉(2018)、洪勇等(2019)通过黄土-砂土界面直剪试验，揭示了砂土-黄土界面试样抗剪强度比纯砂土和纯黄土抗剪强度低的规律； 张磊等(2019)探讨了不同密度状态对黄土-混凝土接触面强度影响规律，发现界面抗剪强度随初始干密度增大而增大； Yang et al. (2020)通过黄土-基岩界面的直剪试验，发现界面剪切破坏模式多样并受多种因素控制。

学者们同时关注了界面剪切强度的影响因素，如针对土与结构物接触界面强度及破坏模式影响因素开展了大量研究(Mortara et al.，2010； 邬俊杰等， 2014； 吕玺琳等， 2019； 艾英钵等， 2020)，结果表明含水率、干密度、界面粗糙度等均对界面强度产生影响(Dejong et al.，2009； Ghazvinian et al.，2010; 龚辉等， 2011； 陆勇等， 2013； 王永洪等， 2018)。大部分研究关注了界面粗糙度对界面剪切力学特性影响(Chen et al.，2015; Canakci et al.，2016)，如界面强度随界面粗糙度增大而增大(张嘎等， 2004; 沈明荣等， 2010; Bai et al.，2015)，界面剪切过程产生明显的剪胀效应(Asadollahi et al.，2010)，剪胀大小与界面剪切破坏模式有关。界面剪切破坏模式主要有界面间滑动、界面上下土体剪切破坏以及界面滑动与土体剪切变形同时进行的混合行为等(Feligha et al.，2016; Li et al.，2017; 周辉等， 2019)，并且粗糙度越大界面破坏越趋向于土体内部的剪切破坏。

综上所述，土与结构物界面剪切力学特性研究成果颇丰，但关于土与土之间不连续面的剪切行为研究不多(Jahanian et al.，2015)，尤其是针对黄土与三趾马红土界面剪切力学特性研究的成果更是鲜见。因此以黄土滑坡中的黄土-三趾马红土滑带为研究对象，制备包含异质土接触界面的重塑试样，开展剪切力学特性试验研究，分析界面接触角度对其剪切破坏模式、强度与变形影响规律。研究成果可为黄土-三趾马红土接触面滑坡启动机制研究提供试验积累，具有一定的实用价值。

1 试验土料与方案

1.1 试验材料与试样制备

试验土料取自陕西西安白鹿塬陈家坡滑坡滑带，为第四系黄土(Q1)与新近系三趾马红土(N2)(图1a～图1b)，研究土料基本物理性质指标如表1所示，按照土工试验规程可见其均为黏土。野外可见黄土与三趾马红土密实，接触界面粗糙(图1c～图1d)，并具有黏聚强度，常演化为黄土滑坡滑带(图1e)，因此开展黄土-三趾马红土界面剪切力学特性研究十分必要，并且粗糙度对界面剪切强度影响不可忽视。为此简化接触面粗糙度表达，分别设计5种规则齿状界面试样接触角度(0°， 15°， 30°， 45°， 60°)，开展黄土-三趾马红土界面直剪试验，研究界面接触角度对界面剪切力学性质影响。

图1 黄土与三趾马红土接触界面

表1 试验土料物理性质参数

为制备包含异质土接触界面试样，首先研制界面试样制备工具(图2)，配合使用预制的规则齿状界面模具，即可制备出不同接触角度、具有初始黏聚强度的界面试样。考虑制样可行性，试样初始干密度为1.85g·cm-3，初始含水率为15%，试样直径61.8mm、高度20mm。试样制备分为3步：首先将制样模具放置于制样筒中，按制样要求倒入黄土湿土料并压实，制备出与制样模粗糙接触的黄土试样； 其次将制备好的黄土试样从制样筒内取出，并使其与制样模具分离，再将黄土试样置于制样筒底部； 最后按要求倒入三趾马红土湿土料，使其与黄土试样粗糙面直接接触并压实，即可压制出具有初始黏聚强度的黄土与三趾马红土界面试样。

