馬小涵， 薛 珂， 高 檣， 張明禮， 劉建平，謝 軍， 向 卿， 楊明東

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川雅安625000； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，四川成都611130； 3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000； 4.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州710050）

0 引言

凍結(jié)土體與各類(lèi)工程設(shè)施接觸面有關(guān)凍脹變形、剪切滑移等問(wèn)題一直以來(lái)都是凍土與構(gòu)筑物間力學(xué)問(wèn)題中的重難點(diǎn)問(wèn)題［1-4］。當(dāng)前此類(lèi)研究地域較多集中于中國(guó)西北、東北等凍土分布較為密集的地區(qū)，對(duì)于川西高原地區(qū)研究鮮少。而川西高原地區(qū)是川藏鐵路沿線的重要必經(jīng)地域，其道路及周遭農(nóng)業(yè)設(shè)施（如灌渠）極大地影響著當(dāng)?shù)厝嗣竦霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)［5-7］。經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，川西高原地區(qū)農(nóng)業(yè)灌渠受凍脹融沉破壞影響較大，多數(shù)灌渠的襯砌板因未進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范地襯砌而造成襯砌板垮塌、崩落，這些襯砌板大多僅用現(xiàn)澆混凝土澆筑，襯砌板表面質(zhì)地較均勻單一，較多襯砌板上未經(jīng)過(guò)粗糙處理，目前有研究表明構(gòu)筑物表層存在一定粗糙度時(shí)可以適當(dāng)降低構(gòu)筑物與土間的剪切破壞效應(yīng)，但具體的影響表現(xiàn)和程度暫不明確［8-9］。因此，本研究著力點(diǎn)為探究粗糙度這一指標(biāo)對(duì)川西高原凍結(jié)土-灌渠襯砌接觸面切向凍脹力的影響，該項(xiàng)研究可為川西高原地區(qū)渠系工程防凍脹破壞提供重要理論指導(dǎo)［10-11］。

前人已針對(duì)各類(lèi)影響因素——含水率、溫度、構(gòu)筑物表面粗糙程度等對(duì)各類(lèi)土體與構(gòu)筑物間的抗剪破壞效應(yīng)做出相當(dāng)研究，但襯砌粗糙度在灌渠中的研究鮮有報(bào)道。基于王正中等［12］在2004 年提出渠道基土-襯砌接觸面間的凍結(jié)力是影響切向凍脹力的主要因素，但各類(lèi)因素對(duì)于切向凍脹力的影響規(guī)律及影響效果暫不明確。劉鴻緒等［13］在青藏高原開(kāi)展了室外模型樁基礎(chǔ)試驗(yàn)，觀察模型樁基礎(chǔ)兩側(cè)表面切向凍脹力的形變特征，結(jié)果表明樁基礎(chǔ)側(cè)面與土的切向凍脹力和樁基礎(chǔ)表面粗糙度有關(guān)，但并未揭示隨粗糙度變化時(shí)切向凍脹力的變化規(guī)律。孫厚超等［14］、石泉彬等［15］利用改良后的新型凍土-構(gòu)筑物接觸面循環(huán)剪切儀，探究了包括粗糙度在內(nèi)的幾種因素對(duì)接觸面間抗剪強(qiáng)度的影響程度，試驗(yàn)結(jié)果揭示了接觸面粗糙度、含水率、環(huán)境溫度對(duì)其力學(xué)特性影響較大，但具體的影響程度也暫不明確。陳拓等［16］在不同環(huán)境溫度、外部荷載以及初始含水率的條件下探究了青藏高原黏土與不同粗糙度鋼板接觸面的剪切試驗(yàn)，并作正交分析以探究高原凍脹黏土與不同粗糙度的鋼接觸面冰膠結(jié)力的主要影響原因以及相互作用，試驗(yàn)結(jié)果表明初始含水率是影響交互表面之間冰膠結(jié)能力的最主要原因，此試驗(yàn)結(jié)論可為本研究提供重要理論參考，但研究結(jié)論較為局限，并且與本次研究對(duì)象（包括其他凍脹土-構(gòu)筑物接觸表面）差異較大［17-18］。何鵬飛等［8］在凍結(jié)黃土-混凝土界面試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)冰膠結(jié)力受外部荷載影響較小，但受含水率和凍結(jié)溫度影響較大；章賽澤等［19］在研究灌渠下臥土-混凝土襯砌接觸面時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸面內(nèi)峰值抗剪強(qiáng)度會(huì)隨含水率、凍結(jié)時(shí)間、外部荷載的增加，以及溫度的降低而增大，但兩項(xiàng)研究中各指標(biāo)對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度具體的影響程度未能揭示，也未考慮混凝土界面粗糙程度的影響。

