魏 巍，楊保存，楊曉松

(1.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué) 南疆巖土工程研究中心， 新疆 阿拉爾 843300)

在工程實(shí)踐中，土體與結(jié)構(gòu)相互作用問題廣泛存在于巖土工程領(lǐng)域，如土與樁基礎(chǔ)、渠基土與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)、土與地下管道等，因其數(shù)學(xué)描述涉及到不連續(xù)、非線性和大變形等復(fù)雜力學(xué)問題，一直是巖土領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題[1-2]。土體與結(jié)構(gòu)物在變形和強(qiáng)度特性上相差懸殊[3]，導(dǎo)致土體與結(jié)構(gòu)之間反映出既不同于土體、又不同于結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，因此分析土與結(jié)構(gòu)相互作用既不能單純探究土體自身的力學(xué)性能，也不能單獨(dú)分析結(jié)構(gòu)對(duì)土體的作用，需要將土體與結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。土與結(jié)構(gòu)接觸面作為土體與結(jié)構(gòu)相互作用傳遞荷載及變形的媒介，其反映出土體與結(jié)構(gòu)物在相互作用時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)特性。在外部荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)對(duì)土體強(qiáng)烈的約束作用造成土與結(jié)構(gòu)接觸面出現(xiàn)局部脫離、滑動(dòng)、錯(cuò)位、張閉等非連續(xù)性變形現(xiàn)象[4]，這些現(xiàn)象會(huì)大大減弱接觸面的荷載傳遞和變形協(xié)調(diào)功能，最終嚴(yán)重威脅巖土工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。因此研究土體與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性對(duì)解決土體與結(jié)構(gòu)相互作用問題具有指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土體與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性問題，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬等方法開展了廣泛的研究，取得的豐富的理論成果。早在1961年，Potyondy[5]首次采用直剪儀開展了土體與多種建筑材料接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究；Uesugi等[6-7]以砂土與結(jié)構(gòu)接觸面作為研究對(duì)象，深入探究了土體級(jí)配、相對(duì)密實(shí)度、含水率和結(jié)構(gòu)面粗糙度等因素對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律；Taha等[8]進(jìn)行了海洋黏土與鋼板接觸面剪切試驗(yàn)，深入研究了法向應(yīng)力、超固結(jié)比、含鹽量以及粗糙度對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度的影響；國內(nèi)學(xué)者盧廷浩等[9]通過改進(jìn)的直剪儀進(jìn)行黏土與混凝土接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出土體含水率是影響土與混凝土接觸面力學(xué)參數(shù)的重要因素；朱彥鵬等[10]對(duì)不同配比及不同含水率的黃土-紅砂巖改良土進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究，深入探究了黃土-紅砂巖改良土在工程應(yīng)用中的適宜性；夏紅春等[11]研究了不同法向應(yīng)力、不同粗糙度、不同接觸面材料以及不同剪切速率對(duì)土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的影響。

以上學(xué)者對(duì)土與結(jié)構(gòu)接觸面相關(guān)問題展開了多方面的研究，但目前涉及到土與結(jié)構(gòu)接觸面強(qiáng)度影響因素顯著性分析的研究卻很少，鑒于此，本文通過粉細(xì)砂-混凝土接觸面室內(nèi)直剪試驗(yàn)，探究含水率、干密度及法向應(yīng)力對(duì)粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響程度以及接觸面的剪切強(qiáng)度隨各因素的變化規(guī)律，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度隨各因素水平變化進(jìn)行了理論分析。以期為解決工程實(shí)踐中遇到的災(zāi)害問題提供基礎(chǔ)性理論參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自新疆阿拉爾市周邊，滿足試驗(yàn)要求?？紤]到當(dāng)?shù)赝林泻写罅康目扇苄粤蛩猁}和氯鹽，為避免土中可溶性鹽對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，故需要對(duì)土進(jìn)行洗鹽處理，直至使土中的含鹽量小于0.3%。將洗鹽處理過的土自然風(fēng)干，之后做碾碎處理，過2 mm的土篩。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[12](SL 237—1999)進(jìn)行土的顆粒級(jí)配試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)等土的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)。基本的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)參數(shù)

