黏结强度对异质土界面强度与变形特性影响试验研究

2022-11-04祝艳波杨凡凡苗帅升李福通张宇轩韩宇涛兰恒星

煤田地质与勘探 2022年10期

祝艳波，杨凡凡，苗帅升，李福通，张宇轩，韩宇涛，兰恒星,2

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

界面作为异性岩土体的分离面，其抗剪强度与变形性质决定着岩土体整体稳定性[1]，如常见的软硬岩-界面[2]、土-岩界面[3]。此类界面抗剪强度软弱、易变形，对边坡稳定、滑坡形成演化起到控制作用[4-5]。我国黄土高原地区黄土沉积于新近系三趾马红土之上，形成典型的软弱胶结界面[6-9]。而新近系三趾马红土与第四纪黄土物质组成不同、抗剪强度与变形性质差异大，其异质土界面常演化成大型黄土滑坡的滑面[10-11]。因此，研究此类异质土界面抗剪强度与变形特性对于揭示黄土滑坡形成演化机制具有参考意义。

目前，关于岩土体界面抗剪强度与变形研究主要集中在界面剪应力-剪应变关系、界面剪胀变形特征、抗剪强度变化、强度模型建立等方面[2,12]。如针对软硬岩界面[13]、黄土界面的研究[14-15]均表明，界面的存在显著降低了岩土材料的抗剪强度特性[16]，并且剪切过程中界面试样产生明显的剪胀效应[17]；界面试样抗剪强度与变形特性变化又受界面剪切破坏模式影响，根据其剪切破坏模式差异，学者们提出不同的强度模型，以反映其强度演化规律[18-21]。

同时，研究者关注了岩土体界面抗剪强度与变形的影响因素，结果表明，试样含水率、干密度、界面粗糙度等均对界面抗剪强度、破坏模式影响显著[22-30]。如界面两侧土体干密度越大、含水率越低、界面粗糙度越大，界面试样的抗剪强度越大[31-35]，其中含水率主要通过影响界面间的黏结强度进而对其抗剪强度产生影响[15]。界面间的粗糙度变化会导致试样破坏模式呈现多样式变化，如沿界面剪切破坏、土体内部破坏及两者混合破坏，且界面粗糙度越大，剪切破坏面越趋向于土体内部[2]。祝艳波[30]、苗帅升[8]等针对黄土界面，开展了试样不同接触角度、不同含水率与干密度对其强度与变形特性的影响[8,30]，结果表明界面间的接触角度越小、含水率越高、干密度越小，界面试样抗剪强度越低、更易变形。但目前关于岩土体界面间黏结强度对其强度与变形影响的研究成果较少，而界面间黏结强度对岩土体抗剪强度影响显著，如岩石-混凝土界面间的黏结强度影响整体材料的强度性能[36]。

综上可见，目前关于岩土体间界面的剪切力学性质研究成果丰硕，但关于异质土界面间黏结对其抗剪强度影响研究成果不多，尤其对于黄土与三趾马红土之间的粗糙接触界面，其界面间黏结强度的相关研究鲜见报道。因此，以典型黄土-三趾马红土异质土界面为研究对象，制备有、无界面黏结强度的异质土界面试样，开展其抗剪强度与变形特性试验研究，探讨试样界面间的黏结强度对其剪切破坏模式差异、剪切变形规律、强度演化特征影响程度。研究成果可为异质岩土材料界面黏结对其强度影响研究提供试验参考，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

试验所用异质界面为西安白鹿塬塬边典型黄土与三趾马红土界面，界面两侧土料坚硬密实，其详细物性参数见表1。现场可见黄土沉积于三趾马红土之上，并形成粗糙接触的胶结界面(图1)，接触界面凹凸不平，呈现一定的粗糙接触关系；接触面间初始胶结作用强烈，具有一定的初始黏结强度。研究过程中，简化了异质土接触界面的粗糙度表达，采用齿状接触形式表达黄土与三趾马红土不同粗糙接触关系[8]，以更好地定量分析界面间的黏结强度对试样抗剪强度影响随界面粗糙度变化的敏感性。

表1 试验土料物理性质参数[9]Table 1 Physical properties of loess and Hipparion red clay[9]