图2 界面制样装置

1.2 试验设备与试验方法

为开展界面试样直剪试验，研制可视化界面直剪仪如图3所示，该设备由垂直加压装置、水平加载装置、计算机采集与控制系统、剪切盒、量测系统组成。垂直向加载装置采用环向气压施加法向应力，应力控制范围为0～500kPa； 水平加载装置采用伺服控制系统控制，可实现等速位移加载，加载范围0.025～6.35mm·min-1，精度±5%； 量测系统可实时自动量测剪切应力、水平剪切位移、竖向剪胀位移，应力传感器量测范围0～2kN，精度0.2%； 位移传感器测量范围0～10mm，精度0.1%。计算机采集与控制系统实时控制加载装置，采集与传输量测数据。可视化剪切盒可为获取试样剪切过程破坏模式，上下剪切盒接触面位置位于试样中部，即位于接触齿面的1/2高度处。

图3 全自动可视化直剪仪

试验法向应力设定为12.5kPa、25kPa、37.5kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，可全面揭示界面试样的剪切强度变化规律。水平剪切推力加载方向与试样高度方向垂直，剪切速率设置为0.8mm·min-1。

2 试验结果与分析

完成不同界面接触角度下黄土-三趾马红土界面试样剪切试验，获取了界面试样剪切破坏模式、水平剪切位移-剪应力曲线、峰值剪胀角变化、界面强度变化规律，分析结果如下：

2.1 界面剪切破坏模式

观察界面试样剪切破坏模式(图4)，以接触齿面破坏程度作为试样破坏模式分类标准，可见试样均沿界面产生破坏。剪切破坏模式可分为沿齿间滑动、沿齿间滑动-齿面剪断、沿齿面剪断3类。部分试样剪切破坏后齿面仍完整，如界面接触角度0°、15°试样，说明剪切过程试样仅沿着接触界面产生滑动摩擦； 部分试样剪切破坏后接触界面仍清晰可见，但接触齿面顶部出现不同程度剪断现象，如界面接触角度30°、45°试样，表明试样剪切过程既有沿齿面间的滑动行为，又有沿界面的剪断行为，但齿面剪断位置不同，剪断位置越靠近齿面根部，表明齿面剪断行为越强烈； 部分试样剪切破坏后接触界面已分辨不清，剪断面粗糙，如界面接触角度60°试样，表明试样剪切过程沿齿面根部被完全剪断。

图4 界面试样剪切破坏模式

试验表明界面试样剪切破坏模式与界面接触角度有关，齿面角度越小，试样破坏模式越趋于齿间滑动破坏； 齿面角度越大，试样破坏模式越趋于齿面剪断。但同时可观察到同一界面接触角度试样剪切破坏模式也不同，这又与法向应力有关，法向应力越高，试样剪切破坏越趋向于齿面剪断模式。界面试样剪切破坏模式差异主要由于剪切过程接触界面受力状态不同导致。在剪切起始阶段，界面在法向应力及水平剪切推力作用下产生一个沿界面向上的爬坡推力及垂直界面向下的剪断推力，试样出现何种剪切破坏模式取决于爬坡推力与界面间摩擦阻力大小关系，剪断推力与齿面强度阻力大小关系。齿状界面角度越大、法向应力越高，剪切过程试样沿齿面滑动的摩擦阻力大，水平剪切推力先克服齿面土体强度而剪断齿面，破坏模式愈趋向于齿面剪断破坏。反之，试样剪切过程中沿齿面间滑动的摩擦阻力越小，水平剪切推力先克服齿面间摩擦阻力而使试样沿齿面滑动，破坏模式愈趋于齿间滑动。对于试样齿间滑动-齿面剪断破坏模式而言，剪断面越靠近齿面根部，说明剪断行为所占比例越高，剪切过程水平剪切推力先克服齿面剪断阻力，使试样沿齿面剪断。

