郭聚坤，王 瑞，寇海磊，魏道凱，卞貴建，雷勝友

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.山東交通職業(yè)學院 公路與建筑系，山東 濰坊 261206； 3.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；4.日喀則市交通運輸局工程項目管理中心，西藏 日喀則 857021)

結構物-土體相互作用廣泛存在于土木、水利及市政等實際工程中，如擋土墻與土體[1]、樁與樁周土體[2]、堆石壩的面板與墊層料[3]、地鐵下部結構與周圍土體之間[4]等.室內試驗是研究結構物-土體界面剪切特性的重要途徑之一.

在多種室內剪切設備當中，結構物-土體界面直剪儀的研制較為廣泛.Fakharian K等[5]研制了循環(huán)三維界面剪切儀(C3DSSI)，該設備可實現(xiàn)常應力和常剛度條件下界面單調和循環(huán)剪切試驗.張嘎等[6]研制了TH-20t大型結構物-土界面循環(huán)加載剪切儀，該設備可通過玻璃觀察窗研究粗粒土的顆粒位移等細觀狀態(tài).張建民等[7]自主研制了一種結構物-粗粒土界面三維加載試驗設備，該設備可實現(xiàn)圓形、橢圓、十字等復雜加載路徑.李邵軍等[8]設計了一種帶有局部透視剪切盒的大型直剪設備，該設備可配合高清攝像定量分析剪切帶變形和顆粒運動規(guī)律.趙聯(lián)楨等[9]研制了大型多功能結構物-凍土界面直剪系統(tǒng)，可實現(xiàn)-20～0℃范圍內界面溫度的設置.劉俊偉等[10]研制了一種考慮樁周土體變形特點的大型恒剛度直剪儀，該儀器可以實現(xiàn)常剛度條件下的單調和循環(huán)剪切試驗.除了結構物-土體界面直剪儀之外，高俊合等[11]研制了界面單剪儀，楊有蓮、朱俊高等[12-13]研制了界面環(huán)剪儀，鄔俊杰等[14]研制了三軸剪切儀，李永波等[15]、寇海磊等[16-17]研制了其他類型的剪切設備.

盡管眾多學者在結構物-土體界面剪切方面研制了多種設備，但部分設備存在邊界條件加載穩(wěn)定性不高、裝卸試樣麻煩、無法觀察界面顆粒運動情況等問題.因此，本文在前述設備研究的基礎上，研制了一種大型多功能結構物-土界面循環(huán)直剪儀，在結構物更換、土樣裝卸、常剛度加載實現(xiàn)方式、上下剪切盒聯(lián)接和傳感器安裝等方面進行了設計，通過鈣質砂-鋼界面循環(huán)剪切試驗對設備的實用性和準確性進行了驗證，所得界面抗剪強度指標對于樁基設計和樁側摩阻力的估計具有重要意義.

1 設備研制

1.1 設備結構

大型多功能結構物-土界面循環(huán)直剪儀用于測量結構物與土界面在常應力、常剛度法向加載條件下的直剪摩擦特性，儀器設備結構示意圖如圖1所示，儀器設備實物如圖2所示.該設備由法向系統(tǒng)、剪切向系統(tǒng)和設備控制系統(tǒng)三部分組成.

圖1 大型多功能結構物-土界面循環(huán)直剪儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of large-scale multifunctional cyclic direct shear apparatus for structure-soil interface

圖2 大型多功能結構物-土界面循環(huán)直剪儀實物圖Fig.2 Real picture of large-scale multifunctional cyclic direct shear apparatus for structure-soil interface

1.1.1 法向系統(tǒng)

法向系統(tǒng)由空氣壓縮機、四個滾動膜片氣缸、加載框架、承重板、四個彈簧、承壓板、承壓板提升裝置、兩個法向位移傳感器和四個法向載荷傳感器組成，如圖3所示.法向荷載的施加通過計算機發(fā)出指令，空氣壓縮機產生的壓縮空氣進入滾動膜片氣缸，氣缸內的豎向桿根據施加法向力的大小按照線性比例伸出，將法向力通過螺紋桿傳遞給傳壓板，由于設置在法向加載框架上的線性軸承可以沿豎向桿上下移動，故施加的法向力會引起傳壓板下移，最終把法向力匯集在四個彈簧上，通過承壓板傳遞給土體.

