单一粒径砂-混凝土单剪试验研究

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发布时间：2021-09-10

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单一粒径砂一混凝土单剪试验研究
刘江元，韩晓雷，王海刚
(西安建筑科技大学土木工程学院．西安710055)
【摘要】通过单剪试验，研究了不同单一粒径砂与混凝土接触面的力学特性。试验结果表明，不同单一粒
径砂的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移随粒径的增加而增加；在法向压力较低时，剪切应力一位移关系曲线
呈现应变软化型；随着法向压力的增高，剪切应力一位移关系曲线逐步呈现应变硬化型；此时，单一粒径砂与混凝
土界面剪应力一位移曲线可看成由一条斜直线、一条双曲线和一条水平直线三部分组成。随着法向压力的增大，
试样剪胀性逐渐减弱，试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。
【关键词】大型单剪仪；单一粒径；接触面厚度；剪胀
【中图分类号】TU528．0 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2012)09—0004—03
砂垫层隔震是村镇建筑隔震减震的热点方向，其减震
效果与垫层材料以及基础接触面的力学特性有着直接关
系。赵少伟，窦远明⋯ 通过振动台实验探讨了不同粒径砂
垫层的隔震情况，发现单一粒径比连续级配的砂垫层减振
效果好且粒径较大效果更好。但是，对于单一粒径材料与
结构接触面的力学特性，却鲜有描述。
单剪试验已成为研究接触面力学特性的常用试验。
Uesugi 、Kishida 率先采用单剪仪进行了干砂与钢板接触
面特性的单剪实验。殷宗泽等通过单剪试验认为接触面
破坏是一个由边缘向内部逐渐扩展的过程。周小文等对
砾石垫层与混凝土接触面的力学特性进行了试验研究。
接触面的相对粗糙度，接触面材料的颗粒级配，形状以
及作用在接触面上的正应力是影响接触面抗剪强度的主要
因素。为此，对3种不同的单一粒径砂与混凝土接触面的强
度和破坏特性、接触面的应力应变特性等问题进行了研究。
1 试验方法
(1) 试验仪器：试验设备为西安建筑科技大学岩土工
程研究所研制的大型单剪仪。该设备具有试样尺寸大(直
径D=500mm)、施加荷载大(法向500kN，切向500kN)等特
点，适用于粒径60ram以下的各类土与结构接触面相互作用
的试验研究。单剪仪的下剪切盒由钢板制成，尺寸500mm
x 150mm(直径x高)。上盒高度亦采用150mm，由lO个叠
环组成，每个叠环厚度为15mm，内径为500ram，叠环通过由
平面滚针来减少摩擦。
图1为单剪仪试验原理示意图。单剪仪每层叠环及下
部盒体的前端都装有测量水平位移变化的位移计，最大允
许剪切位移100mm，水平加载采用液压泵供油应变控制方
式；垂直荷载、水平推力及水平位移、竖向位移数据由计算
机自动采集。
(2) 试验方案：文中试验所用土样为不同粒径的砂
土，在不同法向应力下，对单一粒径的砂土与具有相同表面
粗糙度的混凝土面板之问的接触面力学特性进行了深入研
究。试验采用单一粒径的砂土，相对密实度为D =70％，试
[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(51108370)
验方案如表1所示。
水
法向压力法向荷重传感器
图1单剪仪试验原理示意图
表1 单剪试验方案
试验方案试样条件
试样1
试样2
试样3
粒径小于0．Imm的砂，e =I．52g／em
粒径1．0ram-2．0ram的粗砂，e =I．64g／era
粒径2．0-5．0ram的砾砂，e =1．76g,／em
一
图2 试样1试验前图3 混凝土面板
接触面粗糙度则是影响接触面力学性质的重要因素。
对于土与混凝土面板的接触面，定义为混凝土面板测点
的峰谷距的均方根值。试验前，以混凝土面板某一角点为
起始点，沿30mm×30mm的网格，将位移传感器逐次移动到
各网格点上，并求得所有每相邻两点相对高程差的绝对值，
再求均方根值，即为文中描述接触面的粗糙度R 。经统计
计算，文中试验混凝土接触面的粗糙度R 为0．3—0．7mm。