粗糙度对钢-砂土界面剪切应力应变关系的研究

荣文涛

（山东交通职业学院 公路与建筑系，山东 潍坊 261206）

引言

在桩基础施工过程中的基桩、桥台台背与路基填土之间等其它工程施工过程中，结构物与土体会产生一定的界面剪切，当抗剪强度达到剪切破坏时，结构物-土体会发生失稳破坏，因此提高其界面抗剪强度尤为关键［1-2］。

众多学者针对于此类问题做出了很多研究，其中针对于结构物-砂性土的界面剪切众多。马刚等［3］采用利用随机粗粒土三维数值试样，进行了结构物-土体界面剪切模拟试验并分析了单剪和直剪下的力学特性，在宏观和细观两个角度分析了数值试验结果。杨砚宗［4］利用大型直接剪切仪器进行了结构物-砂土的界面剪切试验，得出了随界面粗糙度的增加，初始剪切模量和峰值剪切应力都增大。郭聚坤等［5］分析了不同砂粒组、粗糙度和法向应力下的钢-砂界面剪切应力与位移关系、粗糙界面剪切面性状以及粗糙界面抗剪强度构成。胡顺洋等［6］在常应力状态下的进行了接触面直剪试验，研究钢-土体界面的剪切特性。王瑞等［7］利用改进的直剪仪器，进行了标准砂与木、钢及混凝土界面剪切试验,分析了剪切应力应变关系及抗剪强度指标，对剪切应力应变关系进行了对数-双曲线的，并进行了数值模拟。

1 试验准备

1.1 设备准备

采用界面剪切设备是改进的直接剪切仪。下盒改进后可以放置一定规格的钢结构物，如图1 所示。

1.2 材料准备

试验所用结构物为钢与混凝土，其中钢为Q235A 碳素结构钢，表面利用刻刀刻制5 道和7 道的均等距离的纹路，见图2。土体采用厦门标准砂，内摩擦角为17°，干密度为1.684 g/cm3，Cu和Cc分别为5.70 和0.54。

图2 试验所用结构物

1.3 试验方案

上盒放入厦门标准砂，下盒放入不同粗糙界面的钢试块。分别在法向应力50 kPa、100 kPa、150 kPa及200 kPa 下进行直接剪切试验，共计8 次试验。

2 试验结果及分析

界面剪切应力-剪切位移关系见图3。通过图3分析发现：对于同一种粗糙界面，随着法向应力增大，剪切应力并逐渐增大，体现了明显的硬化规律。对于同一法向应力条件下，粗糙度2 的界面剪切应力要比粗糙度1 的大。

图3 界面剪切应力-剪切位移关系

图4 为峰值剪切应力与法向应力关系。由于多采用土体为标准砂，因此采用等效摩擦系数公式进行界面抗剪强度的确定，界面黏聚力为零，公式：

图4 峰值剪切应力与法向应力关系

通过图4 分析发现：相关系数R2均在0.97 以上，拟合效果良好。通过计算得出粗糙度1 时的界面摩擦角为21.06°，粗糙度2 时的界面摩擦角为26.06°，对比两个粗糙度界面，说明粗糙度大的界面抗剪强度越大。

3 界面剪切应力应变拟合关系

由于界面剪切应力应变曲线软化阶段近似于一水平线，说明到达峰值剪切应力后其值基本不变，为了进一步分析界面剪切应力应变的关系，进行拟合：

硬化阶段对数函数关系拟合曲线如图5 所示。分析发现，硬化阶段采用对数函数来进行界面剪切应力应变关系的表述很合理，走势基本与试验点相同，相关系数R2均在0.9 以上，说明拟合效果良好。为了更好描述本拟合关系的合理性，将试验峰值剪切应力与得出的常数C作差并对其取绝对值，见表1，分析发现：在5.5 kPa 之内，峰值剪切应力差值不大，拟合关系良好。

表1 试验与拟合公式峰值剪应力比较

图5 硬化阶段对数拟合关系

4 结语

（1）对于同一种粗糙界面，随着法向应力增大，剪切应力并逐渐增大，体现了明显的硬化规律。对于同一法向应力条件下，粗糙度2 的界面剪切应力要比粗糙度1 的大。（2）采用等效摩擦系数公式进行界面抗剪强度的确定，粗糙度大的界面抗剪强度越大。（3）硬化阶段采用对数函数，软化阶段采用常数合理，拟合效果良好。