粗砂與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切特性試驗(yàn)研究

趙 程， 謝俊飛， 王文東， 周依盟

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土工程及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092;3. 上海市合流工程監(jiān)理有限公司， 上海 200120)

結(jié)構(gòu)物與土體之間的相互作用在土木工程中廣泛存在，如樁與周圍土體、地下連續(xù)墻與墻后土體的相互作用等.由于結(jié)構(gòu)物與土體的剛度相差懸殊，受到外部荷載時(shí)，在接觸面處可能出現(xiàn)滑移、錯(cuò)動(dòng)、脫開(kāi)、張閉等非連續(xù)現(xiàn)象.接觸面處的力學(xué)特性涉及到非線性、大變形和局部不連續(xù)等問(wèn)題，已成為土體與結(jié)構(gòu)物相互作用研究的核心課題之一.

Potyondy[1]最先采用直剪儀進(jìn)行了土體與不同粗糙度結(jié)構(gòu)物的接觸面力學(xué)特性研究，首次提出采用光滑和粗糙來(lái)定性描述建筑材料的表面粗糙度.Clough等[2]進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，研究了土與混凝土接觸面的力學(xué)特性，得到了應(yīng)力-應(yīng)變雙曲線模型，該模型目前仍在廣泛應(yīng)用.Martinez等[3]首次提出了界面粗糙形式對(duì)砂土與結(jié)構(gòu)物界面強(qiáng)度的影響，研究主要關(guān)注剪切帶力學(xué)特性，對(duì)剪切帶分布研究較少.殷宗澤等[4]通過(guò)在混凝土表面埋設(shè)潛望鏡，利用大尺寸直剪試驗(yàn)觀察剪切過(guò)程中接觸面處的土顆粒位移情況.胡黎明等[5-6]基于透明的直剪盒進(jìn)行了不同相對(duì)粗糙度下接觸面的力學(xué)特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接觸面的力學(xué)和變形特性在達(dá)到接觸界面的某一臨界相對(duì)粗糙度時(shí)表現(xiàn)出不同特性.張嘎等[7-9]將數(shù)字圖像技術(shù)用于直剪試驗(yàn)，從宏、細(xì)觀兩個(gè)角度研究了粗粒土和結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切特性.White等[10]提出了一種非接觸式土體變形測(cè)量新技術(shù)，該系統(tǒng)由數(shù)字?jǐn)z影、近景攝影測(cè)量和粒子圖像測(cè)速分析技術(shù)(PIV)組成，可以觀測(cè)到剪切帶表面土顆粒的運(yùn)動(dòng)，但不能觀測(cè)剪切帶內(nèi)部空間分布.上述成果主要研究了粗糙度對(duì)剪切帶力學(xué)特性和剪切帶表面形貌特征的影響，而對(duì)剪切帶內(nèi)部空間分布研究較少.

在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，采用在砂樣中灌注彩色砂的方法對(duì)砂土的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行標(biāo)識(shí).通過(guò)觀察剪切結(jié)束時(shí)彩色砂條的變形來(lái)研究粗粒土和結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切特性.

1 剪切特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為大型多功能界面剪切儀(SJW-200)，如圖1所示，主要性能指標(biāo)如表1 所示.

圖1 大型多功能界面剪切儀結(jié)構(gòu)示意圖(SJW-200)

剪切盒尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/(mm×mm×mm)最大荷載/kN最大位移/mm法向切向切向法向剪切速率/(mm·min-1)600×400×100200200150500.1～50.0

1.2 試驗(yàn)材料

(1) 標(biāo)準(zhǔn)砂

眾多研究表明，土體與結(jié)構(gòu)物剪切時(shí)接觸面的變形特性以及抗剪強(qiáng)度等受眾多因素的影響，如土的種類、含水率、密度以及法向應(yīng)力、結(jié)構(gòu)物的粗糙度等.

