土_结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验_夏红春

第３９卷第６期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．６２０１０年１１月 Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏｖ．２０１０土－结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验夏红春１，２，周国庆１（１．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州　２２１００８；２．聊城大学建筑工程学院，山东聊城　２５２０５９）摘要：利用ＤＲＳ－１型超高压直残剪试验系统，研究了不同试验条件下土－结构接触面的剪切力学特性，采用归一化方法获得了剪切强度和剪切位移之间的相关关系．结果表明：当法向应力σ＜３ＭＰａ时，剪切应力－位移曲线呈应变软化型；当σ＝３～５ＭＰａ时，基本呈线性强化型；而当σ≥８ＭＰａ时，基本呈应变硬化特性；结构面粗糙度影响接触面的本构关系及剪切强度，在同一法向应力条件下，剪切强度随粗糙度的增加而增大，但随着法向应力的增加，其影响程度逐渐降低；一定范围内剪切速率（ｖ＝０．０２～１．２ｍｍ／ｍｉｎ）的改变对本构关系及剪切强度基本无影响；对于颗粒细小的硅粉－结构接触面，剪切应力－位移曲线基本不受粗糙度及法向应力等影响，基本呈现出理想的弹塑性特征，但剪切强度随着法向应力的增加而增大．关键词：标准中砂；硅粉；接触面；法向应力；粗糙度；剪切速率中图分类号：ＴＵ　４５９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１０）０６－０８３１－０６Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｈｅａｒ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｔ　ａＳｏｉｌ－Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ＴｈｅｍＸＩＡ　Ｈｏｎｇ－ｃｈｕｎ１，２，ＺＨＯＵ　Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ１（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｆｏｒ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｅｅｐ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２５２０５９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＲＳ－１ｈｉｇｈ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｈｅａｒ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｈｅａｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｎｏｒ－ｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ，σ，ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　３ＭＰａ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　ｉｓ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ３ｔｏ　５ＭＰａ　ｌｉｎｅａｒ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｉｓ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｓｔｒａｉｎ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｏｃｃｕｒｓ　ｗｈｅｎσｉｓ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ，ｏｒ　ｅ－ｑｕａｌ　ｔｏ，８ＭＰａ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｆｏｒ　ｉｄｅｎｔｉｃａｌ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｔ　ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ａｓ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ａｓｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅａｒ　ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ（ｖ＝０．