纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响_郭聚坤.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响郭聚坤，王瑞，寇海磊，尹锡军，魏道凯，雷胜友（长安大学公路学院，西安 ；山东交通职业学院公路与建筑系，山东潍坊 ；中国海洋大学工程学院，山东青岛 ；日喀则市交通运输局公路工程项目管理中心，西藏日喀则 ）摘要：结构物表面纹理形态与土体颗粒分布对结构物土体界面剪切性状具有显著影响。利用自行改制的直剪仪对钢标准砂界面剪切特性进行研究，分析剪切应力剪切位移关系、不同纹理深度下的峰值剪切应力变化规律及界面抗剪强度指标变化规律。结果表明：试验峰值剪切应力与法向应力呈正相关关系；垂直纹理方向剪切的峰值剪切应力大于顺纹理方向的峰值剪切应力；试验峰值剪切应力随纹理深度的增加而增加，之后保持某一稳定值上下波动；纹理深度存在临界值，集中在 范围内，值集中在 范围内；粗糙界面的摩擦角比光滑界面大；界面摩擦角随纹理深度的增加而增大，大于临界值时，界面摩擦角将保持一稳定值。关键词：砂；钢；纹理深度；剪切应力；界面摩擦角；临界值中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，；，）：，：；收稿日期：基金项目：山东省自然科学基金资助项目（）；西藏自治区科技计划项目（）；西藏自治区自然科学基金资助项目（）；山东省交通运输厅科技计划项目（）；潍坊市高新区科技惠民计划项目（）第一作者：郭聚坤（），男，博士研究生，主要研究方向为结构物与土体相互作用通信作者：雷胜友，教授，主要研究方向为岩土工程、岩石力学，结构物与土体间的相互作用常见于基础工程、隧道工程、加固工程等多个领域。室内界面剪切试验是研究结构物与土体间相互作用的重要方法之一，抗剪强度指标的获取及界面剪切机理的研究对指导工程设计及实践具有重要意义。众多学者基于改进的室内土工直剪设备或研发新型直剪设备对结构物颗粒土界面力学特性展开了一系列试验研究。等、胡黎明等将纹理几何 形 状 设 置 为 非 规 则 型，最 大 峰 谷 距 ，并以 与平均粒径（）的比值来定义结构物表面的相对粗糙度，砂为中粗砂，指出相对粗糙度存在临界值且在粗糙界面处砂中出现了剪切带；闫澍旺等也将纹理几何形状设置为非规则型，以表面轮廓线最高点与最低点的距离来定义表面粗糙度，提出可以通过抗剪糙度和土体自身抗剪强度推算界面抗剪强度；赵春风等采用凸起的梯形高度来定义结构物表面粗糙度，土样为灰色粉砂，指出粗糙度对界面 软 化 特 性 的影响 存 在临 界值；金子豪等提出考虑形状为梯形凹槽的几何参数、槽内土体扰动深度和槽宽修正的粗糙度计算方法，土样为第期郭聚坤，等：纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响粗砂，指出界面峰值应力比和归一化摩擦因数均随界面粗糙度（）的增加呈线性增长。在上述研究中，结构物表面规则型纹理的制作主要考虑纹理的形状、宽度和深度，纹理方向与剪切方向多数为垂直关系，但在实际工程中结构物表面纹理方向是杂乱无章的，即结构物表面纹理方向与剪切方向的角度是任意的，在相同纹理体积的条件下，界面剪切特性随纹理方向的不同会如何表现是值得进 一 步 探 究 的。为 此，周 国 庆 等和 等 将室内直剪仪的下盒空间用刻有纹理的结构物代替，通过改变结构物旋转角度和纹理深度来模拟不同的粗糙度，研究了界面抗剪强度、剪胀特性随界面粗糙度的变化规律。为进一步研究不同纹理特征下的界面剪切特性，本文利用自行改制的直剪仪进行标准砂钢界面剪切试验，研究剪切应力剪切位移的关系和不同纹理深度下峰值剪切应力及界面抗剪强度指标的变化规律。试验 试验设备钢砂界面剪切试验所用仪器设备经室内直剪仪下剪切盒改造而成，如图所示，改进的直剪仪上下剪切盒如图所示。将直剪仪下剪切盒（）掏空，放入加工好的钢护环（），为保证钢护环与下剪切盒紧密连接，通过六角螺栓（）进行固定，钢护环内部放置结构物（），结构物尺寸与钢护环内尺寸保持一致，且保证结构物可在钢护环内进行 范围内的任意转动。