劉世奧，廖晨聰,b，陳錦劍,b，葉冠林,b，夏小和

(上海交通大學(xué) a.土木工程系；b.國(guó)家海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

飽和土體與結(jié)構(gòu)相互作用在土木、水利和海洋工程中是普遍存在的，結(jié)構(gòu)物的存在使得接觸面附近土體發(fā)生不同于其他區(qū)域土體亦不同于結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)響應(yīng)，因而土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的研究是土與結(jié)構(gòu)相互作用研究中不可或缺的一部分.

許多科研人員對(duì)土與結(jié)構(gòu)接觸面的試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和改進(jìn)[1]，在接觸面研究上取得了一些重要成果.胡黎明等[2-3]進(jìn)行了砂土與結(jié)構(gòu)物接觸面直剪試驗(yàn)，分析了不同接觸面相對(duì)粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響以及接觸面破壞機(jī)理.張嘎等[4-7]利用多功能大型粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀進(jìn)行了一系列粗粒土與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切試驗(yàn)研究，總結(jié)了粗粒土接觸面力學(xué)基本規(guī)律.Samanta等[8]采用直剪儀研究了鋼材表面紋理對(duì)砂土-鋼材接觸面力學(xué)響應(yīng)的影響.Nardelli等[9]通過(guò)砂與混凝土接觸面直剪試驗(yàn)，研究了表面粗糙度、表面波紋度、平均砂徑和相對(duì)密度對(duì)接觸面強(qiáng)度和性能的影響.Wang等[10]基于改進(jìn)的粗糙度算法，利用直剪儀深入分析了粗糙度、溫度及含水率對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的切應(yīng)力響應(yīng)及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響.鄔俊杰等[11]研制了一套樁土接觸面三軸模擬試驗(yàn)儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的樁土接觸面相互作用特性的研究.Ziogos等[12]在控制正應(yīng)力不變的情況下，采用GDS計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制扭剪儀探究了不同界面糙度下白堊與鋼材之間的接觸摩擦行為.

上述研究通過(guò)單剪、直剪、三軸及扭剪等試驗(yàn)手段，探討了土體與鋼、混凝土以及土工合成材料的接觸特性.然而這些研究所針對(duì)的土體并不是完全飽和的，但在海洋工程、水下工程中面臨的土體一般都接近飽和狀態(tài)，孔隙水壓力、排水條件等因素對(duì)結(jié)構(gòu)與飽和土體接觸面力學(xué)性質(zhì)有著不可忽視的影響.但是直剪儀、單剪儀等裝置都只能通過(guò)剪切速率來(lái)近似模擬不同的排水條件，無(wú)法精確控制實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中的排水狀態(tài)，由于缺乏乳膠膜等封閉裝置也無(wú)法精確測(cè)量剪切過(guò)程中的孔壓變化，所以需要引入新的試驗(yàn)手段和方法來(lái)擴(kuò)充飽和土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性質(zhì)的研究.

相較于一些大型直剪儀和單剪儀，三軸試驗(yàn)裝置可以控制應(yīng)力路徑、排水條件、較為準(zhǔn)確反映土體孔壓變化，在研究飽和土體與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)性質(zhì)上有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì).Chandler等[13-14]通過(guò)三軸試驗(yàn)裝置研究了含有預(yù)設(shè)破壞面的黏土試樣排水條件下殘余強(qiáng)度，黏土試樣被人為地用線(xiàn)鋸切割成有一定傾角的兩部分，試驗(yàn)過(guò)程中上下兩部分沿預(yù)設(shè)破壞面發(fā)生錯(cuò)動(dòng).這種創(chuàng)新擴(kuò)展了研究預(yù)設(shè)破壞面附近土體的力學(xué)性質(zhì)的方法，并被其他科研人員用來(lái)研究土體與結(jié)構(gòu)之間相互作用.Reilly等[15-16]通過(guò)三軸試驗(yàn)，研究了注漿作用對(duì)砂土與混凝土結(jié)構(gòu)物之間摩阻力降低作用.這些研究為利用三軸試驗(yàn)裝置進(jìn)行土體和結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性質(zhì)研究提供了一種新的思路，并從實(shí)踐上反映了其可行性.

