汪優(yōu)，李奕金，譚偉，湯明明，杜煒

(中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075)

樁-土相互作用是巖土工程領(lǐng)域的研究熱點問題[1-3]。現(xiàn)場試驗證明：樁基受到豎向荷載時，樁-土相互作用是由樁-土接觸面來傳遞的[4-6]。由于樁體與土體材料力學性質(zhì)的差異、接觸面粗糙度、外力、土顆粒和含水率等內(nèi)外部因素的影響，使樁-土接觸面產(chǎn)生錯動、滑移或者開裂等非連續(xù)變形，力學特性變得異常復(fù)雜。因此，探究不同因素對樁-土接觸面力學性質(zhì)的影響規(guī)律，是研究樁基承載力、 沉降和變形等問題的基礎(chǔ)。POTYONDY[7]在大量剪切試驗基礎(chǔ)上，指出接觸面粗糙度、法向應(yīng)力、土質(zhì)和含水率是接觸面剪切強度的主要影響因素。CHEN 等[8]開展不同粗糙度的混凝土板-紅黏土接觸面直剪試驗，指出混凝土板表面凹槽數(shù)量對接觸面粗糙度有顯著影響，接觸面內(nèi)摩擦角始終小于土體自身內(nèi)摩擦角。石熊等[9]通過開展紅黏土-混凝土直剪試驗，指出隨著接觸面粗糙度的增大，接觸面抗剪強度及殘余強度、黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小。成浩等[10]在此基礎(chǔ)上研究了粗糙度對接觸面殘余強度的影響，并提出接觸面粗糙度的增加能夠明顯提高接觸面殘余剪切強度，但此種影響伴隨著法向應(yīng)力的增大而逐漸弱化。金子豪等[11]開展混凝土-砂土直剪試驗，指出接觸面峰值、殘余應(yīng)力比隨法向應(yīng)力的增大而減小，接觸面峰值應(yīng)力比隨粗糙度對數(shù)lgR近似線性增長，同時指出砂土自身剪切強度不是混凝土-砂土接觸面剪切強度的上限。張嘎等[12]開展粗粒土與人工粗糙鋼板接觸面剪切試驗，指出接觸面變形可分解為同時發(fā)生、相互影響的土與結(jié)構(gòu)接觸面上的滑移變形及結(jié)構(gòu)面附近的土在約束之下的剪切變形2部分。陸勇等[13]采用高壓直剪儀進行了砂礫與不同粗糙度鋼板結(jié)構(gòu)面接觸剪切試驗，提出接觸面粗糙度對接觸面力學特性有直接影響，中壓與高壓下接觸面的力學特性呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。劉方成等[14]利用改進的循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)開展不同法向應(yīng)力、接觸面粗糙度條件下粉質(zhì)黏土-混凝土接觸面剪切試驗，指出接觸面破壞主要分為接觸面附近土體自身剪切破壞和接觸面滑移破壞2種形式，且接觸面粗糙度和法向壓力越大，越趨向于土體自身剪切破壞。王佳等[15]進行了砂土與不同粗糙度表面的混凝土板的大型直剪試驗研究，并指出界面粗糙度能夠明顯提高接觸面抗剪強度，但隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對接觸面抗剪強度的影響逐漸減弱。黃東梅等[16]和盧照亮等[17]在風洞試驗研究中分別采用砂紙模擬高層建筑物、斜拉索等建筑物表面由于材料尺寸的差異性導(dǎo)致的凹凸不平整。羅耀武等[18]在模型樁表面粘貼砂紙，以砂紙表面最大粒徑衡量模型樁樁側(cè)表面粗糙度，研究粗糙度對抗拔樁承載特性的影響。上述學者在大量試驗的基礎(chǔ)上，探究不同影響因素下接觸面力學特性的變化規(guī)律，并取得了重大進展，對樁-土界面力學特性的研究具有借鑒意義，但還存在一些不足之處。例如，采用結(jié)構(gòu)面上開挖規(guī)則形狀孔槽的方法模擬混凝土-土接觸面不同粗糙度，雖然簡單易行，但側(cè)重于從宏觀角度分析粗糙度對接觸面力學特性的影響，忽略了混凝土表面粗糙度的不規(guī)則性及孔槽與土顆粒尺寸相差較大時對接觸面力學特性的影響，對于混凝土預(yù)制樁、擋土墻等采用模板澆筑結(jié)構(gòu)，由于由施工控制條件、氣候等其他因素而在其表面形成的不規(guī)則凹凸形狀無法有效模擬；雖然有些學者人為制造不規(guī)則的混凝土表面粗糙度或者采用不同規(guī)格砂紙來從微觀角度模擬結(jié)構(gòu)物表面粗糙度，只是籠統(tǒng)的定義粗糙度，并未對結(jié)構(gòu)物表層粗糙度進行深入研究，缺乏可定量的結(jié)構(gòu)物表層粗糙度計算確定公式。因此，本文作者根據(jù)不同規(guī)格砂紙表面粗糙度指標的實測數(shù)據(jù)，建立起結(jié)構(gòu)表層粗糙度的計算公式；然后，根據(jù)砂紙規(guī)格與結(jié)構(gòu)表層粗糙度之間的定量關(guān)系，采用不同規(guī)格砂紙模擬混凝土樁-黏土界面處結(jié)構(gòu)物與土體接觸表層的粗糙度變化，開展混凝土樁-黏土接觸界面剪切試驗研究，定量分析結(jié)構(gòu)表層粗糙度對樁-土界面剪切特性的影響及其規(guī)律，為樁-土界面力學特性和試驗研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)表層粗糙度的確定

