直剪仪操作方便、控制条件明确,在土与结构物接触面剪切试验中应用广泛.如图1所示,本文试验采用美国Geocomp公司生产的Shear Trac-Ⅲ型直剪仪.该直剪仪可提供高达930.25 cm²的接触面积,能有效减小尺寸效应和边界效应对试验结果的影响,且下剪切盒比上剪切盒长100 mm,剪切过程中接触面积保持不变.试验过程中法向荷载施加、剪切、数据采集等均由电脑软件控制,从而有效避免人为操作产生的误差.

试验用土为上更新统风积黄土,呈褐黄色.土颗粒相对密度为2.72,塑限为18.0%,液限为33.1%,塑性指数为15.1,击实试验所得最大干密度为1.79 g/cm³,最优含水率为16%.为模拟实际填方情况,使用重塑土样进行试验.参照标准^[21],将风干、碾散的土过2 mm筛,按含水率16%配置土样,密封后静置24 h以上以使水分扩散均匀.装样时将土样放入上剪切盒内分3层击实,通过控制每层土的厚度和质量控制土样干密度,并在每次击实后对土样表面进行刮毛,以保证土样的整体性,如图2(a)所示.混凝土块使用与下剪切盒同尺寸的模板浇筑,强度等级为C30,表面进行人工抹平,养护28 d后拆模,得到混凝土表面如图2(b)所示,其最大峰谷距<0.2 mm^[22].

图1 大型界面直剪仪
Fig.1 A large direct shear apparatus

图2 试样制备
Fig.2 Sample preparation

填方工程中,土体压实度受填筑方法和施工质量影响较大.孔洋等^[16]测得延安新区某黄土高填方场地实测压实度为(70±5)%,因此选取土体初始干密度为1.34 g/cm³、1.52 g/cm³和1.70 g/cm³,对应压实度分别为75%、85%和95%.

首先把混凝土块放入下剪切盒,并按上述步骤在上剪切盒内完成装样.在土样顶面放置浸湿滤纸和透水石,并盖上承压板.把上、下剪切盒装到直剪仪上.施加法向力(法向应力分别取为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa).每隔15 min读一次法向位移,当两次读数计算出的沉降速率小于0.005 mm/h时,认为试样固结稳定.拔掉固定上下盒的销钉,保持上盒不动,以0.8 mm/min的速率移动下盒进行剪切.剪切过程中法向应力保持不变,机载软件自动采集法向位移、剪切力等数据.待剪切位移达到40 mm时试验结束.每次试验结束后用清水冲洗混凝土表面并用毛巾吸水,再用吹风机吹干,以保证每次试验混凝土表面清洁度一致.

不同法向应力下,不同初始干密度的黄土与混凝土接触面剪应力-剪切位移关系如图3所示.由图3可见,随着法向应力的增加,土样初始干密度ρ_d=1.34 g/cm³和1.52 g/cm³时接触面剪应力-剪切位移曲线由弱软化型逐渐过渡为弱硬化型最后转变为强硬化型,土样初始干密度ρ_d=1.70 g/cm³时接触面剪应力-剪切位移曲线基本由弱软化型转变为弱硬化型.接触面剪应力及剪应力-剪切位移曲线的初始斜率一般随黄土初始干密度的增加而增大.剪切位移为40 mm且法向应力为50 kPa时,当土样初始干密度从1.34 g/cm³增至1.52 g/cm³再增至1.70 g/cm³,接触面剪应力均明显增加; 法向应力为100 kPa时,当土样初始干密度从1.34 g/cm³增至1.52 g/cm³接触面剪应力变化较小,而当土样初始干密度从1.52 g/cm³增至1.70 g/cm³接触面剪应力变化仍较为明显; 法向应力增至200 kPa、300 kPa和400 kPa时,本文三种黄土初始干密度下的剪应力相差很小.黄土初始干密度ρ_d=1.70 g/cm³的剪应力-剪切位移关系曲线均存在较为明显的拐点,在拐点之前曲线斜率很大,拐点之后曲线斜率很小,而初始干密度ρ_d=1.34 g/cm³和1.52 g/cm³时剪应力-剪切位移关系曲线则表现的较为圆滑.

图3 接触面剪应力-剪切位移关系
Fig.3 Shear stress- shear displacement curves of interface

本文试验结果表明黄土与混凝土接触面剪应力-剪切位移关系分别呈弱软化、弱硬化和强硬化三种形式.借鉴已有研究方法^[12-13],统一取剪切位移为20 mm时的剪应力作为接触面抗剪强度τ_f.图4为不同法向应力下接触面抗剪强度与土样初始干密度关系.由图4可见,同一法向应力下,黄土-混凝土接触面抗剪强度均随土样初始干密度的增加而增大.接触面法向应力为50 kPa和100 kPa时,土样初始干密度对接触面抗剪强度影响较小; 随着法向应力的增加,土样初始干密度对接触面抗剪强度的影响逐渐增大.

为进一步分析土样初始干密度对接触面抗剪强度的影响,绘出各土样初始干密度下接触面抗剪强度与法向应力关系如图5所示.由图5可见,不同土样初始干密度下接触面抗剪强度与法向应力存在明显的线性关系,相关系数R²均大于0.99,也即符合摩尔库伦准则,从而得接触面抗剪强度指标如表1所示.由表1可见,随着土样初始干密度的增加,接触面黏聚力先增大后发生明显减小,而接触面内摩擦角持续增大且其变化速率也逐渐增大.

表1 不同接触面试验抗剪强度指标
Tab.1 Shear strength indexes of loess-concrete interface

图4 接触面抗剪强度与土样初始干密度关系
Fig.4 Relationship between shear strength of interface and initial dry density of soil

图5 接触面抗剪强度与法向应力关系
Fig.5 Relationship between shear strength of interface and normal stress

不同法向应力下,不同初始干密度的黄土与混凝土接触面体应变-剪切位移关系如图6所示.本文以体积缩小为正,体积膨胀为负.由图6可见,随着土样初始干密度的减小或法向应力的增加,体应变增大,黄土与混凝土接触面体变规律由剪胀逐渐转化为剪缩.具体为当法向应力σ_n=50 kPa、土样初始干密度ρ_d=1.52 g/cm³和1.70 g/cm³时,及法向应力σ_n=100 kPa和200 kPa、土样初始干密度ρ_d=1.70 g/cm³时,随着剪切位移的增加,土体体积先稍有减小,继而持续增大并最终比剪切前土体体积大,也即发生剪胀; 其他条件下,随着剪切位移的增加土样体积持续减小,也即发生剪缩.这是由于土样初始干密度较大时,土体相对比较密实,试样在装样过程中,为达到所要求的干密度,施加了较大的击实功.法向应力较低时,相当于比土样历史上所受到的最大法向应力小,剪切时接触面附近土粒相对位置发生改变,加大了接触面附近土颗粒间的孔隙,从而表现为剪胀; 法向应力较高时,由受剪过程中土粒相互错动产生的向上抵力不足以突破法向应力的束缚,故表现为剪缩.而对于土样初始干密度较小的情况,土体较为松散,剪切过程中剪切面附近土颗粒位置移动填充了颗粒间及土体与混凝土面间的空隙,故表现为剪缩.

图6 接触面体应变-剪切位移曲线
Fig.6 Volumetric strain-shear displacement curves of interface