土體的密度和含水率對(duì)剪切帶特性有明顯影響.土體相對(duì)密度越大，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度越大.密實(shí)砂土剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，松散砂土呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象[11].砂土與結(jié)構(gòu)物接觸面抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小.隨著土體含水率的增大，接觸面的黏聚力先增大后減小，在塑性狀態(tài)含水率附近達(dá)到峰值.接觸界面的內(nèi)摩擦角隨著土體含水率的增加而增加[12].

為了使試驗(yàn)具有可重復(fù)性，試驗(yàn)用砂為福建ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，砂土處于飽和狀態(tài)，砂土的密實(shí)度通過(guò)重錘(10 kg)壓實(shí)的方法保證一致.砂土的平均粒徑D50=0.8 mm.砂土的篩分顆粒組分如圖2所示.

圖2 篩分曲線

試驗(yàn)前將ISO標(biāo)準(zhǔn)砂放入水里浸泡使其完全飽和.將飽和后的砂樣分層填在剪切盒上盒中，每層填筑大約2 cm，分四層填筑.每填筑一層用質(zhì)量為10 kg的標(biāo)準(zhǔn)重錘壓實(shí)一遍，如圖3a所示.為了保證每次剪切時(shí)砂樣的厚度為一定值，填筑砂樣時(shí)要多填筑一些，然后用一定高度的板把多余的砂土刮出來(lái)，如圖3b所示.

(2) PVC板

結(jié)構(gòu)物采用人工粗糙度的硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)板，PVC板表面制作成如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)齒型形狀，齒型截面為等腰梯形并保持齒型角度α=45°，同時(shí)滿足S1=S2，可知界面的凹處體積始終和凸出部分體積相等.在保持其他條件不變的情況下，僅通過(guò)改變谷峰距h來(lái)調(diào)PVC板的表面粗糙度，因此界面粗糙度即可用h的大小來(lái)表示.試驗(yàn)所用PVC板的谷峰距h=4 mm.

a 分層填砂壓實(shí)

b 統(tǒng)一填砂厚度

圖4 結(jié)構(gòu)物形狀及粗糙度定義示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)研究土體與結(jié)構(gòu)物剪切時(shí)接觸面的剪切特性，因此需對(duì)如圖1所示剪切儀進(jìn)行改裝.上剪切盒裝填砂土，下剪切盒安置PVC板(模擬結(jié)構(gòu)物).改裝后的剪切設(shè)備如圖5所示.上剪切盒砂土裝填結(jié)束后，通過(guò)彩色砂條限位板7在砂土中預(yù)留彩色砂定位孔9.限位板的俯視圖如圖6所示.在定位孔內(nèi)灌注自制的彩色砂，灌注完彩色砂的實(shí)物圖如圖7所示.灌注彩色砂的目的是為了標(biāo)記和凸顯結(jié)構(gòu)物表面砂土顆粒的移動(dòng)，由于自制彩色砂是通過(guò)試驗(yàn)用砂染色而來(lái)，即彩色砂本身就是試驗(yàn)用砂，所以彩色砂的變形完全表征了剪切盒內(nèi)砂土的變形規(guī)律.

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行剪切，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)出現(xiàn)如圖8所示的示意圖.從圖8可見(jiàn),剪切過(guò)程中，剪切板的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)與之接觸的一定厚度范圍內(nèi)的砂土顆粒的運(yùn)動(dòng)，從而在剪切板附近形成具有一定厚度的剪切帶.由于彩色砂條與周圍砂土產(chǎn)生同步協(xié)調(diào)變形，因此可以通過(guò)研究彩色砂條的變形形態(tài)來(lái)研究剪切帶的形態(tài).剪切結(jié)束時(shí)每一條彩色砂條都會(huì)存在一個(gè)臨界變形位置，如圖8中的編號(hào)1，此位置以下的彩色砂土顆粒都發(fā)生了顆粒運(yùn)動(dòng)，以上位置沒(méi)有發(fā)生顆粒運(yùn)動(dòng).臨界位置距離結(jié)構(gòu)物表面的距離就是剪切帶在此處的厚度.可知，每個(gè)彩色砂條都有一個(gè)這樣的空間臨界位置，本試驗(yàn)的主要機(jī)理就是通過(guò)研究剪切前后彩色砂條的變化來(lái)研究土體與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切特性.圖9為實(shí)際試驗(yàn)中剪切前后彩色砂條的變化情況，說(shuō)明了試驗(yàn)的可行性和合理性.