图1 试验土料Fig.1 Test materials

利用研制的异质土界面制备工具[8]，制备有无界面黏结的异质土界面试样，试样直径61.8 mm、高度20 mm。制样过程如图2 所示：首先将黄土倒入制样筒并压实，即可压制出具有粗糙表面的黄土试样；然后将黄土试样再次置于制样筒内，注意粗糙面朝上；最后按要求倒入一定量的三趾马红土并压实，即可压制出有界面黏结的异质土界面试样[9]。制备无界面黏结异质土界面仅需第三步时在黄土试样粗糙面上放置一层薄塑料膜，再倒入三趾马红土土料，压实成样后取出界面间的塑料膜，并重新使黄土与三趾马红土沿界面咬合，即可制备出无界面黏结的异质土界面。

图2 试样制样过程Fig.2 Sample preparation process

黄土与三趾马红土界面间的黏结强度受试样含水率、密实状态、界面粗糙度影响。结合研究土料的干密度及制样可行性，本次试验制定异质土界面试样的初始干密度为1.85 g/cm3，初始含水率为15%。同时保证试样压制过程中土料装入均匀、压实次数固定(10 次)，以消除人为操作对界面间黏结强度的影响。界面间的初始黏结强度大小可通过有、无黏结异质土界面试样的抗剪强度差值计算获取。

1.2 试验设备及方法

利用研制的可视化界面直剪仪[8-9]开展异质土界面剪切强度试验。该设备采用环向气压施加法向应力；测量系统可采集试样剪切过程中的剪切应力、水平剪切位移以及竖向剪切位移。法向应力设定需要考虑土样取样位置的上覆压力、试样界面粗糙度，因此，设计多级法向应力下的剪切强度试验，以充分研究异质土界面试样的强度演化规律。法向应力分别设定为12.5、25、37.5、50、100、200、300、400 kPa，剪切速率设置为0.8 mm/min。

2 试验结果分析

2.1 界面破坏模式

综合对比有、无界面黏结的试样剪切破坏模式如图3 所示，可见试样剪切破坏模式有3 类：分别为界面滑动、界面滑动-剪断、界面剪断3 类。且其破坏模式与界面粗糙度、法向应力均有关(图4)。界面粗糙度小、法向应力低，试样沿界面间剪切滑动时的摩擦阻力小，剪切力比较容易超越试样界面间的滑动摩擦阻力，试样趋于沿界面间的滑动破坏模式；界面粗糙度大、法向应力高，界面间滑动摩擦阻力大，剪切力更易超越界面土体强度而剪断界面，试样趋向于界面剪断。但界面黏结存在导致试样破坏模式有差异，有界面黏结试样较无界面黏结试样更易趋于界面剪断破坏，且剪断位置更靠近界面底部，剪断面破损程度更高(图3)。这是由于有黏结强度试样界面间滑动阻力由界面间黏结和界面间滑动摩擦组成，无界面黏结试样的仅由界面间滑动摩擦组成。因此，有界面黏结试样沿界面间滑动的阻力更大，剪切力更易超越界面强度阻力而使试样沿界面剪断，无黏结试样更易产生沿界面间滑动破坏。

图3 异质土界面破坏模式Fig.3 Failure modes of interface samples

图4 异质土界面破坏模式影响因素Fig.4 Influencing factors on failure modes of interfaces

2.2 界面水平剪切变形

图5 为异质土界面试样的剪应力-剪切位移曲线，可见其变化均呈现应变软化型，表明异质土界面的脆性破坏特征显著。有界面黏结试样峰后剪应力均呈“跳跃”式下降，降低幅度为30.0%～92.8%，并逐渐趋于残余强度，峰值强度与残余强度差值为24～437 kPa。对于无界面黏结试样，当界面接触角度大于30°时，剪应力才呈现峰后 “跌落”现象，且降低幅值为9.8%～50.2%，明显低于有界面黏结试样。有界面黏结试样峰值强度均大于无界面黏结试样，强度提高11.3%～66.2%。且界面间黏结对试样剪应力-剪切位移曲线演化过程影响显著，如剪切刚度、剪切破坏点位移差异均较大(图6，图7)。

图5 不同接触角界面黏结对试样剪应力-剪切位移曲线影响Fig.5 Influence of the initial adhesion on shear stress-displacement curves of interfaces with different contact angles