因此本研究根據(jù)川西高原凍脹土-灌渠襯砌接觸面的相關(guān)特點(diǎn)，重點(diǎn)綜合分析在不同因素變化下灌渠襯砌粗糙度對(duì)土-襯砌接觸面間切向凍脹力的影響規(guī)律和影響相關(guān)性，為后續(xù)研究構(gòu)筑物表面粗糙度對(duì)構(gòu)筑物凍脹力學(xué)特性提供理論支撐［20-22］。

1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)土樣制備

由于與灌渠直接接觸的土屬于土體表層及淺層土，并且該位置的土樣大多具有較敏感的凍脹特性，因此本研究試驗(yàn)土選用甘孜藏族自治州翁達(dá)鎮(zhèn)某一季節(jié)凍土區(qū)灌渠基礎(chǔ)上的淺層土，取土地點(diǎn)坐標(biāo)為100°43′42″E，31°52′25″N，其衛(wèi)星圖如圖1，灌渠淺層土樣如圖2?；谠摰貐^(qū)一年四季降雨量差異較大，后續(xù)研究將開(kāi)展負(fù)溫條件下含水率對(duì)渠基土-襯砌接觸面抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)，因此需要測(cè)得該地區(qū)實(shí)際的天然含水率值作為研究含水率這一重要因素的取值范圍。為排除較多可能影響天然含水率的無(wú)關(guān)因素，本試驗(yàn)在2018—2020 年的12月10 日—20 日，連續(xù)三年到該地點(diǎn)取土10 天，每天1 次，并用烘干稱重法測(cè)得這三年來(lái)渠基土的質(zhì)量含水率分別是24.78%、22.98%、24.05%，即天然含水率取三次數(shù)據(jù)的平均值為23.94%。天然含水率按式（1）計(jì)算。

圖1 研究地區(qū)地理位置Fig.1 The geographical location of the study area

圖2 試驗(yàn)淺層土樣Fig.2 Test topsoil sample

式中：ω0為天然含水率（%）；為自然狀態(tài)下土的質(zhì)量（g）；md為烘干土質(zhì)量（g）。

隨之將該地取回的渠基土用烘箱在105 ℃下烘干8 h，再將烘干后的渠基土碾碎成極小顆粒，然后用0.5 mm 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩過(guò)篩，用精密電子天平（精度0.01 g）稱取500 g過(guò)篩后的土，為液塑限試驗(yàn)備用。剩余烘干后的渠基土均過(guò)2 mm 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩，并將該重塑土樣進(jìn)行干密度、顆粒級(jí)配和液塑限試驗(yàn)測(cè)定，土樣基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of soil samples

1.2 混凝土襯砌試樣制備

本研究制作了4種不同表面粗糙度的混凝土襯砌試塊。為了將研究目標(biāo)僅放在襯砌粗糙度上，應(yīng)盡量規(guī)避在剪切過(guò)程中由于襯砌表面構(gòu)筑物與渠基土緊密接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)，因此本試驗(yàn)選用表面光滑，8 mm 直徑的玻璃珠構(gòu)筑在混凝土襯砌表面。因?yàn)椴Ａе樽陨砀飨蛲?，在各個(gè)方向、角度的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在剪切過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似砂礫、碎石子等出現(xiàn)可能阻撓剪切前進(jìn)方向的情況，因此將研究的唯一重點(diǎn)集中在粗糙度而盡可能規(guī)避掉構(gòu)筑物與接觸面間的摩擦效應(yīng)。因此將襯砌表面玻璃珠總面積占接觸表面面積的百分比來(lái)量化襯砌表面粗糙度大小這一指標(biāo)，將表面不作處理的混凝土的襯砌粗糙度定義為“無(wú)”，其他3 種襯砌表面分別埋置2×2、3×3、5×5顆玻璃珠，即4、9、25顆玻璃珠，為忽略玻璃珠排布對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，固定各顆玻璃珠之間的距離一致，并將各顆玻璃珠在混凝土襯砌表面埋置深度為玻璃珠直徑一半的長(zhǎng)度，因此一顆玻璃珠的在襯砌表面的面積用公式（2）計(jì)算。

