黃土-三趾馬紅土滑坡滑帶土剪切力學(xué)特性影響因素

祝艷波，韓宇濤，苗帥升，李紅飛，李文杰，蘭恒星

(長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

黃土高原第四系黃土廣泛沉積于新近系三趾馬紅土之上[1]，形成“雙層異質(zhì)”接觸層面，為典型易滑地層。黃土高原55%的大型黃土滑坡均為黃土-三趾馬紅土接觸面型滑坡[2]，因此，研究黃土-三趾馬紅土滑坡滑帶土剪切力學(xué)特性對于揭示此類滑坡啟動機制具有參考意義。但目前關(guān)于此類滑坡研究以定性評價其形成演化機制為主[3]，針對滑帶土研究也以黃土為主，而關(guān)于黃土-三趾馬紅土界面力學(xué)特性方面研究成果不多。

直剪試驗?zāi)苣M界面演化成滑帶的剪切過程，因而能夠很好地描述界面間的相互作用[4-5]，適合于研究界面的剪切力學(xué)行為[6-7]。國內(nèi)外關(guān)于土體界面研究主要集中在土與不同結(jié)構(gòu)界面的剪切力學(xué)特性方面[8-12]，如砂土與混凝土接觸[7,13-14]、黏土與混凝土[15-16]、土與鋼板[17-19]、土與土工膜[20-21]等，上述研究均表明界面存在顯著低于土或結(jié)構(gòu)物的強度[22-24]。

土與結(jié)構(gòu)接觸界面強度及破壞模式受不同因素影響[18,24-30]，如界面土體物理性質(zhì)、含水率、干密度、界面粗糙度、試驗加載方式和法向應(yīng)力等[31-34]。Canakci等認為粗糙度及含水率對于樁土界面剪切力學(xué)特性具有重要影響[35]；Sayeed等研究了正應(yīng)力對砂土-無紡?fù)凉げ冀缑娴募羟辛W(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)無紡?fù)凉げ冀缑婢哂懈叩某跏技羟袆偠萚36]；Ling等研究了含水率對黏性土-混凝土界面剪切特性影響，發(fā)現(xiàn)界面峰值強度隨含水率升高而降低[37]；Mortara等分析了界面摩擦特性對界面剪切力學(xué)性質(zhì)影響，并提出了光滑鋼板與砂土界面本構(gòu)模型[18]；Vangla等分析了砂土形態(tài)對砂粒與土工膜接觸面的影響，認為砂粒形態(tài)對界面強度具有重要影響[38]；Afzali-Nejad等則明確了粗糙的砂粒角邊形狀可以提高界面的峰值摩擦角與最大剪脹角[20]；Ammar等通過對黏土與大麻纖維接觸面強度研究，發(fā)現(xiàn)界面排水條件良好、界面粗糙度大均能提高試樣強度[21]；Chen等則定性研究界面粗糙度對界面剪切力學(xué)特性影響，發(fā)現(xiàn)界面強度隨界面粗糙度增大而增大[39-41]。以上研究均表明，界面剪切力學(xué)特性與界面粗糙度、正應(yīng)力、含水率等密切相關(guān)。

綜上所述，土與結(jié)構(gòu)物界面剪切力學(xué)特性研究成果頗豐，但關(guān)于土與土之間不連續(xù)面的剪切行為研究不多[42]，尤其是針對黃土。雖然一些學(xué)者研究了黃土與砂土、黃土與混凝土、黃土與基巖等界面的剪切應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系、抗剪強度參數(shù)變化等[43-46]，但針對廣泛分布的第四系黃土與新近系三趾馬紅土界面力學(xué)特性研究成果不多，針對其界面強度影響因素研究更是鮮見。

基于此，本文研制界面制樣設(shè)備及界面直剪儀，開展界面剪切力學(xué)特性試驗研究，以揭示黃土-三趾馬紅土界面剪切破壞模式，分析其剪切強度特性，探討粗糙度、干密度、含水率對界面強度的影響規(guī)律，以期為進一步研究黃土-三趾馬紅土界面如何演化成滑帶，進而揭示此類黃土復(fù)合型滑坡啟動機制提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