本文通過(guò)制作含預(yù)設(shè)破壞面土體和結(jié)構(gòu)組合試樣，創(chuàng)造性地根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)分析了土體與結(jié)構(gòu)物接觸面單元上抗剪強(qiáng)度、摩擦角等力學(xué)性質(zhì).

1 試驗(yàn)原理

直剪試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)等接觸面試驗(yàn)裝置無(wú)法準(zhǔn)確控制土體飽和、排水狀態(tài)，但利用三軸試驗(yàn)可分析應(yīng)力路徑、結(jié)構(gòu)物粗糙度對(duì)飽和砂土和結(jié)構(gòu)物接觸面強(qiáng)度特性影響.通過(guò)制作含一定傾角斜面(預(yù)設(shè)破壞面)結(jié)構(gòu)物的試樣，可控制結(jié)構(gòu)物表面粗糙情況，且使得剪切過(guò)程中土體沿預(yù)設(shè)破壞面發(fā)生滑移.此外通過(guò)控制圍壓和軸壓的變化，改變應(yīng)力路徑可進(jìn)而改變接觸面應(yīng)力情況.

1.1 接觸面受力分析

三軸試驗(yàn)試樣上部為土體，下部為一定傾角的結(jié)構(gòu)物，如圖1(a)所示.為獲得接觸面上應(yīng)力分布情況，對(duì)試樣下部進(jìn)行受力分析，如圖1(b)所示，圖中：A、B、C、D分別為楔體的4個(gè)組成部分；σ1為試樣所受軸壓；σ3為試樣所受?chē)鷫?；σn為接觸面法向應(yīng)力；τn為接觸面切向應(yīng)力；h為楔體高度；r為底面半徑；α為斜面傾角.

圖1 三軸試樣及受力分析簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of triaxial specimen and force analysis

作用在試塊C部分的圍壓和D部的分圍壓相互抵消.A和B這兩部分的圍壓對(duì)稱(chēng)，考慮對(duì)稱(chēng)性圍壓的水平合力可通過(guò)對(duì)A部分計(jì)算后確定.

水平方向受力分析：

(1)

豎直方向受力分析：

(2)

整理可以得到接觸面上的應(yīng)力：

(3)

(4)

1.2 應(yīng)力路徑

應(yīng)力路徑會(huì)影響土體變形模式以及砂土與結(jié)構(gòu)物接觸面上的受力特性，本文所采用的應(yīng)力路徑為常規(guī)剪切路徑(定義為P1)以及接觸面常法向應(yīng)力剪切路徑(定義為P2).本文應(yīng)力路徑均是選擇q-p(偏應(yīng)力q=σ1-σ3、平均主應(yīng)力p=(σ1+2σ3)/3)平面上應(yīng)力變化來(lái)表示試樣單元的應(yīng)力變化.

常規(guī)剪切路徑，在剪切過(guò)程中σ3保持不變，σ1隨應(yīng)變?cè)黾佣兓?而如果采用接觸面常法向應(yīng)力剪切路徑，則需滿(mǎn)足：

Δσn=0

(5)

根據(jù)式(3)，可得：

故，在三軸試驗(yàn)中，應(yīng)力路徑斜率K值為

(6)

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用的試驗(yàn)裝置為自主研發(fā)的基于LVDT的高精度小應(yīng)變?nèi)S儀[17].三軸儀通過(guò)電空變換器由自編程序自動(dòng)控制軸壓和圍壓的加載卸載，軸向荷載施加既可以采用應(yīng)力控制也可采用應(yīng)變控制.因此可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)，進(jìn)而控制接觸面上的應(yīng)力變化.