2.2 剪切位移曲线演化特征

界面接触条件不仅影响试样剪切破坏模式，对剪切应力-应变位移演化规律也有影响。绘制界面试样水平剪切位移-剪切位移曲线(图5、图6)，可见剪应力-剪切位移曲线均呈应变软化型，峰值强度后剪应力降低明显，应变出现“跳跃”式跌落现象，表明试样沿接触界面瞬间产生剪切破坏，脆性破坏特征显著。法向应力越高、界面接触角度越大，剪切位移跳跃现象越明显，这与界面剪切破坏模式有关。剪应力跌落后呈现小幅度回升现象，达到“二次峰值”后逐渐降低并趋于残余强度，这是由于试样剪断后沿剪断面重新调整接触部位，剪断齿面重新接触，导致剪切应力小幅提高，之后逐渐降低并趋于平稳，试样仅沿剪断面产生摩擦滑动。同时可见界面试样峰值强度与残余强度差距大。

图5 不同法向应力下试样剪应力-剪切位移曲线

图6 不同界面角度下试样剪应力-剪切位移曲线

不同齿面接触角度、法向应力对界面剪应力-剪切位移曲线演化具不同影响规律，如曲线峰值前线性段斜率、峰值强度点位移差异均较大，为此绘制试样剪切刚度、剪切破坏点位移变化如图7、图8所示。可见法向应力越大，试样峰值前剪切刚度越大(图7)，峰值强度越高，峰值后位移跌落现象越明显(图5)，说明试样越趋于脆性剪断破坏。这是由于法向应力越高，剪切过程试样沿齿面间爬坡滑动的摩擦阻力越大，沿齿面滑动越难，界面抗变形能力越强，剪切刚度越大； 水平剪切推力更易先克服齿面土体抗剪强度而剪断齿面，因此试样更趋于脆性齿面剪断破坏，剪应力-剪切位移曲线“跳跃”现象越明显。

图7 界面剪切刚度变化

图8 界面剪切破坏位移变化

同时可见随界面接触角度越大，试样峰值前剪切刚度呈先增大后减小趋势(图7)，峰值后位移跌落现象越明显，剪应力降低幅值越大(图6)，说明试样越趋于脆性剪断破坏。这是由于界面接触角度越大，剪切过程试样沿齿面间爬坡滑动的摩擦阻力越大，因此界面抗变形能力越强，剪切刚度越大； 但随着界面角度增大，水平剪切推力更容易先克服齿面土体强度而剪断齿面，试样越趋于脆性齿面剪断破坏，而不沿接触界面产生向上爬坡滑动，因此剪切初始阶段水平剪切推力不断推挤齿面土体产生变形，试样剪切刚度又呈下降趋势。

试样剪切破坏位移整体随界面角度增大呈先增大后减小趋势(图8)。剪切破坏位移越大表明试样产生剪断破坏的时间越晚，破坏时产生的塑性变形量越大，这与试样剪切破坏模式及剪断破坏位置有关。随界面角度增大，试样破坏越趋于齿间滑动-齿面剪断破坏，并且齿面剪断位置越来越靠近齿面根部，试样剪切过程被推挤的齿面面积越大，因此剪断破坏时产生的塑性变形越大。当齿面角度增大到一定程度时，试样剪切破坏位移又呈下降趋势，这是由于试样剪切破坏模式由齿间滑动-齿面剪断转变为齿面剪断。虽然剪断面位于齿面根部，剪断时齿面塑性变形量大，但由于剪切过程试样不沿接触齿面向前产生滑动，因此剪断破坏时整体的剪切破坏位移又呈一定下降趋势。

2.3 界面剪胀特性

界面剪切过程因沿接触齿面间爬坡滑动而产生剪胀现象，剪胀角可以反映试样剪胀效应的强弱。为分析界面接触角度对试样剪胀效应影响，求取峰值剪胀角变化如图9、图10所示，其中峰值剪胀角可根据界面峰值强度对应的竖向剪胀位移与水平剪切位移比值关系求取。当界面接触角度为0°时，试样仅沿接触界面产生水平法向滑动，剪胀效应不明显。

