粗糙度对钢-砂土界面剪切应力应变关系的研究

荣文涛

（山东交通职业学院 公路与建筑系，山东 潍坊 261206）

摘要：利用改进的直接剪切设备，进行了钢结构-厦门标准砂在不同粗糙度下的界面剪切试验，分析了其界面剪切应力应变关系，界面抗剪强度的分析以及对界面剪切应力应变关系进行数学拟合。结果表明：对于同一种粗糙界面，随着法向应力增大，剪切应力并逐渐增大；对于同一法向应力条件下，粗糙度大的界面抗剪强度大；硬化阶段采用对数函数，软化阶段采用常数合理，拟合效果良好。

关键词：剪切应力；剪切位移；等效摩擦角；对数函数；常数

中图分类号：TU473 文献标识码：A

Study on the relationship between shear stress strain on steel-sand interface

RONG Wentao （Shandong Transport Vocational College,Shandong Weifang

261206 China）

Abstract:This paper uses the improved direct shear equipment to carry out the interface shearing test of steel structure-Xiamen standard sand at different roughness degrees, analyzes the interface shear stress strain relationship, analyzes the interface shear strength, and mathematically fits the interface shear stress strain relationship. The results show that: for the same rough interface, with the increase of normal stress, the shear stress increases gradually, the shear strength of the interface with large roughness is great under the same normal stress condition, the argumentation stage adopts the number of arguments function, the softening stage adopts the constant and the fitting effect is good.

收稿日期：2020-07-17作者简介：荣文涛（1981—），男，山东潍坊人，工学硕士，副教授。

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Key words:shear stress; shear displacement; equivalent friction angle; dating function; constant

引言

在桩基础施工过程中的基桩、桥台台背与路基填土之间等其它工程施工过程中，结构物与土体会产生一定的界面剪切，当抗剪强度达到剪切破坏时，结构物-土体会发生失稳破坏，因此提高其界面抗剪强度尤为关键［1-2］。

众多学者针对于此类问题做出了很多研究，其中针对于结构物-砂性土的界面剪切众多。马刚等［3］采用利用随机粗粒土三维数值试样，进行了结构物-土体界面剪切模拟试验并分析了单剪和直剪下的力学特性，在宏观和细观两个角度分析了数值试验结果。杨砚宗［4］利用大型直接剪切仪器进行了结构物-砂土的界面剪切试验，得出了随界面粗糙度的增加，初始剪切模量和峰值剪切应力都增大。郭聚坤等［5］分析了不同砂粒组、粗糙度和法向应力下的钢-砂界面剪切应力与位移关系、粗糙界面剪切面性状以及粗糙界面抗剪强度构成。胡顺洋等［6］在常应力状态下的进行了接触面直剪试验，研究钢-土体界面的剪切特性。王瑞等［7］利用改进的直剪仪器，进行了标准砂与木、钢及混凝土界面剪切试验,分析了剪切应力应变关系及抗剪强度指标，对剪切应力应变关系进行了对数-双曲线的，并进行了数值模拟。

1 试验准备

1.1 设备准备

采用界面剪切设备是改进的直接剪切仪。下盒改进后可以放置一定规格的钢结构物，如图1所示。

图1 界面剪切设备

山东交通科技1.2 材料准备

试验所用结构物为钢与混凝土，其中钢为Q235A碳素结构钢，表面利用刻刀刻制5道和7道的均等距离的纹路，见图2。土体采用厦门标准砂，内摩擦角为17°，干密度为1.684 g/cm3，Cu和Cc分别为5.70和0.。

图2 试验所用结构物

1.3 试验方案

上盒放入厦门标准砂，下盒放入不同粗糙界面的钢试块。分别在法向应力50 kPa、100 kPa、150 kPa及200 kPa下进行直接剪切试验，共计8次试验。

2 试验结果及分析

界面剪切应力-剪切位移关系见图3。通过图3分析发现：对于同一种粗糙界面，随着法向应力增大，剪切应力并逐渐增大，体现了明显的硬化规律。

（a）粗糙度1

（b）粗糙度2

图3 界面剪切应力-剪切位移关系

2021年第1期

对于同一法向应力条件下，粗糙度2的界面剪切应力要比粗糙度1的大。

图4为峰值剪切应力与法向应力关系。由于多采用土体为标准砂，因此采用等效摩擦系数公式进行界面抗剪强度的确定，界面黏聚力为零，公式：

τf=σtanφ ……………………………………（1）

图4 峰值剪切应力与法向应力关系

通过图4分析发现：相关系数R2均在0.97以上，拟合效果良好。通过计算得出粗糙度1时的界面摩擦角为21.06°，粗糙度2时的界面摩擦角为26.06°，对比两个粗糙度界面，说明粗糙度大的界面抗剪强度越大。