灌砂法、針觸法和粗糙度測定儀法是土木工程中3 種常用的測定混凝土結(jié)構(gòu)表層粗糙度的方法[19]，其本質(zhì)是采用物體表面基準面以上凸部分的體積或者面積與其基準面面積或長度的比值求得物體的表面粗糙度。因此，本文采用文獻[20]中SJ-410 型號的粗糙度測量儀，對不同規(guī)格的砂紙進行測量，獲得了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)物表層粗糙度指標Pa(原始輪廓算術(shù)平均值)，如表1所示。

表1 砂紙表面粗糙度指標Table 1 Index of surface roughness of sandpaper

鑒于砂紙規(guī)格N與粗糙度指標數(shù)值相差較大，函數(shù)關(guān)系不明顯，故先將測試數(shù)據(jù)進行對數(shù)化處理，然后采用最小二乘法對砂紙規(guī)格與結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標Pa的關(guān)系進行擬合，可獲得圖1所示的關(guān)系曲線，曲線擬合系數(shù)R2大于0.98，相關(guān)性較好。由此，可建立砂紙規(guī)格N與結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標Pa的指數(shù)化擬合公式：

式中：lnPa為結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標的對數(shù)，μm；lnN為砂紙規(guī)格的對數(shù)；A和B為常數(shù)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標測量數(shù)據(jù)擬合得到，本文分別取值為29.117和-1.356。

從圖1可知：結(jié)構(gòu)表層粗糙度隨著砂紙規(guī)格的增大而近似成指數(shù)函數(shù)衰減，當砂紙規(guī)格為100時，由式(1)換算得到粗糙度指標Pa為39.29 μm 與表1中實測數(shù)據(jù)相差4.31%；同時砂紙規(guī)格與粗糙度的關(guān)系曲線符合砂紙規(guī)格愈大，粗糙度越小的規(guī)律，本文擬合的經(jīng)驗公式是合理可行的。

圖1 砂紙規(guī)格與粗糙度關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of sandpaper mesh number and roughness

因此，由施工控制條件、氣候等其他因素在混凝土樁基、擋土墻等結(jié)構(gòu)表層形成的粗糙度，可通過本文建立的指數(shù)化擬合公式，與砂紙規(guī)格建立一一對應(yīng)關(guān)系，以此表征結(jié)構(gòu)表層的粗糙度，采用不同規(guī)格的砂紙即可模擬出混凝土結(jié)構(gòu)物表層粗糙度的變化，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)表層粗糙度的定量換算，為開展考慮結(jié)構(gòu)物表層粗糙度的相關(guān)試驗?zāi)M和研究提供了有益的參考。

2 混凝土-黏土接觸面直剪試驗

2.1 試驗儀器

試驗采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，該剪切儀上、下剪切盒尺寸相同，其內(nèi)部可容納橫截面積為30 cm2，高為1 cm 的試樣。該儀器通過驅(qū)動下剪切盒產(chǎn)生水平位移進行剪切，可以在不同垂直壓力荷載(50，100，200，300和400 kPa)下施加剪切力同時剪切4個土樣。通過顯示屏中讀出剪切位移值，同時利用電測百分表測得量力環(huán)變形，根據(jù)量力環(huán)系數(shù)，可以求出水平剪應(yīng)力。該儀器試驗效率高，易于控制。