圖1 陜西西安白鹿塬區(qū)域地質(zhì)簡圖及野外特征Fig.1 Regional Geological Sketch Map and Field Characteristics of Bailuyuan in Xi’an of Shaanxi

研究區(qū)位于陜西省西安市白鹿塬塬邊[圖1(a)、(b)]，區(qū)域內(nèi)第四系黃土廣泛沉積于新近系三趾馬紅土之上，形成粗糙接觸的異質(zhì)土接觸界面[圖1(c)]。黃土斜坡易沿此軟弱層面產(chǎn)生滑動[圖1(d)、(e)]，形成黃土滑坡，因此，開展黃土-三趾馬紅土界面剪切力學(xué)特性研究具有重要意義。

試驗土料取自研究區(qū)陳家坡滑坡滑帶，為新近系三趾馬紅土與第四系黃土，其顆粒級配如圖2所示，基本物理性質(zhì)指標如表1所示?？紤]試樣尺寸限制，將土料過2 mm篩，剔除粒徑大于2 mm顆粒，以備試驗。

圖2 試驗土料顆粒分布 Fig.2 Particle Distribution of Test Soil

1.2 試驗方案與試樣制備

黃土-三趾馬紅土接觸界面粗糙(圖1)，土質(zhì)密實，顆粒較細(表1)，野外近半成巖狀態(tài)、含水狀態(tài)多變，因此，粗糙度、含水率、干密度對界面剪切強度影響不可忽視。綜合考慮土樣密實狀態(tài)、實驗室制備重塑樣的可行性，并簡化接觸面粗糙度表達，將黃土-三趾馬紅土接觸界面簡化為規(guī)則鋸齒狀接觸，通過變化齒狀界面接觸角度(簡稱齒面角度)反映界面的粗糙度。制定的試驗方案如下：分別設(shè)計5種齒面角度(0°、15°、30°、45°、60°)、4種干密度(1.55、1.65、1.75、1.85 g·cm-3)、4種含水率(15%、17%、19%、21%)下界面試樣剪切試驗(表2)，以充分揭示界面強度影響因素。

表1 黃土和三趾馬紅土物理性質(zhì)參數(shù)

表2 試驗方案

由于原狀土樣密度大，受室內(nèi)制樣設(shè)備限制，為制備出高密度重塑樣，首先研制界面試樣制備工具[圖3(a)]，配合使用齒狀界面模具[圖3(a)]，即可制備出干密度大、接觸緊密的界面試樣。該壓實裝置能夠壓制出干密度為1.85 g·cm-3的重塑試樣，試樣直徑為61.8 mm，高度為20.0 mm。試樣制備分為3步[圖3(b)]：首先，將制樣模具放置于制樣筒中，按制樣要求放入一定質(zhì)量的黃土濕土料并壓實，制備出與制樣模具粗糙接觸的黃土試樣；接著，將制備好的黃土試樣及壓樣模具取出并相互分離，再將黃土試樣置于制樣筒底部，使其粗糙面朝上，并在其上放置一層薄塑料膜，便于后期黃土-三趾馬紅土接觸面分離；最后，按要求倒入一定量的三趾馬紅土濕土料，使其與黃土試樣粗糙面接觸并壓實，即可壓制出黃土-三趾馬紅土界面試樣。去掉試樣接觸齒面間的塑料膜，并使黃土-三趾馬紅土沿齒面重新結(jié)合，完成試樣制備。

1.3 試驗設(shè)備與方法

圖3 界面制樣設(shè)備及制樣過程Fig.3 Preparation Device and Process of Interface Samples

為開展黃土-三趾馬紅土界面試樣剪切試驗，并準確獲取試樣水平剪切位移、豎向剪脹位移、剪切破壞模式，研制可視化界面直剪儀[47](圖4)。該設(shè)備由垂直加壓裝置、水平加載裝置、計算機采集與控制系統(tǒng)、剪切盒、量測系統(tǒng)組成。垂直加壓裝置采用環(huán)向氣壓施加法向應(yīng)力，保證法向應(yīng)力施加穩(wěn)定，應(yīng)力控制范圍為0～500 kPa；水平加載裝置采用伺服控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)等速應(yīng)力、等速位移加載，等速位移加載范圍為0.025～6.350 mm·min-1，其精度為±5%；量測系統(tǒng)可實時自動量測剪切應(yīng)力、水平剪切位移、豎向剪脹位移，應(yīng)力傳感器量測范圍為0～2 kN，精度為0.2%，位移傳感器測量范圍為0～10 mm，精度為0.1%；計算機采集與控制系統(tǒng)可實時控制加載裝置，采集與傳輸量測數(shù)據(jù)；可視化剪切盒可為獲取試樣剪切過程破壞模式觀測提供條件。

