接触面大型单剪试验的操作及现象分析

1、接触面大型单剪试验的操作及现象分析摘要：工程中广泛存在土与结构相互作用问题，本文总结了目前的一些研 究以及缺陷，利用河海大学研制的接触面大型单剪仪进行土与结构接触面 性质的研究，介绍了该试验仪器的原理和组成系统，介绍了单剪试验中的 操作步骤及其操作方法，并说明了其中的注意事项，最后介绍了试验结果， 并对试验现象进行了分析，认为单剪试验是由多个直剪试验组成，在一定 程度上仍存在面积减小和应力不均匀现象，由于目前的规范还没有涉及接 触面单剪试验，笔者根据自己的试验经历作了总结分析，以供同行参考交 流。关键词：大型单剪仪；接触面；单剪试验；应力应变1.引言在土工建筑物中，常会遇到土与结构的交界面，如

2、水利工程中土石坝 的混凝土心墙与反滤料，防渗墙与地基覆盖层，混凝土面板坝中面板与垫 层等，其他土工建筑物如挡土墙，桩与桩周土等等。由于接触界面两侧材 料特性的差异，在界面两侧常存在着较大的剪应力并发生位移不连续现 象，从而产生复杂的应力及变形现象。如何合理地描述接触面的力学特性 是能否解决土与结构相互作用问题的关键。目前国内外学者对接触面问题进行了广泛的试验研究，先前的研究主 要集中在直剪试验的基础上，但直剪试验存在接触面破坏位置被限定的缺 陷，后来人们研制了各式各样的单剪仪来研究接触面的受力与变形。吴军 帅和姜朴1 通过单剪仪对接触面的动力性能作了研究。卢廷浩等2作了较为详尽的土与不同结构的

3、试验，观察了接触面的错 动位移和剪切位移。与直剪仪相比，单剪仪设计了多个叠环而不是仅有一 个上盒。试验时，将土样装在重叠的多个叠环中。剪切过程中，土样可沿 任何叠环面产生错动变形。可见，单剪仪的改进之处在于破坏面未加以人 为限定，剪切破坏发生在实际的最软弱面上，而且克服了直剪试验过程中 接触面积不断减少的不足。现行的土工试验方法标准(GB/T 50123-1999) 3未涉及接触面单剪试验，对试验方法没有一个统一的规定。笔者根据河 海大学研制的大型单剪仪进行粘土与混凝土接触面的试验，根据自身体 会，作了一些总结和分析，以便同行之间的沟通和交流。试验设备试验设备采用河海大学研制的大型单剪直剪仪(

4、DHJ-30)，其基本结构 形式和工作原理与常规直剪仪相似。其先进之处在于叠环尺寸大，直径 S=300mm，能够在很大程度上降低试验的尺寸效应；配有液压加压系统， 能够提供更高的垂直压力，能够对高应力条件下接触面的力学性能进行模 拟；能够控制应力路径，可以模拟施工过程中接触面的复杂加载路径。该设备配有位移传感器和计算机自动数据采集系统，垂直位移及水平 位移均采用光栅位移传感器完成测量，并通过计算机来存储，降低了读数 及数据处理过程中人为因素带来的影响。配有液压系统及电气操作控制柜 以对试验的加载卸载过程进行控制，垂直加载系统分为低压和高压两个系 统，以便于对不同的压力等级进行控制。水平加载采用

5、等应变速率加载， 由计算机控制变频电机自动调速系统加载。设备配置自动化程度高，降低 了人为因素对试验产生的影响，操作方便。试样用料本次试验采用某大坝工程心墙高塑性粘土，比重Gs = 2.75，液限WL =49%，塑限WP = 18%。首先将风干的土样过5mm筛，配置各含水率 下的土样进行击实试验，得出最优含水量为18% ,最大干密度pd =1.65g/cm3。为接近工程实际，试样含水量按18%配制，干密度取 1.64g/cm3。试验中的接触面为混凝土一高塑性粘土接触面，试验机下盒放 置混凝土板，板面保持自然粗糙，上层为取自该拟建大坝工程高塑性粘土 土样。试验方法试验在五级不同的法向应力下分别进

6、行，法向应力on分别取100kPa、 200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa。剪切速率设定为 0.6mm/min，在每级 法向压力下首先进行固结，待固结基本稳定后保持法向压力不变进行剪切 试验，采用固结快剪方式，系统自动测读垂直位移和水平位移以及水平剪 力。4.1装样4.1.1 土样击实单剪试验的装样空间不是一个整体，而是由多个叠环 重叠形成一个圆柱体空间。在制作叠环时，应在平面边缘对角线的位置预 布两个圆孔，安装时用螺栓插入与底坐固定在一起,以保证各环同心，防止 装样过程中叠环之间产生错动，装样完成后再取出。为了达到工程中土的 干密度，装样的过程中土样要分层击实，土样击实过