2.2 接觸面試樣設(shè)計(jì)

2.2.1土體性質(zhì)測(cè)試 為保證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，測(cè)試采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，其比重為2.63，中值粒徑為0.66 mm，不均勻系數(shù)為5.71，曲率系數(shù)為1.02，最大干密度為1.88 g/cm3，最小干密度為1.53 g/cm3.級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示，圖中：dp為顆粒直徑，pm為小于某粒徑的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，該砂土級(jí)配良好.

圖2 砂土級(jí)配曲線(xiàn)Fig.2 Curves of particle size distribution

對(duì)不含結(jié)構(gòu)物的純砂土試樣進(jìn)行常規(guī)剪切路徑P1下和特定面(對(duì)應(yīng)于后續(xù)試驗(yàn)中預(yù)設(shè)破壞面傾角)常法向應(yīng)力路徑P2下的固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，σ3分別控制為50、100、150、200及300 kPa，相對(duì)密實(shí)度控制為70%，兩種應(yīng)力路徑下偏應(yīng)力和軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示，圖中：εa為軸向應(yīng)變，得到了兩種應(yīng)力路徑下純砂土試樣破壞時(shí)應(yīng)力莫爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)，如圖4所示，圖中：σ為正應(yīng)力，τ為切應(yīng)力，φr為土體內(nèi)摩擦角.圖4表明P1路徑下φr=38.2°，P2路徑下φr=37.2°，兩者差異不明顯.

圖3 純砂土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Stress-strain curves of pure sands

圖4 純砂土試樣三軸剪切試驗(yàn)應(yīng)力圓Fig.4 Stress circle of pure sand specimen in triaxial shear test

2.2.2鋼結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì) 為保證在試驗(yàn)過(guò)程中土體沿預(yù)設(shè)破壞面發(fā)生滑動(dòng)，需要選取合適的結(jié)構(gòu)物斜面與水平方向之間的夾角，即斜面傾角α.在對(duì)純砂土的三軸常規(guī)剪切試驗(yàn)中，根據(jù)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)合應(yīng)力莫爾圓所得到的破壞面即土體內(nèi)部最大切應(yīng)力面，其與大主應(yīng)力面的夾角為45°+(φr/2)，理想情況下α大于此夾角，即可滿(mǎn)足滑動(dòng)條件.實(shí)際試驗(yàn)獲得此夾角值為64°左右，考慮到接觸面強(qiáng)度衰減以及試樣加工便捷性，在本文中選取α為60°.

本文所采用試樣的底部結(jié)構(gòu)物為鋼塊，材料為304不銹鋼，在試驗(yàn)過(guò)程中，不易因應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部破壞，表面不易受損，可以重復(fù)使用.根據(jù)結(jié)構(gòu)物斜面處理方式不同，分別對(duì)光滑和粗糙兩種表面粗糙情況進(jìn)行分析研究，如圖5所示.光滑時(shí)表面粗

圖5 兩種粗糙情況下的鋼結(jié)構(gòu)物Fig.5 Steel structure at different surface roughnesses

糙度情況定義為R1，打磨并精細(xì)拋光后表面粗糙度儀測(cè)得的表面粗糙度Ra<0.5 μm，Ra是算術(shù)平均粗糙度，每次試驗(yàn)后均重新打磨；粗糙時(shí)表面粗糙情況定義為R2，表面粗糙度儀測(cè)得的Ra=6.4 μm.

2.3 接觸面三軸試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟主要包括制樣、飽和、固結(jié)和剪切.

(1)制樣.試驗(yàn)需將標(biāo)準(zhǔn)砂和鋼結(jié)構(gòu)物組合為整體試樣，制樣采用干砂成樣法，為便于成樣，向砂土中加入一定無(wú)氣水，形成一定假黏聚力.制樣過(guò)程中先將鋼塊放入套有乳膠膜的對(duì)開(kāi)模中，然后分層裝填土體，為保證試樣上部土體的密實(shí)度和均勻性，采取特制的擊實(shí)塊進(jìn)行擊實(shí).

