考虑加载方式与试验技术对于土体 -界面剪切特性的影响

杨云静 王冲冲

摘要：地下结构在使用过程中，会受到地震等动荷载的影响，荷载通过基础传至地基，使地基受到静应力和循环应力作用。本文综述了国内外学者在加载方式和试验技术方面土体-结构界面剪切特性的影响，阐述了直剪、单剪的优点与不足。

关键词：土-结构界面；力学特性；变形机理；

1 循环加载方式影响

地下结构在使用过程中，会受到地震等动荷载的影响，荷载通过基础传至地基，使地基受到静应力和循环应力作用。因此，对于土-结构界面在循环荷载作用下的研究有重要意义。刘俊伟等^[1]对粗砂-钢板界面进行循环剪切试验，认为在前5到10次循环的时候，剪应力弱化的速率最快，并且确定了剪切带的厚度。Cabalar^[2]采用自动恒常载荷（CNL）循环直剪仪对砂体和结构材料界面的循环行为进行了深入的试验研究，结果表明剪切过程产生的剪应力与砂粒的形状和大小密切相关。冯大阔等^[3][4]对粗粒土与结构界面在常法向应力条件下的三维力学特性进行了研究，施加了单调往返加载、十字加载和圆形加载，发现在单调往返加载路径下界面剪切体变分为可逆与不可逆两部分。

2 试验技术

上个世纪以来，许多学者对于土-结构界面的试验仪器和试验方法进行了开发与改进，其中可进行接触面研究的试验仪器主要有：直剪仪、单剪仪、环剪仪、扭剪仪等，可进行接触面动力特性研究的试验仪器主要有动三轴仪、共振柱仪等。

2.1直剪设备

直剪仪操作简便，因此成为应用最广泛的试验仪器。直剪仪的试验设备和原理十分简单：试样放置在剪切盒中，剪切盒分为上下两部分，其中一半固定，一半可以通过推拉来产生水平位移。直剪仪可进行应力控制和应变控制；加载方式为单调加载与循环加载；法向条件有三种形式：常应力、常位移和常刚度。在上个世纪60年代，Potyondy^[5]率先利用直剪仪开展了土体与钢、混凝土和木材多种材料接触面力学特性研究。

由于对土-结构界面的研究不断深入，专家学者开始对直剪仪进改进，着手研究剪切过程中的细观现象。直剪设备开始使用非传统技术，如图像分析技术，有助于更加详细和精确的量化剪切过程中土壤的变形，表1对其进行简要总结。

表1 改进的直剪设备汇总

作者	设备	特点
胡黎明等[6]	可视化直剪仪	设置透明有机玻璃，剪切过程用CCD数据相机采集
张嘎等[7]	大型循环加载剪切仪	在试验容器上设置有机玻璃观察窗，对剪切过程中颗粒运动进行数字拍照，可分析颗粒运动轨迹。
张建民等[8]	多功能土工试验机	可实现十字、圆形和椭圆等剪切路径。
李邵军等[9]	大型可视化直剪仪	设置有机玻璃窗，结合PIV数字图像处理技术分析接触面剪切带厚度。
王永洪等[10]	恒刚度桩土界面直剪仪	通过真实模拟沉桩时桩周土的状态，可有效的反映黏性土中桩土界面力学特性。

直剪仪虽可以直观地研究接触面的剪切变形，但其假定土-结构界面的破坏面就是土-结构接触表面，在实际工程中接触面破坏是在接触面表面附近的区域而并非接触面表面，无法区分滑动位移与土样的变形位移，可见直剪仪有其局限性。

2.2单剪设备

单剪仪也是一种常见的接触面试验设备，克服了直剪仪的部分不足，在剪切过程中剪切面积不变，应力和应变分布更为均匀。单剪仪在切向控制、加载方式和法相边界条件与直剪仪类似。

Uesugi等^[11]都对砂土-钢板界面进行了单剪试验。Desai et al^[12]通过直剪试验与单剪试验对比，对界面力学特性进行了分析，试验结果发现：随着循环次数增加，直剪试验剪应力幅值比单剪试验降低的相对大些；直剪试验得到的接触面剪切模量比单剪试验要小一点。国内学者郭佳奇等^[13]在界面剪切强度、摩擦角及本构关系方面进行了单剪试验与直剪的对比，试验结果发现：在单剪试验情况下，界面剪切强度更适合用无黏聚力的莫尔-库仑强度准则表示。刘方成等^[14]发明了一种大型的新型的循环单剪仪并对常规单剪仪进行了对比。

单剪仪虽克服了直剪仪的部分不足，但在剪切过程中接触面仍受到叠环的约束作用，同样存在应力不均匀现象。

参考文献

[1]刘俊伟,王明明,凌贤长,黄孝义,李晓玲.桩-砂土界面循环弱化宏细观机制[J].哈尔滨工业大学学报,2019,51(02):146-153

[2]Cabalar A F. 2015. Stress fluctuations in granular material response during cyclic direct shear test[J]. Granular Matter, 17(04) : 439-446.

[3]冯大阔，侯文峻，张建民.粗粒土与结构接触面三维力学特性的直剪试验研究[J].土木工程学报，2012a ,45(05): 169-175.

[4]冯大阔, 张建民. 循环直剪条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎研究[J].岩土工程学报, 2012b,34(04): 767-773.

[5]Potyondy J G. 1961. Skin Friction between Various Soils and Construction Materials[J]. Geotechnique, 11(04): 339-353.

[6]胡黎明，濮家骝.土与结构物接触面物理力学特性试验研究[J].岩土工程学报，2001,23(04):431-435

[7]张嘎. 粗粒土与结构接触面静动力学特性及弹塑性损伤理论研究[D].北京:清华大学, 2002 .水利水电工程系.

[8]张建民, 侯文峻, 张嘎等. 大型三维土与结构接触面试验机的研制与应用[J]. 岩土工程学报,2008, 30(06): 889-894.

[9]李邵军,孟凡震,陈静,闵弘.土与结构相互作用的可视化剪切试验装置研制及应用[J].岩石力学与工程学报,2012,31(01):180-188.

[10]王永洪,张明义,刘俊伟,白晓宇.考虑超孔隙水压力的桩土界面直剪试验研究[J].建筑结构学报,2018,39(S1):359-367.

[11]Uesugi M, Kishida H. 1986b. Influential Factors of Friction between Steel and Dry Sands[J]. Soils and Foundations, 26(02): 33-46

[12]Desai C S. Rigby D B.1997. Cyclic Interface and Joint Shear Device Including Pore Pressure Effects [J].Journal of Geotectmical and Geoenvironmental Engineering, 123(06): 568-579.

[13]郭佳奇,赵修成,徐子龙,刘希亮.土与结构接触面单直剪试验力学性质研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2016,35(02):267-273.

[14]刘方成,陈巨龙,王海东,任东滨,陈璐.一种大型循环单剪试验装置研究[J].岩土力学,2016,37(11): 3336-3346.