將試驗法向應(yīng)力設(shè)定為12.5、25.0、37.5、50.0、100.0、200.0、300.0、400.0 kPa，可全面揭示界面試樣的剪切強度變化規(guī)律。試驗剪切速率一般設(shè)置為0.8 mm·min-1。

2 結(jié)果分析與討論

本文完成24組黃土-三趾馬紅土界面試樣剪切試驗，獲取界面試樣剪切破壞模式、剪切應(yīng)力-位移曲線、豎向剪脹位移、剪切強度變化規(guī)律。

2.1 剪切破壞模式

圖4 全自動可視化界面直剪儀Fig.4 Computer-controlled Visual Direct Shear Equipment of Interface

根據(jù)對黃土-三趾馬紅土界面試樣剪切破壞模式的觀察可見，試樣均沿著界面產(chǎn)生剪切破壞，但破壞模式不同，可分為齒間滑動、齒間滑動-齒面剪斷、齒面剪斷3種(圖5～7)。因此，剪切破壞模式不僅與法向應(yīng)力有關(guān)，還與界面接觸條件有關(guān)，如齒面角度、含水率及干密度。

根據(jù)齒面角度對界面試樣剪切破壞模式的影響(圖5)可見，不同齒面角度下試樣剪切破壞模式不同。當齒面角度為15°時，試樣剪切破壞模式為齒間滑動；隨著齒面角度增大到45°時，試樣剪切破壞模式為齒間滑動-齒面剪斷；當齒面角度為60°時，試樣剪切破壞模式為齒面剪斷。當齒面角度相同時，不同法向應(yīng)力下試樣剪切破壞模式也不同。當法向應(yīng)力為100.0、200.0 kPa時，試樣剪切破壞模式為齒間滑動-齒面剪斷；當法向應(yīng)力為400.0 kPa時，試樣剪切破壞模式為齒面剪斷。綜上所述，齒面角度增大且法向應(yīng)力越高，試樣越趨于齒面剪斷破壞，且齒面剪斷面積不斷增大。

根據(jù)含水率對界面試樣剪切破壞模式的影響(圖6)可見，法向應(yīng)力及含水率均影響試樣剪切破壞模式。隨著含水率增大，試樣剪切破壞模式由齒間滑動逐漸向齒間滑動-齒面剪斷、齒面剪斷過渡。隨法向應(yīng)力增大，試樣剪切破壞模式也由齒間滑動逐漸向齒間滑動-齒面剪斷、齒面剪斷過渡。當法向應(yīng)力為12.5 kPa時，試樣剪切破壞模式均為齒間滑動；當法向應(yīng)力為100.0、200.0 kPa時，試樣剪切破壞模式均為齒間滑動-齒面剪斷；當法向應(yīng)力為其他設(shè)定值時，試樣剪切破壞模式出現(xiàn)兩種，且含水率越高，試樣剪切破壞模式愈趨于齒面剪斷，且剪斷面越接近齒面根部，齒面剪斷面積越大。

根據(jù)干密度對界面試樣剪切破壞模式的影響(圖7)可見，法向應(yīng)力及干密度均影響試樣剪切破壞模式。隨著干密度減小，試樣剪切破壞模式由齒間滑動逐漸向齒間滑動-齒面剪斷、齒面剪斷過渡。隨法向應(yīng)力增大，試樣剪切破壞模式由齒間滑動逐漸向齒間滑動-齒面剪斷、齒面剪斷過渡。當法向應(yīng)力為12.5 kPa時，試樣剪切破壞模式均為齒間滑動；當法向應(yīng)力為100.0、200.0 kPa時，試樣剪切破壞模式均為齒間滑動-齒面剪斷；當法向應(yīng)力為其他設(shè)定值時，試樣剪切破壞出現(xiàn)兩種模式，且干密度越小，試樣剪切破壞模式愈趨于齒面剪斷，且剪斷面越接近齒面根部，齒面剪斷面積越大。