2.2 試驗材料及方案

土體材料為長沙地區(qū)某單位宿舍樓基坑土，通過土工試驗測得該黏土物理性質(zhì)如表2所示。為避免土樣離散性對試驗結(jié)果造成不良影響，本試驗采用重塑土樣，參照標準[21]配置，將經(jīng)過烘干、粉碎、過2 mm篩等程序得到的干燥土樣，按含水率為24%配置好后，放置1～2 d，以保證水分均勻。利用實驗室與直剪儀上下盒半徑相同的環(huán)刀制作圓柱狀土樣，同時為了避免試樣密實度的差異對試驗結(jié)果產(chǎn)生不利影響，因此，對土樣進行分層擊實，每次擊實次數(shù)相同。

表2 黏土物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanics parameters of clay

鑒于混凝土樁-黏土接觸面的微觀尺寸特性，若采用大比例或足尺樁基進行模擬，接觸面處的荷載施加或數(shù)據(jù)采集難以保證質(zhì)量，且考慮到試驗過程中混凝土試樣主要承受壓應(yīng)力，因此采用與混凝土抗壓性能較接近的標準透水石試件模擬混凝土樁。

本次試驗采用規(guī)格為120，320 和600 的砂紙，通過式(1)實現(xiàn)對接觸面表層的粗糙度模擬和量化，分別模擬粗糙度Pa為10.46，14.90和32.43 μm時混凝土樁-黏土界面的接觸面表層粗糙度。試驗時為避免透水石與砂紙之間產(chǎn)生剪切滑移，采用氰基強力膠將砂紙黏結(jié)在透水石一側(cè)，然后將土樣和透水石分別置于直剪儀的上盒和下盒，上盒固定不動，通過移動下盒形成剪切，剪切速率為0.8 mm/min，如圖2所示。本試驗根據(jù)表層粗糙度的不同分為3組試驗，每組試驗包含100，200和300 kPa 這3 個工況，每個工況剪切3 個試樣，試驗結(jié)果取3個試樣的平均值。

圖2 試件及加載示意圖Fig.2 Test piece and loading diagram

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

接觸面粗糙度Pa分別為10.46，14.90 和32.43 μm 時，不同法向應(yīng)力下，混凝土樁-黏土接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線如圖3所示。

從圖3可知：1)在相同粗糙度條件下，接觸面剪切強度隨著法向應(yīng)力增大而增大。當粗糙度為32.43 μm時，對于法向應(yīng)力為100，200 和300 kPa時的接觸面抗剪強度分別為69.48，109.28 和143.20 kPa。2)在相同粗糙度條件下，接觸面極限剪切位移值隨著法向應(yīng)力的增大而增大，但變化幅度不大，在0.3～0.4 mm 之間。3)在不同法向應(yīng)力下，接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線變化趨勢一致。但法向應(yīng)力達到300 kPa 時，在剪切應(yīng)力-剪切位移曲線轉(zhuǎn)折點之后，剪應(yīng)力并未趨近于定值，而具有一定的斜率。該現(xiàn)象表明，當法向應(yīng)力達到一定界限時，混凝土樁-黏土接觸面處發(fā)生剪切破壞后，土體本身仍繼續(xù)發(fā)生小幅度剪切變形，呈現(xiàn)出典型的彈塑性變形。

當法向應(yīng)力σn分別為100，200 和300 kPa 時，不同粗糙度接觸面的混凝土樁-黏土接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線如圖4所示。

從圖4可知：1)接觸面抗剪強度峰值隨著粗糙度的增大而增大，同時伴隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對抗剪強度的影響呈現(xiàn)減弱趨勢，例如：粗糙度為32.43 μm 時與14.90 μm 時相比，在法向應(yīng)力為100，200和300 kPa時，接觸面抗剪強度增長幅度依次減少為16.85%，15.95%和9.96%。2)在相同法向應(yīng)力條件下，接觸面極限位移值隨著粗糙度的增大而增大。3)不同粗糙度的接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線均存在一個基本重合段，但隨著剪切位移的增大而逐漸分化出去。這可能是由于試件表面凹凸幾何尺寸與黏土顆粒較為接近，初始狀態(tài)下黏土顆粒與接觸面咬合充分，接觸面抗滑移摩擦強度大于土體內(nèi)部剪切應(yīng)力，此時剪切位移主要為接觸面附近土體內(nèi)部的剪切變形，而混凝土樁-黏土接觸面之間相對剪切位移很小，也間接表明接觸面具有一定厚度；當剪切應(yīng)力逐漸增大并超過接觸面抗滑移摩擦強度后，接觸面產(chǎn)生相對剪切位移，此時剪切變形主要為接觸面剪切滑移產(chǎn)生的位移。

