康永鵬，邱子恒

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接觸面尺寸效應(yīng)對(duì)直剪試驗(yàn)的影響

康永鵬1，邱子恒2

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

土體與結(jié)構(gòu)的接觸面在各類巖土工程中廣泛存在，研究接觸面的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與剪切變形尺寸效應(yīng)的存在與否對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要的意義。通過(guò)改變剪切土盒沿剪切方向的長(zhǎng)度，分析在不同法向正應(yīng)力作用下剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系，研究結(jié)果表明，直剪試驗(yàn)中剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系可近似為雙曲線關(guān)系，符合Clough-Duncan非線性彈性模型，且兩者之間的關(guān)系受接觸面尺寸大小的影響，接觸面尺寸越大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，即尺寸效應(yīng)越大。

剪應(yīng)力；剪切位移；Clough-Duncan非線性彈性模型；尺寸效應(yīng)

接觸面的剪切性能問(wèn)題在各類工程中廣泛存在，如沉井基礎(chǔ)的下沉、大型管樁的壓入等，但土體與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦與黏結(jié)能力與土體之間的接觸是不同的。土與結(jié)構(gòu)的接觸面特性的研究可以為結(jié)構(gòu)受力分析和變形計(jì)算提供基礎(chǔ)，對(duì)地下結(jié)構(gòu)破損的治理、大型跨河建筑物結(jié)構(gòu)分析和安全評(píng)價(jià)具有重要的意義。

解決土與結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題的關(guān)鍵在于了解土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性[1]，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，學(xué)者們就這一問(wèn)題開展了大量的研究。Potyondy[2]等通過(guò)大量直剪試驗(yàn)研究各類土質(zhì)與鋼材等不同接觸面之間的剪切力學(xué)特性；楊大方等[3]研究發(fā)現(xiàn)，粘土與結(jié)構(gòu)接觸界面的強(qiáng)度參數(shù)受接觸材料粗糙度以及土體含水量的影響；龔輝[4]等采用大型直剪儀研究法研究了黏土-混凝土界面剪切特性的影響；丁明武[5]等利用大型直剪試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)應(yīng)力位移曲線呈略微軟化型；陳俊樺等[6]利用大型直剪儀，對(duì)紅粘土與混凝土試塊兩種材料接觸面進(jìn)行之間進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究了粗糙度的影響機(jī)理，并對(duì)接觸面剪切破壞、變形的影響因素進(jìn)行了分析。但上述試驗(yàn)僅研究了不同接觸面之間的影響因素，對(duì)同一接觸面是否存在尺寸效應(yīng)影響接觸面的剪切特性研究較少。

本文通過(guò)觀察不同法向壓力，不同接觸面長(zhǎng)度下剪切力與剪切位移之間的關(guān)系變化，并對(duì)曲線與Clough-Duncan[7]非線性彈性模型進(jìn)行擬合，研究了接觸面尺寸效應(yīng)以及在不同法向應(yīng)力作用下擬合曲線的發(fā)展趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本試驗(yàn)選用的設(shè)備及原材料具體如下。

清華大學(xué)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)剪切機(jī)：TH-20tCSASSI。

剪切土盒：深=16 cm，寬=25 cm，延剪切方向最大長(zhǎng)度=50 cm。

為了研究試樣尺寸對(duì)接觸面變形特性的影響，剪切土盒中通過(guò)預(yù)留鋼槽內(nèi)剛性擋板沿剪切方向的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度可分別變化為25 cm、37.5 cm和50 cm。試驗(yàn)用料為糯扎渡心墻堆石壩的反濾料Ⅰ，為人工破碎的角礫巖碎石料，制樣干密度1.94 g/cm3。其級(jí)配曲線如表1所示，可見(jiàn)最大顆粒粒徑為20 mm，因此，在滿足尺徑比（試驗(yàn)試樣尺寸/試料允許最大直徑max）/max≥5原則的情況下，采用原始級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)。制樣時(shí)分4層分別稱重和擊實(shí)，每層高度4 cm。試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)面板采用混凝土面板。填料的級(jí)配如表1所示。