式中：S為一顆玻璃珠在混凝土襯砌上所占表面積（mm2）；d為一顆玻璃珠直徑（mm）。

按公式計(jì)算，即2×2 顆、3×3 顆、5×5 顆玻璃珠在混凝土表面所占面積比分別為6.70%、15.08%、41.89%，并將它們的表面粗糙度分別定義為粗糙度“較低”“中等”“較高”，同時(shí)將表面無(wú)玻璃珠的混凝土襯砌粗糙度定義為“無(wú)”。

依據(jù)剪切儀下剪切盒的對(duì)應(yīng)比例面積（與普通環(huán)刀鈍面表面積一致），在環(huán)刀內(nèi)部填充多個(gè)試樣土柱使土柱底圓面積為30 cm2，土柱高度為2 cm，因此每個(gè)土柱體積為60 cm3，填充完畢后在環(huán)刀內(nèi)側(cè)涂抹潤(rùn)滑劑以降低養(yǎng)護(hù)期內(nèi)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)混凝土與鋼環(huán)內(nèi)部的摩擦效應(yīng)。另外，制作的混凝土襯砌試件材料一致采用細(xì)砂、直徑3～5 mm 細(xì)礫石和普通硅酸鹽水泥，具體的制作用料如圖3。其中水、細(xì)礫石、普通硅酸鹽水泥和細(xì)砂的拌合比為1∶1∶1.5∶2，并均勻拌合澆灌到環(huán)刀內(nèi)部，用砂板將表面不做任何處理的混凝土襯砌的兩個(gè)接觸面填涂平整，并仔細(xì)填補(bǔ)在襯砌表面出現(xiàn)的凹凸區(qū)域，然后將其維護(hù)28 d 后用油壓千斤頂從環(huán)刀頂出以備后續(xù)試驗(yàn)使用，混凝土試樣強(qiáng)度為C25。

同上所述，制作表面有粗糙度的混凝土襯砌時(shí)，將玻璃珠按照近似方形的位置整齊埋置于混凝土表面，并將在埋置過(guò)程中溢出的流態(tài)混凝土涂抹平整，同樣將其養(yǎng)護(hù)28個(gè)齡期后用油壓千斤頂取出后作試驗(yàn)備用。其中不做處理、襯砌表面粗糙程度較低、中等和較高的混凝土襯砌如圖3所示。

圖3 不同處理下的混凝土襯砌Fig.3 Concrete lining under different treatments：untreated concrete lining（a）；concrete lining with a low roughness（b）；concrete lining with a medium roughness（c）；concrete lining with a high roughness（d）

1.3 直剪試驗(yàn)設(shè)置

為了探究不同襯砌粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響效果，結(jié)合當(dāng)?shù)赝翗釉谪?fù)溫月份平均溫度、天然含水率以及冰膜凍結(jié)穩(wěn)定后的時(shí)間，因此將環(huán)境溫度設(shè)為-5 ℃，含水率設(shè)為24%，凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)設(shè)為12 h在襯砌粗糙度分別為“無(wú)”“較低”“中等”“較高”時(shí)進(jìn)行土-襯砌接觸面的直剪試驗(yàn)。