1.2 試樣制備

根據(jù)試驗(yàn)要求，使用直徑為 61.8 mm，高20 mm的環(huán)刀作為模具，在環(huán)刀內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林，由于模具體積較小，選取粒徑5 mm～10 mm小顆粒卵石作為混凝土試塊的粗骨料，水泥、砂、卵石、水質(zhì)量比為1.00∶2.31∶3.47∶0.55，將拌制好的混凝土分層裝入模具中，為加強(qiáng)混凝土密實(shí)性，期間多次振搗，最后將混凝土表面抹平。將澆筑完成的混凝土試塊靜置24 h，然后將混凝土試塊從環(huán)刀中頂出，按照標(biāo)準(zhǔn)程序養(yǎng)護(hù)28 d，選取厚度為20 mm的作為最終混凝土試塊?？紤]到目前針對(duì)結(jié)構(gòu)表面粗糙度沒有一個(gè)統(tǒng)一的定量方式，故不考慮結(jié)構(gòu)表面粗糙度這一影響因素，由于無法將不同混凝土塊表面的粗糙度控制到絕對(duì)統(tǒng)一，為減小混凝土表面粗糙度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，選擇同一枚混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示，混凝土表面相對(duì)光滑。按照試驗(yàn)要求，分別拌制含水率8%、10%、12%、14%、16%五種不同含水率的土樣，拌制結(jié)束后使用黑色密封袋封閉靜置24 h以上，期間為加快土中水分遷移，靜置12 h后需揉搓數(shù)分鐘，以達(dá)到土中含水率近似均勻的目的。根據(jù)不同含水率和不同干密度稱取相應(yīng)質(zhì)量的土樣緩緩倒入預(yù)先準(zhǔn)備的高樣品環(huán)刀倉中，使用壓平機(jī)制成直徑為61.8 mm、高為20 mm的環(huán)刀試樣。將混凝土試塊安裝在剪切盒下盒中，并確保剪切盒上、下盒之間平滑移動(dòng)，插上銷釘，將裝有土樣的環(huán)刀刃口朝上居中對(duì)齊剪切盒盒口，使用直剪盒上部傳壓板將環(huán)刀內(nèi)部土樣緩緩?fù)迫胫奔艉猩虾袃?nèi)，至此完成剪切試樣的制備。直剪試樣如圖2所示。

圖1 剪切盒及混凝土試樣

圖2 直剪試樣

試驗(yàn)選用應(yīng)變控制式直剪儀，剪切速率為0.8 mm/min。為保證試驗(yàn)土樣含水率的精確性，對(duì)符合試驗(yàn)要求含水率的土樣應(yīng)盡量當(dāng)天試驗(yàn)，減少因空氣干燥導(dǎo)致的土中水分不同程度的蒸發(fā)。為避免上部土樣與下部混凝土試塊接觸時(shí)由于二者含水率的不統(tǒng)一導(dǎo)致接觸面水分不均勻，將混凝土試塊預(yù)先埋置在與試驗(yàn)土樣相同含水率的細(xì)沙中。每次試驗(yàn)前后用毛刷將混凝土塊表面進(jìn)行清理，保證粉細(xì)砂與混凝土充分接觸。

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)做合理的安排設(shè)計(jì)。研究含水率、干密度以及法向應(yīng)力3種因素對(duì)粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律和作用水平，根據(jù)試驗(yàn)方案確定因素種類和水平個(gè)數(shù)，選用合適的正交表。正交表具有“均衡分散性”與“整齊可比性”的優(yōu)點(diǎn)，能夠更直觀地分析試驗(yàn)結(jié)果[13]。正交試驗(yàn)因素水平表見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 影響因素分析

為分析各影響因素對(duì)粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響程度，根據(jù)各影響因素不同水平下接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線，選取剪切強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，剪切強(qiáng)度取每條剪切應(yīng)力-剪切位移曲線的峰值點(diǎn)，曲線若無峰值點(diǎn)，則取剪切位移4 mm處對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力，通過直剪試驗(yàn)得到相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并匯總到正交表。正交表試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 極差分析表

為確定各因素對(duì)粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響程度，對(duì)正交表試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，其中，K為各因素不同水平下剪切強(qiáng)度總和，k為各因素不同水平下剪切強(qiáng)度總和的平均值，以此確定各因素的極差值，極差值越大說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，該因素即為主要影響因素，反之，則為次要影響因素。

由極差分析表3可知，法向應(yīng)力對(duì)粉細(xì)砂-混凝土接觸面的剪切強(qiáng)度影響程度最大，其次是含水率，干密度的影響最小，含水率與干密度對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度的影響相近。由于極差分析只是一種直觀性分析方法，不能區(qū)分因素各水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果差異來源的不足。故采用方差分析方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。

試驗(yàn)共設(shè)置含水率、干密度以及法向應(yīng)力三個(gè)因素，每個(gè)因素各有5個(gè)水平(na=5)，每個(gè)水平做5次試驗(yàn)(a=5)，共計(jì)25組試驗(yàn)(n=a×na=5×5=25)。其計(jì)算過程為：