7、程中，必须采取相应 措施防止土粒进入叠环间的夹层。否则，叠环不能严密接触，必将对该二 叠环间形成软弱面。笔者采取的是在装土空间四周贴一层薄膜，以起到隔 离土粒的作用。由于叠环厚度小，刚度差，击实过程应注意防止叠环变形。采用轻型 击实，且严格分层。每层试样高度宜相等，两层交界处的土面应刨毛。击 实完成后，高出部分用小刀轻轻削去。土样击实并修平上表面后，在其上 放一块圆形透水布和一块带孔钢板，再在其上放置传力板。传力板必须有 相当刚度，并与最上面的叠环紧密接触。4.1.2位移传感器安装为了记录固结过程中的垂直位移和剪切过程中的垂直位移与水平位 移，需要在传力板上方和叠环侧面安装传感器。为了准确测量

8、位移，垂直 光栅共装四支，应注意使光栅呈正方形均匀布置，安装在垂直压力传压板 的外边缘，保证其垂直。准确测量水平位移更是单剪试验的主要目的，在 每一个叠环旁及混凝土板旁安装光栅位移传感器。光栅必须确保水平，注 意光栅计是否有足够的量程以量测叠环和混凝土板的位移。4.2固结根据工程实际和土的种类确定是否施加固结及固结时间。固 结开始前先手动拉动各光栅，并观察电脑记录数据是否有相应跳动，如果 跳动说明能够测读位移。对各位移记录进行清零，然后按设定的垂直压力 进行加载。加载时小心调整上升旋钮，至接近目标荷载后改用微调旋钮， 防止操作不慎垂直压力超过设定压力值。记录下不同垂直荷载作用下的沉 降，以便于

9、此后计算土体的压缩系数等指标。4.3剪切剪切前，先设定试验参数。设定采集数据的频率为每10秒钟读一次 数据。剪切速率的设定是相当重要的一环，应根据工程实际设定合适的剪 切速率。河海大学研制的该单剪仪可从01.0mm/s任意设置，可满足各种 需要，本次试验模拟固结快剪过程，剪切速率设定为0.6mm/s。参数设定 后，施加水平力于土样底板，剪切开始，系统会自动对垂直位移及各叠环 和混凝土板的水平位移进行测读。4.4卸载试样达到破坏后，要卸除对试样的载荷。水平荷载和垂直荷载的卸除 是有先后顺序的，先解除水平荷载，后解除垂直荷载。如果先卸除垂直荷 载，水平力会继续拉动剪切盒移动，并且水平位移会急剧增加

10、，会给仪器 带来损坏。4.5拆样由于叠环发生了错位，圆柱体土样也随之发生了错动变形。拆样后可 清楚地看到土样在边缘上产生的一系列台阶。根据台阶宽度的大小可确定 错动位移最大的平面，也就可定性地判断其为软弱破坏面。同时，根据土 样弯曲后的形状绘图，找到其上的拐点，对于接触面薄层单元计算中厚度 t的取值作为参考。试验结果单剪试验通常用于模拟土与结构接触面的应力应变关系。由于接触面 的滑动破坏并不是仅发生在一个面上，而是带动一定的土体而形成一个剪 切错动带，因此，通过单剪试验测得各级垂直压力P下剪力T及对应的 剪切位移&并确定接触面厚度t，则可通过式(1-1)、(1-2)和(1-3)求得剪应 变Y、

11、正应力on和剪应变T，式中A为试样的截面积。试验现象分析虽然单剪试验较直剪试验而言有了很多的改进，但是我们通过对试验 后的土样观察发现，单剪试验中仍然存在试验过程中接触面积减小和应力 分布不均匀现象，如图3所示。其实，单剪试验是由一系列的直剪试验组 成，每相邻的两个叠环之间形成一个小型的直剪试验，所以也存在直剪试 验所存在的问题，像叠环之间土体接触面积减小、应力不均匀现象。但是 由于接触面的错动位移由多个叠环之间的错动位移共同分担，因此接触面 积减小和应力不均匀现象没有直剪试验的那么明显。如果叠环越多，并且 叠环的厚度越小，直剪试验中的现象在单剪试验中就体现的越不明显。但 是用的叠环越多会导致

12、叠环之间的摩擦力影响试验测得的剪力，所以也不 是越多越好。7.结论迄今为止，尚未有关于接触面单剪试验的相关规范出台，而且现有的 单剪仪大多为各高校或科研院所自行研制，在仪器规格、操作方式上都存 在着差异，所得到的试验结果也存在一定的差异。本文针对河海大学研制 的大型单剪仪操作方法、注意事项和试验结果进行了介绍，通过对试验现 象的观察认为接触面单剪试验是由一系列的直剪试验组成，虽然相对直剪 试验有很大的改进，但仍然存在面积减小和应力不均匀的现象。参考文献吴军帅，姜朴.土与混凝土接触面的动力剪切特性J.岩土工程 学报，1992, 14(2)： 61-66.张冬霁，卢廷浩.一种土与结构接触面模型的建立及应用J.岩 土工程学报，1998, 20(6)： 62-66.土工试验方法标准 Standard for soil test method, GB/T 50123-1999.沈晨，土工试验中的一些体会J.扬州大学学报，2