1.上剪切盒； 2.下剪切盒； 3.PVC板； 4.彩色砂； 5.成孔裝置；6.限位孔； 7.限位板； 8.粗砂； 9.所成砂孔

圖6 預(yù)制彩色砂孔

圖7 灌注彩色砂條

1.彩色砂條的臨界變形位置; 2.測(cè)量尺

a 剪切前

b 剪切后

剪切試驗(yàn)中法向荷載的加載方案為：100、150、200、250、300、350 kPa.剪切時(shí)采用位移控制，速度為2 mm·min-1，剪切位移達(dá)到30 mm時(shí)停止.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切變形特性

(1) 剪切帶的變形特性

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土體與結(jié)構(gòu)面相互作用時(shí)，剪切面并非是土體與結(jié)構(gòu)物的交界面，而是形成一個(gè)具有一定厚度的接觸面，將該接觸面定義為剪切帶[13].剪切帶形成的原因是由于結(jié)構(gòu)物與土體發(fā)生剪切時(shí)，結(jié)構(gòu)物表面附近的土顆粒受到結(jié)構(gòu)面的約束作用，結(jié)構(gòu)面移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)一定厚度范圍內(nèi)的土顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而在結(jié)構(gòu)物表面形成了具有一定厚度的剪切帶，如圖10中的黑色虛線包絡(luò).因此，土與結(jié)構(gòu)物的接觸面應(yīng)該看為一個(gè)剪切錯(cuò)動(dòng)帶，而不是簡(jiǎn)單的一個(gè)面.下面參照?qǐng)D10對(duì)剪切帶的變形特性進(jìn)行詳細(xì)描述.

圖10 剪切試驗(yàn)剪切帶示意圖

如圖10所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)物向左移動(dòng)的距離為d時(shí)，與結(jié)構(gòu)物表面接觸的砂土顆粒運(yùn)動(dòng)了d1，將d1定義為剪切位移.土體與結(jié)構(gòu)物的錯(cuò)動(dòng)位移定義為d3=d-d1.當(dāng)d>d1、d3>0時(shí)，說(shuō)明土體與結(jié)構(gòu)物之間產(chǎn)生了滑移錯(cuò)動(dòng)；當(dāng)d=d1、d3=0時(shí)，說(shuō)明兩者之間沒(méi)有產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng).距離結(jié)構(gòu)面越近，土顆粒的運(yùn)動(dòng)就越大.離結(jié)構(gòu)面一定距離時(shí)存在一個(gè)臨界位置，臨界位置以下的土顆粒發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，臨界位置以上的土顆粒沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)，則把結(jié)構(gòu)面距離臨界位置的垂直距離定義為剪切帶的厚度,即圖10中的d2.

圖11給出了剪切試驗(yàn)中法向應(yīng)力P=200 kPa、谷峰距h=4 mm時(shí)，剪切盒內(nèi)某一位置處的剪切變形情況.灌注彩色標(biāo)識(shí)砂時(shí)，砂條的底部恰好位于剪切板的凹槽處或齒頂部.從圖11a可以看出，剪切結(jié)束時(shí)，砂條的底部依然位于凹槽處或齒的頂部，這說(shuō)明交界面處的砂土顆粒和剪切板沒(méi)有產(chǎn)生相對(duì)位移，即d3=d-d1=0.剪切帶的剪切位移d1=27mm(見(jiàn)圖11a、b)，剪切帶的厚度d2=11 mm(見(jiàn)圖11b).

