循环荷载作用下红黏土与混凝土接触面剪切特性试验研究

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

循环荷载作用下红黏土与混凝土
接触面剪切特性试验研究
石熊。张家生，邓国栋，孟飞，徐进，刘蓓。
(1．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；
2．马克菲尔(长沙)新型支档科技开发有限公司，湖南长沙410016；
3．中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)
摘要：采用大型直剪仪对红黏土与混凝土结构接触面进行循环荷载作用下直剪试验，分析不同法向应力与不同混凝土表
面粗糙度条件下结构接触面的强度及变形随循环加栽次数的变化规律。研究结果表明：在循环剪切过程中，每个循环内剪
切应力极小值和极大值分别对应于剪切位移的最大值、最小值处，剪应力的最大值均出现在第1个循环内，随着循环次数
的增加，剪切应力最大值逐渐减小，最后趋于稳定。平均峰值剪应力最大值随法向应力的增大而增加；当法向应力较低时，
粗糙度对平均峰值剪应力变化影响较小，随着法向应力的增强，粗糙度对其影响逐渐发挥。在循环剪切试验过程中，接触
面的黏聚力和摩擦角刚开始时较大，随着循环次数的增加迅速减小，最后趋于稳定。当法向应力较低时，试样在第1循环
内发生剪缩，从第2循环开始出现剪胀，剪胀量最终趋于稳定；随着法向应力的增大，试样出现剪缩，剪缩量最终趋于稳定，
最终剪缩量随着法向应力和粗糙度的增加而增大，减缩速率也随着之增加而增大。
关键词：红黏土；循环荷载；接触面；粗糙度；大型直剪试验
中图分类号：TU44 文献标志码：A 文章编号：1672—7029(2014)03—0088—06
Experimental research on shearing property of
red clay——concrete interface under cyclic loading
SHI Xiong ，ZHANG Jiasheng ，DENG Guodong ，MENG Fei ，XU Jin ，LIU Bei。
(1．School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China；
2．Maceaferri Environ—tech Ltd Corporation，Changsha410016，China；
3．China Railway Fifth Su~ey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Beijing 102600)
Abstract：The mechanical behavior of interface between red clay and concrete was investigated by direct shear
tests of different normal stress and roughness under cyclic loading．The strength and deformation with the varia—
tion of the number of cyclic loading were analyzed under different norm al stress and roughness of the concrete
surface．The experimental results show that the minimum or maximum value of shear stress in each cycle COLTS．
sponded respectively to the maximum shear displacement and minimum shear displacement in the process of cy．
clic shear．The maximum shear stress occurs at the first cycle，and with the increase of the cycle number． the
maximum shear stress in each cycle gradually reduces and finally remains a constant．The maximum of the aver—
age peak shear stress tend to increase with the increment of normal stress．The roughhess has little effect on the
average peak shear stress when norm al stress is low，while with the increase of the norm al stress，the roughness
gradually comes into play．The cohesion and friction angle of the contact surface are large at the beginning of the