(1) 計(jì)算離差的平方和

① 總離差的平方和ST

記：

ST=QT-P

(1)

② 各因素離差的平方和

記：

SA=QA-P

(2)

同理。即

SB=QB-P

SC=QC-P

③ 試驗(yàn)誤差的離差平方和SE

SE=ST-S因

(3)

(2) 計(jì)算自由度

試驗(yàn)總自由度：

f總=n-1=25-1=24(n為試驗(yàn)總數(shù))

(4)

各因素自由度：

f因=na-1=5-1=4(na為水平數(shù))

(5)

試驗(yàn)誤差自由度：

fE=f總-f因=24-12=12

(6)

(3) 計(jì)算平均離差平方和(均方)MS

(7)

(8)

(4) 求F值

(9)

其大小反映了各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度的大小。

(5) 對(duì)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)

給出檢驗(yàn)水平α，以Fα(f因，fE)查F分布表：

若F>Fα(f因，fE)說明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著。計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 方差分析表

方差分析結(jié)果列于表4。選取檢驗(yàn)水平α為0.01、0.05、0.10，各因素自由度為4，誤差自由度為12，查F分布表可得F0.01(4,12)=5.412，F(xiàn)0.05(4,12)=3.26，F(xiàn)0.1(4,12)=2.48。含水率F值FA=3.77F0.05(4,12)=3.26，干密度F值FB=2.33F0.01(4,12)=5.41。通過上述方差分析可得：干密度對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度影響不顯著,含水率對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度具有較顯著影響，法向應(yīng)力對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度具有顯著影響。

綜合考慮極差分析和方差分析結(jié)果可知，高法向應(yīng)力、最優(yōu)含水率、低干密度情況下粉細(xì)砂土-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度達(dá)到極大值。

2.2 剪切強(qiáng)度分析

通過上述顯著性分析發(fā)現(xiàn)，法向應(yīng)力是影響粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的重要因素之一。在土的含水率、干密度以及混凝土表面粗糙度一定的情況下，粉細(xì)砂-混凝土接觸面剪切應(yīng)力水平隨法向應(yīng)力的變化呈現(xiàn)顯著的差異，符合上述顯著性分析結(jié)果。剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線形態(tài)在低法向應(yīng)力下表現(xiàn)出輕微應(yīng)變軟化，由曲線可得：隨著法向應(yīng)力的增大，曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剪切位移越大；在高法向應(yīng)力下顯示出輕微應(yīng)變硬化形態(tài)。以干密度1.60 g/cm3，含水率12%試驗(yàn)結(jié)果為例，見圖3。出現(xiàn)上述的主要原因是：粉細(xì)砂土與混凝土剪切強(qiáng)度主要是來源于二者之間的摩阻力。隨著法向應(yīng)力的增大，粉細(xì)砂土與混凝土接觸更加密實(shí)，帶動(dòng)了接觸面更多的土顆粒發(fā)生翻轉(zhuǎn)、滾動(dòng)，促使接觸面土顆粒重新排布，進(jìn)而增大了粉細(xì)砂土與混凝土之間的摩阻力，導(dǎo)致接觸面剪切強(qiáng)度隨剪切位移的增大而增強(qiáng)。

圖3 不同法向應(yīng)力下剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

通過圖4發(fā)現(xiàn)，在相同含水率，相同干密度，不同法向應(yīng)力作用下，粉細(xì)砂土與混凝土接觸面剪切破壞程度呈現(xiàn)明顯的差異，在50 kPa、100 kPa法向應(yīng)力作用下，剪切破壞主要發(fā)生在土體與混凝土接觸面，粉細(xì)砂土與混凝土接觸面僅僅發(fā)生了少量土顆粒的擾動(dòng)。隨著法向應(yīng)力的增大，剪切破壞由接觸面延伸到一定厚度的土體中，且隨著法向應(yīng)力增大土體發(fā)生破壞的深度和面積越大。粉細(xì)砂土與混凝土相互作用時(shí)，剪切面并非土與混凝土的交接面，而是形成一條具有一定厚度的接觸帶，將其定義為剪切帶[14]。之所以形成剪切帶主要是由于剪切盒下盒的混凝土為剛體，無法產(chǎn)生體積變化，而粉細(xì)砂土作為一種彈塑性體，其體積容易發(fā)生變化，當(dāng)施加的法向應(yīng)力越大，粉細(xì)砂土與混凝土發(fā)生剪切作用時(shí)，混凝土表面附近的土顆粒受到混凝土的約束作用，剪切盒下盒混凝土移動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)土體表面一定厚度的土顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在粉細(xì)砂土與混凝土接觸面形成一定厚度的剪切帶。通過多組試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在含水率、干密度以及混凝土表面粗糙度相同的情況下，接觸帶厚度和面積隨法向應(yīng)力的增加而增大。這與趙程等[15]結(jié)論基本一致。