由图6 可见，界面黏结对试样剪切刚度影响显著，当界面接触角度大于15°时，界面试样剪切刚度均随界面粗糙度总体呈先增大后减小趋势，但有无界面黏结导致其增幅不同。有界面黏结试样剪切刚度增幅为4.7%～74.0%，最高增大了484.1 kPa/mm；无界面黏结试样剪切刚度增幅为1.0%～619.2%，最高增大了494.91 kPa/mm。上述剪切刚度差异与试样破坏模式有关，异质土界面间滑动摩擦阻力随界面粗糙度增大而增大，试样抗变形能力呈现增大趋势，剪切刚度先呈增大趋势；但随着界面粗糙度增大，界面间摩擦阻力增大，试样沿界面滑动阻力增大，因此，剪切力不断推挤剪断界面土体，宏观表现出界面试样更易变形，其剪切刚度则又呈现出下降的趋势。有界面黏结试样剪切刚度最高降低40.3%，无界面黏结试样最高降低28.5%。同时可见当试样界面接触角度为0°时，其剪切刚度与其他接触角试样剪切刚度变化呈现规律不明显，这是由于界面试样剪切刚度反映试样抗变形能力，其受试样剪切破坏模式影响。而当界面接触角度为0°时，试样剪切破坏过程中不存在沿界面间的爬坡滑动效应，其呈现的剪切刚度规律与其他试样不同。

图6g 为有无界面黏结对试样剪切刚度整体影响，可见低法向应力时，无界面黏结试样剪切刚度均低于有界面黏结试样，最大差值为263.4 kPa/mm。高法向应力时，无界面黏结试样剪切刚度大部分大于有界面黏结试样，最大差值238 kPa/mm。因此，界面黏结对试样剪切刚度影响与法向应力密切相关，低法向应力时试样界面间滑动摩擦小，试样抗变形能力受界面间黏结强度影响大，有界面黏结试样剪切过程中需要克服界面黏结强度，因此，较无界面黏结试样更不易变形，其剪切刚度更大；高法向应力时，因界面黏结存在，剪切过程有界面黏结试样更易沿界面底部被推挤变形，无界面黏结试样更易沿界面间滑动变形，因此，无界面黏结试样抗变形能力大于有界面黏结试样，其剪切刚度也大。

图6 不同法向应力下异质土界面剪切刚度变化Fig.6 Variation of shear stiffness of interfaces with different normal stress

剪切破坏位移即峰值强度对应的剪切位移，图7为异质土界面试样的剪切破坏位移演化规律，可见其总体随界面粗糙度增大而增大(图7a-图7f)。这是由于随界面粗糙度增大，试样剪切破坏为界面滑动-界面剪断破坏模式，试样在剪切过程中界面部位被剪切推挤的范围增大，因此，试样被剪断时对应的塑性剪切变形越大。当界面粗糙度继续增大时，部分试样的剪切破坏位移又呈现降低趋势，尤其对于有界面黏结试样，此规律更为明显。这与界面试样剪切破坏模式转变有关，当界面粗糙度越大时，试样越趋于界面剪断破坏，试样在剪切过程不沿界面间发生滑动行为，因此，试样发生剪断破坏时对应的剪切塑性变形量又呈现下降趋势。图7g 为有无界面黏结对试样剪切破坏位移影响，可见有界面黏结试样剪切破坏时对应的剪切位移均大于无界面黏结试样，两者差值为0.03～0.90 mm。这是由于有无界面黏结影响试样破坏模式，有界面黏结试样沿界面滑动阻力由界面间黏结强度与界面间摩擦强度组成，其大于无黏结试样界面间滑动阻力，因此，其破坏模式更趋于界面剪断。且剪断面较无界面黏结试样更靠近界面底部，试样剪切过程中沿界面间滑动距离短，但沿界面推挤剪断时间长，因此，其剪切破坏时的剪切变形量大。

图7 不同法向应力下异质土界面剪切破坏位移变化Fig.7 Variation of the shear failure displacement of interfaces in different normal stress

2.3 界面竖向剪切位移

异质土界面试样剪切过程因沿界面向上滑动而产生剪胀现象，可通过竖向剪切位移反映其剪胀行为强弱。图8 为异质土界面试样竖向剪切位移-水平剪切位移曲线变化(以法向应力100 kPa 为例)，可知界面试样均出现明显的竖向剪切位移，其呈先增大后稳定的趋势。且异质土界面试样竖向剪切位移均出现“跳跃”式增长现象，这表明试样沿界面被瞬间剪断，其中有界面黏结试样竖向剪切位移“跳跃”式增长更明显，无界面黏结试样竖向剪切位移增长均大于有界面黏结界面试样，其中无界面黏结试样竖向剪切位移最大增幅为266.7%，有界面黏结试样竖向剪切位移最大增幅为214.3%。