可见峰值剪胀角受界面接触角度及法向应力影响，同一界面角度下，试样峰值剪胀角随法向应力增大而衰减(图9)。这表明法向应力越大，界面剪胀效应越小，这与试样破坏模式有关。法向应力越大，试样沿界面间的摩擦阻力越大，试样沿齿面间滑动越困难，水平剪切推力先克服齿面土体强度阻力而剪断齿面，破坏模式越趋于齿间滑动-齿面剪断，试样沿接触齿面间滑动距离越来越小，因此试样竖向剪胀位移越小，峰值剪胀角也越小。

图9 不同法向应力下界面峰值剪胀角

同一法向应力下，界面峰值剪胀角随接触角度增大呈先减小而后增大趋势(图10)，表明试样剪切破坏时剪胀体积变形不随界面角度呈单调变化，当接触界面角度较小或较大时试样的剪胀体积变形更大，这与试样破坏模式有关。当界面角度较小时，试样破坏模式为沿齿间滑动，水平剪切推力作用下试样仅需克服齿面间初始黏聚强度及摩擦阻力，即可沿齿面向上滑动，此时试样剪切破坏时产生的竖向剪胀位移大，水平剪切位移小，因此峰值剪胀角大，试样整体剪切变形大； 随着界面角度增大，试样剪破坏模式趋向于齿间滑动-齿面破坏，水平剪切推力作用下试样首先克服齿面间初始黏聚强度及摩擦阻力沿齿面间向上滑动，产生竖向剪胀位移。但滑动一段距离后，水平剪切推力克服齿面土体强度阻力而剪断齿面，试样齿面因塑性变形过大而产生剪切破坏，因此试样剪断破坏时产生的竖向剪胀位移越来越小、水平剪切位移越来越大，因此试样峰值剪胀角逐渐降低，试样体积变形逐渐减小； 当界面接触角度继续增大时，试样剪切破坏模式趋于齿面剪断，试样竖向剪胀位移量小，但试样剪切破坏时水平剪切位移量也逐渐降低，因此峰值剪胀角变化整体又呈增大趋势。

图10 不同接触角度下界面峰值剪胀角

2.4 界面强度特性

为分析界面接触角度对试样强度影响规律，绘制界面峰值强度及残余强度变化如图11、图12所示。可见界面峰值强度随法向应力呈非线性变化，不符合线性Mohr-Coulomb强度准则，并且法向应力与界面接触角度越大非线性特征越明显。这是由于试样剪切过程界面受力状态多变、界面剪切破坏模式多样，峰值强度组成复杂导致。试样剪切过程水平剪切推力首先需要克服接触界面间初始黏聚强度而使界面间脱黏，其次需克服界面间摩擦阻力而使试样沿界面间产生滑动，最后还需要克服齿面土体黏聚强度与摩擦强度而剪断齿面，因此界面峰值强度组成复杂，其变化呈现非线性特征。同时可见峰值强度曲线截距不为零，其可代表试样界面间初始黏聚强度，总体可见试样界面间初始黏聚强度随接触角度增大而增大，这是由于界面接触角度越大，黄土与三趾马红土间的齿面接触面积越大，因此界面间初始黏聚强度越大。

图11 界面峰值强度变化

图12 界面残余强度变化

界面峰值强度随法向应力增大而呈非线性增大，增幅又随界面接触角度增大而增大(图11a)。峰值强度随界面角度增大呈先增大而后减小趋势，变化幅度又随法向应力增大而增大(图11b)，这与试样界面受力状态差异，进而导致剪切破坏模式不同有关。在剪切起始阶段，界面在法向应力及水平剪切推力作用下产生一个沿界面向上的爬坡推力及垂直界面向下的剪断推力，试样出现何种剪切破坏模式取决于爬坡推力与界面间摩擦阻力大小关系，剪断推力与齿面强度阻力大小关系。