表1 填料的級(jí)配

填料顆粒粒徑/mm10～205～10<5 顆粒重量比/（%）181567

1.2 試驗(yàn)方案

在保持接觸面寬度為25 cm不變的情況下，共進(jìn)行了接觸面長(zhǎng)度分別為25 cm、37.5 cm和50 cm三組不同接觸面尺寸的試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)接觸面尺寸又分別進(jìn)行了法向正應(yīng)力n=300 kPa、800 kPa和1 500 kPa的試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)流程依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237—1999）》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，首先調(diào)整剪切土盒與混凝土板中心對(duì)齊，應(yīng)用結(jié)構(gòu)面板上部的4個(gè)油壓裝置調(diào)整結(jié)構(gòu)面板使其水平，然后利用充氣氣囊施加正應(yīng)力，待法向位移穩(wěn)定后開始剪切，剪切速率控制在0.05 mm/s。

為了研究接觸面的尺寸效應(yīng)，將兩側(cè)的結(jié)構(gòu)面板與土容器剪切盒的相對(duì)位移作為接觸面的剪切位移。為了研究試樣尺寸對(duì)接觸面變形特性的影響，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)改變剪切土盒預(yù)留鋼槽中剛性擋板的位置調(diào)節(jié)土盒沿剪切方向的長(zhǎng)度。為了保證受剪時(shí)剛性擋板能承受較大拉壓力，并保持靜止不動(dòng)的狀態(tài)，在剛板后放置鋼塊，并通過(guò)螺栓相連。剛性擋板上預(yù)開空槽，槽底放置彈簧，之上放置可上下活動(dòng)的剛性板。試驗(yàn)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可使得土樣四周的剛性擋板不受法向應(yīng)力的作用，而只起到在四周固定土樣的作用。剪切土盒下設(shè)置輪子，剪切過(guò)程中通過(guò)液壓裝置使剪切土盒以一定的速度沿剪切方向相對(duì)混凝土板移動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 變形模量、接觸面強(qiáng)度與法向正應(yīng)力

通過(guò)以法向正應(yīng)力與接觸面尺寸為自變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果符合接觸面試驗(yàn)的一般規(guī)律。在取值為25 cm、37.5 cm、50 cm三種條件下剪應(yīng)力隨著剪切位移逐漸增大，且法向正應(yīng)力越大，在相同剪切位移下的剪應(yīng)力越大，但變形模量即曲線的斜率逐漸增大，直到達(dá)到該正應(yīng)力下的接觸面強(qiáng)度即極限剪應(yīng)力。此時(shí)，剪應(yīng)力不再隨剪切位移增加。接觸面上剪應(yīng)力與剪切位移可近似為雙曲線關(guān)系，即基本符合Clough-Duncan非線性彈性模型。變形模量和接觸面強(qiáng)度均隨著正應(yīng)力的增大而增大。

2.2 尺寸效應(yīng)

為了分析接觸面尺寸效應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，重新整理了相同正應(yīng)力條件下不同接觸面試樣尺寸的剪應(yīng)力-剪切位移試驗(yàn)結(jié)果。

2.2.1 接觸面強(qiáng)度特性尺寸效應(yīng)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，在n分別取值為300 kPa、800 kPa、1 500 kPa時(shí)，剪應(yīng)力隨剪切位移的變化受沿剪切方向長(zhǎng)度的影響很小，因此，無(wú)論是對(duì)低法向應(yīng)力還是高法向應(yīng)力，接觸面強(qiáng)度基本不受接觸面尺寸大小的影響，即接觸面強(qiáng)度特性基本不存在尺寸效應(yīng)。

2.2.2 接觸面剪切變形尺寸效應(yīng)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接觸面尺寸對(duì)試驗(yàn)的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線有一定的影響，而且影響的大小與所受到的法向正應(yīng)力的高低有關(guān)。當(dāng)接觸面試驗(yàn)的法向正應(yīng)力較低時(shí)（比如本次試驗(yàn)的n=300 kPa），不同接觸面尺寸大小情況下的試驗(yàn)結(jié)果基本重合，基本不存在接觸面尺寸效應(yīng)。隨著接觸面法向正應(yīng)力的提高，接觸面尺寸大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響逐步增大，也即尺寸效應(yīng)越來(lái)越明顯。當(dāng)法向應(yīng)力n=800 kPa且未達(dá)到極限剪應(yīng)力時(shí)，在相同剪應(yīng)力條件下，試樣長(zhǎng)度越大，其剪切位移越大。當(dāng)法向應(yīng)力n=1 500 kPa時(shí)，對(duì)于相同的剪應(yīng)力，試樣長(zhǎng)度=25 cm的試樣所得到的剪切位移最小，試樣長(zhǎng)度=37.5 cm的試驗(yàn)結(jié)果居中，而試樣長(zhǎng)度=50 cm的試驗(yàn)結(jié)果最大。

