丁明武，徐澤友，盧廷浩

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098）

0 引言

土與結(jié)構(gòu)相互作用是工程中普遍存在的問(wèn)題，研究土與結(jié)構(gòu)之間位移（應(yīng)變）的發(fā)展過(guò)程及應(yīng)力傳遞規(guī)律對(duì)于工程的設(shè)計(jì)施工有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái)，眾多學(xué)者通過(guò)直剪試驗(yàn)[1-5]和單剪試驗(yàn)[6-10]來(lái)研究土與結(jié)構(gòu)接觸面應(yīng)力位移（應(yīng)變）的性質(zhì)及規(guī)律。本文通過(guò)黏土與混凝土板接觸面大型單剪、直剪試驗(yàn)對(duì)比分析其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及破壞規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用河海大學(xué)研制的大型單剪直剪儀（DHJ-30）。該設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)讀取試驗(yàn)中的位移及對(duì)應(yīng)的垂直壓力和水平推力，減小讀數(shù)時(shí)人為因素的影響；設(shè)備配有自動(dòng)變頻機(jī)，可以設(shè)定剪切速率，并使剪切速率保持勻速。該試驗(yàn)設(shè)備的土樣盒尺寸較大，內(nèi)徑300 mm，可在一定程度上減小尺寸效應(yīng)?；炷涟宸胖糜谙录羟泻?，土樣置于上盒。

單剪試驗(yàn)時(shí)，上盒由一系列疊環(huán)疊放在一起構(gòu)成，疊環(huán)底面帶滾珠，以減小相互間的摩擦，每個(gè)疊環(huán)厚度為20 mm，內(nèi)徑為300 mm。本次單剪試驗(yàn)使用4只疊環(huán)，最頂端疊環(huán)頂住儀器固定壁，從而固定土樣的頂部，試驗(yàn)時(shí)對(duì)下盒施加水平推力使土樣受剪，如圖1所示。

圖1 單剪試驗(yàn)示意圖

直剪試驗(yàn)時(shí)，上盒采用高50 mm、內(nèi)徑300 mm的剪切盒，盒內(nèi)裝樣高度為35 mm，試驗(yàn)時(shí)上盒固定不動(dòng)，通過(guò)下盒移動(dòng)進(jìn)行剪切，如圖2所示。

圖2 直剪試驗(yàn)示意圖

1.2 試樣制備

土樣用黏土配置，其土粒比重為2.75，液限為49%，塑限為19%。首先對(duì)土進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，得出最優(yōu)含水率約18%，最大干密度約1.64 g/cm3。試驗(yàn)所用的土樣按最優(yōu)含水率進(jìn)行配置。

根據(jù)土樣的體積和土樣的最大密度計(jì)算試驗(yàn)所需土的質(zhì)量，將土分三層擊實(shí)。

1.3 試驗(yàn)方案

每一組單剪試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)分別做5個(gè)試樣，法向壓力 σn分別取 100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa。采用固結(jié)快剪法，剪切前土樣首先在法向壓力下固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后保持法向應(yīng)力不變進(jìn)行勻速剪切，剪切速率設(shè)定為0.6 mm/min。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)位移傳感器實(shí)時(shí)量測(cè)每個(gè)疊環(huán)或剪切盒的水平位移值，同時(shí)采集所對(duì)應(yīng)的水平推力的值，并自動(dòng)繪制力位移曲線(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單剪試驗(yàn)結(jié)果

各級(jí)法向壓力下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示，應(yīng)變?yōu)榛炷涟宓奈灰婆c3只疊環(huán)厚度的比值。

圖3 單剪試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

各級(jí)法向壓力下，抗剪強(qiáng)度τf取剪應(yīng)變?yōu)?.45所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值，點(diǎn)繪τf-σn關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示，得接觸面凝聚力77.12 kPa，外摩擦角18.79°。

圖4 單剪試驗(yàn)法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)在每級(jí)法向壓力下測(cè)得水平推力和位移可得各級(jí)壓力下的應(yīng)力位移曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 直剪試驗(yàn)應(yīng)力位移曲線(xiàn)

每級(jí)法向壓力下，抗剪強(qiáng)度τf取應(yīng)力位移曲線(xiàn)的峰值，點(diǎn)繪τf-σn關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示，得接觸面凝聚力為61.72 kPa，外摩擦角為30.56°。

圖6 直剪試驗(yàn)法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1.1 直剪試驗(yàn)

1） 接觸面積減小。本試驗(yàn)混凝土板尺寸大于土樣的尺寸，并且在剪切過(guò)程中土樣盒的內(nèi)圓不越過(guò)混凝土板的邊緣。盡管如此，試驗(yàn)中仍存在接觸面積減小現(xiàn)象，這是由于在剪切過(guò)程中土樣水平向受壓產(chǎn)生壓縮變形，從而導(dǎo)致接觸面積減小，如圖7所示。