圖5 不同齒面角度和法向應(yīng)力下試樣剪切破壞模式Fig.5 Shear Failure Modes of Samples Under Different Interface Angles and Normal Stresses

齒面角度為45°圖6 不同含水率和法向應(yīng)力下試樣剪切破壞模式Fig.6 Shear Failure Modes of Samples Under Different Moistures and Normal Stresses

齒面角度為45°圖7 不同干密度和法向應(yīng)力下試樣剪切破壞模式Fig.7 Shear Failure Modes of Samples Under Different Densities and Normal Stresses

由此可見，界面試樣剪切破壞模式受齒面角度、含水率、干密度影響顯著。齒面角度與法向應(yīng)力越小，試樣沿齒間滑動的摩擦阻力越小，破壞模式越趨于齒間滑動，反之越趨于齒面剪斷；界面含水率越高且干密度越小，剪切過程中沿齒面剪斷的強度阻力越小，破壞模式愈趨于齒面剪斷，反之愈趨向于齒間滑動。從試樣齒間滑動-齒面剪斷破壞模式可見，齒面剪斷位置不同，剪斷面離齒面根部越近，這說明剪切過程中沿齒面剪斷的強度阻力越小，水平剪切推力更容易克服剪斷阻力，使試樣沿齒面剪斷。

2.2 剪切應(yīng)力-位移曲線特性

界面接觸條件不僅影響試樣剪切破壞模式，對剪切應(yīng)力-位移演化也有影響。圖8為不同齒面角度、含水率、干密度下界面試樣剪切應(yīng)力-位移曲線。從圖8可見，界面試樣剪切應(yīng)力-位移曲線均呈應(yīng)變軟化型，剪切應(yīng)力隨剪切位移呈先增大后減小趨勢，且具明顯的峰值強度與殘余強度。峰值強度后剪切應(yīng)力降低明顯，并出現(xiàn)“跳躍”現(xiàn)象，表明試樣沿界面產(chǎn)生脆性剪斷破壞。剪切應(yīng)力-位移曲線均呈明顯階段性，可劃分為4個階段：峰前線性段，剪切應(yīng)力隨剪切位移增大而快速增大，這是由于界面兩側(cè)土體接觸不緊密，剪切過程界面不斷被擠密，該階段持續(xù)時間短；峰前塑性變形段，剪切應(yīng)力隨剪切位移呈衰減式增長，試樣在水平剪切推力作用下沿齒面向上滑動，并且不斷被推擠擠壓，塑性變形不斷增大，直至齒面剪斷；峰值強度后軟化階段，剪切應(yīng)力-位移曲線呈“跳躍”式跌落，試樣沿齒面剪斷后剪切位移快速增大，剪切應(yīng)力呈“跳躍”式下降，試樣脆性破壞特征明顯；界面摩擦階段，剪切應(yīng)力-位移曲線逐漸趨于平穩(wěn)，剪切應(yīng)力隨剪切位移增大逐漸趨于殘余強度，試樣剪斷后僅沿剪斷面產(chǎn)生摩擦滑動。

試樣剪切應(yīng)力-位移曲線受齒面角度、含水率、干密度影響呈現(xiàn)不同特征，如峰前線性段曲線斜率、峰值強度位移均差異較大，為此繪制界面試樣的剪切剛度、剪切破壞位移變化曲線(圖9、10)。

