土与混凝土板接触面剪切试验研究

丁明武，徐泽友，卢廷浩

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.南京南大岩土工程技术有限公司，江苏 南京 210024；3.河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098）

0 引言

土与结构相互作用是工程中普遍存在的问题，研究土与结构之间位移（应变）的发展过程及应力传递规律对于工程的设计施工有重要意义。长期以来，众多学者通过直剪试验[1-5]和单剪试验[6-10]来研究土与结构接触面应力位移（应变）的性质及规律。本文通过黏土与混凝土板接触面大型单剪、直剪试验对比分析其应力应变关系及破坏规律。

1 试验方法

1.1 试验设备

试验采用河海大学研制的大型单剪直剪仪（DHJ-30）。该设备通过数据自动采集系统读取试验中的位移及对应的垂直压力和水平推力，减小读数时人为因素的影响；设备配有自动变频机，可以设定剪切速率，并使剪切速率保持匀速。该试验设备的土样盒尺寸较大，内径300 mm，可在一定程度上减小尺寸效应。混凝土板放置于下剪切盒，土样置于上盒。

单剪试验时，上盒由一系列叠环叠放在一起构成，叠环底面带滚珠，以减小相互间的摩擦，每个叠环厚度为20 mm，内径为300 mm。本次单剪试验使用4只叠环，最顶端叠环顶住仪器固定壁，从而固定土样的顶部，试验时对下盒施加水平推力使土样受剪，如图1所示。

图1 单剪试验示意图

直剪试验时，上盒采用高50 mm、内径300 mm的剪切盒，盒内装样高度为35 mm，试验时上盒固定不动，通过下盒移动进行剪切，如图2所示。

图2 直剪试验示意图

1.2 试样制备

土样用黏土配置，其土粒比重为2.75，液限为49%，塑限为19%。首先对土进行轻型击实试验，得出最优含水率约18%，最大干密度约1.64 g/cm3。试验所用的土样按最优含水率进行配置。

根据土样的体积和土样的最大密度计算试验所需土的质量，将土分三层击实。

1.3 试验方案

每一组单剪试验和直剪试验分别做5个试样，法向压力 σn分别取 100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa。采用固结快剪法，剪切前土样首先在法向压力下固结，固结稳定后保持法向应力不变进行匀速剪切，剪切速率设定为0.6 mm/min。

试验过程中，通过位移传感器实时量测每个叠环或剪切盒的水平位移值，同时采集所对应的水平推力的值，并自动绘制力位移曲线。

2 试验结果

2.1 单剪试验结果

各级法向压力下的应力应变曲线如图3所示，应变为混凝土板的位移与3只叠环厚度的比值。

图3 单剪试验应力应变曲线

各级法向压力下，抗剪强度τf取剪应变为0.45所对应的剪应力值，点绘τf-σn关系曲线如图4所示，得接触面凝聚力77.12 kPa，外摩擦角18.79°。

图4 单剪试验法向应力与抗剪强度关系曲线

2.2 直剪试验结果

根据在每级法向压力下测得水平推力和位移可得各级压力下的应力位移曲线，如图5所示。

图5 直剪试验应力位移曲线

每级法向压力下，抗剪强度τf取应力位移曲线的峰值，点绘τf-σn关系曲线如图6所示，得接触面凝聚力为61.72 kPa，外摩擦角为30.56°。

图6 直剪试验法向应力与抗剪强度关系曲线

3 试验分析

3.1 试验现象分析

3.1.1 直剪试验

1） 接触面积减小。本试验混凝土板尺寸大于土样的尺寸，并且在剪切过程中土样盒的内圆不越过混凝土板的边缘。尽管如此，试验中仍存在接触面积减小现象，这是由于在剪切过程中土样水平向受压产生压缩变形，从而导致接触面积减小，如图7所示。

图7 直剪试验接触面积减小

2）土样受力不均匀。剪切的过程中，土样受力如图8所示。土样右端首先受到土样盒的挤压力，土样在水平方向处于平衡状态，则反力只能通过混凝土板对土样的摩擦力来提供。又因为土体不是刚性体，土体内各点位移不同，受挤压一侧首先发生水平位移并受到板对土的摩擦力，随着剪切的进行，土与混凝土板的相对错动由右端向左端逐渐发生，右侧的接触面摩擦力首先达到最大并发生破坏。

图8 直剪试验中土样受力示意图

3） 实际位移小于测得位移。试验中测得的位移是土样盒与混凝土板之间的相对位移，并非真正的土与结构面之间的相对位移。土体为非刚性体，剪切过程中土样各点的位移量不同，土样受水平推力的一侧位移最大并且等于所测得的位移，相对的另一侧位移最小，土样的实际平均位移小于所测得的位移。

3.1.2 单剪试验

单剪试验中最底层的叠环与混凝土板之间发生的剪切错动类似接触面直剪试验发生的剪切错动，其余叠环与叠环之间发生的剪切错动类似常规直剪试验发生的剪切错动，故单剪试验同样存在接触面积减小、土样受力不均匀以及实际应变小于所测应变的现象，但不如直剪试验明显。