０２～１．２ｍｍ／ｍｉｎ）ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｎｅｉｔｈｅｒｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｎｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｓｏｉｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ａ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｏｗｄｅｒ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｈｏｗｓ　ｎｅａｒｌｙ　ｉｄｅａｌ　ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ：Ｉｔ　ｉｓａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｎｅｉｔｈｅｒ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｎｏｒ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ－ｆａｃｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ．收稿日期：２００９－１２－２５基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３）项目（２００２ＣＢ４１２７０４）；国家自然科学基金项目（５０９７４１１７）；国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＢ１６Ｂ０１）作者简介：夏红春（１９７０－），男，江苏省徐州市人，副教授，工学博士，从事岩土工程方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｎｇｃｈｕｎ．ｘｉａ＠１６３．ｃｏｍ　Ｔｅｌ：１５２０６５２６８８７ 中国矿业大学学报 第３９卷Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｎｄａｒｄ　ｍｅｄｉｕｍ　ｓａｎｄ；ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｏｗｄｅｒ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ；ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｓｈｅａｒｖｅｌｏｃｉｔｙ随着国民经济和基础设施建设的高速发展，城市地铁隧道、大长山岭隧道、越江越海隧道等交通工程；地下指挥所、地下掩体与防护等军事工程；地下粮、油、气储藏和废料深埋处置工程；大直径深桩基、大型深基坑、深水码头等基础工程；深部井筒、巷道等资源开发工程的建设深度越来越深、规模越来越大、地质条件越加恶劣、环境条件愈加复杂．外荷载的复杂性和不确定性是影响立井井筒及深部地下工程安全稳定的重要根源，其本质是深部地下工程结构与围岩土体相互作用的性质．而在其相互作用过程中起决定作用的则是岩土介质与工程结构的接触性状，因在荷载作用下，土与结构界面将发生既不同于土、又不同于结构材料的力学响应．土与结构接触面的力学特性，涉及到非线性、大应变、局部不连续等力学前沿问题，是土体与结构物相互作用研究的核心课题之一．进行土与结构接触面基本力学特性的室内试验是研究接触面力学特性的基本规律及其影响因素的主要途径．直剪试验作为一种量测材料之间接触面力学特性的主要手段，尽管存在着一些缺陷［１－３］，但由于其简单易行，试验的可重复性较强等，一直倍受青睐，国内外学者（如ＰＯＴＹＯＮＤＹ［４］、ＣＬＯＵＧＨ和ＤＵＮ－ＣＡＮ［５］、殷宗泽［６］等）利用直剪仪对各种材料之间接触面力学特性进行了较为广泛的试验，取得了一些重要结论，为工程实践提供了宝贵资料．然而，上述学者进行的土－结构接触面力学特性试验涉及的法向应力往往很低（一般只有几百ｋＰａ），对高应力条件下土－结构接触面的力学特性尚缺乏系统的研究．本文较为系统地研究了不同应力条件下不同粗糙程度的结构－土接触面的力学特性及其影响因素．１试验系统及方法试验所用主要设备为中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室研制的ＤＲＳ－１型超高压直残剪试验系统，该系统由主机、控制系统、测量系统以及数据采集系统４部分组成．法向应力：０～３０ＭＰａ，剪切速率：０．００１～１．９９９ｍｍ／ｍｉｎ，荷载及位移量测精度分别为１％和０．５％［７］．为使试验具有可重复性，以便于研究结果的评价与比较，试验材料主要选用福建标准中砂．考虑到混凝土试块的可重复利用性差，本文用粗糙钢板代替混凝土结构面．采用旋转粗糙钢板与剪切方向成不同的角度θ，以模拟不同粗糙程度的结构面［８］．试验结果表明，该方法可以较好的模拟不同粗糙程度的混凝土结构面与土的剪切力学特性［９］．２试验结果的初步分析用标准砂进行了不同粗糙程度的结构面在法向应力为０．