圖4 不同法向應(yīng)力下粉細(xì)砂-混凝土接觸面的剪切破壞情況

通過圖5可以得出，在干密度1.50 g/cm3下，粉細(xì)砂土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度隨含水率的變化在每一級(jí)荷載下波動(dòng)較小，接觸面剪切強(qiáng)度關(guān)系曲線均呈現(xiàn)一致性規(guī)律，即隨著含水率增大，接觸面剪切強(qiáng)度先增大后減小，剪切強(qiáng)度的極大值出現(xiàn)在粉細(xì)砂土的最優(yōu)含水率附近，且隨著法向應(yīng)力的增大，這種規(guī)律愈加明顯。之所以出現(xiàn)上述變化規(guī)律，主要是由于：在法向應(yīng)力一定的情況下。當(dāng)含水率較低時(shí)，土顆粒之間的孔隙較大，土體與混凝土接觸不夠充分，導(dǎo)致土與結(jié)構(gòu)之間摩阻力較小，隨著含水率的增加，土顆粒之間的孔隙被更多的自由水填充，使得土體與混凝土接觸地更加充分，隨著法向應(yīng)力的增大，在含水率與法向應(yīng)力的共同作用下，土體與混凝土之間摩阻力不斷增大，但當(dāng)土體含水率超過最優(yōu)含水率時(shí)，粉細(xì)砂土內(nèi)部孔隙的自由水過多，在法向應(yīng)力作用下，多余的水被擠壓出來，從而對(duì)粉細(xì)砂土與混凝土接觸面起到了潤滑的作用，隨著法向應(yīng)力的增大，粉細(xì)砂土內(nèi)部更多的水被擠壓出來，增強(qiáng)了接觸面的潤滑效果，導(dǎo)致接觸面剪切強(qiáng)度逐漸減小且減小幅度隨應(yīng)力水平增大而增大。

圖5 不同法向應(yīng)力下接觸面剪切強(qiáng)度隨含水率變化的關(guān)系曲線

由圖6可得：在含水率12%條件下，粉細(xì)砂土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度隨干密度的變化在每一級(jí)荷載下波動(dòng)很小，且接觸面剪切強(qiáng)度關(guān)系曲線反映出的規(guī)律不一致，符合上述顯著性分析得到的干密度對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度影響不顯著的結(jié)論。

圖6 不同法向應(yīng)力下接觸面剪切強(qiáng)度隨干密度變化的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文以粉細(xì)砂土-混凝土接觸面為研究對(duì)象，開展不同含水率、干密度及法向應(yīng)力工況下的直剪試驗(yàn)研究。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的整理分析得出的主要結(jié)論有：

(1) 綜合極差分析和方差分析可得，三種試驗(yàn)因素對(duì)粉細(xì)砂土-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)榉ㄏ驊?yīng)力>含水率>干密度，含水率及法向應(yīng)力對(duì)接觸面的剪切強(qiáng)度影響顯著，干密度影響不顯著。

(2) 在粉細(xì)砂土的含水率、干密度以及混凝土表面粗糙度相同的情況下，不同法向應(yīng)力條件下的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線在低法向應(yīng)力下表現(xiàn)出輕微應(yīng)變軟化特性，在高法向應(yīng)力下顯示出輕微應(yīng)變硬化特性。

(3) 粉細(xì)砂土與混凝土發(fā)生剪切作用時(shí)，由于混凝土表層土顆粒受到混凝土的約束作用，在高法向應(yīng)力下，粉細(xì)砂土與混凝土接觸面形成一定厚度的剪切帶，且剪切帶厚度和面積隨著法向應(yīng)力的增加而增大。

(4) 在一定干密度條件下，粉細(xì)砂土-混凝土接觸面剪切強(qiáng)度在不同法向應(yīng)力作用下隨含水率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在粉細(xì)砂土最優(yōu)含水率附近達(dá)到極大值，且這種變化趨勢(shì)隨法向應(yīng)力的增大而愈發(fā)顯著；在一定含水率條件下，接觸面剪切強(qiáng)度在不同法向應(yīng)力作用下隨干密度的增大表現(xiàn)出不規(guī)律變化的趨勢(shì)。