cyclic shear test，and then decrease rapidly and finally tend to constant with the increment of cycle number．
When the normal stress is lOW，the displacement of the sample has shear shrinkage at the first cycle
． then shows
收稿日期：2013—09—28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378514)；高速铁路建造技术国家工程实验室基金资助项目(2008G031一Q)
通讯作者：石熊(1985一)，男，湖南邵阳人，博士研究生，从事高速铁路路基动力学方面的研究；E—mail：shixiong126@126．eom
第3期石熊，等：循环荷载作用下红黏土与混凝土接触面剪切特性试验研究 89
shear dilation from the second cycle，and the dilatancy amount eventually remain stabile．However，with the increasing
number of the normal stress，shear shrinkage appears，and the shrinkage magnitude eventually reaches a
stable number．With the increase of norm al stress and roughness，the shrinkage amount and rate of shear shrink—
age also increase．
Key words：red clay；cyclic loading；interface；roughness；large scale direct shear test
土体与混凝土结构间的相互作用问题一直是
岩土工程界研究的重要课题¨ ，涉及到土力学的
各个方面，如土体与混凝土桩的接触面问题、土体
与锚杆的接触问题、土体与混凝土挡土墙的接触面
问题等 I4 J。在外部荷载作用下，由于土体和混凝
土受力与变形的差异性，接触面上会产生较大的
力，因此研究接触面上的受力特性和变形机理至关
重要一。杨有莲等等国内外学者通过试验
对其进行了较为广泛的研究，并取得了相应的研究
成果。然而在以往的研究中，大多数为结构接触面
的单向剪切试验，对循环荷载下结构接触面的力学
特性及变形机理的研究并不多，近年来，随着地震
的频发，循环荷载作用下结构接触面的研究显得尤
为迫切。张嘎等利用自制的大型土与结构接
触面循环加载剪切仪对粗粒土与结构接触面进行
了试验研究，结果表明在循环剪切荷载作用下，随
着循环次数增加，粗粒土与结构接触面的抗剪强度
基本保持不变；接触面的相对法向位移总体上不断
增大，但在一个剪切循环内表现出包含卸载体缩等
情形的有规律增减变化。但对于循环荷载作用下
黏性土与混凝土接触面的力学特性的研究较少，其
受力特性及变形机理尚不明确。
红黏土作为一种特殊性黏土，广泛分布于我国
湖南、广西、云南、贵州，具有一定的代表性，其含水
量、液限、塑限都很高，密度低，渗水性差，膨胀量小，
压缩性低，抗剪强度较高。红黏土是一种高塑性
黏土，由于其塑性指数较高，相比于粗粒土，具有优
良的压缩和适应大变形的特性，在剪切过程中往往
能够延迟破坏的发生。但在实际工程中，红黏土因
其裂隙性与胀缩性常引起诸多工程病害，其特殊的
工程性质及工程问题引起学者越来越多的关注。
采用大型直剪仪对长沙地区红黏土与混凝土结
构接触面进行循环荷载作用下直剪试验，分析了不
同法向应力与不同混凝土表面粗糙度条件下结构接
触面的强度和变形随循环加载次数的变化规律。
1 接触面试验
1．1 试验材料
土料采用长沙地区红黏土，对土料进行了击实
试验和静三轴试验，通过击实试验结果得出红黏土
的最大干密度为1．81 g／cm。，最优含水率为
14．08％，曲线见图1；静三轴试验结果如表1所
示。混凝土试块采用C40混凝土，混凝土配置强
度 ⋯为49．9 MP ，水灰比W／C为0．43，1 m 混
凝土的用水量为195 kg。将混凝土表面的粗糙度
分为三级，制作不同粗糙度下的混凝土接触面，利
用自制的粗糙度测定仪，对其进行测定_1 ，得出粗
糙度I，Ⅱ和Ⅲ混凝土表面的平均深度分别为
0．578，1．893和2．444 mm。
g
●
稚
含水率，％
图1 击实试验曲线
Fig．1 Curve of compaction test
表1 红黏土参数
Table 1 Parametem of red clay
竺!巴 !
1．81 s／cm3 14． 08％ 95．71 32．18。0．837
K n D G F
82．5 1．168 2．353 O．211 O．032
1．2 试验方案
采用中南大学岩土工程系与长春朝阳试验仪器
有限公司合作研制耵W一800大型直剪试验机L1 ，
上、下剪切盒尺寸均为500 mm×500 mm×150 mm，
利用直剪试验机通过控制法向应力(100，200和300
kPa)和混凝土结构接触面粗糙度(粗糙度I、粗糙度
Ⅱ、粗糙度Ⅲ)对红黏土与混凝土结构接触面进行9
个循环剪切试验，分别进行了1 000次循环，加载路
径为正弦波，图2为加载过程中的4个循环，试验过
程中上剪切盒为试验土料，下剪切盒为混凝土试块。