８，１，３，５，８，１０，１２以及１５ＭＰａ等８种情况下的直剪试验，每组试验都进行了平行试验（至少进行３次），取其均值，试验的可重复性较好，试验结果如图１所示．图中Δｓ为剪切位移，ｄ为试样直径，σ为法向应力，τ为剪切应力，Ｄ为结构面粗糙度，标准砂的初始密度为Ｄｒ＝０．３５５，处于中密状态，剪切速率均为１．２ｍｍ／ｍｉｎ．图１　土－结构接触面归一化剪切应力－位移曲线Ｆｉｇ．１τ／σ－Δｓ／ｄｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ由图１可见，随着作用在结构面上的法向应力及结构面粗糙程度不同，土－结构接触面呈现出复杂多变的力学响应．总体表现为：在同样的粗糙程度条件下，随着法向应力的增加，应变软化特性逐渐减弱而硬化特性逐渐增强，即由应变软化型（σ≤１ＭＰａ）转变为线性强化型（σ＝３～５ＭＰａ）进而发展成应变硬化型（σ≥８ＭＰａ）．而在法向应力一定的条件下，由于结构面粗糙程度的差异，土－结构接触面的力学特性也不相同：当法向应力σ≤１ＭＰａ时，基本表现为随着结构面粗糙程度的增加，应变软化特性增强；当法向应力σ≥３ＭＰａ时，剪切应力－位移的曲线形式基本不再随结构面粗糙程度的２３８第６期 夏红春等土－结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验不同而发生变化，由线性强化型（σ＝３～５ＭＰａ）转化为应变硬化型（σ≥８ＭＰａ）的双曲线形式．因此，土－结构接触面的剪切力学特性与结构面的粗糙程度以及法向应力等因素有关，下面将对其做进一步研究．３影响土－结构接触面剪切力学特性的主要因素３．１法向应力前述研究表明，作用在土－结构接触面上的法向应力是决定接触面剪切力学特性的重要因素之一．在其它条件（土性、结构面粗糙程度、剪切速率等）相同的情况下，由于作用在其上的法向应力不同，接触面的剪切应力－剪切位移关系曲线的量值和表现形式明显不同．图２为剪切位移相同时，不同粗糙程度的结构面对应的剪切应力与法向应力关系曲线．由图１可以看出，当σ＜３ＭＰａ时，剪切应力具有明显的峰值应力，而当σ≥３ＭＰａ时，剪切应力无明显的峰值应力，为便于比较，图２中的剪切应力均取σ＝１ＭＰａ的峰值应力所对应剪切位移处的剪切应力．图２　剪切位移相同时剪切应力与法向应力关系曲线Ｆｉｇ．２τ－σｃｕｒｖｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｓｈｅａｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ图２表明，对于不同粗糙程度的结构－土接触面，无论结构面的粗糙程度如何，当剪切位移相同时，其剪切应力均随法向应力的增加而明显增大，对图２中的曲线进行了线性回归，结果见表１．表１　剪切位移相同时剪切应力与法向应力关系回归结果Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｓａｍｅ　ｓｈｅａｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ结构面粗糙程度剪切应力与法向应力关系式相关系数Ｒ２Ｄ＝１．０１２τ＝０．５１７　９σ－０．０３８　９　０．９９４　４Ｄ＝１．０４３τ＝０．４５２　７σ＋０．１２３　８　０．９９７　１Ｄ＝１．１２２τ＝０．３２２　９σ＋０．４３７　３　０．９８８　１Ｄ＝１．１５９τ＝０．３１７　８σ＋０．５３２　６　０．９７１　５由表１可以看出，当剪切位移相同时，剪切应力与法向应力呈较好的线性相关关系，其相关系数均达０．９７以上．综合图１的试验曲线以及表１剪切位移相同时剪切应力与法向应力关系的回归结果不难看出，接触面法向应力的变化不仅导致其剪切应力－位移曲线表现出不同的形式，而且对于同样粗糙程度的结构面，随着法向应力的增加，其剪切应力明显增大．因此，不能用统一的本构模型来描述土－结构接触面的力学特性，而应根据其实际的受力状态以及结构物表面的粗糙程度建立相应的本构方程［１０－１１］．３．２结构面粗糙度前已述及，结构物表面的粗糙程度直接影响一定法向应力条件下的接触面力学特性，主要表现为，当σ≤３ＭＰａ时，由于结构面粗糙程度的不同，土－结构接触面在表现出明显不同的力学特性的同时其剪切应力也发生明显的变化，基本表现为随着结构面粗糙程度的增加，剪切应力增强．而当σ≥８ＭＰａ时，结构物表面的粗糙程度基本不再改变接触面的力学特性，接触面的剪切应力－位移曲线呈应变硬化型．因此，有必要对结构面粗糙度对土－结构接触面力学特性的影响作进一步探讨．由表１可以看出，尽管表中剪切应力与法向应力的关系式形式相同，但式中的系数明显不同，由此说明，在同样的法向应力条件下，由于结构面粗糙程度的不同，土－结构接触面的剪切应力也不一样．不妨将表１中剪切应力与法向应力的关系式统一用式（１）表达τ＝ａσ＋ｂ，（１）式中　ａ，ｂ取值显然与Ｄ有关，其关系曲线见图３．图３　粗糙度对参数ａ，ｂ的影响Ｆｉｇ．３Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ａａｎｄ　ｂ由图３可以看出，ａ，ｂ与Ｄ基本呈线性关系，分别对其进行线性回归，可得ａ＝－１．４１Ｄ＋１．９４１　４，（２）ｂ＝４．２６８　６Ｄ－４．３８２　５，（３）３３８ 中国矿业大学学报 第３９卷式（２），（３）的相关系数分别为０．