魏 巍，楊保存，楊曉松

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

在工程實踐中，土體與結構相互作用問題廣泛存在于巖土工程領域，如土與樁基礎、渠基土與混凝土襯砌結構、土與地下管道等，因其數(shù)學描述涉及到不連續(xù)、非線性和大變形等復雜力學問題，一直是巖土領域研究的熱點課題[1-2]。土體與結構物在變形和強度特性上相差懸殊[3]，導致土體與結構之間反映出既不同于土體、又不同于結構的力學響應，因此分析土與結構相互作用既不能單純探究土體自身的力學性能，也不能單獨分析結構對土體的作用，需要將土體與結構作為一個整體進行研究。土與結構接觸面作為土體與結構相互作用傳遞荷載及變形的媒介，其反映出土體與結構物在相互作用時表現(xiàn)出的力學特性。在外部荷載作用下，由于結構對土體強烈的約束作用造成土與結構接觸面出現(xiàn)局部脫離、滑動、錯位、張閉等非連續(xù)性變形現(xiàn)象[4]，這些現(xiàn)象會大大減弱接觸面的荷載傳遞和變形協(xié)調(diào)功能，最終嚴重威脅巖土工程結構的安全性和穩(wěn)定性。因此研究土體與結構接觸面的力學特性對解決土體與結構相互作用問題具有指導意義。

國內(nèi)外學者針對土體與結構接觸面力學特性問題，通過室內(nèi)直剪試驗、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特性試驗研究；Uesugi等[6-7]以砂土與結構接觸面作為研究對象，深入探究了土體級配、相對密實度、含水率和結構面粗糙度等因素對接觸面剪切強度的影響規(guī)律；Taha等[8]進行了海洋黏土與鋼板接觸面剪切試驗，深入研究了法向應力、超固結比、含鹽量以及粗糙度對接觸面剪切強度的影響；國內(nèi)學者盧廷浩等[9]通過改進的直剪儀進行黏土與混凝土接觸面力學特性試驗研究，得出土體含水率是影響土與混凝土接觸面力學參數(shù)的重要因素；朱彥鵬等[10]對不同配比及不同含水率的黃土-紅砂巖改良土進行了室內(nèi)直剪試驗研究，深入探究了黃土-紅砂巖改良土在工程應用中的適宜性；夏紅春等[11]研究了不同法向應力、不同粗糙度、不同接觸面材料以及不同剪切速率對土與結構接觸面力學特性的影響。

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

1 試驗研究

1.1 試驗土樣

試驗用土取自新疆阿拉爾市周邊，滿足試驗要求?？紤]到當?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試驗結果的影響，故需要對土進行洗鹽處理，直至使土中的含鹽量小于0.3%。將洗鹽處理過的土自然風干，之后做碾碎處理，過2 mm的土篩。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》[12](SL 237—1999)進行土的顆粒級配試驗和擊實試驗等土的基本物理性質(zhì)試驗?；镜奈锢硇再|(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，為加強混凝土密實性，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，按照標準程序養(yǎng)護28 d，選取厚度為20 mm的作為最終混凝土試塊?？紤]到目前針對結構表面粗糙度沒有一個統(tǒng)一的定量方式，故不考慮結構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統(tǒng)一，為減小混凝土表面粗糙度對實驗結果的影響，選擇同一枚混凝土試塊進行試驗，如圖1所示，混凝土表面相對光滑。按照試驗要求，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質(zhì)量的土樣緩緩倒入預先準備的高樣品環(huán)刀倉中，使用壓平機制成直徑為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，插上銷釘，將裝有土樣的環(huán)刀刃口朝上居中對齊剪切盒盒口，使用直剪盒上部傳壓板將環(huán)刀內(nèi)部土樣緩緩推入直剪盒上盒內(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

試驗選用應變控制式直剪儀，剪切速率為0.8 mm/min。為保證試驗土樣含水率的精確性，對符合試驗要求含水率的土樣應盡量當天試驗，減少因空氣干燥導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由于二者含水率的不統(tǒng)一導致接觸面水分不均勻，將混凝土試塊預先埋置在與試驗土樣相同含水率的細沙中。每次試驗前后用毛刷將混凝土塊表面進行清理，保證粉細砂與混凝土充分接觸。

1.3 試驗方法

本次試驗采用正交試驗方法對試驗做合理的安排設計。研究含水率、干密度以及法向應力3種因素對粉細砂-混凝土接觸面剪切強度的影響規(guī)律和作用水平，根據(jù)試驗方案確定因素種類和水平個數(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，能夠更直觀地分析試驗結果[13]。正交試驗因素水平表見表2。

2 試驗結果分析

2.1 影響因素分析

為分析各影響因素對粉細砂-混凝土接觸面剪切強度的影響程度，根據(jù)各影響因素不同水平下接觸面剪切應力-剪切位移的關系曲線，選取剪切強度作為考核指標，剪切強度取每條剪切應力-剪切位移曲線的峰值點，曲線若無峰值點，則取剪切位移4 mm處對應的剪切應力，通過直剪試驗得到相關試驗數(shù)據(jù)并匯總到正交表。正交表試驗數(shù)據(jù)列于表3。

表2 正交試驗因素水平表

表3 極差分析表

為確定各因素對粉細砂-混凝土接觸面剪切強度的影響程度，對正交表試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，其中，K為各因素不同水平下剪切強度總和，k為各因素不同水平下剪切強度總和的平均值，以此確定各因素的極差值，極差值越大說明該因素對試驗指標的影響越大，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，法向應力對粉細砂-混凝土接觸面的剪切強度影響程度最大，其次是含水率，干密度的影響最小，含水率與干密度對接觸面剪切強度的影響相近。由于極差分析只是一種直觀性分析方法，不能區(qū)分因素各水平所對應的試驗結果差異來源的不足。故采用方差分析方法對試驗數(shù)據(jù)進一步分析。