为保证试验过程中结构物在某一角度下不发生转动，通过拧紧穿过事先打好下剪切盒和钢护环侧壁圆孔的六角螺栓（）将结构物固定住，为避免因结构物与钢护环贴合紧密产生气压，导致取放结构物困难，在下剪切盒底部中心位置打一贯通圆孔。为保证在向上剪切盒（）放置土样时土体与结构物不发生相对移动，预先在下剪切盒的钢护环对角位置打个连接上剪切盒的螺栓孔（），通过螺栓（）将上下剪切盒连接起来，在装样和预压土样结束后将其取下。上剪切盒放置的土样直径为 ，而下剪切盒放置的结构物直径为，可以保证直剪试验剪切位移在 范围内土体与结构物的接触面积始终保持不变，满足试验要求。图界面剪切示意图 下剪切盒；钢护环；下剪切盒与钢护环的连接螺栓；结构物；固定下剪切盒结构物的六角螺栓；连接上剪切盒的螺栓孔；上剪切盒；连接上下剪切盒的螺栓图改进的直剪仪上下剪切盒 试验材料试验所用砂为福建标准砂，经筛分得到粒组为 的细砂作为试验用砂，如图所示。试验用砂的主要物理力学指标按照 公路土工试验规程（）获取，见表。图试验用砂 表标准砂主要物理力学指标 （）（）试验所用钢板采用 碳素结构钢，钢板为圆柱体，直径为 ，高为 ，钢板共计块，如图所示。其中块表面光滑，定义为光滑界面；其余块用机械设备在其表面分别加工道纹理，纹理形状为倒三角形，宽度均为，深度分别为、，将刻有纹理的种表面分别定义为粗糙界面、。为研究不同纹理方向对界面剪切特性的影响，设置纹理长度方向与界面剪切方向呈 和 这个角度。粗糙界面 纹理角度如图所示。试验方案将光滑界面（）和粗糙界面（、）的钢板分别放入改进的直剪仪下剪切盒，上剪切盒加入经烘箱烘干后的标准砂和透水石，为保证同一界面和同一转动角度下砂状态的一致性，每次装砂的质量和预压时间均保持一致，在法向应力（）分别为、作用下进行钢砂界面剪切试验，中 国 科 技 论 文第 卷图试验用钢板 图粗糙界面纹理角度 试验共计 组，试验预压时间均为 ，试验剪切速率控制在 。试验结果分析 剪切应力剪切位移关系不同表面形态的钢板与砂的界面剪切应力剪切位移关系曲线如图所示，限于篇幅和曲线走势的相近性，以界面和界面为例。分析可知：剪切应力在试验初始阶段随剪切位移的增加而增大，且增速较快，随着试验的进行，剪切应力增加幅度减小，直至剪切应力到达峰值点，峰值剪切位移过后剪切应力出现轻微的软化并伴随小幅度的波动；试验峰值剪切应力随法向应力的增大而增大，呈正相关关系；粗糙界面的峰值剪切应力与光滑界面相比出现较大幅度的增加，说明界面形态的不同对界面剪切强度产生了影响；在同一粗糙界面状态下，纹理角度为 的界面峰值剪切应力远大于纹理角度为 的界面，可见在纹理体积相同的条件下，纹理方向也是界面剪切的影响因素。不同纹理深度下的峰值剪切应力变化规律为更好地分析界面峰值剪切应力随纹理深度的变化规律，绘制界面峰值剪切应力纹理深度关系曲线，如图所示。可以看出：界面的纹理深度为，可认为纹理角度 和 对应的峰值剪切应力相同；在同一纹理角度下，随着纹理深度的增加，在纹理深度从变化到、的过程中，峰值剪切应力出现了较大幅度的增加，基本呈线性增加，但在纹理深度从 变化到 的过程中，峰值剪切应力没有继续增加，而是围绕某一固定值出现小幅度波动，说明在纹理宽度一定、改变纹理深度的条件下，峰值剪切强度并不是随着纹理深度一直增加，而是到达一定数值后变得比较平稳，验证了纹理深度存在临界值 的结论，超过此临界值，峰值剪切应力将不再增加。鉴于上述分析，本文将纹理深度为 、对应的峰值剪切应力取平均值作为纹理深度大于 对应的峰值剪切应力，以纹理深度从变化到 的峰值剪切应力变化率作为斜率，将峰值剪切应力随纹理深度的变化关系简化为如图所示的模型，界面峰值剪切应力及相关数据见表。模型图钢砂界面剪切应力剪切位移关系 第期郭聚坤，等：纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响图钢砂界面峰值剪切应力纹理深度关系 图界面峰值剪切应力 关系模型 表界面峰值剪切应力及相关数据 角度（）界面 界面界面界面 界面 注：为各界面的峰值剪切应力；为界面、界面、界面对应的峰值剪切应力的平均值。