接触面积减小、土样受力不均匀以及所测得的应变（位移）大于实际应变（位移）的现象是接触面单剪直剪试验中存在的缺陷，应有清醒的认识。

3.2 单剪试验与直剪试验结果比较

3.2.1 曲线形式

观察图3及图5，两试验的应力应变（位移）曲线都呈双曲线形式，在试验的起始阶段剪应力增长较快。单剪试验应力应变曲线没有明显的峰值，呈硬化型；对于直剪试验应力位移关系曲线，当位移达到约15 mm时应力达到峰值，之后有略微的软化迹象。这是因为，直剪试验限定了破坏面的位置，土与混凝土板之间发生较大错动位移，接触面强度得到充分发挥；单剪试验的位移是由多个界面之间的错动位移相加形成，故单剪试验中每一个错动面所发生的错动位移相对于直剪试验发生的错动位移小得多，强度发挥的过程较缓慢。

3.2.2 抗剪强度

单剪试验和直剪试验抗剪强度表达式分别为：

将其曲线绘于同一图中，如图9所示，可见：

图9 单剪、直剪试验法向应力与抗剪强度关系曲线

1）单剪试验的凝聚力大于直剪试验的凝聚力，而单剪试验的摩擦角小于直剪试验的摩擦角。

通过试验观察发现，单剪试验接触面的破坏发生在土体中，试验测得的是黏土的抗剪强度参数；直剪试验接触面的破坏发生在土与结构的接触界面上，试验测得的是土与结构接触界面的抗剪强度参数。黏土颗粒小，颗粒之间的凝聚力大而啮合力小；接触面表面粗糙不平，土与结构之间的凝聚力较小而啮合力较大，所以会产生上述现象。

2） 两条强度包线有一个交叉点，令式（1）、式（2）相等便可得该交叉点的法向压力σn为62 kPa。当σn＜62 kPa时，图9曲线显示单剪试验接触面的抗剪强度大于直剪试验接触面的抗剪强度，而实际此时单剪试验的土样内抗剪强度大于土与结构交界面上的抗剪强度，故破坏将发生在土与结构的交界面上，所以此时单剪试验接触面抗剪强度应与直剪试验接触面抗剪强度相当；当σn＞62 kPa时，单剪试验接触面的抗剪强度小于直剪试验接触面的抗剪强度，并且随着法向压力的增大，抗剪强度的差距越来越大。由以上分析可知，单剪试验所得接触面的抗剪强度不会超过由直剪试验所得接触面抗剪强度。

比较单剪、直剪试验所得的曲线形式以及抗剪强度的特点可知，若采用单剪试验所得参数进行工程的设计计算将偏于安全。

3.3 接触面剪切破坏发生的位置

根据以上分析，当σn＜62 kPa时，土与结构接触界面的抗剪强度小于土体内的抗剪强度，无论是单剪试验还是直剪试验，破坏都发生在土与结构的接触界面上；当σn＞62 kPa时，单剪试验接触面的抗剪强度小于直剪试验接触面的抗剪强度，此时土体内抗剪强度小于接触面抗剪强度，破坏将发生在黏土层内部。由于本试验法向压力的起点是100 kPa，所以未观察到破坏发生在土与结构交界面的现象。

这说明在实际工程中，当作用于结构面法向上的土压力较小时，接触面的破坏将发生在土与结构的交界面上；当作用于结构面上的法向土压力较大时，接触面的破坏将发生在土体内。故在工程设计计算时应根据结构面上法向土压力的不同，取用不同的计算参数。

4 结语

1）黏土与混凝土板接触面大型直剪试验剪切过程中，土样在水平方向产生压缩变形，导致土样与混凝土板的接触面积减小；土样受水平推力的一侧首先发生水平位移并受到板对土样的摩擦力，并且该侧接触面摩擦力首先达到最大并发生破坏，土样在剪切过程中受力不均匀；土样与混凝土板之间实际发生的平均错动位移小于试验中所测的错动位移。接触面大型单剪试验过程中也存在剪切面积减小、应力不均匀以及实际应变小于所测应变的现象，但不如直剪试验的明显。

2） 黏土与混凝土板接触面大型单剪直剪试验的应力应变（位移）曲线都呈双曲线型；直剪试验的应力随错动位移的增大增长较快，达到峰值后有略微的软化迹象，单剪试验的应力在应变较小时随应变的增大增长较快，在应变较大时随应变的增大增长缓慢，没有明显的峰值，曲线呈应变硬化型。

3） 黏土与混凝土板大型接触面试验中，单剪试验的凝聚力大于直剪试验的凝聚力，而单剪试验的摩擦角小于直剪试验的摩擦角；当结构面上法向土压力小于某一值时，单剪试验接触面的抗剪强度与直剪试验接触面的抗剪强度相当，法向土压力大于该值时，单剪试验接触面的抗剪强度小于直剪试验接触面的抗剪强度。

4） 该试验说明当作用于结构面法向上的土压力较小时，接触面的破坏将发生在土与结构的交界面上；当作用于结构面上的法向土压力较大时，接触面的破坏将发生在土体内，在工程设计计算时应予以考虑，取用不同的计算单元以及模型和参数。

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