土与结构接触面力学特性环剪试验研究

摘要：利用环剪仪对不同的土与混凝土接触面的力学特性进行了研究。分别对有泥皮及没有泥皮的接触面情况进行试验，并对剪切面位于黏土内的情况进行了试验。结果表明，不同接触面的应力-应变特性差异很大，泥皮的存在明显改变了接触面的性状；对没有泥皮的情况，剪切破坏面可能发生在土体内部，也可能发生在土-混凝土接触界面；而有泥皮时，破坏面始终发生在泥皮内部。试验的各种接触界面中，破坏时平均剪应力与法向应力具有较好的线性关系， 接触面强度可用摩尔-库仑准则较好地描述；当有泥皮存在时，摩擦角为没有泥皮时的63.4 %。

关键词：环剪仪；接触面；应力应变关系；摩擦强度；摩擦角

1 引 言

土与结构物之间接触面性状的准确模拟对合理准确地分析土与结构的共同作用有重要影响。很多实际工程设计中需要考虑接触面、土与结构相互作用的问题，如面板堆石坝中的面板与碎石垫层[1]、桩及混凝土防渗墙等与地基土之间[2-3]。国内外关于接触面的研究很多，已取得了不少研究成果[4-9]。

国内外，钻孔灌注桩和混凝土防渗墙的施工广泛采用泥浆护壁的工艺，这种工艺在护壁的同时也常常在孔壁上残留泥浆套层——泥皮，泥皮的存在改变了土-结构相互作用的性状。因此，有关泥皮的变形及强度的性质近年来有些研究[2-5， 10]，但仍不成熟。

早期的接触面研究多用直剪仪[11]。该仪器不仅使得接触面附近的土体应力不均，而且其变形条件与实际情况出入较大。因此，近年来，利用单剪试验进行接触面应力变形-强度特性的研究较多[1，4， 8， 12]。单剪试验中土体变形条件与实际比较接近，但接触面上的应力分布仍不均匀，尤其在剪切变形较大时。相比之下，环剪试验能够保持接触面上应力均匀。

本文对土体内部、土体与混凝土和泥皮土与混凝土块3种接触类型的接触界面力学特性进行了排水环剪试验，对土与不同结构接触界面的摩擦强度、强度指标以及变形机制进行了初步分析和探讨，分析了泥皮对钻孔灌注桩承载力的影响以及桩-土剪切破坏面的位置。为了叙述方便，约定土体内部的剪切面称为“土体内部接触界面”，土与混凝土之间夹有一薄层泥皮的剪切面称为“泥皮土与混凝土接触界面”。

2 试验设备

试验是在河海大学HJ-1型环剪仪上进行。该仪器受力条件好、操作方便。扭矩、垂直及剪切位移均通过计算机采集。HJ-1型环剪仪试验容器见图1、2。

与传统反复直剪仪相比，该设备的明显优势是在剪切过程中可以在一个方向进行连续剪切；并且剪切面积固定不变，还可施加较大的荷载（最大法向应力和水平荷载均为1 000 kPa），可研究大变形条件下的强度降低问题等优点。因此，环剪仪是研究残余强度较好的仪器。

3 试验方案

试验所用土料取自双江口大坝工程心墙塑性黏土料。主要物理性指标如下：土料相对密度为2.70，液限为34.3 %，塑限为20.3 %，塑性指数为14，为低液限黏土。

按含水率19 %配制试验用土料，装入塑料袋中密封保养1～2 d，使土样充分吸收水分均匀后，采用静压样法控制试样干密度至1.64 g/cm3，分别制作成外径为 95 mm，内径为 55 mm，高为10 mm和20 mm的两种尺寸的环状土样。试验时，土样放在上剪切盒，其顶面通过透水板上的刀刃切入固定在上剪切盒。

在制作混凝土块时，考虑到试块尺寸较小，因此，用M20的筑砌砂浆环状试验块来代替混凝土试验块。为了制作环状试验块，还专门研制了一套模具，其外径为 95 mm，内径为 55 mm，高为10 mm。为保证其表面有一定的粗糙度符合工程实际，打毛了其表面。试验时，混凝土试验块放在下面的剪切盒，其下底面通过4个销钉固定于下剪切盒，不考虑表面粗糙度的影响，整个试验中，混凝土试验块没有更换，但每次试验结束后都要对其表面进行清理。试验泥皮采用水和膨润土拌合而成。试验时，将制好的泥皮按设计的厚度平铺在混凝土试验块上，泥皮厚度控制在约1～2 mm。

试验内容包括：①土体内部的剪切试验；②土体与混凝土的剪切试验；③泥皮土与混凝土的剪切试验。

试验采用应变控制式的环剪仪，平均剪切速率 = 0.021 mm/min，加载时间控制在10 h，即平均剪切位移为12.5 mm时，停止试验。在4个法向应力50、100、200、400 kPa下固结后进行剪切试验，测定土与不同结构接触界面应力-应变关系曲线。土与结构接触界面剪切时，分别置于上、下剪切盒，结构表面要预先凿平，严格控制接触界面水平。装样后待土体法向变形完成后开始剪切，剪切时上盒固定不动、下盒转动，记录整个试验过程中时间 所对应的扭距 和法向位移，并得到各接触界面平均剪应力-平均剪切位移之间的关系，以及平均剪切位移-法向位移之间的关系。