滾動膜片氣缸的活塞與缸體使用滾動膜片隔離，活塞與缸體為滾動摩擦，由電氣比例閥調節(jié)空氣壓力以達到試驗要求的壓力.設備可提供的最大法向載荷為40 kN，法向荷載施加的大小由法向載荷傳感器進行量測，最大量程為50 kN，試驗過程中土體在豎向上的位移量通過法向位移傳感器進行測量，量程為0～30 mm.

圖3 法向系統(tǒng)Fig.3 Normal system

1.1.2 剪切向系統(tǒng)

如圖4所示，剪切向系統(tǒng)由上剪切盒、下剪切盒、導軌、剪切推動裝置、反力裝置、剪切位移傳感器和水平荷載傳感器組成.圖(a)所示的上剪切盒內部放置有機玻璃、土樣和墊板，有機玻璃尺寸為404 mm ×100 mm×12 mm，土樣空間尺寸為400 mm×200 mm×190 mm，墊板尺寸為400 mm×200 mm×20 mm，下剪切盒內部放置有機玻璃和結構物，有機玻璃尺寸為504 mm ×100 mm×12 mm，結構物空間尺寸為500 mm×200 mm×100 mm，下剪切盒在剪切方向上的尺寸較上剪切盒大，保證了試驗過程中結構物-土體接觸面積不變.為保證試驗過程中下剪切盒與底部不產生摩擦力，設置滾動軸承試驗導軌，如圖4(b)所示.如圖4(c)和圖4(d)所示，伺服電機與下剪切盒連接，反力裝置與上剪切盒連接，在試驗過程中，伺服電機推動和牽引下剪切盒向右、向左移動，界面剪切力通過上剪切盒傳遞給反力裝置，可實現(xiàn)等應力或等應變方式加載.剪切位移傳感器在伺服電機一側，量程為0～100 mm，水平荷載傳感器在反力裝置一側，為10 kN拉壓傳感器.

圖4 剪切向系統(tǒng)Fig.4 Shear direction system

1.1.3 設備控制系統(tǒng)

如圖5(a)所示，設備控制系統(tǒng)由數(shù)據采集控制系統(tǒng)和控制箱組成.如圖5(b)所示，法向應力的施加、卸載及相關試驗參數(shù)的設置均通過數(shù)據采集控制軟件完成，試驗過程中位移傳感器和荷載傳感器采集到的數(shù)據及相關曲線可以實時顯示在數(shù)據采集控制系統(tǒng)的主頁面上，以便及時追蹤試驗進程，試驗結束后數(shù)據可以通過excel進行保存.控制箱將設備傳感器、計算機和空氣壓縮機聯(lián)系在一起，保證了試驗過程中滾動膜片氣缸壓力輸出和傳感器數(shù)據采集的穩(wěn)定性.

圖5 設備控制系統(tǒng)Fig.5 Equipment control system

1.2 設備研制的特色

1.2.1 滾動軸承輔助導軌的設計

上、下剪切盒由于尺寸大、重量大，使得結構物和土樣的裝卸變得較為困難，為解決這一問題，在設備試驗導軌右側設置滾動軸承輔助導軌，便于剪切盒從試驗導軌上推出，如圖6所示，使下剪切盒結構物更換和上剪切盒土樣裝卸變得更容易.

圖6 輔助導軌Fig.6 Auxiliary guide

1.2.2 常剛度加載的實現(xiàn)方式

為比較常應力和常剛度兩種加載方式在原理上的不同，繪制加載原理示意圖如圖7和圖8所示.