中 国 科 技 论 文第 卷由线性段和平稳段个部分组成，其交点对应的横坐标即界面剪切影响的纹理最大深度（），此深度集中在 范围内。为更好地研究纹理深度对界面剪切强度的影响，绘制界面剪切强度随纹理深度变化机理示意图，如图 所示。本 试验 所用 砂的平 均粒 径（）为 ，故 值集中在 ，界面、界面、界面、界面 对应的纹理深度分别定义为、，其与 的比例关系可由图得到。图界面剪切强度随纹理深度变化机理示意图 对于纹理角度为 的情况，参与界面剪切的砂由光滑区域的砂和纹理区域的砂组成。在光滑区域发生的是钢砂界面剪切；在纹理区域，由于两区域交界处存在棱角，砂从光滑区域进入纹理区域时，棱角会给砂颗粒提供前进的阻力，原先存在于纹理区域的砂与进入到纹理区域的砂会发生砂砂间的剪切，由于峰值剪切应力从界面 到界面 仍在增加，且根据图和表的计算分析，已知 ，故，说明界面纹理中的砂全部参与了界面剪切，从界面 到界面、界面，峰值剪切应力已保持平稳，且、均大于，界面、界面、界面 中出现了未受剪切影响的砂颗粒。从另一个角度看，纹理内参与 剪 切 的砂颗粒 数量越多，界面提供的抗剪强度就越大，界面 由于纹理深度与 相对尺度的限制，其参与界面剪切的砂颗粒数量最少，界面、界面、界面 参与界面剪切的砂颗粒数量比较接近，但都大于界面的砂颗粒数量。对于纹理角度为 情况，由于纹理方向与剪切方向一致，在下剪切盒移动的过程中，位于光滑区域上方的砂颗粒不会进入纹理区域，该部分砂颗粒一直与光滑界面产生界面剪切，而位于纹理区域的砂颗粒则发生砂砂间的剪切。由于砂砂间的剪切强度大于砂光滑钢板的剪切强度，因此该角度下的粗糙界面峰值剪切应力会大于光滑界面。由于棱角的方向与剪切方向保持一致，棱角对界面剪切的影响较小，同时纹理内砂的嵌挤效应减弱，导致了纹理角度为 的界面剪切强度小于纹理角度为 的界面。另外，在纹理角度为 的条件下，峰值剪切应力从界面到界面的变化规律与纹理角度为 的 情 况 一 致，结 合 图 和 表 可 知 ，说明界面纹理内的砂全部参与了界面剪切，而界面、界面、界面纹理内有部分砂未参与界面剪切，即 条件下也存在纹理深度临界值。基于试验参数，利用 颗粒流软件对纹理角度为 条件下各界面剪切影响深度进行了分析，如图 所示。图中颗粒按照受界面剪切影响程度从高到低分别以红色、黄色、绿色和蓝色表示，深蓝色颗粒认为不受界面剪切的影响，据此可以计算出界面、界面、界面、界面 的纹理影响深度（、）分别为 、，这与前述分析所得结论基本一致。界面抗剪强度指标变化规律由于所用土体为砂土，因此假定黏聚力（）为，根据摩尔库仑强度破坏准则 可计算界面摩擦角（），公式为 。（）式中：为峰值剪切应力；为法向应力。界面摩擦角及拟合公式见表，钢砂界面法向应力与峰值剪切应力关系如图 所示。可以得知：）线性拟合优度值（）均不小于 ，说明拟合效果良好，钢砂界面的剪切破坏状态可用摩尔库仑破坏准则表达。）此次试验界面摩擦角集中在 范围内，粗糙界面的摩擦角比光滑界面要大，说明界面形态的不同决定了界面强度指标的不同。）在相同粗糙界面条件下，界面摩擦角随着纹理方向与剪切方向交角的增大而增加，界面大于 界面。）由于光滑界面没有纹理，因此以转动光滑界面为任意角度时界面摩擦角为一固定值，在同一纹理角度条件下，纹理深度从变化到 过程中界面摩擦角出现较大幅度的增加，纹理深度从 变第期郭聚坤，等：纹理特征对钢与砂界面剪切性能的影响图 界面剪切影响深度数值模拟分析 化到 过程中界面摩擦角不再增加，保持相对稳定。这说明在纹理宽度相同的条件下，纹理深度存在一临界值，小于此临界值时，界面摩擦角随纹理深度的增加而增大，大于此临界值时，界面摩擦角将保持一稳定值，此规律与界面峰值剪切应力随纹理表界面摩擦角及拟合公式 界面界面摩擦角（）（）线性拟合公式 图 钢砂界面法向应力与峰值剪切应力关系 深度的变化 规 律 一 致，纹理 深度 的 临界 值范围 为 。结论本文利用自行改制的直剪仪对标准砂钢界面剪切特性进行了研究，所得