本次直剪試驗(yàn)為防止室外及周?chē)h(huán)境溫度較高使得剪切盒內(nèi)部溫度上升導(dǎo)致試驗(yàn)中接觸面間冰膜受熱擾動(dòng)影響較大以致試驗(yàn)產(chǎn)生較大誤差，因此本試驗(yàn)在冬季最冷月份下進(jìn)行。試驗(yàn)前將“渠基土-襯砌試樣”和剪切儀下的剪切盒在試驗(yàn)設(shè)置的負(fù)溫下進(jìn)行凍結(jié)，其中“渠基土-襯砌試樣”單獨(dú)置于冷柜底部（常溫狀態(tài)下和控溫冷柜中的“渠基土-混凝土襯砌”試樣如圖4），待達(dá)到試驗(yàn)設(shè)置的凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)后將儀器和試樣共同取出進(jìn)行剪切試驗(yàn)。同時(shí)，試驗(yàn)當(dāng)中剪切儀選用“快剪模式”以減少室內(nèi)外環(huán)境溫度對(duì)試樣中冰膜的溫度干擾。為減少試驗(yàn)誤差，每組參數(shù)設(shè)置相同的試驗(yàn)做3次平均試驗(yàn)，最終取3次平均試驗(yàn)的算術(shù)平均數(shù)為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄。

圖4 不同狀態(tài)下的“渠基土-混凝土襯砌”試樣Fig.4 A“soil-concrete lining”sample under different conditions：normal temperature（a）；state in temperature control freezer（b）

其中，剪應(yīng)力按照公式（3）計(jì)算，不同時(shí)刻下所對(duì)應(yīng)的剪切位移按照公式（4）計(jì)算，同時(shí)，為了忽略在兩臺(tái)及以上的試驗(yàn)儀器間進(jìn)行試驗(yàn)存在較大試驗(yàn)誤差，因此整個(gè)試驗(yàn)使用固定的一臺(tái)剪切儀和固定的一個(gè)量力環(huán)（不同量力環(huán)的率定系數(shù)c不同，所得試驗(yàn)結(jié)果不同）進(jìn)行試驗(yàn)。具體的剪切試驗(yàn)過(guò)程如圖5。

圖5 剪切過(guò)程示意圖Fig.5 Schematic diagram of shear process

式中：τ為試驗(yàn)中不同剪切位移所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度（kPa）；c為量力環(huán)率定系數(shù)，此量力環(huán)對(duì)應(yīng)系數(shù)為1.886×10-2kPa·mm-1；R為試驗(yàn)中量力環(huán)顯示的實(shí)時(shí)讀數(shù)（mm）；v為剪切速率（本臺(tái)剪切儀快剪模式對(duì)應(yīng)速率為2.4 mm·min-1）；ε為不同時(shí)刻下所對(duì)應(yīng)的剪切位移（mm）；t為對(duì)應(yīng)的剪切時(shí)間（s）。

2 結(jié)果與分析

2.1 襯砌粗糙度變化對(duì)接觸面剪切特性的影響

2.1.1 不同襯砌粗糙度下所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力-剪切位移變化

如圖6，試驗(yàn)條件為環(huán)境溫度-5 ℃、含水率24%、凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)12 h和外部荷載400 kPa下對(duì)應(yīng)的不同襯砌粗糙度的渠基土-混凝土襯砌接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線圖。由圖可知，剪切應(yīng)力值整體受襯砌粗糙度影響較大，與不作處理襯砌的剪切應(yīng)力207.46 kPa 相比，粗糙程度較低、中等、較高襯砌分別對(duì)應(yīng)的峰值抗剪強(qiáng)度為230.09 kPa、281.01 kPa、326.28 kPa，從數(shù)值上增加幅度較大。從達(dá)到峰值抗

圖6 不同襯砌粗糙度下剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.6 Shear stress-shear displacement curves with different lining roughness

剪強(qiáng)度的時(shí)間來(lái)看，有粗糙度的較不作處理的更晚達(dá)到抗剪強(qiáng)度峰值，即在剪切位移6 mm處達(dá)到最大。

與無(wú)粗糙度處理下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線區(qū)別的是，經(jīng)過(guò)粗糙處理試樣的對(duì)應(yīng)曲線在到達(dá)首次峰值抗剪強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生應(yīng)變軟化效應(yīng)，隨剪切位移的增加其剪應(yīng)力值逐漸減小，并且在達(dá)到首次強(qiáng)度峰值后即發(fā)生抗剪破壞，不同于無(wú)粗糙度處理時(shí)會(huì)發(fā)生剪切滑移現(xiàn)象（指曲線在達(dá)到首次剪切峰值后又隨后續(xù)剪切進(jìn)行時(shí)剪應(yīng)力反而增大到剪切峰值的現(xiàn)象，此現(xiàn)象多次往復(fù)出現(xiàn)在后續(xù)試驗(yàn)中）。