對于常應力加載，如圖7(a)所示，設備高度共分為六部分，其中：a為滾動膜片氣缸高度；b為氣缸伸出桿高度；c為傳感器上螺旋頂面到傳壓板底面的高度；d為彈簧高度；e為土體高度；f為結構物高度；a、c、f及六部分的高度之和在整個試驗過程中始終保持不變，為便于分析，在圖中將恒定值a、c、f用黑色表示，b、d、e用紅色表示.如圖7(b)所示，施加法向應力后，氣缸伸出桿變長，其值變?yōu)閎1，彈簧和土體受到壓縮高度變小，高度值變?yōu)閐1和e1，隨著界面剪切試驗的進行，土體會發(fā)生剪縮或剪脹現(xiàn)象.如圖7(c)所示，土體因剪縮其高度從e1減小至e2，由于傳壓板未被固定，其可通過加載框架立柱上的線性軸承向下移動，因此承壓板、彈簧、傳壓板、傳感器及螺旋會整體下移且高度保持不變，即彈簧長度d1保持不變，氣缸伸出桿的長度會從b1增長至b2.如圖7(d)所示，土體因剪脹其高度從e1增大至e3，由于彈簧長度d1保持不變，氣缸的伸出桿會從b1減小至b3.從上述分析可知，因彈簧長度d1在試驗過程中始終保持不變，故這種法向加載方式稱為常應力加載.

圖7 常應力加載原理示意Fig.7 Loading principle of constant stress

對于常剛度加載，圖8(a)為施加法向應力后的各部分高度，同常應力加載保持一致.如圖8(b)所示，放置高度相同的4組鋼圓環(huán)于氣缸與傳感器上部螺旋之間(詳見圖9、10)，并將螺栓向上擰緊以固定住4組鋼圓環(huán)，之后將法向力卸載，氣缸伸出桿的長度因受到圓環(huán)的限制不再變化，傳壓板底面以上的a、b1和c三部分將保持不變，使得彈簧在卸載后仍處于壓縮狀態(tài)，土體受到的法向力在此過程中未發(fā)生改變.如圖8(c)所示，隨著界面剪切試驗的進行，若土體發(fā)生剪縮其高度從e1減小至e2，因傳壓板位置被固定，彈簧的高度從d1增大至d2，彈簧因伸長使得法向應力減小.如圖8(d)所示，若土體發(fā)生剪脹其高度從e1增大至e3，彈簧的高度從d1減小至d3，彈簧因壓縮使得法向應力增大.從上述分析可知，土體和彈簧的高度之和在整個試驗過程中始終保持不變，且法向應力變化值與彈簧高度變化值的比值始終保持不變，故將彈簧系數(shù)K保持不變的加載方式稱為常剛度加載.

圖8 常剛度加載原理示意Fig.8 Loading principle of constant stiffness

圖9 常剛度加載用圓環(huán)Fig.9 Ring for constant stiffness loading

基于常剛度加載原理，考慮到滾動膜片氣缸伸出桿的高度與法向力的大小成正比，特制作高度為2 cm、3 cm、4 cm的圓環(huán)，以滿足初始法向應力0～300 kPa范圍內的常剛度加載，如圖9所示，每次試驗需要4組鋼圓環(huán)，每組鋼圓環(huán)由2個半圓環(huán)組成.以初始法向應力200 kPa為例，常剛度加載的實現(xiàn)方式如圖10所示.

圖10 常剛度加載的實現(xiàn)方式Fig.10 Implementation of constant stiffness loading

1.2.3 上下剪切盒聯(lián)接裝置的設計

如圖11所示，上下剪切盒聯(lián)接裝置采用保證間隙的滾動方式結構，在圖(a)紅色虛線區(qū)域，即在下剪切盒的四個角位置處安裝了四個“軌道”裝置，該“軌道”將上剪切盒的四個滾輪限制在此“軌道”所在的空間位置上，如圖(b)中紅色虛線區(qū)域所示，該聯(lián)結裝置的設計實現(xiàn)了以下功能：

(1)光滑“軌道”和滾輪間摩阻力極小，保證了下剪切盒在移動的過程中，僅在土體與結構物間產生摩阻力(下剪切盒下部設置有滾動軸承導軌，也不會產生摩阻力).

(2)“軌道”屬于半開口式結構，“軌道”的頂部限制了上剪切盒在試驗過程中的上翹.

(3) “軌道”的下部使得上剪切盒和下剪切盒不會發(fā)生接觸，二者間僅存在細小縫隙，這樣既保證了上剪切盒中的砂顆粒不會從縫隙中露出，又保證了上剪切盒自身的重力不會作用在下盒結構物上，而是通過“軌道”傳遞給下剪切盒外壁上，傳遞給結構物的力僅為土體的法向力.