圖7 直剪試驗(yàn)接觸面積減小

2）土樣受力不均勻。剪切的過(guò)程中，土樣受力如圖8所示。土樣右端首先受到土樣盒的擠壓力，土樣在水平方向處于平衡狀態(tài)，則反力只能通過(guò)混凝土板對(duì)土樣的摩擦力來(lái)提供。又因?yàn)橥馏w不是剛性體，土體內(nèi)各點(diǎn)位移不同，受擠壓一側(cè)首先發(fā)生水平位移并受到板對(duì)土的摩擦力，隨著剪切的進(jìn)行，土與混凝土板的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)由右端向左端逐漸發(fā)生，右側(cè)的接觸面摩擦力首先達(dá)到最大并發(fā)生破壞。

圖8 直剪試驗(yàn)中土樣受力示意圖

3） 實(shí)際位移小于測(cè)得位移。試驗(yàn)中測(cè)得的位移是土樣盒與混凝土板之間的相對(duì)位移，并非真正的土與結(jié)構(gòu)面之間的相對(duì)位移。土體為非剛性體，剪切過(guò)程中土樣各點(diǎn)的位移量不同，土樣受水平推力的一側(cè)位移最大并且等于所測(cè)得的位移，相對(duì)的另一側(cè)位移最小，土樣的實(shí)際平均位移小于所測(cè)得的位移。

3.1.2 單剪試驗(yàn)

單剪試驗(yàn)中最底層的疊環(huán)與混凝土板之間發(fā)生的剪切錯(cuò)動(dòng)類(lèi)似接觸面直剪試驗(yàn)發(fā)生的剪切錯(cuò)動(dòng)，其余疊環(huán)與疊環(huán)之間發(fā)生的剪切錯(cuò)動(dòng)類(lèi)似常規(guī)直剪試驗(yàn)發(fā)生的剪切錯(cuò)動(dòng)，故單剪試驗(yàn)同樣存在接觸面積減小、土樣受力不均勻以及實(shí)際應(yīng)變小于所測(cè)應(yīng)變的現(xiàn)象，但不如直剪試驗(yàn)明顯。

接觸面積減小、土樣受力不均勻以及所測(cè)得的應(yīng)變（位移）大于實(shí)際應(yīng)變（位移）的現(xiàn)象是接觸面單剪直剪試驗(yàn)中存在的缺陷，應(yīng)有清醒的認(rèn)識(shí)。

3.2 單剪試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)結(jié)果比較

3.2.1 曲線(xiàn)形式

觀察圖3及圖5，兩試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變（位移）曲線(xiàn)都呈雙曲線(xiàn)形式，在試驗(yàn)的起始階段剪應(yīng)力增長(zhǎng)較快。單剪試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的峰值，呈硬化型；對(duì)于直剪試驗(yàn)應(yīng)力位移關(guān)系曲線(xiàn)，當(dāng)位移達(dá)到約15 mm時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值，之后有略微的軟化跡象。這是因?yàn)?，直剪試?yàn)限定了破壞面的位置，土與混凝土板之間發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)位移，接觸面強(qiáng)度得到充分發(fā)揮；單剪試驗(yàn)的位移是由多個(gè)界面之間的錯(cuò)動(dòng)位移相加形成，故單剪試驗(yàn)中每一個(gè)錯(cuò)動(dòng)面所發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)位移相對(duì)于直剪試驗(yàn)發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)位移小得多，強(qiáng)度發(fā)揮的過(guò)程較緩慢。

3.2.2 抗剪強(qiáng)度

單剪試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度表達(dá)式分別為：

將其曲線(xiàn)繪于同一圖中，如圖9所示，可見(jiàn)：

圖9 單剪、直剪試驗(yàn)法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

1）單剪試驗(yàn)的凝聚力大于直剪試驗(yàn)的凝聚力，而單剪試驗(yàn)的摩擦角小于直剪試驗(yàn)的摩擦角。

通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，單剪試驗(yàn)接觸面的破壞發(fā)生在土體中，試驗(yàn)測(cè)得的是黏土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；直剪試驗(yàn)接觸面的破壞發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的接觸界面上，試驗(yàn)測(cè)得的是土與結(jié)構(gòu)接觸界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。黏土顆粒小，顆粒之間的凝聚力大而嚙合力??；接觸面表面粗糙不平，土與結(jié)構(gòu)之間的凝聚力較小而嚙合力較大，所以會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象。