試驗共設置含水率、干密度以及法向應力三個因素，每個因素各有5個水平(na=5)，每個水平做5次試驗(a=5)，共計25組試驗(n=a×na=5×5=25)。其計算過程為：

(1) 計算離差的平方和

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 試驗誤差的離差平方和SE

SE=ST-S因

(3)

(2) 計算自由度

試驗總自由度：

f總=n-1=25-1=24(n為試驗總數(shù))

(4)

各因素自由度：

f因=na-1=5-1=4(na為水平數(shù))

(5)

試驗誤差自由度：

fE=f總-f因=24-12=12

(6)

(3) 計算平均離差平方和(均方)MS

(7)

(8)

(4) 求F值

(9)

其大小反映了各因素對試驗結果的影響程度的大小。

(5) 對因素進行顯著性檢驗

給出檢驗水平α，以Fα(f因，fE)查F分布表：

若F>Fα(f因，fE)說明該因素對試驗結果的影響顯著。計算結果，如表4所示。

表4 方差分析表

方差分析結果列于表4。選取檢驗水平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：干密度對接觸面剪切強度影響不顯著,含水率對接觸面剪切強度具有較顯著影響，法向應力對接觸面剪切強度具有顯著影響。

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

2.2 剪切強度分析

通過上述顯著性分析發(fā)現(xiàn)，法向應力是影響粉細砂-混凝土接觸面剪切強度的重要因素之一。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，粉細砂-混凝土接觸面剪切應力水平隨法向應力的變化呈現(xiàn)顯著的差異，符合上述顯著性分析結果。剪切應力-剪切位移關系曲線形態(tài)在低法向應力下表現(xiàn)出輕微應變軟化，由曲線可得：隨著法向應力的增大，曲線峰值點所對應的剪切位移越大；在高法向應力下顯示出輕微應變硬化形態(tài)。以干密度1.60 g/cm3，含水率12%試驗結果為例，見圖3。出現(xiàn)上述的主要原因是：粉細砂土與混凝土剪切強度主要是來源于二者之間的摩阻力。隨著法向應力的增大，粉細砂土與混凝土接觸更加密實，帶動了接觸面更多的土顆粒發(fā)生翻轉、滾動，促使接觸面土顆粒重新排布，進而增大了粉細砂土與混凝土之間的摩阻力，導致接觸面剪切強度隨剪切位移的增大而增強。

圖3 不同法向應力下剪切應力-剪切位移關系曲線

通過圖4發(fā)現(xiàn)，在相同含水率，相同干密度，不同法向應力作用下，粉細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，粉細砂土與混凝土接觸面僅僅發(fā)生了少量土顆粒的擾動。隨著法向應力的增大，剪切破壞由接觸面延伸到一定厚度的土體中，且隨著法向應力增大土體發(fā)生破壞的深度和面積越大。粉細砂土與混凝土相互作用時，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，而粉細砂土作為一種彈塑性體，其體積容易發(fā)生變化，當施加的法向應力越大，粉細砂土與混凝土發(fā)生剪切作用時，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時會帶動土體表面一定厚度的土顆粒發(fā)生轉動，從而在粉細砂土與混凝土接觸面形成一定厚度的剪切帶。通過多組試驗對比發(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力的增加而增大。這與趙程等[15]結論基本一致。

圖4 不同法向應力下粉細砂-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，粉細砂土與混凝土接觸面剪切強度隨含水率的變化在每一級荷載下波動較小，接觸面剪切強度關系曲線均呈現(xiàn)一致性規(guī)律，即隨著含水率增大，接觸面剪切強度先增大后減小，剪切強度的極大值出現(xiàn)在粉細砂土的最優(yōu)含水率附近，且隨著法向應力的增大，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：在法向應力一定的情況下。當含水率較低時，土顆粒之間的孔隙較大，土體與混凝土接觸不夠充分，導致土與結構之間摩阻力較小，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，隨著法向應力的增大，在含水率與法向應力的共同作用下，土體與混凝土之間摩阻力不斷增大，但當土體含水率超過最優(yōu)含水率時，粉細砂土內(nèi)部孔隙的自由水過多，在法向應力作用下，多余的水被擠壓出來，從而對粉細砂土與混凝土接觸面起到了潤滑的作用，隨著法向應力的增大，粉細砂土內(nèi)部更多的水被擠壓出來，增強了接觸面的潤滑效果，導致接觸面剪切強度逐漸減小且減小幅度隨應力水平增大而增大。

圖5 不同法向應力下接觸面剪切強度隨含水率變化的關系曲線

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

圖6 不同法向應力下接觸面剪切強度隨干密度變化的關系曲線

3 結 論

本文以粉細砂土-混凝土接觸面為研究對象，開展不同含水率、干密度及法向應力工況下的直剪試驗研究。通過對試驗結果的整理分析得出的主要結論有：

(1) 綜合極差分析和方差分析可得，三種試驗因素對粉細砂土-混凝土接觸面剪切強度影響的主次順序為法向應力>含水率>干密度，含水率及法向應力對接觸面的剪切強度影響顯著，干密度影響不顯著。

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

(3) 粉細砂土與混凝土發(fā)生剪切作用時，由于混凝土表層土顆粒受到混凝土的約束作用，在高法向應力下，粉細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力的增加而增大。

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