(2)飽和與固結(jié).裝樣后，對(duì)試樣依次進(jìn)行通二氧化碳、通無(wú)氣水處理，然后對(duì)試樣進(jìn)行反壓飽和，并分兩階段進(jìn)行固結(jié).

(3)剪切.本文考慮兩種粗糙度(光滑R1、粗糙R2)和兩種應(yīng)力路徑(常規(guī)剪切路徑P1、接觸面常法向應(yīng)力剪切路徑P2)，對(duì)砂土與鋼結(jié)構(gòu)接觸面抗剪強(qiáng)度、外摩擦角等力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制剪切模式，剪切速率為0.011 mm/min，以軸向應(yīng)變超過(guò)10%作為剪切結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)滑移特征顯著且不導(dǎo)致乳膠膜破損，接觸面試驗(yàn)工況見(jiàn)表1.

表1 三軸試驗(yàn)工況Tab.1 Triaxial test conditions

2.4 試樣破壞模式及影響修正

土體剪切破壞前后形態(tài)如圖6所示，在剪切過(guò)程上部土樣沿預(yù)設(shè)破壞面發(fā)生滑動(dòng)，接觸面附近土體發(fā)生了一定程度的鼓脹變形.在軸向應(yīng)變比較大時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)剪切帶附近的乳膠膜發(fā)生了明顯的變形.當(dāng)土體沿預(yù)設(shè)破壞面滑動(dòng)變形較大時(shí)，接觸面積減少和乳膠膜約束對(duì)軸向應(yīng)力影響不可忽略，需要采取一定修正措施[18].

圖6 試樣破壞形態(tài)Fig.6 Specimen failure pattern

2.4.1面積修正 土體在沿破壞面滑動(dòng)的過(guò)程中，與鋼結(jié)構(gòu)物的接觸面積會(huì)發(fā)生改變，文獻(xiàn) [13-16] 采取了不同措施修正此影響.本文采用文獻(xiàn)[15-16]提出的一種基于幾何變形的修正方法，此方法更符合試樣實(shí)際變形情況.

在剪切過(guò)程中，水平投影方向接觸面積減少值A(chǔ)d為

(7)

式中：Δh為軸向變形.

當(dāng)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，Δh=8 mm，α=60°，此時(shí)水平投影的面積為959.1 mm2，相比較于初始面積 1 134.1 mm2,減少15.4%.在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，將此面積修正線(xiàn)性應(yīng)用于相應(yīng)應(yīng)變上.

2.4.2乳膠膜修正 當(dāng)土體沿預(yù)設(shè)破壞面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，乳膠膜會(huì)發(fā)生較大的變形.通常有兩種修正乳膠膜對(duì)偏應(yīng)力影響的方法.一種是根據(jù)乳膠膜材料參數(shù)如厚度、直徑、彈性模量計(jì)算[18]，另一種是進(jìn)行模型試驗(yàn)[14,16].因第2種方法適用性更強(qiáng)、更符合試樣變形規(guī)律，本文亦對(duì)乳膠膜影響進(jìn)行修正試驗(yàn).用橡皮泥替代原試樣中上部土體，下部鋼結(jié)構(gòu)物進(jìn)行拋光處理，且分別在橡皮泥和鋼結(jié)構(gòu)物的斜面上采取一定減阻措施.假設(shè)剪切過(guò)程中偏應(yīng)力的變化均是乳膠膜自身變形產(chǎn)生的，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，線(xiàn)性擬合后乳膠膜約束應(yīng)力σm滿(mǎn)足：

圖7 乳膠膜修正試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Latex film correction test results

σm=εa(0.64+0.015σ3)

(8)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了兩種不同結(jié)構(gòu)物粗糙度以及兩種應(yīng)力路徑，在不同圍壓下，飽和砂土和鋼結(jié)構(gòu)物試樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系，如圖8所示.可見(jiàn)，在預(yù)設(shè)破壞面存在的情況下，砂土與結(jié)構(gòu)物剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系整體呈現(xiàn)出以下特征：

(1)含預(yù)設(shè)破壞面試樣，在剪切過(guò)程中強(qiáng)度整體小于純砂土試樣，且出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，隨著圍壓增加，硬化趨勢(shì)更加明顯，此變化規(guī)律與文獻(xiàn)[16]研究基本一致.在常規(guī)剪切路徑下，隨軸向應(yīng)變?cè)黾樱珣?yīng)力增長(zhǎng)速率有所降低，并逐漸趨于穩(wěn)定.在常法向應(yīng)力剪切路徑下，應(yīng)力增長(zhǎng)速率降低趨勢(shì)更為明顯，應(yīng)力趨于穩(wěn)定值.

