粗糙度對(duì)鋼-砂土界面剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究

榮文濤

（山東交通職業(yè)學(xué)院 公路與建筑系，山東 濰坊 261206）

引言

在樁基礎(chǔ)施工過程中的基樁、橋臺(tái)臺(tái)背與路基填土之間等其它工程施工過程中，結(jié)構(gòu)物與土體會(huì)產(chǎn)生一定的界面剪切，當(dāng)抗剪強(qiáng)度達(dá)到剪切破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)物-土體會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此提高其界面抗剪強(qiáng)度尤為關(guān)鍵［1-2］。

眾多學(xué)者針對(duì)于此類問題做出了很多研究，其中針對(duì)于結(jié)構(gòu)物-砂性土的界面剪切眾多。馬剛等［3］采用利用隨機(jī)粗粒土三維數(shù)值試樣，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)物-土體界面剪切模擬試驗(yàn)并分析了單剪和直剪下的力學(xué)特性，在宏觀和細(xì)觀兩個(gè)角度分析了數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果。楊硯宗［4］利用大型直接剪切儀器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)物-砂土的界面剪切試驗(yàn)，得出了隨界面粗糙度的增加，初始剪切模量和峰值剪切應(yīng)力都增大。郭聚坤等［5］分析了不同砂粒組、粗糙度和法向應(yīng)力下的鋼-砂界面剪切應(yīng)力與位移關(guān)系、粗糙界面剪切面性狀以及粗糙界面抗剪強(qiáng)度構(gòu)成。胡順洋等［6］在常應(yīng)力狀態(tài)下的進(jìn)行了接觸面直剪試驗(yàn)，研究鋼-土體界面的剪切特性。王瑞等［7］利用改進(jìn)的直剪儀器，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)砂與木、鋼及混凝土界面剪切試驗(yàn),分析了剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了對(duì)數(shù)-雙曲線的，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備準(zhǔn)備

采用界面剪切設(shè)備是改進(jìn)的直接剪切儀。下盒改進(jìn)后可以放置一定規(guī)格的鋼結(jié)構(gòu)物，如圖1 所示。

1.2 材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用結(jié)構(gòu)物為鋼與混凝土，其中鋼為Q235A 碳素結(jié)構(gòu)鋼，表面利用刻刀刻制5 道和7 道的均等距離的紋路，見圖2。土體采用廈門標(biāo)準(zhǔn)砂，內(nèi)摩擦角為17°，干密度為1.684 g/cm3，Cu和Cc分別為5.70 和0.54。

圖2 試驗(yàn)所用結(jié)構(gòu)物

1.3 試驗(yàn)方案

上盒放入廈門標(biāo)準(zhǔn)砂，下盒放入不同粗糙界面的鋼試塊。分別在法向應(yīng)力50 kPa、100 kPa、150 kPa及200 kPa 下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，共計(jì)8 次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

界面剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系見圖3。通過圖3分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一種粗糙界面，隨著法向應(yīng)力增大，剪切應(yīng)力并逐漸增大，體現(xiàn)了明顯的硬化規(guī)律。對(duì)于同一法向應(yīng)力條件下，粗糙度2 的界面剪切應(yīng)力要比粗糙度1 的大。

圖3 界面剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

圖4 為峰值剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系。由于多采用土體為標(biāo)準(zhǔn)砂，因此采用等效摩擦系數(shù)公式進(jìn)行界面抗剪強(qiáng)度的確定，界面黏聚力為零，公式：

圖4 峰值剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系

通過圖4 分析發(fā)現(xiàn)：相關(guān)系數(shù)R2均在0.97 以上，擬合效果良好。通過計(jì)算得出粗糙度1 時(shí)的界面摩擦角為21.06°，粗糙度2 時(shí)的界面摩擦角為26.06°，對(duì)比兩個(gè)粗糙度界面，說明粗糙度大的界面抗剪強(qiáng)度越大。

3 界面剪切應(yīng)力應(yīng)變擬合關(guān)系

由于界面剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線軟化階段近似于一水平線，說明到達(dá)峰值剪切應(yīng)力后其值基本不變，為了進(jìn)一步分析界面剪切應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)行擬合：

硬化階段對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系擬合曲線如圖5 所示。分析發(fā)現(xiàn)，硬化階段采用對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)進(jìn)行界面剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的表述很合理，走勢(shì)基本與試驗(yàn)點(diǎn)相同，相關(guān)系數(shù)R2均在0.9 以上，說明擬合效果良好。為了更好描述本擬合關(guān)系的合理性，將試驗(yàn)峰值剪切應(yīng)力與得出的常數(shù)C作差并對(duì)其取絕對(duì)值，見表1，分析發(fā)現(xiàn)：在5.5 kPa 之內(nèi)，峰值剪切應(yīng)力差值不大，擬合關(guān)系良好。

表1 試驗(yàn)與擬合公式峰值剪應(yīng)力比較

圖5 硬化階段對(duì)數(shù)擬合關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于同一種粗糙界面，隨著法向應(yīng)力增大，剪切應(yīng)力并逐漸增大，體現(xiàn)了明顯的硬化規(guī)律。對(duì)于同一法向應(yīng)力條件下，粗糙度2 的界面剪切應(yīng)力要比粗糙度1 的大。（2）采用等效摩擦系數(shù)公式進(jìn)行界面抗剪強(qiáng)度的確定，粗糙度大的界面抗剪強(qiáng)度越大。（3）硬化階段采用對(duì)數(shù)函數(shù)，軟化階段采用常數(shù)合理，擬合效果良好。