a 剪切后彩色砂條剪切位移測(cè)量

b 剪切帶厚度測(cè)量

(2) 剪切帶的空間分布

剪切帶的空間分布主要指剪切帶的厚度在空間的分布情況，在本試驗(yàn)中將剪切盒內(nèi)所有彩色砂條的臨界變形位置的空間坐標(biāo)測(cè)量并記錄下來(lái).剪切結(jié)束時(shí)，推出剪切盒，將上剪切盒的前部打開(kāi)，標(biāo)定每個(gè)彩色砂條在剪切盒內(nèi)的空間分布位置(見(jiàn)圖12a).打開(kāi)剪切盒前端后把遮蓋彩色砂條的砂鏟掉，使彩色砂條完全暴露，然后用刻度尺測(cè)量每個(gè)彩色砂條的變形轉(zhuǎn)折點(diǎn)(見(jiàn)圖12b).

a 標(biāo)記彩色砂條的位置

b 彩色砂條變形點(diǎn)測(cè)量

對(duì)于剪切帶的空間分布，Z軸坐標(biāo)為剪切帶的厚度，X、Y軸坐標(biāo)為在剪切盒內(nèi)的位置(見(jiàn)圖13)，X軸坐標(biāo)為剪切方向，Y軸坐標(biāo)為垂直剪切方向.將測(cè)量的空間坐標(biāo)繪制在空間坐標(biāo)系內(nèi)，空間點(diǎn)所包絡(luò)的曲面即為剪切帶的空間曲面.圖14給出了法向應(yīng)力P=200 kPa時(shí)剪切帶的空間分布.可以看出，不同法向應(yīng)力下剪切帶的空間分布具有相似規(guī)律.剪切試驗(yàn)中剪切帶的空間分布是不均勻的，總體呈現(xiàn)出中部大兩端小的趨勢(shì).為了更加系統(tǒng)地研究剪切帶空間分布的不均勻性，分別在X軸方向和Y軸方向研究剪切帶分布規(guī)律.

圖13 彩色砂條空間分布

圖14 剪切帶空間分布(h=4 mm)

2.2 剪切帶沿X軸方向的分布

圖15為剪切板谷峰距h=4 mm、法向應(yīng)力P分別為100、200、300 kPa時(shí)，第1、2、3、4排(見(jiàn)圖13)位置處剪切帶包絡(luò)線沿X軸方向的空間分布.從整體趨勢(shì)看，剪切帶在沿X軸方向上分布是不均勻的，呈現(xiàn)出中間大兩端小的趨勢(shì)，即剪切帶沿X軸方向先是逐漸增大，在剪切盒中部位置時(shí)達(dá)到最大并且穩(wěn)定一段距離，然后開(kāi)始減小.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：底部剪切板從右往左運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近剪切盒左側(cè)的砂土顆粒受到擠壓，使得左側(cè)顆粒變得較為密實(shí)，形成如圖16所示的擠壓區(qū)，右側(cè)顆粒則呈現(xiàn)疏松狀態(tài)，形成如圖16所示的松動(dòng)區(qū).靠近剪切盒左側(cè)的密實(shí)顆粒受到的約束作用大，顆粒移動(dòng)的阻力大，因此左側(cè)剪切帶的厚度變??；靠近剪切盒右側(cè)的顆粒剪切時(shí)呈現(xiàn)疏松狀態(tài)，沒(méi)有提供足夠的外力使其移動(dòng).

四排彩色砂條所顯示的剪切帶包絡(luò)線并沒(méi)有完全重合，說(shuō)明剪切盒內(nèi)的剪切帶在Y軸方向上也具有一定的不均勻性.隨著法向應(yīng)力的增大，第1、2、3、4排位置處的四條剪切帶分布曲線趨近重合，說(shuō)明隨著法向應(yīng)力增加剪切帶沿Y軸方向上的分布是趨近均勻的.同時(shí)，隨著法向壓力的增大，四條曲線的起伏程度減小，曲線趨于水平，說(shuō)明隨著法向應(yīng)力的增大在整個(gè)剪切盒內(nèi)剪切帶的空間分布趨于相同，邊界效應(yīng)的影響減弱.

不同法向應(yīng)力作用下，測(cè)量剪切結(jié)束后每條彩色砂條的臨界變形位置，發(fā)現(xiàn)剪切盒內(nèi)剪切帶的厚度在6～11 mm之間.砂樣的平均粒徑D50=0.8 mm，即剪切帶的厚度范圍為7～14倍的平均粒徑.