(2)根據(jù)圖8可以看出，偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力增長(zhǎng)速率明顯減小的趨勢(shì)，曲線(xiàn)存在具有一定特征性拐點(diǎn)：在常法向應(yīng)力剪切路徑下，R1粗糙度時(shí)，偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)存在明顯屈服段；結(jié)構(gòu)物粗糙度較大情況以及常規(guī)剪切路徑情況，雖無(wú)屈服段，但仍存在明顯拐點(diǎn).因此，本文采用文獻(xiàn)[14]提出的方法，即將偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)的拐點(diǎn)作為含預(yù)設(shè)破壞面試樣“平面滑移”開(kāi)始的標(biāo)志.

圖8 不同工況下偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.8 Stress-strain curves under different testing conditions

3.2 砂土與結(jié)構(gòu)物接觸面強(qiáng)度特性分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了4種主要工況下，應(yīng)力比(q/p)隨軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，如圖9所示.

圖9 不同工況下應(yīng)力比隨軸向應(yīng)變變化曲線(xiàn)Fig.9 q/p curves under different testing conditions

(1)不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力比前期增長(zhǎng)速度有所不同，常法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)比常規(guī)剪切試驗(yàn)應(yīng)力比增長(zhǎng)更快，而且在常規(guī)剪切試驗(yàn)中，圍壓越大，應(yīng)力比達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)所需應(yīng)變更大.應(yīng)力比達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)，根據(jù)前文所述滑動(dòng)判斷標(biāo)準(zhǔn)，砂土與鋼結(jié)構(gòu)物已發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)可以獲得滑移時(shí)的接觸面摩擦角.根據(jù)庫(kù)侖摩擦定律，接觸面摩擦角計(jì)算公式如下：

φf(shuō)=

(9)

并將接觸面三軸試驗(yàn)所獲得的摩擦角與常規(guī)接觸面直剪試驗(yàn)的摩擦角進(jìn)行對(duì)比，直剪試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)物粗糙度以及土體密實(shí)度等條件皆與三軸試驗(yàn)相同，兩種粗糙度下直剪試驗(yàn)切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系如圖10所示，圖中：s為剪切位移，σc為直剪試驗(yàn)中的固結(jié)壓力.

圖10 接觸面直剪試驗(yàn)切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系Fig.10 Shear stress-shear displacement curves of direct shear test

不同工況下三軸試驗(yàn)以及傳統(tǒng)接觸面直剪試驗(yàn)所獲得接觸面摩擦角見(jiàn)表2.當(dāng)應(yīng)力路徑為常規(guī)剪切路徑時(shí)，R1粗糙度下，5種圍壓工況的接觸面摩擦角平均為18.9°，R2粗糙度下的接觸面摩擦角平均為27.7°.當(dāng)應(yīng)力路徑為常法向應(yīng)力剪切路徑時(shí)，R1粗糙度下接觸面摩擦角平均為16.7°，R2粗糙度下接觸面摩擦角平均為25.6°.而直剪試驗(yàn)所獲得的R1粗糙度下接觸面摩擦角平均為11.3°,R2粗糙度下接觸面摩擦角平均為25.4°.結(jié)果表明結(jié)構(gòu)物粗糙度增大，接觸面摩擦角增加，但仍小于土體內(nèi)摩擦角，且常法向應(yīng)力剪切路徑下接觸面摩擦角要小于常規(guī)剪切路徑下的接觸面摩擦角.光滑情況下，接觸面直剪試驗(yàn)所得摩擦角比三軸試驗(yàn)常規(guī)剪切路徑下的摩擦角小40%，比常法向應(yīng)力剪切路徑下的摩擦角小33%.而當(dāng)接觸面粗糙時(shí)直剪試驗(yàn)所得接觸面摩擦角略小于三軸試驗(yàn)接觸面摩擦角，且與常法向應(yīng)力路徑下的摩擦角更接近.直剪試驗(yàn)中砂土采用干砂而非飽和砂土，且直剪試驗(yàn)中接觸面附近土體應(yīng)力狀態(tài)不均勻，當(dāng)接觸面很光滑時(shí)，采用傳統(tǒng)直剪試驗(yàn)可能會(huì)低估接觸面強(qiáng)度.