图8 不同界面角度异质土界面水平剪切位移-竖向剪切位移变化Fig.8 Shear dilatancy displacement curves of interfaces in different contact angles

界面黏结对试样产生的最大竖向剪切位移影响如图9 所示，可见有无黏结界面试样的最大竖向剪切位移在前期均随界面粗糙度增大总体先呈增大趋势(图9a-图9f)。这均与界面破坏模式有关，低粗糙度界面试样剪切破坏模式主要为沿界面滑动模式，界面接触角度越大，试样的最大竖向剪切位移越大。而随界面粗糙度、施加法向应力的持续增大，界面试样最大竖向剪切位移又呈现减小趋势。这是由于随着界面粗糙度增大，试样破坏模式逐渐趋于齿面剪断，因此，试样最大竖向剪切位移又有所降低。且无界面黏结试样的最大竖向剪切位移均大于有界面黏结试样(图9g)，差值区间为0.3～3.5 mm，且其随界面粗糙度、法向应力变化幅度均大于有界面黏结试样。这是由于界面黏结存在增大了试样界面间滑动阻力，试样沿界面滑动的难度增大，试样更趋于界面剪断，因此，试样沿界面间滑动抬升高度降低，最大竖向剪切位移量有所减小。

图9 不同法向应力界面黏结对异质土界面最大竖向剪切位移影响Fig.9 Influence of the initial adhesion on the maximum shear dilatancy displacement of interfaces in different normal stress

2.4 界面抗剪强度特性

由图10 可见异质土界面峰值抗剪强度随法向应力呈非线性变化，这与N.Barton[37]、P.J.Huck[38]、H.Canakci[39]等获得的有关岩体结构面、土与结构物界面抗剪强度变化规律相同。且本研究发现有界面黏结试样峰值抗剪强度的非线性变化更显著。这是因为当法向应力较低时，试样界面间的滑动摩擦阻力小，试样更易产生界面滑动破坏，因此，其峰值抗剪强度低。当法向应力不断增大时，试样剪切过程中界面间的滑动摩擦阻力也不断增大，试样破坏逐渐向界面剪断过渡。水平剪切推力首先需要超越界面间的初始黏结强度及摩擦阻力而使试样滑动，其次剪切推力还要超越界面两侧土体的抗剪强度而使试样剪断，因此，界面峰值抗剪强度呈现非线性增长趋势。同时可见，有无界面黏结试样峰值抗剪强度最低值分别为120.7 kPa 和10.1 kPa，这是因为有界面黏结试样界面间存在界面黏结强度，因此，其抗剪强度高于无界面黏结试样；有无界面黏结试样峰值强度最高分别增长到717.5 kPa 和597.1 kPa，有界面黏结试样峰值抗剪强度增幅最大，为513.8 kPa。

图10 不同角度下界面黏结对异质土界面峰值强度影响随粗糙度变化Fig.10 Variation of the influence of initial adhesion on peakstrength of interfaces with different contact angles

界面黏结对异质土界面峰值抗剪强度总体影响如图11 所示，可见界面黏结整体提高了异质土界面峰值抗剪强度，提高幅值为13%～1 018%。且界面粗糙度越小、法向应力越低，有无界面黏结对试样峰值抗剪强度的影响程度越大。如当界面接触角度为0°、法向应力12.5 kPa 时，有界面黏结试样峰值抗剪强度较无界面黏结试样峰值抗剪强度提高了1 018%。这是由于界面粗糙度小、法向应力低时，试样破坏模式为界面滑动，有界面黏结试样剪切过程首先需要高于界面间黏结阻力而使试样沿界面脱黏，因此，其对峰值抗剪强度影响大；随界面粗糙度、法向应力增大，试样破坏模式越趋于界面间滑动-界面剪断，试样峰值抗剪强度由界面间黏结、界面间滑动摩擦、界面两侧剪断土体抗剪强度构成，因此，界面黏结对试样峰值抗剪强度贡献逐渐减弱，有无界面黏结试样峰值抗剪强度差异逐渐变小。如当异质界面接触角度60°、法向应力300 kPa 时，有界面黏结试样峰值抗剪强度较无界面黏结试样峰值抗剪强度仅提高13%。