4 试验结果分析

4.1 试验数据

对土体内部、土与混凝土及泥皮土与混凝土3个不同接触类型分别在4个法向应力下进行了共12组环剪试验。下面根据试验数据列出了各接触界面抗剪强度和抗剪强度指标，分别见表1～2。

（1）土体在低法向压力下的软化特性比高法向压力下的软化特性明显。这可能是由于土体颗粒之间的胶结作用和孔压消散的程度致使有效应力的不同所引起的。众所周知，岩土抗剪强度由凝聚力和摩擦力组成。其中由胶结力提供的凝聚力成份具有脆性，在变形不大时就达到峰值，而摩擦力成份只有在发生相当大的变形后才能充分发挥出来，具有塑性。在排水条件下，当法向压力较低时，孔压较大，有效围压较小，土体颗粒之间的胶结强度基本不破损，在剪切过程中胶结强度发挥了重要作用，因此，在较低法向压力时表现为很强的应变软化现象；当法向压力较高时，孔压较小，有效围压较大，胶结强度会受到了破损，在剪切过程中摩擦力成份发挥重要作用，因此在高法向压力时表现为塑性流动或稍软化。

（2）土体与混凝土接触界面表现为较好的应变硬化现象，基本上不随法向压力的变化而改变。这可能是由于其接触界面的吸附强度较小，在剪切过程中摩擦强度起重要作用，因此，（3）泥皮土与混凝土接触界面表现为应变软化现象，并随法向压力的增大有增强的趋势。这可能是由于泥皮土本身的特性决定的。泥皮土与结构的刚度差别很大且结构物渗透系数非常小，导致土体与结构间的吸附强度不能充分发挥，在剪切过程中摩擦强度起主要作用，泥皮具有作用，使得泥皮土与混凝土接触界面强度降低，表现为应变软化现象。又由于接触界面咬合作用引起表观黏聚力随法向压力的增大而增大，因此，泥皮土与混凝土接触界面的应变软化现象随法向压力的增大有增强的趋势。在泥浆护壁钻孔灌注桩工程施工中，应该考虑泥皮对钻孔灌注桩承载力的影响。

4.3 接触界面抗剪强度及强度指标

表1、2给出了各接触界面抗剪强度及抗剪强度指标。从表中可知：①泥皮土与混凝土接触界面抗剪强度总是小于土体的内部、土体与混凝土接触界面抗剪强度。这说明，钻孔灌注桩工程中，桩-土破坏面始终发生在桩侧泥皮内，这主要是因为桩侧泥皮存在时在桩-土之间形成一薄弱层，导致桩-土之间在较小相对位移下即易产生滑移，使得桩侧阻力降低；②泥皮土与混凝土接触界面峰值抗剪强度为土与混凝土接触界面抗剪强度的62.5 %～80.4 %，法向应力越大，接触界面抗剪强度软化现象越明显，其软化系数约为0.9，这说明桩侧泥皮的存在，将使桩侧阻力降低，约降低0.9倍，并且导致桩-土体系产生渐近破坏，因此，在钻孔灌注桩工程中，不能忽略护壁泥浆在钻孔时形成的泥皮对摩阻力的影响；③随着法向应力的增加，土体内部接触界面抗剪强度先大于、随后又小于土与混凝土接触界面抗剪强度。总的来说，对于本文试验，二者差值不太明显。这说明，对于一般桩基工程，桩-土破坏面可能发生在桩-土接触界面或桩侧土体内部，可以把桩周土层的极限抗剪强度当成桩身的摩阻力；④对于本试验，各接触界面的抗剪强度均随法向压力的增加而线性增大。

图4给出了各接触界面抗剪强度与法向应力及线性拟合曲线。由图可知，各接触界面的平均剪应力与法向应力关系具有较好的线性关系，说明泥皮的存在对平均剪应力与法向应力之间的关系没有影响。因此，各接触界面的平均剪应力可用摩尔-库化强度准则来描述。当有泥皮存在时，接触界面摩擦角大大降低，约为没有泥皮时的63.5 %。对于本文试验，泥皮的存在对黏聚力影响不太大。可见，钻孔灌注桩工程中，泥浆的作用是导致桩侧摩阻力的下要因素。

4 结 论

通过环剪仪对土与不同结构接触界面的力学特性进行了相关试验分析，试验结果表明：

（1）土与混凝土接触界面关系曲线总体上表现为硬化型，可用双曲线拟合；当有泥皮存在时，桩土接触面的 关系曲线表现为软化现象；随着垂直压力的增大，软化现象逐渐增强。

（2）当有泥皮时，桩土接触面的剪切强度明显下降，并随着垂直压力的增大而增大。说明桩侧泥皮的存在，会使桩侧阻力降低，在钻孔灌注桩工程中，不能忽略护壁泥浆在钻孔时形成的泥皮对桩侧摩阻力的影响。

（3）各接触界面的抗剪强度与法向压力之间表现较好的线性关系，可以用摩尔-库仑强度准则描述。对于本试验，泥皮土与砼接触面外摩擦角约为没有泥皮时的63.5%，泥皮的存在对黏聚力影响不太大，泥皮的影响主要表现在对外摩擦角的影响。

（4）接触界面力学特性的研究是个复杂的课题，尤其是当有泥皮存在时，还需进一步进行试验分析。