当接触界面角度较小、法向应力较低时，试样界面间的摩擦阻力小，试样更易产生齿间滑动破坏，水平剪切推力仅需克服界面间初始黏聚强度及摩擦阻力，因此峰值强度也低； 随着界面角度与法向应力增大，试样齿面间的摩擦阻力增大，剪切过程水平推力不仅需要克服界面间初始黏聚强度及摩擦阻力，还需要克服接触齿面土体强度阻力而剪断齿面，试样破坏模式逐渐趋于齿间滑动-齿面剪断模式，因此峰值强度逐渐增大。并且由于界面间摩擦阻力与齿面强度阻力随齿面角度与法向应力增大而变化敏感性增大，峰值强度呈现出随界面角度与法向应力增大而变化幅度增大现象。但当界面接触角度大于45°时，可见界面峰值强度又呈下降趋势，这是由于高界面接触角度试样剪切过程中沿齿面间滑动的摩擦阻力更大，剪切过程试样不沿接触齿面产生滑动，水平剪切推力更易克服齿面土体强度阻力，剪切破坏模式更趋向于齿面剪断。虽然试样沿齿面根部剪断，导致齿面剪断阻力增大，但剪切过程不需要克服界面间初始黏聚强度与摩擦阻力，因此峰值强度整体出现降低现象。

界面残余强度反映试样剪断后沿剪断界面间摩擦滑动行为的强弱，图12呈现了界面试样残余强度变化规律。可见残余强度随法向应力增大而增大，高界面接触角度时增幅越大(图12a)； 残余强度随界面角度增大而增大，高法向应力时增幅更大，低法向应力时增幅有限。残余强度以上变化规律与试样剪切破坏模式有关。当界面接触角度与法向应力均较小时，试样破坏模式为齿间滑动，残余强度为试样沿齿面间的摩擦强度，因此残余强度随法向应力与界面角度变化幅度有限； 随着齿面角度与法向应力增大，试样破坏模式逐渐向齿间滑动-齿面剪断过渡，试样剪切破坏后不仅沿光滑齿面间产生摩擦，还要沿粗糙的剪断面间产生摩擦，并且齿面剪断位置距齿面根部越来越近，齿面剪断面积越来越大，因此试样沿粗糙剪断面的摩擦阻力越来越大，残余强度变化幅度越来越大。当齿面接触角度与法向应力较大时，试样趋于沿齿面根部的剪断破坏，剪切破坏后试样沿粗糙剪断面的摩擦面积最大、摩擦阻力最大，此时残余强度仅为试样沿粗糙剪断面间的摩擦强度，因此界面残余强度达到最大。

3 结 论

通过开展简化的黄土与三趾马红土界面剪切强力学特性试验，获取了界面接触角度对试样剪切破坏模式、强度与变形特性影响规律，得到以下结论：

(1)界面剪切破坏模式可分为齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种，并受界面接触角度变化影响。齿面接触角度越大，剪切破坏模式越趋于齿面剪断； 齿面接触角度越小，剪切破坏模式越趋于齿间滑动。

(2)剪切应力-剪切位移曲线反映了界面的脆性剪切破坏特征； 峰值后剪切位移“跳跃”跌落越明显，界面脆性剪切破坏特征越显著。界面接触角度越大，峰值前剪切刚度越大，剪切破坏位移越大，峰值后剪切位移跌落越明显，剪应力降低幅值越大，试样越趋于脆性剪断破坏。

(3)界面剪切过程产生明显剪胀效应，峰值剪胀角变化可反映出试样剪胀效应变化规律。峰值剪胀角随法向应力增大而减小，随界面接触角度增大呈先减小而后增大的趋势，反映了界面剪切破坏模式由齿间滑动到齿间滑动-齿面剪断、再到齿面剪断的渐变过程。

(4)界面强度随法向应力呈非线性变化，并受界面接触角度影响。界面间初始黏聚强度不同、剪切过程受力状态多变、剪切破坏模式多样，导致界面峰值强度组成复杂，并随界面角度增大呈先增大后减小趋势，变化幅度又随法向应力增大而增大； 残余强度随界面接触角度增大而增大，高法向应力时增幅更明显。