９５１　２，０．９７３　９．综合考察式（１）～（３）可以看出，式（１）中的参数ａ，ｂ具有明确的物理意义．ａ表示剪切应力随法向应力增加而变化的强弱程度，其值随Ｄ的增加而降低；ｂ表示当σ＝０ＭＰａ时土－结构接触面的剪应力（即起始剪切强度），其值随Ｄ的增加而明显增大．将式（２）及（３）代入式（１）即可得到考虑结构面粗糙度及法向应力条件下的土－结构接触面剪切应力表达式τ＝（－１．４１Ｄ＋１．９４１　４）σ＋４．２６８　６Ｄ－４．３８２５．（４） 研究表明，在同一法向应力条件下，接触面的剪切强度随结构面粗糙度的增加而增大，但是当σ≥８ＭＰａ时，粗糙度对剪切强度的影响显然低于σ≤１ＭＰａ时粗糙度对剪切强度的影响（如图４ａ所示），由此说明，当法向应力较高时，结构面粗糙度对土－结构接触面剪切强度的影响已不像低法向应力条件下那么显著．图４　粗糙度对峰值剪应力和峰值剪切位移的影响Ｆｉｇ．４Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｐｅａｋ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓａｎｄ　ｐｅａｋ　ｓｈｅａｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ图４ｂ为σ≤１ＭＰａ时，结构面粗糙度对达到峰值剪应力时所对应的剪切位移（本文将之称为“峰值剪切位移”）的影响．图４ｂ表明，随着结构面粗糙程度的增加，峰值剪切位移减小．即结构面的粗糙程度越高，其达到剪切强度所需的位移越小．由图４ｂ不难发现，结构面粗糙度Ｄ和峰值剪切位移之间呈幂函数关系，对其进行回归，可得Δｓｆ＝ｄ１００ＦＤＫ，（５）式中：Δｓｆ为峰值剪切位移，ｍｍ；ｄ为试样直径，ｍｍ；Ｆ，Ｋ为试验常数．对于本文试验，Ｆ＝８．４６７　１，Ｋ＝－１０．３０６，ｄ＝６１．８ｍｍ．由图４ｂ还可以看出，结构面粗糙度对峰值剪切位移的影响存在一“准临界值”，达到此值后，随着粗糙度的增加，达到峰值剪应力时所需位移的变化梯度变小，曲线渐趋一定值．对于本文试验，此“准临界值”所对应的粗糙度分维数Ｄ约为１．１２２．３．３接触面材料已有的研究［１２－１３］表明，对于同样的结构物表面，由于周围土性的不同（碎散性、多相性、非均匀性、各向异性以及时空分布的变异性等），必将导致接触面上呈现出不同的力学响应．在试验中若要完全考虑上述土的性质，是不可能实现的．作为研究接触面材料对土－结构接触面力学特性影响的对比性试验，本文主要研究土的粒径对接触面处力学特性的影响，因此，选做了部分硅粉与不同粗糙程度的结构面在不同法向应力条件下的剪切试验，硅粉的容重为２００ｋｇ／ｍ３，真密度为２．２ｇ／ｃｍ３，比表面积为２８．４ｍ２／ｇ，其粒径分布见表２．表２　试验用硅粉的粒径分布Ｔａｂｌｅ　２　Ｇｒａｎｕｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｏｗｄｅｒ　ｆｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ粒径范围／μｍ　０～０．３　０．３～０．５　０．５～０．７　０．７～１　１～５百分含量／％４２．３　２０．２　５．２　５．７　２６．６由表２可见，硅粉的粒径均小于５μｍ，基本可以反映细粒土［１４］和结构物接触面的力学特性．为便于比较，图５给出了部分标准砂及硅粉与不同粗糙程度的结构物接触面的剪切应力－位移关系曲线．图５　不同法向应力条件下标准砂、硅粉－结构接触面剪切应力－位移曲线Ｆｉｇ．５Ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｓａｎｄ　ｏｒ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｏｗｄｅｒ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ由图５可见，对于同样粗糙程度的结构面，标准砂和硅粉表现出完全不同的力学特性．对于标准砂，当σ＝１ＭＰａ时（如图５ａ），随着结构面粗糙程度的增加，应变软化特性越来越显４３８第６期 夏红春等土－结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验著，无论是峰值应力还是残余应力均随着粗糙程度的增加而增大，但当粗糙程度增加到一定值之后，峰值应力和残余应力基本不再随粗糙程度的增加而变化，趋向于一定值．当σ＝１０ＭＰａ时（如图５ｂ），在同样的法向应力条件下，结构面的粗糙度已不再改变接触面的本构模型（此时接触面的剪切应力－位移曲线基本表现为应变硬化型）和接触面的剪切应力．而对于硅粉，结构面的粗糙度对接触面的力学特性基本没有影响．当σ＝１ＭＰａ时，剪切应力－剪切位移关系曲线表现出轻微的软化特性，由图５ｃ可以看出，尽管接触面的粗糙程度明显不同，然而接触面的峰值剪应力和残余剪应力均无较大差别，二者在不同粗糙程度下的最大差值分别为０．０３８ＭＰａ和０．０２５ＭＰａ，仅为其最大值的６．９％和４．８％，由此可见，此时结构面的粗糙度对接触面的剪切应力几乎没有影响．当１０ＭＰａ时，剪切应力－位移关系曲线的软化特性消失，基本呈理想的弹塑性（如图５ｄ）．在同一法向应力条件下，剪切应力值的大小和变化趋势基本不随结构面的粗糙程度而变化．