2.3 剪切帶沿Y軸方向的分布

如圖13所示，在本試驗(yàn)中平行于Y軸的彩色砂條共有15列.規(guī)定最左側(cè)一列為第1列，后面依次編號(hào).數(shù)據(jù)處理時(shí)測(cè)量每一列彩色砂條的臨界變形位置的高度，將平行于Y軸的每一列的彩色砂條的臨界變形高度在Y-Z坐標(biāo)中用曲線連接起來(lái)，形成每列剪切帶在Y軸方向的包絡(luò)線，用來(lái)研究每列剪切帶在Y軸方向的變化.

a P=100 kPa

b P=200 kPa

c P=300 kPa

圖16 受力區(qū)域分析

在上述X-Z曲線中選取離散性最大的曲線做Y-Z曲線，因?yàn)閄-Z曲線的離散性反映了剪切帶在Y軸方向上的分布情況.對(duì)比發(fā)現(xiàn),法向應(yīng)力越小，X-Z曲線的離散性越大，即剪切帶在Y軸方向離散性越大.

為了更好地顯示剪切帶沿Y軸方向的分布，圖17給出了Y軸方向偶數(shù)列彩色砂條形成的剪切帶包絡(luò)圖.試驗(yàn)結(jié)果顯示，圖中的曲線都近似為直線，表明每條剪切帶在Y軸方向的空間分布近似直線，即同一列位置處的剪切帶在Y軸方向上的分布趨于均勻；圖中存在個(gè)別曲線波動(dòng)大的情況，但是小于X軸方向的波動(dòng).對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在X軸方向上的不均勻性遠(yuǎn)大于在Y軸方向上的不均勻性.

圖17 剪切帶厚度沿Y軸方向分布(h=4 mm，P=100 kPa)

2.4 剪切帶形成機(jī)理分析

結(jié)構(gòu)物的谷峰距h=4 mm，顆粒尺寸(D50=0.8 mm)小于結(jié)構(gòu)面谷峰距.結(jié)構(gòu)物表面齒與齒之間的凹槽相對(duì)于砂土顆粒尺寸大得多，凹槽可以容納一定量的沙土顆粒，如圖18所示.凹槽內(nèi)的砂土顆粒由于受法向應(yīng)力P的作用被壓密實(shí)，再加上凹槽邊界a、b、c的約束，使得在剪切過(guò)程中凹槽內(nèi)砂土顆粒能夠隨著剪切板一起運(yùn)動(dòng)，并且越靠近凹槽的底部的砂土顆粒越密實(shí)、越容易隨剪切板一起運(yùn)動(dòng).凹槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的砂土顆粒由于摩擦力會(huì)帶動(dòng)周圍砂土顆粒的運(yùn)動(dòng)，從而在剪切過(guò)程中形成具有一定厚度的剪切帶.

圖18 結(jié)構(gòu)物與砂士顆粒的相互作用(h=4 mm)

剪切帶的形成原因是由于剪切板凹槽的約束作用，使得凹槽內(nèi)砂土顆粒位移與剪切板位移保持一致.在顆粒間摩擦力作用下，凹槽內(nèi)的砂土顆粒帶動(dòng)附近砂土顆粒運(yùn)動(dòng)，從而在剪切過(guò)程中形成具有一定厚度的剪切帶.

2.5 法向應(yīng)力對(duì)剪切帶厚度的影響

法向應(yīng)力對(duì)剪切帶厚度的影響較大.在本試驗(yàn)粗糙度下隨著法向應(yīng)力的增大剪切帶厚度也在增大.圖19為不同法向應(yīng)力下剪切帶厚度分布.可以看出，法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)剪切帶厚度最大，明顯高于其他剪切應(yīng)力情況.對(duì)于谷峰距h=4 mm時(shí)，法向應(yīng)力越大，凹槽處的砂土顆粒越密實(shí)，顆粒間摩擦力越大，越容易與剪切板一起運(yùn)動(dòng)，所以剪切帶厚度就越大.