2.1.2 襯砌粗糙度變化對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角影響以施加的外部荷載為橫軸，所得到的不同襯砌粗糙度下的峰值抗剪強(qiáng)度為縱軸，即不同襯砌粗糙度下渠基土-混凝土襯砌接觸面抗剪強(qiáng)度曲線如圖7。

圖7 不同襯砌粗糙度下接觸面抗剪強(qiáng)度曲線Fig.7 Shear strength curve of contact surface under different lining roughness

如圖7，不同襯砌粗糙度曲線的剪切應(yīng)力整體隨主應(yīng)力增大而增大。曲線整體大致呈線性變化，排除試驗(yàn)誤差，隨襯砌粗糙度變化各個(gè)階段的增長(zhǎng)速率大致相近。從所求得的剪切應(yīng)力大小來(lái)分析，以施加外部荷載400 kPa為例，較高襯砌粗糙度接觸面的剪切應(yīng)力326.28 kPa較不作處理襯砌接觸面的剪切應(yīng)力207.46 kPa 差值最大達(dá)到118.82 kPa，由此判斷襯砌粗糙程度是研究土-構(gòu)筑物切向凍脹力問(wèn)題中的一項(xiàng)不可忽略因素，但具體對(duì)切向凍脹力的影響效果不明確，還有待進(jìn)一步分析探究。同時(shí)，由該圖得到的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨襯砌粗糙度的變化如圖8。

圖8 不同襯砌粗糙度下黏聚力、內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.8 Curves of cohesion and internal friction Angle under different roughness of lining：cohesion（a）；angle of internal friction（b）

如圖8（a）、8（b）分別為不同襯砌粗糙程度下的黏聚力、內(nèi)摩擦角變化曲線。曲線整體變化趨勢(shì)相同，在隨襯砌粗糙度越高，黏聚力與內(nèi)摩擦角值也隨之增大，其中內(nèi)摩擦角增加幅度較黏聚力增加幅度不明顯。從數(shù)值上分析，在較高襯砌粗糙度時(shí)，黏聚力達(dá)到4種不同條件試驗(yàn)下的最大值209.36 kPa，內(nèi)摩擦角也達(dá)到最大值18.55°，整體而言數(shù)值上增加幅度的大小為剪切應(yīng)力＞黏聚力＞內(nèi)摩擦角。綜上所述在渠系工程中加大襯砌面上的粗糙程度可大幅提高土與構(gòu)筑物間的切向凍脹力已達(dá)到在負(fù)溫月份防止灌渠凍脹破壞的較好效果。

2.2 各因素對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度影響程度分析

為了進(jìn)一步探究襯砌粗糙度與其他3 種因素（環(huán)境溫度、凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)、含水率）對(duì)接觸面間峰值抗剪強(qiáng)度影響的相關(guān)性和顯著性，因此針對(duì)本研究設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。為使試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律更為明顯，外部荷載均采用400 kPa，即固定主應(yīng)力值，探究其他4 種因素對(duì)接觸面間峰值抗剪強(qiáng)度影響特性的相關(guān)變化。

根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù)溫月份平均溫度將環(huán)境溫度設(shè)為0 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-15 ℃；由于冰膜與兩個(gè)接觸面同時(shí)接觸并達(dá)到相對(duì)凍結(jié)穩(wěn)定至少需要凍結(jié)6 h，因此將凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)設(shè)為6 h、12 h、18 h、24 h；根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)取樣土的天然含水率將含水率設(shè)為18%、21%、24%、27%。正交試驗(yàn)中所設(shè)置的4種因素的主要參數(shù)梯度如表2所示。本研究正交設(shè)計(jì)采用國(guó)際通用的五因素四水平正交分析表，即L16（45），為了盡量避免試驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多誤差干擾，因此本設(shè)計(jì)中設(shè)誤差列作為試驗(yàn)對(duì)照組，其中每個(gè)因素對(duì)應(yīng)的水平及組合順序如表3所示［2］。