标准砂、硅粉与结构的接触面在剪切过程中之所以表现出不同的力学特性，主要是由于硅粉比标准砂的颗粒细小，很难破碎，而且硅粉受压后以团粒存在，团粒比砂粒变位困难，很难越过结构物的粗糙表面，从而导致剪切在结构面凹槽上部与硅粉的接触面处发生，结构面凹槽内部的硅粉对接触面的剪切应力几乎没有贡献，而在结构物旋转的过程中［８］，其凹槽上部的面积并不随旋转角度的不同而发生变化，从而导致硅粉与结构面的接触面积始终不变，因此，在同样的法向应力条件下，表现为接触面的剪切应力不再随结构物表面的粗糙度发生变化．３．４剪切速率图６为σ＝１，１５ＭＰａ这２种条件下，Ｄ＝１．１５９的结构－土接触面在不同剪切速率条件下的剪切应力－位移关系曲线．图６　不同剪切速率条件下的剪切应力－位移关系曲线Ｆｉｇ．６Ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｅａｒ　ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ由图６可以看出，对于同样的土－结构接触面，在不同的剪切速率情况下，剪切应力－位移曲线的形状基本相同，剪切应力的变化值较小（最大与最小剪应力的差值均小于最小值的５％），可以认为一定范围内的剪切速率改变，对土－结构接触面处的剪切应力值基本无影响．由此说明，在一定的剪切速率范围内（０．０２～１．２ｍｍ／ｍｉｎ），剪切速率的大小并不影响接触面的力学特性．此特性也为本文试验时采用同一剪切速率来研究不同情况下的土－结构接触面力学特性提供了依据．４结论１）法向应力是影响接触面力学特性的重要因素，对于同样粗糙程度的结构－土接触面，其剪切强度随着法向应力的增加明显增大．当法向应力σ＜３ＭＰａ时，接触面的剪切应力－剪切位移曲线呈应变软化型；当σ＝３～５ＭＰａ时，曲线不再具有应变软化特性，基本呈线性强化型；当σ≥８ＭＰａ时，曲线基本呈应变硬化特性，二者之间呈双曲线关系；２）当σ＜３ＭＰａ时，结构面粗糙程度的不同将导致接触面表现出不同的力学特性，随着结构面粗糙程度的增加，接触面的应变软化特性增强，达到峰值应力所需的剪切位移减小，峰值剪切位移Δｓｆ与结构面粗糙度Ｄ之间呈幂函数关系；３）结构面粗糙度不仅影响一定法向应力条件下接触面的本构关系，而且影响接触面的剪切强度．其峰值剪应力与结构面粗糙度Ｄ之间基本呈线性关系．随着法向应力的增加，结构面粗糙度对接触面剪切应力的影响程度降低；４）一定范围内剪切速率（０．０２～１．２ｍｍ／ｍｉｎ）的改变，对土－结构接触面处的剪切应力基本无影响；５）颗粒细小的硅粉－粗糙结构接触面，其本构关系不再随结构面粗糙度以及法向应力的改变而５３８ 中国矿业大学学报 第３９卷变化，基本呈理想的弹塑性关系，其剪切强度随着法向应力的增加而增大．参考文献：［１］　徐志伟，周国庆，刘志强，等．直剪试验的面积校正方法及误差分析［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００７，３６（５）：６５８－６６２．ＸＵ　Ｚｈｉ－ｗｅｉ，ＺＨＯＵ　Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｓａｍｐｌｅ　ａｒｅａｉｎ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３６（５）：６５８－６６２．［２］　张敏江，郭　尧，张丽萍，等．直剪试验中对土抗剪强度的一种修正方法［Ｊ］．沈阳建筑大学学报：自然科学版，２００５，２１（２）：９６－９８．ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎ－ｊｉａｎｇ，ＧＵＯ　Ｙａｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ－ｐｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ａ　ｒｅｖｉｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｓｏｉｌｓ　ｉｎ　ｄｉ－ｒｅｃｔ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉ－ｖｅｒｓｉｔｙ：Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５，２１（２）：９６－９８．［３］　钱家欢．土力学［Ｍ］．南京：河海大学出版社，１９９０：１０８－１０９．［４］　ＰＯＴＹＯＮＤＹ　Ｊ　Ｇ．Ｓｋｉｎ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｏｉｌｓａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９６１，１１（４）：３３９－３５３．［５］　ＣＬＯＵＧＨ　Ｇ　Ｗ，ＤＵＮＣＡＮ　Ｊ　Ｍ．Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａ－ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＡＳＣＥ，１９７１，９７（１２）：１６５７－１６７３．［６］　殷宗泽，朱　泓，许国华．土与结构材料接触面的变形及其数学模拟［Ｊ］．