圖11 上下剪切盒聯(lián)接裝置Fig.11 Connection device between upper shear box and lower shear box

1.2.4 法向位移傳感器固定裝置的設計

法向位移傳感器的固定裝置如圖12所示.該裝置由圓鋼桿、固定塊和螺栓組成，在固定塊開兩個貫通圓孔，一個孔放置圓鋼桿，另外一個孔放置法向位移傳感器，圓鋼桿一端旋緊在氣缸上，另一端插入固定塊中由螺栓旋緊，位移傳感器的上端插入固定塊由螺栓旋緊，保證了位移傳感器在豎直位置上不會發(fā)生移動，減小了試驗數(shù)據采集的誤差.

圖12 法向位移傳感器的固定裝置Fig.12 Fixing device of normal displacement sensor

2 試驗過程及結果

為驗證設備的實用性與準確性，進行了多組鋼-鈣質砂界面剪切試驗，剪切振幅為15 mm，剪切速率為3 mm/min，剪切循環(huán)次數(shù)為30次.循環(huán)剪切示意圖如圖13所示，加載路徑的方向為①→②→③→④→①→②…,并定義①→②→③→④為1個完整循環(huán)，①為1/4循環(huán)，②為2/4循環(huán)，③為3/4循環(huán)，④為4/4循環(huán)，規(guī)定箭頭向右為正方向剪切，箭頭向左為反方向剪切，正向剪切應力取正值，反向剪切應力取負值.限于篇幅，本文僅展示初始法向應力100 kPa下鈣質砂-鋼界面的循環(huán)剪切試驗結果.

圖13 單次循環(huán)剪切示意圖Fig.13 Single cycle shear diagram

2.1 試驗材料

鈣質砂產自中國南海海域，砂的顆粒級配指標和基本物理力學指標依據公路土工試驗規(guī)程(JTG 3430-2020)獲得，其級配曲線如圖14所示，試驗所用鈣質砂見圖15，級配指標見表1，基本物理力學指標見表2.試驗選用鈣質砂粒徑范圍為0.5～2 mm.鋼板表面利用機械設備在鋼板表面刻制14道形狀為倒三角形的紋理，紋理寬度為4 mm，深度為4 mm.如圖16所示.為保證鈣質砂在上剪切盒內初始狀態(tài)的一致性，鈣質砂分五次裝入上剪切盒，每次裝入的質量均為4.1 kg，每層厚度均為38 mm.

圖14 鈣質砂級配曲線Fig.14 Distribution curves of calcareous sand

圖15 試驗用鈣質砂Fig.15 Calcareous Sand used in the test

表1 界面剪切試驗用鈣質砂級配指標Tab.1 Gradation index of calcareous sand for interfacial shear test