图11 界面黏结对异质土界面峰值强度影响Fig.11 Influence of initial adhesion on peak strength of interface samples

异质土界面残余强度变化如图12 所示，可见其均随法向应力增大而增大。当法向应力较小时，试样残余强度也小，这是由于试样破坏模式为界面间滑动，残余强度仅为试样沿界面间的滑动摩擦。如当界面接触角度15°、法向应力12.5 kPa 时，有无界面黏结试样的残余强度为最低，分别为3.12、0.30 kPa。随界面粗糙度、法向应力增大，试样残余强度不断增大。这是由于试样破坏模式逐渐趋于界面剪断，试样破坏后沿粗糙剪断面产生摩擦，且试样剪断位置越靠近界面根部，因此，摩擦面越来越大，残余强度越来越高。如当界面接触角度60°、法向应力400 kPa 时，有无界面黏结试样残余强度达到最大值，分别为456.5、329.2 kPa。

图12 不同角度下异质土界面残余强度随法向应力变化Fig.12 Variation of residual strength of interface samples with normal stress

图13 为界面黏结存在对试样残余强度影响，可见当界面粗糙度较小时，有界面黏结试样残余强度均大于无界面黏结试样残余强度，这是由于有界面黏结试样破坏模式更趋于界面剪断，且界面剪断面积大于无界面黏结试样，因此，试样沿剪断面间的摩擦阻力大，残余强度高。当界面粗糙度较大时，虽然无界面黏结试样残余强度大于有界面黏结试样，但整体相差不大，这是由于试样剪切破坏以界面剪断为主，且剪断面都趋于界面根部，有无界面黏结试样剪断面面积相差不大，因此，试样沿剪断面间的摩擦强度相差不大。

图13 界面黏结对异质土界面残余强度影响Fig.13 Influence of initial adhesion on residual strength of interface samples

3 讨论

为讨论有无界面黏结对异质土界面抗剪强度影响，需首先量化试样界面间的黏结强度。当法向应力水平较低时，试样破坏模式为界面滑动，有界面黏结试样沿界面滑动时，首先需要克服界面之间的初始黏结强度而使界面脱黏，因此，有无界面黏结试样在滑动破坏模式下试样的抗剪强度包线截距差即为界面黏结强度。

为准确获取试样抗剪强度包线截距，首先根据破坏模式将抗剪强度包线进行分段。各段划分原则如下：首先基于破坏模式对抗剪强度线进行分段拟合，各段拟合线交点即为各分段界点。分段结果如图14 所示，可见各分段的强度包线均符合线性莫尔-库伦强度准则，且有界面黏结试样抗剪强度线分段界点均小于无界面黏结试样。当界面接触角度小于30°时，抗剪强度线由2 段组成，这是由于低界面粗糙度试样的破坏模式有界面滑动与界面滑动-界面剪断2 种。当界面接触角度大于等于30°时，抗剪强度包线由3 段组成，因界面试样破坏模式有界面滑动、界面滑动-界面剪断、界面剪断3 种。

图14 不同角度下异质土界面抗剪强度包线Fig.14 Phased shear strength envelope of interface specimen

据图14 即可获取有无界面黏结试样抗剪强度包线截距，进而求出异质土界面间的黏结强度如图15 所示。可见界面间的黏结强度随界面粗糙度增大呈非线性增大。这是由于界面粗糙度越大，黄土与三趾马红土沿界面间的接触面积增大，因此，压实过程中界面间的总黏结强度越大。为分析界面黏结对异质土界面抗剪强度提高幅度，绘制不同法向应力下试样界面黏结强度与峰值强度提高值关系如图16 所示。可见界面黏结存在显著提高了试样的峰值强度，提高值为68.57～209.30 kPa，但峰值强度提高幅度不随界面黏结强度增大而持续增大，而随界面黏结强度增大呈指数式衰减。这并不与常规认识相违背，本文中界面黏结的增大主要是由于界面粗糙度增大造成，而界面粗糙度高的试样破坏模式主要为剪断破坏，界面间黏结对试样峰值强度贡献度逐渐降低。如当界面接触角度超过45°时，界面黏结强度对试样峰值抗剪强度提高幅度有所下降，下降幅度4.96%～54.69%。