岩土工程学报，１９９４，１６（３）：１４－２２．ＹＩＮ　Ｚｏｎｇ－ｚｅ，ＺＨＵ　Ｈｏｎｇ，ＸＵ　Ｇｕｏ－ｈｕａ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９４，１６（３）：１４－２２．［７］　周国庆，赵光思，别小勇．超高压直残剪试验系统及其初步应用［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００１，３０（２）：１１８－１２１．ＺＨＯＵ　Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｇｕａｎｇ－ｓｉ，ＢＩＥ　Ｘｉａｏ－ｙｏｎｇ．Ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｈｅａｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓ－ｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｒｉｍａｒｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉ－ｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，３０（２）：１１８－１２ｌ．［８］　周国庆，夏红春，赵光思．深部土－结构接触面与界面层力学特性的直接剪切试验［Ｊ］．煤炭学报，２００８，３３（１０）：１１５７－１１６２．ＺＨＯＵ　Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ，ＸＩＡ　Ｈｏｎｇ－ｃｈｕｎ，ＺＨＡＯ　Ｇｕａｎｇ－ｓｉ．Ｄｉｒｅｃｔ　ｓｈｅａｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ－ｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｌａｙｅｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００８，３３（１０）：１１５７－１１６２．［９］　夏红春．高应力条件下土－结构接触面与界面层力学特性研究［Ｄ］．徐州：中国矿业大学建筑工程学院，２００６．［１０］　夏红春，周国庆，商翔宇．基于Ｗｅｉｂｕｌｌ分布的土－结构接触面统计损伤软化本构模型［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００７，３６（６）：７３４－７３７．ＸＩＡ　Ｈｏｎｇ－ｃｈｕｎ，ＺＨＯＵ　Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ，ＳＨＡＮＧ　Ｘｉａｎｇ－ｙｕ．Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｄａｍａｇｅ　ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌｏｆ　ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｅｉｂｕｌｌ　ｒａｎｄｏｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＭｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３６（６）：７３４－７３７．［１１］　ＺＨＯＵ　Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ，ＸＩＡ　Ｈｏｎｇ－ｃｈｕｎ，ＺＨＡＯ　Ｇｕａｎｇ－ｓｉ，ｅｔ　ａｌ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｕｎｄｅｒ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｈｉｇｈ　ｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，１７（３）：３０１－３０５．［１２］　ＵＥＳＵＧＩ　Ｍ，ＫＩＳＨＩＤＡ　Ｈ．Ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｆｒｉ－ｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ｄｒｙ　ｓａｎｄｓ［Ｊ］．Ｓｏｉｌｓ　ａｎｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ，１９８６，２６（２）：３３－４６．［１３］　ＲＩＣＨＡＲＤ　Ｐ　Ｊ，ＴＵＮＣＥＲ　Ｂ　Ｅ，ＰＥＴＥＲ　Ｊ　Ｂ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｄｅｍ－ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｔｈｅ　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００１，１（１）：１－１９．［１４］　ＧＢＪ１４５－９０ 土的分类标准．（责任编辑王继红）６３８。