表2 正交因素試驗(yàn)表Table 2 Orthogonal test factor level table

表3 試驗(yàn)結(jié)果正交表Table 3 Orthogonal table of test results

2.2.1 極差分析

極差分析表中所得最優(yōu)水平、最優(yōu)組合及影響的顯著性如表4 所示。從表中T1～T4分別代表4 種不同因素在一個(gè)水平之和下的平均值，其中T1～T4的最大值減去最小值為該因素所得極差，極差的大小反應(yīng)了該試驗(yàn)因素對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度影響的相關(guān)性及顯著性，極差越大影響關(guān)系越密切，反之則越不顯著。從表中得到的結(jié)論可知襯砌粗糙度對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度的影響最顯著，其次是環(huán)境溫度、含水率及凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)；并且從數(shù)值上分析，襯砌粗糙度的影響效應(yīng)大于其他3個(gè)因素的影響效應(yīng)之和。而每個(gè)因素T值中的最大值也代表了該因素的最優(yōu)水平，將其組合為最優(yōu)組合A4B4C1D4。因此，理論上當(dāng)條件滿足環(huán)境溫度為-15 ℃、凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)為24 h、含水率為18%、襯砌粗糙程度較高時(shí)能求得所有組合中峰值抗剪強(qiáng)度最大值。

表4 極差分析表Table 4 Range analysis

2.2.2 方差分析

由于單一極差分析不能體現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果精確性，因此本研究增加方差分析減少試驗(yàn)誤差。方差分析較極差而言能在多因素耦合的影響下更準(zhǔn)確計(jì)算出各水平交互影響的差異性。此次方差分析采用SPSS 22.0 來(lái)模擬五因素四水平正交試驗(yàn)結(jié)果，具體結(jié)果如表5所示。由方差設(shè)計(jì)表的具體規(guī)定可知，為了使方差設(shè)計(jì)可較好估計(jì)試驗(yàn)誤差，必須滿足該表的總自由度-模型自由度=誤差自由度＞0，本設(shè)計(jì)為15-12=3＞0，符合要求。又引入顯著特性概率值P，P＜0.05 代表研究因素對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度的影響具有一定相關(guān)性；P≤0.01代表研究因素對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度的影響作用極其顯著，是本研究結(jié)果的最相關(guān)因素。由表中結(jié)果可知，襯砌粗糙程度、環(huán)境溫度、含水率對(duì)應(yīng)的P值為0.001、0.019、0.049，結(jié)果表明3 種研究因素對(duì)峰值抗剪強(qiáng)度影響為強(qiáng)顯著、一般性顯著和弱顯著。凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)P值為0.103，由于0.103＞0.05，則凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)對(duì)于本研究的影響不具相關(guān)顯著特性。

表5 方差分析表Table 5 Variance analysis

因此，結(jié)合極差和方差分析的綜合結(jié)論表明，環(huán)境溫度越低、凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)、接觸面間含水率越低以及襯砌表面粗糙程度較高時(shí)所對(duì)應(yīng)的峰值抗剪強(qiáng)度越大。通過(guò)對(duì)比兩表中的顯著性P，得出當(dāng)峰值抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)的最佳因素組合為A4B4C1D4，而凍結(jié)時(shí)間對(duì)本研究無(wú)相關(guān)性顯著影響效應(yīng)，在后續(xù)研究中應(yīng)著重考慮其他3 種因素的變化。

2.2.3 最優(yōu)水平組合試驗(yàn)驗(yàn)證

后續(xù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)驗(yàn)證正交分析結(jié)果的可靠性，因此將最優(yōu)組合A4B4C1D4中4 種因素所對(duì)應(yīng)的水平進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)得在該條件下所對(duì)應(yīng)的峰值抗剪強(qiáng)度如表6所示。為了降低人為試驗(yàn)誤差，在試驗(yàn)過(guò)程如實(shí)記錄測(cè)得的樣品實(shí)際環(huán)境溫度、含水率和凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)（排除儀器干擾，一臺(tái)儀器依次試驗(yàn)）。從表6 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，3 組平行試驗(yàn)最終得到的峰值抗剪強(qiáng)度分別為373.43 kPa、380.97 kPa、377.20 kPa，均大于等于正交分析表（表3）中所有因素組合的峰值抗剪強(qiáng)度值，則正交分析表可信度較高。同時(shí)，在本研究中當(dāng)溫度-15 ℃、接觸面間含水率18%、襯砌表面粗糙程度越高時(shí)峰值抗剪強(qiáng)度為最大值。

