粗糙度对黏性土-混凝土界面剪切特性影响

王波， 张腾， 林振华， 梁国伟， 冯宏斌， 周立飞

（1.中国铁建投资集团有限公司，北京 100855；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；3.中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，太原 030024）

0 引言

为了研究粗糙度对粉质黏土-混凝土界面抗剪强度特性的影响，通过自制研究的直剪试验仪器，研究结构与不同材料之间的界面力学特性，一方面有利于提高岩土结构安全及设计和分析水平，另一方面通过直剪试验测试得到的力学参数，可以更加深入的研究结构与材料之间的力学行为［1-3］。界面力学特性在两种不同材料之间的工程中，涉及复杂的耦合和相互作用，同时还受加载路径、粗糙度、孔隙水压力等的影响［4-7］。杨有莲、彭凯、高强等［8-10］通过桩-土界面剪切仪研究了不同粗糙度混凝土板间的界面阻力变化规律。在已有的直剪试验中，对剪切强度的影响因素进行了有效的研究，获得了一些有益成果。

文中研究了粗糙度对剪切破坏位移和界面剪切刚度的影响，从细观层面上解释了粗糙度对剪切特性的影响机制。

1 试验过程研究

土样制备按照《土工试验方法标准》［11］配置含水率为20%的中压缩性重塑粉质黏土。试验所用大型直剪仪可以改变界面粗糙度，同时施加不同法向应力对混凝土和黏性土界面进行静态测试。试验方案见表1。土样的物理指标见表2。

表1 试验方案

表2 土的物理力学性质指标

利用大型直剪试验研究粉质黏土-混凝土界面抗剪强度特性，需将下剪切盒换成混凝土块体。在实际工程中，土与混凝土结构的接触界面通常是粗糙面，试验中不同粗糙度的设置将表现出不同的界面剪切力学特性，试验设置了R（峰-谷距）分别为0、2、4，6mm 的齿形槽来模拟桩-土界面的同粗糙状态（齿形槽的上端宽2mm，下端宽10mm），如图1 所示。由张嘎等和赵春风等［12-14］研究可知，试验粗糙度的设置可较好的模拟桩-土界面的剪切力学特性。

图1 不同粗糙程度的混凝土板

2 试验结果分析

2.1 界面阻力与剪切位移变化曲线

图2绘制了不同粗糙度法向应力下界面阻力与剪切位移变化曲线，从图2中可以看出，在同一粗糙度剪切位移较小时曲线有重合段，界面阻力峰值和剪切位移随着法向应力增大而增大；在粗糙度等级较低时（R≤2mm），曲线在法向应力σ≤43.2kPa 呈现明显的折线型，法向应力σ≥88.7kPa时，曲线特性介于折线型与双曲线型之间。

图2 不同粗糙程度下界面阻力与剪切位移变化曲线

图3给出了不同法向应力粗糙度变化的剪应力-剪切位移关系曲线，从图3中可以看出，在同一法向应力下，不同粗糙度下的曲线具有重合段，随着剪切位移的增大，各粗糙度下的曲线逐渐分离；在不同法向应力下，粗糙度对曲线的影响较大，当粗糙度R≤2mm时，剪应力达到峰值后基本保持稳定；当粗糙度R≥4mm 时，剪应力达到峰值后出现减小的趋势，即出现应变软化现象。

图3 不同法向应力下界面阻力与剪切位移变化曲线

2.2 粗糙度对弹性临界位移的影响

根据试验结果可以绘制出不同粗糙度下弹性临界位移的变化曲线，如图4所示。可以看出，法向应力相同时，弹性临界位移随粗糙度的增加变化不大，当法向应力为23.6kPa的时候，随着粗糙度不断增加，弹性临界位移基本在1.5mm左右；当法向应力为142.8kPa时，随着粗糙度的增加，弹性临界位移保持在2.0mm基本不变，所以可以得出当法向应力一定时，粗糙度对弹性临界位移的影响可以忽略不计。

图4 弹性临界位移与粗糙度关系曲线

随着法向应力从23.6kPa增加到142.8kPa，弹性临界位移从由1.5mm增大至2.0mm，增大幅度为35.5%，这表明法向应力对弹性临界位移有显著的影响。

2.3 粗糙度对弹性极限摩阻力的影响

由图5 可以看出，当粗糙度介于0～2mm 之间时，由于粗糙度太小，对实验结果影响存在偏差，即当法向应力为23.6kPa 的时候，弹性极限摩阻力在此范围内出现减小的趋势，但在其他法向应力条件下，弹性极限摩阻力随着粗糙度等级提高而逐渐增加，随着法向应力的增加，弹性极限摩阻力逐渐增加，随粗糙度增加不同桩土界面弹性极限摩阻力差值逐渐不明显。当法向应力最大时，即法向应力为142.8kPa 时，界面弹性极限摩阻力变化缓慢，所以该试验条件下法向应力越大粗糙度对桩土界面弹性极限摩阻力影响越小。

图5 弹性极限摩阻力与粗糙度关系曲线

2.4 粗糙度对破坏临界位移的影响

根据试验结果可以绘制出不同粗糙度下破坏临界位移的变化曲线，如图6所示。可以看出，法向应力相同时，破坏临界位移随粗糙度的增加有所增加，法向应力为88.7kPa 时变化不明显，随着法向应力从23.6kPa 增加到142.8kPa，最大破坏临界位移从由4.9mm增大至15.2mm，这表明法向应力对破坏临界位移有显著的影响。

图6 破坏临界位移与粗糙度关系曲线

2.5 粗糙度对界面极限摩阻力的影响

由图7 可知，界面极限摩阻力随着粗糙度等级提高而逐渐增加，随着法向应力的增加，极限摩阻力逐渐增加，随粗糙度增加不同桩土界面极限摩阻力差值越明显，法向应力从23.6kPa 增加到142.8kPa，最大界面极限摩阻力由32.6kPa 增大至95.6kPa，当法向应力为142.8kPa 时，极限摩阻力的变化最为明显，增加幅度为最大，其他法向应力条件下的极限摩阻力变化较一般。文中试验条件下法向应力越大粗糙度对桩土界面极限摩阻力影响越大。

图7 界面极限摩阻力与粗糙度关系曲线

3 结语

文中通过直剪试验，研究粗糙度对粉质黏土-混凝土界面抗剪强度特性的影响得出以下结论：

（1） 在文中粗糙度等级范围内，当粗糙度R≤2mm 时，剪应力达到峰值后基本保持稳定；当粗糙度R≥4mm时，出现应变软化现象。

（2） 粗糙度对黏土-混凝土界面的抗剪强度、临界位移和极限摩阻力等特征参数有重要影响，从而影响界面界面阻力和剪切位移之间的关系。

（3） 粗糙度对界面临界位移和极限摩阻力的影响较附着力的影响显著。当法向应力相同时，随着粗糙度增加，黏土土-混凝土界面临界位移和极限摩阻力均显著增大，幅度均超过40%。

（4） 试验条件下得到的结论，可为实际工程中静压桩由于工况变化导致的桩土界面法向应力改变提供借鉴。