圖19 不同法向應(yīng)力下剪切帶厚度沿X軸方向分布

3 剪切試驗(yàn)力學(xué)特性分析

本研究給出了不同法向應(yīng)力下谷峰距h=4 mm時(shí)剪切試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)結(jié)果包括：剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線；相對(duì)法向位移與剪切位移的關(guān)系曲線，約定試驗(yàn)中土體剪脹時(shí)法向位移為正，剪縮時(shí)法向位移為負(fù).

結(jié)果表明，不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線具有相似規(guī)律(見(jiàn)圖20).開(kāi)始剪切時(shí)，接觸面的剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而增大，當(dāng)剪切位移達(dá)到8 mm左右時(shí)均出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象.軟化后剪應(yīng)力在較大的位移條件下趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即剪切破壞應(yīng)力，并且法向應(yīng)力越大剪切破壞應(yīng)力越大.

相對(duì)法向位移與剪切位移的關(guān)系曲線在不同法向應(yīng)力下也呈現(xiàn)出相似規(guī)律(見(jiàn)圖21).相對(duì)法向位移隨著剪切位移的增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，并且曲線的斜率存在拐點(diǎn)，拐點(diǎn)位置位于峰值應(yīng)力附近.剛開(kāi)始時(shí)曲線斜率較大，說(shuō)明此時(shí)剪脹的速率大，當(dāng)剪切位移達(dá)到8 mm附近即峰值應(yīng)力附近時(shí)曲線的斜率變小.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：剪切帶內(nèi)顆粒達(dá)到抗剪強(qiáng)度后砂土顆粒發(fā)生翻轉(zhuǎn)、滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致剪脹速率減小.

圖20 剪應(yīng)力和剪切位移關(guān)系

圖21 相對(duì)法向位移和剪切位移關(guān)系

圖22給出了抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的擬合關(guān)系曲線，其中抗剪強(qiáng)度取不同法向應(yīng)力下接觸面的峰值剪應(yīng)力.接觸面的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力具有較好的線性關(guān)系，即抗剪強(qiáng)度隨著法向壓力的增大呈現(xiàn)線性增大.接觸面的抗剪強(qiáng)度采用用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的摩擦角φ來(lái)描述，如圖22擬合曲線所示，本次試驗(yàn)砂土與剪切板接觸面摩擦角φ為40.4°.

圖22 剪應(yīng)力和法向應(yīng)力關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 剪切盒內(nèi)灌注彩色砂條，試驗(yàn)后彩色砂條的變形可以反映剪切帶厚度和空間分布.試驗(yàn)中剪切帶厚度為6～11 mm，約為砂土顆粒平均粒徑(D50=0.8 mm)的7～14倍.

(2)由于剪切盒的邊界效應(yīng)，使得剪切帶厚度在空間分布上呈現(xiàn)出不均勻性.剪切帶厚度在剪切方向上(X軸方向)呈現(xiàn)出中間大兩端小的趨勢(shì)，在垂直剪切方向上(Y軸方向)離散性較小、分布近似均勻.

(3)由于剪切板凹槽的約束作用，因此使得凹槽內(nèi)砂土顆粒位移與剪切板位移保持一致.在顆粒間摩擦力作用下，凹槽內(nèi)的砂土顆粒帶動(dòng)附近砂土顆粒運(yùn)動(dòng)，從而在剪切過(guò)程中形成具有一定厚度的剪切帶.

(4)土體表現(xiàn)出剪脹特性是由剪切帶的變形導(dǎo)致的.剪切初始時(shí)剪脹速率較大，達(dá)到抗剪強(qiáng)度后剪脹速率減小.原因可能為：達(dá)到抗剪強(qiáng)度后剪切帶內(nèi)顆粒發(fā)生翻轉(zhuǎn)、滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致剪脹速率減小.

(5)在剪切過(guò)程中剪切帶的剪應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象，并且接觸面的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力具有良好的線性關(guān)系，可以用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的摩擦角φ來(lái)描述.