表6 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表Table 6 Verification table of test results

3 討論

以往大量研究表明，凍土與構(gòu)筑物間發(fā)生剪切破壞時(shí)會(huì)發(fā)生較大的剪切滑移，在剪切過(guò)程中剪應(yīng)力-剪切位移曲線達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度后不會(huì)立刻發(fā)生應(yīng)變軟化進(jìn)而導(dǎo)致剪應(yīng)力迅速下降，而是在低溫和外部荷載的驅(qū)動(dòng)下，使得接觸表面熱量重分布，未凍水開(kāi)始再次結(jié)晶形成冰膜發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，但前人的結(jié)論大多是未考慮構(gòu)筑物表面粗糙度所得出的結(jié)果。

以本研究為例，當(dāng)混凝土襯砌表面存在均勻埋置的光滑玻璃珠時(shí)，比較容易發(fā)生土體孔隙中所流動(dòng)的自由水在玻璃珠上凍結(jié)的現(xiàn)象，因此冰膜所發(fā)揮的膠結(jié)效應(yīng)可能不如粗糙襯砌與凍土的咬合效應(yīng)。并且在剪切過(guò)程中，由于接觸面上存在大量玻璃珠，可以發(fā)生再膠結(jié)的土體面積減少，因此未凍水轉(zhuǎn)化成冰膜的面積減少，隨著襯砌粗糙度的增加，再難以發(fā)生冰膜的再膠結(jié)現(xiàn)象。綜上分析，有粗糙度的襯砌接觸面在剪切過(guò)程中較難發(fā)生二次及多次剪切高峰，但也不能完全消除殘余抗剪強(qiáng)度效應(yīng)，對(duì)此構(gòu)筑物表面粗糙度對(duì)接觸面間凍脹力學(xué)效應(yīng)的影響較大，而與陳拓等［15］所得含水率是影響界面抗剪強(qiáng)度最大的因素結(jié)論相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本研究所選用的粉質(zhì)黏土與混凝土襯砌之間的凍脹特性更敏感，咬合性更劇烈，再者本研究對(duì)于粗糙度的區(qū)分程度范圍更廣，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中隨粗糙度變化時(shí)接觸面間的峰值抗剪強(qiáng)度會(huì)增大得越來(lái)越多，因此本研究中的此效應(yīng)大于含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響效果。

相應(yīng)地，在工程中為防止土體由于往復(fù)凍融作用所造成的形變破壞和不均勻沉降，可在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，適當(dāng)增加土體表面構(gòu)筑物的粗糙程度以削弱凍脹融沉效應(yīng)帶來(lái)的工程災(zāi)害。

4 結(jié)論

（1）渠基土-混凝土襯砌接觸面間的抗剪強(qiáng)度隨襯砌粗糙程度增高而變大，當(dāng)抗剪強(qiáng)度達(dá)到第一次峰值后發(fā)生應(yīng)變軟化，即達(dá)到剪切破壞，抗剪強(qiáng)度隨剪切位移增加而不斷減小，相同條件下所對(duì)應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律一致，都隨粗糙程度增高而變大。

（2）從正交分析中4 種因素對(duì)襯砌接觸面峰值抗剪強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱程度看，最相關(guān)因素為襯砌粗糙度，環(huán)境溫度和含水率相關(guān)性依次遞減，而凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)對(duì)本研究結(jié)果的影響不具顯著性，不是本研究的相關(guān)因素。

（3）當(dāng)環(huán)境溫度-15 ℃，含水率18%，襯砌粗糙度較高時(shí)，即低溫、低含水率以及襯砌粗糙度較高時(shí)的峰值抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。