由于接觸面直剪試驗(yàn)存在上述的尺寸效應(yīng)，由直剪試驗(yàn)確定的Clough-Duncan非線性彈性模型參數(shù)應(yīng)為特定試驗(yàn)試樣尺寸條件下的結(jié)果，并不能代表接觸面變形的一般規(guī)律。根據(jù)接觸面長(zhǎng)度=25 cm的直剪試驗(yàn)結(jié)果擬合了Clough-Duncan模型的參數(shù)，反算出了相對(duì)應(yīng)的參數(shù)擬合線，并與本次試驗(yàn)不同接觸面尺寸的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 試驗(yàn)結(jié)果與擬合曲線對(duì)比圖（L=25 cm）

圖2 試驗(yàn)結(jié)果與擬合曲線對(duì)比圖（L=37.5 cm）

圖3 試驗(yàn)結(jié)果與擬合曲線對(duì)比圖（L=50 cm）

由圖1、圖2和圖3可以看出，當(dāng)法向應(yīng)力n=300 kPa時(shí)，參數(shù)擬合曲線與不同尺寸試驗(yàn)結(jié)果均較好。但當(dāng)法向應(yīng)力n=1 500 kPa時(shí)，隨接觸面尺寸的增大，擬合曲線的初始段逐漸位于試驗(yàn)曲線的上方。對(duì)于=50 cm的試驗(yàn)，其初始模量明顯小于擬合曲線，表現(xiàn)為相同剪應(yīng)力時(shí)，試驗(yàn)曲線位移較擬合曲線為大。上述的結(jié)果也從另一個(gè)方面證明接觸面直剪試驗(yàn)中試樣尺寸效應(yīng)的存在。

3 結(jié)論

本文針對(duì)糯扎渡反濾料Ⅰ-混凝土底板接觸面，設(shè)計(jì)不同法向正應(yīng)力不同接觸面長(zhǎng)度進(jìn)行接觸面直剪試驗(yàn)，分析了不同法向正應(yīng)力不同接觸面長(zhǎng)度下的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系。通過(guò)本文的研究工作可得到結(jié)論如下：①在相同接觸面長(zhǎng)度條件下，剪切力與剪切位移的關(guān)系基本符合Clough-Duncan非線性彈性模型。法向應(yīng)力越大，在相同剪切位移下的剪應(yīng)力越大，但是變形模量即曲線的斜率逐漸增大，直到達(dá)到該正應(yīng)力下的接觸面強(qiáng)度即極限剪應(yīng)力，此時(shí)，剪應(yīng)力不再隨剪切位移增加；②接觸面強(qiáng)度不存在尺寸效應(yīng)，對(duì)于低法向應(yīng)力和高法向應(yīng)力，剪應(yīng)力隨剪切位移的變化始終受沿剪切方向長(zhǎng)度的影響很??；③接觸面尺寸大小對(duì)試驗(yàn)的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線有一定的影響，而且影響的大小與所受到的法向正應(yīng)力的高低有關(guān)，法向正應(yīng)力越大，對(duì)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系的影響越大。

［1］郭佳奇，劉希亮，蘇承東.高應(yīng)力下砂土與結(jié)構(gòu)界面單剪試驗(yàn)研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（04）：120-126.

［2］POTYONDY J G，ENG M.Skin friction between various soils and construction materials［J］.Geotechnique，1961（11）：339-353.

［3］楊大方，劉希亮，何軍.粘土與結(jié)構(gòu)接觸界面剪切特性的試驗(yàn)研究［J］.金屬礦山，2009（03）：39-40.

［4］龔輝，趙春風(fēng)，陶幗雄.應(yīng)力歷史對(duì)黏土-混凝土界面剪切特性的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（08），1712-1719.

［5］丁明武，徐澤友，盧廷浩.土與混凝土面板接觸面剪切試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2012，178（01）：32-35.

［6］陳俊樺，張家生，李健.接觸面粗糙度對(duì)紅粘土-混凝土接觸面力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，45（05）：1682-1688.

［7］Clough G W，Duncan J M.Finite element analysis of retaining wall behavior［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1971，97（SM12）：117-123.

2095－6835（2019）03－0051－02

TU528

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.051

康永鵬，男，華北水利水電大學(xué)碩士。

〔編輯：張思楠〕