3 界面剪切应力应变拟合关系

由于界面剪切应力应变曲线软化阶段近似于一水平线，说明到达峰值剪切应力后其值基本不变，为了进一步分析界面剪切应力应变的关系，进行拟合：

τ=alnδ+b ，峰值剪切位移前

C（常数），峰值剪切位移后

……………（2）

硬化阶段对数函数关系拟合曲线如图5所示。分析发现，硬化阶段采用对数函数来进行界面剪切应力应变关系的表述很合理，走势基本与试验点相同，相关系数R2均在0.9以上，说明拟合效果良好。为了更好描述本拟合关系的合理性，将试验峰值剪切应力与得出的常数C作差并对其取绝对值，见表

1，分析发现：τf-常数C在5.5 kPa之内，峰值剪切应力差值不大，拟合关系良好。

表1 试验与拟合公式峰值剪应力比较

接触面类型

法向应力试验峰值剪切应力

/kPaτ常数C

f/kPa

τf-常数C

50

22.0623.081.02粗糙度1

10043.0145.142.1315056.8160.213.420074.7578.573.8250

28.5726.671.9粗糙度2

10050.9450.610.3315071.5768.533.04200

97.12

91.66

5.46

（下转第134页）

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张提勇，董艳涛，陈仁山，刘 锋，刘文江：桥面发热电缆防冰及融冰试验研究

10 m/s、12 m/s的桥梁防冻结冰热负荷计算。可根据计算结果控制发热电缆防冰工作功率。（3）通过发热电缆路面加速加载试验，检测发热电缆路面施工工艺，对发热电缆防冰路面的耐久性、抗变形及抗开裂能力进行验证试验，证明了技术方案的可行性。

参考文献：

1 李长城，刘小明，荣建.不同路面状况对路面摩擦系数影响的试验研究［J］.公路交通科技，2010，27（12）：27-32.

2 赵芬娟.发热电缆融雪技术在道路融雪化冰中的应用［J］.建设机械技术与管理，2014（7）：83-85. 3 鲁宽.一种新型桥梁除冰雪系统的浅析［J］.卷宗，2017（17）：219-220.

4 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法：GB/T 10295—

2008［S］.北京： 中国标准出版社，2008.

5 美国材料与试验协会（US-ASTM）.用热流计法测定稳态热通量和热传递特性的试验方法：ASTMC 518—04［S］.美国：2004.

6 肖横林，吴雪洁，周锦华.岩土材料导热系数计算研究［J］.路基工程，2007，3（132）：-56.

7 李俊.严寒寒冷地区空气源热泵系统室外计算温度选择的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.8 田泽峰，范兴华，刘云全.足尺沥青路面加速加载试验实践导论［M］.辽宁：东北大学出版社，2012.9 中华人民共和国交通运输部.公路路基路面现场测试规程：JTG 3450—2019 ［S］.北京：人民交通出版社，2019.

10 中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20—2019［S］.北京：人民交通出版社，2019.

（上接第117页）

于同一法向应力条件下，粗糙度2的界面剪切应力要比粗糙度1的大。（2）采用等效摩擦系数公式进行界面抗剪强度的确定，粗糙度大的界面抗剪强度

越大。（3）硬化阶段采用对数函数，软化阶段采用常数合理，拟合效果良好。

参考文献:

1 郭聚坤，雷胜友，魏道凯，等.粗糙度对结构物—细砂界面剪切特性的影响［J］.水利水运工程学报，2019（3）: 85-94．

2 梁鹏，曹卫平，陆清元.常/变法向应力下松砂—混凝土接触面剪切力学性状试验研究［J］.建筑结构， 2014，44（8）:61-65.

3 马刚，周伟，常晓林，等.粗粒土与结构接触面特性的离散—连续耦合数值研究［J］.岩土力学，2012，33（11）:34-34.

4 杨砚宗.砂土与结构接触面粗糙度试验研究［J］.建筑科学，2013，29（1）:55-57.

5 郭聚坤，雷胜友，寇海磊，等.考虑粗糙度和粒径影响的钢—砂界面剪切特性试验研究［J］.工业建筑， 2019， 49（1）:100-106.

6 胡顺洋，李文帅，吴健，等.砂土—钢接触面力学特

（a）粗糙度1

（b）粗糙度2性的直剪试验研究［J］.工业建筑，2018，48（8）:118-121，196.

7 王瑞，郭聚坤，卞贵建，等.结构物—标准砂界面剪切机理及数值模拟分析［J］.中外公路，2020，40（1）:212-217.

图5 硬化阶段对数拟合关系

4 结语

（1）对于同一种粗糙界面，随着法向应力增大，剪切应力并逐渐增大，体现了明显的硬化规律。对- 134 -