圖3 不同法向應(yīng)力下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear displacement curves under different normal stresses

圖4 不同粗糙度下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve under different roughnesses

3.2 接觸面抗剪強度

當法向應(yīng)力分別為100，200和300 kPa時，不同粗糙度條件下混凝土樁-黏土接觸面抗剪強度如表3所示。

基于表3的試驗結(jié)果，采用最小二乘法擬合得到接觸面抗剪強度與粗糙度的關(guān)系如圖5所示。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.93，擬合度較高，接觸面表層粗糙度與抗剪強度的擬合方程可表示為

式中：τp為接觸面抗剪強度，kPa；Pa為接觸面表層粗糙度，μm；C和D為經(jīng)驗系數(shù)，通過試驗數(shù)據(jù)回歸獲取。

表3 不同粗糙度下接觸面抗剪強度Table 3 Shear strength of interface with different roughnesses

圖5 抗剪強度與粗糙度的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength and roughness

由圖5可知：同一法向應(yīng)力下，接觸面抗剪強度隨著粗糙度的增大而近似冪函數(shù)關(guān)系增長，且擬合函數(shù)的指數(shù)C都是大于0 且小于1 的數(shù)。表明接觸面抗剪強度的增長速率隨粗糙度的增大而減小，粗糙度存在臨界值，當粗糙度達到臨界值后，抗剪強度不再隨著粗糙度的增加而顯著增大，而是趨近于定值。

3.3 接觸面抗剪強度參數(shù)

文獻[9,14]研究表明：混凝土樁-黏土接觸面抗剪強度服從莫爾-庫侖準則，可以使用黏聚力c和內(nèi)摩擦角?表示。因此，基于最小二乘法對不同粗糙度下接觸面剪切強度與法向應(yīng)力進行線性擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同粗糙度的接觸面抗剪強度Fig.6 Shear strength of interface with different roughnesses

由圖6可知：同一粗糙度條件下，接觸面抗剪強度隨著法向應(yīng)力增大而增大，二者近似呈線性關(guān)系，擬合的相關(guān)性系數(shù)R2在0.99 以上，因此，本次試驗也驗證了接觸面時剪切破壞服從莫爾-庫侖破壞準則。線性擬合得到不同粗糙度下接觸面抗剪強度參數(shù)，如表4所示。

表4 接觸面抗剪強度參數(shù)Table 4 Shear strength parameters of interface

由表4可知：黏聚力與內(nèi)摩擦均隨著接觸面粗糙度的增大而增大，但均小于黏性土自身力學參數(shù)。結(jié)合圖4的分析結(jié)果可知：在現(xiàn)有試驗條件下，剪切破壞為混凝土樁-黏土接觸面間的剪切滑移破壞。

4 結(jié)論

1)基于指數(shù)化擬合公式對接觸面表層粗糙度進行模擬，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)表層粗糙度的定量換算，為開展考慮結(jié)構(gòu)物表層粗糙度的相關(guān)試驗?zāi)M和研究提供了有益的參考。

2)接觸面抗剪強度隨著法向應(yīng)力增加而呈線性關(guān)系增大，符合莫爾-庫侖破壞準則，且在現(xiàn)有試驗條件下，混凝土樁-黏土接觸面的剪切破壞形式表現(xiàn)為接觸面滑移破壞。

3)混凝土樁-黏土接觸面處的剪切破壞過程可分為“土體彈性剪切變形—接觸面剪切滑移—土體彈塑性剪切變形”3個階段，即：初期剪切變形主要表現(xiàn)為接觸面厚度范圍內(nèi)的土體內(nèi)部剪切變形；當剪切應(yīng)力逐漸增大并超過接觸面抗滑移摩擦強度后，剪切變形主要為接觸面產(chǎn)生相對剪切位移和滑動；當法向應(yīng)力達到一定值時，接觸面剪切破壞后土體自身繼續(xù)產(chǎn)生小幅度剪切變形，表現(xiàn)出典型的彈塑性變形。

4)接觸面抗剪強度隨粗糙度的增加而呈冪函數(shù)關(guān)系增大，但隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對抗剪強度的影響呈現(xiàn)減弱趨勢，即粗糙度存在臨界值。

5)本文采用不同規(guī)格砂紙來模擬不同粗糙度的樁表面，并未考慮接觸面的剪切剛度與樁身混凝土剪切剛度的不同，下一步將開展剪切剛度的差異性對于界面特性的研究。