表2 鈣質砂主要物理力學指標Tab.2 Main physical and mechanical indexes of calcareous sand

圖16 試驗用粗糙鋼板Fig.16 Rough steel plate used in the test

2.2 試驗結果

試驗關系曲線如圖17和18所示，可以看出：由圖17(a)和18(a)發(fā)現(xiàn)，兩種法向加載條件下的剪切應力-剪切位移關系呈現(xiàn)出“環(huán)狀曲線”變化規(guī)律，常應力下，隨著剪切循環(huán)次數(shù)的增加，“環(huán)狀曲線”所圍成的面積逐漸增大，但面積增大幅度逐漸減小，常剛度與常應力恰恰相反，隨著剪切循環(huán)次數(shù)的增加，“環(huán)狀曲線”所圍成的面積逐漸減小，對于第1/4循環(huán)，剪切應力達到峰值后出現(xiàn)小幅度軟化，對于第5、15和30循環(huán)，正向剪切的剪切應力呈現(xiàn)出明顯的硬化特性，而反向剪切的剪切應力沒有表現(xiàn)出明顯的硬化特性，達到峰值后出現(xiàn)輕微的軟化.由圖17(b)和18(b)發(fā)現(xiàn)，常應力下，隨著剪切時間的增加，界面峰值剪切應力逐漸增加，且集中在前10個循環(huán)，之后趨于穩(wěn)定，而常剛度下的界面峰值剪切應力隨剪切時間增加逐漸減小，說明常應力下的峰值剪切應力隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出硬化特性，而常剛度條件下呈現(xiàn)出軟化特性，從剪切方向看，正方向剪切和反方向剪切的峰值剪切應力差別不大.圖17(c)和18(c)為法向位移-剪切時間關系曲線，規(guī)定剪縮為正值，剪脹為負值，可以看出，法向位移整體呈現(xiàn)出隨剪切時間增加而增大的現(xiàn)象，且增速逐漸放緩，在單個循環(huán)內呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的變化規(guī)律，在試驗結束時常應力下鈣質砂的剪縮量達到5 mm左右，而常剛度下的剪縮量達到了4.5 mm左右.由圖17(d)和18(d)發(fā)現(xiàn)，沿正方向剪切時鈣質砂發(fā)生剪縮現(xiàn)象，沿反方向剪切時鈣質砂發(fā)生剪脹現(xiàn)象，但剪縮量要大于剪脹量，法向位移-剪切位移關系曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出由稀疏至密集的變化規(guī)律，可見鈣質砂的剪縮主要發(fā)生在前半部分的循環(huán)內.由圖(c)和圖(d)可以看出，常應力下鈣質砂的剪縮量要大于常剛度的剪縮量，這是因為常應力條件下法向應力保持不變，但常剛度下的法向應力隨剪切時間的增加逐漸減小，但在單個循環(huán)內呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的變化趨勢，如圖18(e)所示，法向應力的變化規(guī)律與法向位移的變化規(guī)律保持一致，即鈣質砂發(fā)生剪縮時法向應力減小，發(fā)生剪脹時法向應力增加，且法向應力變化量與法向位移位移變化量的比值始終保持不變，即彈簧剛度系數(shù)K，試驗結束時的法向應力減小至52 kPa左右.由圖18中(f)可以看出，剪切應力-法向應力曲線由右向左逐漸變化，曲線也由稀疏逐漸變密集，峰值剪切應力隨法向應力的減小而減小，且減小幅度基本保持一致.

圖17 常應力條件下試驗關系曲線Fig.17 Experimental relationship curves under constant stress condition

圖18 常剛度條件下試驗關系曲線Fig.18 Experimental relationship curves under constant stiffness condition

3 結論

(1)研制了一種大型多功能結構物-土界面循環(huán)直剪儀.該設備由法向系統(tǒng)、剪切向系統(tǒng)和設備控制系統(tǒng)三部分組成，可實現(xiàn)常剛度和常應力兩種法向加載方式，剪切盒上設有玻璃觀察窗，可用于跟蹤土體顆粒運動軌跡，上下剪切盒的聯(lián)接采用保證間隙的滾動方式結構，保證了剪切力僅發(fā)生在結構物與土體的界面上，滾動軸承輔助導軌的設計方便了下剪切盒結構物的更換和上剪切盒土樣的裝卸，法向位移傳感器固定裝置的設計保證了法向位移數(shù)據采集的準確性，設備所有數(shù)據均通過計算機自動采集；

(2)開展了鈣質砂-鋼界面循環(huán)剪切試驗.常應力下剪切應力-剪切位移“環(huán)狀曲線”面積隨循環(huán)次數(shù)增大而增加，界面峰值剪切應力表現(xiàn)出硬化特性，常剛度下“環(huán)狀曲線”面積隨循環(huán)次數(shù)增大而減小，界面峰值剪切應力表現(xiàn)出軟化特性，法向位移在兩種法向加載方式下均表現(xiàn)出剪縮的特性，但在單個循環(huán)內呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的變化規(guī)律，法向位移-剪切位移關系曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出由稀疏變密集的變化規(guī)律，常剛度下的法向應力隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，但在單個循環(huán)內呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的變化趨勢，剪切應力-法向應力曲線隨循環(huán)次數(shù)的增加也呈現(xiàn)出由稀疏變密集的變化趨勢；

(3)試驗數(shù)據驗證了該設備運行的可靠性，表明該設備能夠為結構物-顆粒土界面剪切研究提供有效的試驗支撐.