(2)從圖9中可以看出，應(yīng)力比隨軸向應(yīng)變?cè)黾樱w趨于穩(wěn)定，大變形階段時(shí)常法向應(yīng)力剪切路徑下應(yīng)力比相較于常規(guī)剪切路徑下應(yīng)力比收斂性更高.對(duì)于常法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)，應(yīng)力比增長(zhǎng)速率降低明顯，應(yīng)力比趨于穩(wěn)定值.對(duì)于常規(guī)剪切試驗(yàn)，雖然圍壓為200、300 kPa時(shí)增長(zhǎng)率無(wú)明顯降低，但整體仍呈現(xiàn)出收斂趨勢(shì).在接觸面粗糙情況相同時(shí)，不同應(yīng)力路徑下試樣的終值應(yīng)力比基本相同：R1粗糙度時(shí)，兩種不同應(yīng)力路徑終值應(yīng)力比均為1.16；R2粗糙度時(shí)，常規(guī)剪切路徑下終值應(yīng)力比為1.49，常法向應(yīng)力剪切路徑下終值應(yīng)力比為1.46.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力路徑對(duì)穩(wěn)定階段平均應(yīng)力比及終值應(yīng)力比影響較小，粗糙度是其主要影響因素.

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種利用三軸儀分析應(yīng)力路徑、結(jié)構(gòu)物粗糙度對(duì)飽和砂土和結(jié)構(gòu)物接觸面強(qiáng)度特性影響的試驗(yàn)方法.通過(guò)制作含一定傾角斜面結(jié)構(gòu)物的試樣，使剪切過(guò)程中土體沿預(yù)設(shè)破壞面發(fā)生滑移，其中可對(duì)結(jié)構(gòu)物斜面加工處理改變其粗糙情況，研究結(jié)構(gòu)物粗糙度對(duì)摩擦角、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響.并可利用三軸儀控制軸壓和圍壓的變化，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)力路徑的加載方式，進(jìn)而控制接觸面附近土體應(yīng)力狀態(tài).通過(guò)對(duì)飽和標(biāo)準(zhǔn)砂和不同粗糙度的鋼結(jié)構(gòu)物組成的三軸試樣進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，并結(jié)合傳統(tǒng)的接觸面直剪試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性.

將偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)的拐點(diǎn)作為試樣上部土體剪切滑動(dòng)開(kāi)始的標(biāo)志.土體剛發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，砂土與結(jié)構(gòu)物接觸面摩擦角小于土體內(nèi)摩擦角，且常法向應(yīng)力剪切路徑下接觸面摩擦角小于常規(guī)剪切路徑下的接觸面摩擦角.光滑情況下，接觸面直剪試驗(yàn)所得摩擦角比三軸試驗(yàn)常規(guī)剪切路徑下的摩擦角低40%，比常法向應(yīng)力剪切路徑下低33%.而當(dāng)接觸面粗糙時(shí)直剪試驗(yàn)所得接觸面摩擦角略小于三軸試驗(yàn)接觸面摩擦角.當(dāng)接觸面很光滑時(shí)，采用傳統(tǒng)直剪試驗(yàn)可能低估接觸面強(qiáng)度.