2） 兩條強(qiáng)度包線(xiàn)有一個(gè)交叉點(diǎn)，令式（1）、式（2）相等便可得該交叉點(diǎn)的法向壓力σn為62 kPa。當(dāng)σn＜62 kPa時(shí)，圖9曲線(xiàn)顯示單剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度大于直剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度，而實(shí)際此時(shí)單剪試驗(yàn)的土樣內(nèi)抗剪強(qiáng)度大于土與結(jié)構(gòu)交界面上的抗剪強(qiáng)度，故破壞將發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的交界面上，所以此時(shí)單剪試驗(yàn)接觸面抗剪強(qiáng)度應(yīng)與直剪試驗(yàn)接觸面抗剪強(qiáng)度相當(dāng)；當(dāng)σn＞62 kPa時(shí)，單剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度小于直剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度，并且隨著法向壓力的增大，抗剪強(qiáng)度的差距越來(lái)越大。由以上分析可知，單剪試驗(yàn)所得接觸面的抗剪強(qiáng)度不會(huì)超過(guò)由直剪試驗(yàn)所得接觸面抗剪強(qiáng)度。

比較單剪、直剪試驗(yàn)所得的曲線(xiàn)形式以及抗剪強(qiáng)度的特點(diǎn)可知，若采用單剪試驗(yàn)所得參數(shù)進(jìn)行工程的設(shè)計(jì)計(jì)算將偏于安全。

3.3 接觸面剪切破壞發(fā)生的位置

根據(jù)以上分析，當(dāng)σn＜62 kPa時(shí)，土與結(jié)構(gòu)接觸界面的抗剪強(qiáng)度小于土體內(nèi)的抗剪強(qiáng)度，無(wú)論是單剪試驗(yàn)還是直剪試驗(yàn)，破壞都發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的接觸界面上；當(dāng)σn＞62 kPa時(shí)，單剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度小于直剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度，此時(shí)土體內(nèi)抗剪強(qiáng)度小于接觸面抗剪強(qiáng)度，破壞將發(fā)生在黏土層內(nèi)部。由于本試驗(yàn)法向壓力的起點(diǎn)是100 kPa，所以未觀察到破壞發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)交界面的現(xiàn)象。

這說(shuō)明在實(shí)際工程中，當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面法向上的土壓力較小時(shí)，接觸面的破壞將發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的交界面上；當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面上的法向土壓力較大時(shí)，接觸面的破壞將發(fā)生在土體內(nèi)。故在工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面上法向土壓力的不同，取用不同的計(jì)算參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）黏土與混凝土板接觸面大型直剪試驗(yàn)剪切過(guò)程中，土樣在水平方向產(chǎn)生壓縮變形，導(dǎo)致土樣與混凝土板的接觸面積減??；土樣受水平推力的一側(cè)首先發(fā)生水平位移并受到板對(duì)土樣的摩擦力，并且該側(cè)接觸面摩擦力首先達(dá)到最大并發(fā)生破壞，土樣在剪切過(guò)程中受力不均勻；土樣與混凝土板之間實(shí)際發(fā)生的平均錯(cuò)動(dòng)位移小于試驗(yàn)中所測(cè)的錯(cuò)動(dòng)位移。接觸面大型單剪試驗(yàn)過(guò)程中也存在剪切面積減小、應(yīng)力不均勻以及實(shí)際應(yīng)變小于所測(cè)應(yīng)變的現(xiàn)象，但不如直剪試驗(yàn)的明顯。

2） 黏土與混凝土板接觸面大型單剪直剪試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變（位移）曲線(xiàn)都呈雙曲線(xiàn)型；直剪試驗(yàn)的應(yīng)力隨錯(cuò)動(dòng)位移的增大增長(zhǎng)較快，達(dá)到峰值后有略微的軟化跡象，單剪試驗(yàn)的應(yīng)力在應(yīng)變較小時(shí)隨應(yīng)變的增大增長(zhǎng)較快，在應(yīng)變較大時(shí)隨應(yīng)變的增大增長(zhǎng)緩慢，沒(méi)有明顯的峰值，曲線(xiàn)呈應(yīng)變硬化型。

3） 黏土與混凝土板大型接觸面試驗(yàn)中，單剪試驗(yàn)的凝聚力大于直剪試驗(yàn)的凝聚力，而單剪試驗(yàn)的摩擦角小于直剪試驗(yàn)的摩擦角；當(dāng)結(jié)構(gòu)面上法向土壓力小于某一值時(shí)，單剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度與直剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度相當(dāng)，法向土壓力大于該值時(shí)，單剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度小于直剪試驗(yàn)接觸面的抗剪強(qiáng)度。

4） 該試驗(yàn)說(shuō)明當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面法向上的土壓力較小時(shí)，接觸面的破壞將發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的交界面上；當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面上的法向土壓力較大時(shí)，接觸面的破壞將發(fā)生在土體內(nèi)，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮，取用不同的計(jì)算單元以及模型和參數(shù)。

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