剪切剛度是反映剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其等于剪切應(yīng)力-位移曲線峰前線性段斜率。齒面角度越大，剪切剛度越大[圖9(a)]，剪切破壞位移越大[圖10(a)]，峰值強度越大[圖8(a)、(b)]，峰后應(yīng)變“跳躍”現(xiàn)象越明顯，界面脆性破壞特征越顯著。這是由于齒面角度越大，剪切初始階段試樣沿界面爬坡滑動的摩擦阻力越大，沿齒間滑動越難，所以界面抗變形能力越強，剪切剛度越大；剪切過程中，水平剪切推力更易先克服齒面強度阻力而剪斷界面，破壞模式愈趨向于脆性齒面剪斷，因此，剪切應(yīng)力-位移曲線“跳躍”現(xiàn)象越明顯。而剪切破壞位移增大與齒面剪斷位置有關(guān)，齒面角度與法向應(yīng)力越大，剪斷位置越靠近齒面根部，齒面剪斷面積越大，水平剪切推力需要克服的土體剪斷阻力越大。因此，峰值強度越高，界面剪斷時產(chǎn)生的塑性變形越大，界面剪切破壞時間出現(xiàn)越晚。

界面含水率越高，試樣峰值強度越低[圖8(c)、(d)]，剪切剛度越小[圖9(b)]，剪切破壞位移越大[圖10(b)]，剪切應(yīng)力-位移曲線由“跳躍”軟化特征向“塑態(tài)”軟化特征轉(zhuǎn)變，試樣塑性破壞特征越顯著。這是由于高含水率軟化土體降低了齒面間摩擦強度與齒面土體剪切強度，試樣剪切過程更易變形，所以剪切剛度越小，峰值強度越低，但峰前塑性變形越大；剪切過程中，水平剪切推力更易先克服齒面抗剪強度而剪斷齒面，破壞模式愈趨向齒面剪斷，并由脆性剪斷逐漸向塑性剪斷過渡。含水率越高，剪切破壞位移越大，齒面被剪斷的時間越晚，齒面剪斷位置越靠近齒面根部，試樣剪切過程推擠的齒面面積越大，因此，剪斷時試樣產(chǎn)生的塑性變形越大。

界面干密度越大，試樣峰值強度越大[圖8(e)、(f)]，剪切剛度越大[圖9(b)]，剪切破壞位移越小[圖10(c)]，峰后應(yīng)變“跳躍”現(xiàn)象越明顯，界面脆性破壞特征越顯著。這是由于干密度大則土體強度大，剪切過程試樣不易變形，所以剪切剛度越大，同時，干密度越大使試樣齒面剪斷的強度阻力增大；剪切過程中，水平剪切推力更易先克服齒面間摩擦阻力而使試樣沿齒間滑動，破壞模式由齒面剪斷向齒間滑動-齒面剪斷過渡，剪切破壞位移卻越來越?。贿@是由于齒面剪斷位置越來越遠離齒面根部，齒面剪斷面積不斷變小，所以試樣剪斷時產(chǎn)生的塑性變形小。反之，干密度越小，土體強度小，試樣易變形；剪切過程中，水平剪切推力越容易先克服齒面抗剪強度而剪斷齒面，破壞模式越趨向塑性剪斷，且齒面剪斷位置越靠近齒面根部，因此，界面剪切剛度越小，峰值強度越低，但剪切破壞位移越大。

2.3 豎向剪脹位移特性

圖9 不同法向應(yīng)力下界面試樣剪切剛度變化Fig.9 Variations of Shear Stiffness of Interface Samples Under Different Normal Stresses

圖11 不同齒面角度、含水率、干密度下界面試樣的水平剪切位移-豎向剪脹位移曲線Fig.11 Horizontal Shear Displacement-vertical Dilatancy Displacement Curves of Interface Samples Under Different Interface Angles, Moistures and Densities

界面試樣剪切過程因沿接觸齒面爬坡滑動而產(chǎn)生剪脹行為。為分析界面接觸條件對試樣剪脹行為影響規(guī)律，繪制界面試樣水平剪切位移-豎向剪脹位移曲線(圖11)。從圖11可見：當齒面角度為0°(平直接觸)時，試樣剪脹不明顯[圖11(a)]，表明試樣剪切過程僅沿界面間產(chǎn)生摩擦滑動；當齒面角度為其他設(shè)定值時，試樣剪切過程均有明顯剪脹現(xiàn)象，且剪脹位移呈先增大后穩(wěn)定變化的趨勢[圖11(a)]。其演化過程可劃分為4個階段：①齒面擠密階段，持續(xù)時間短，接觸齒面在水平剪切推力作用下不斷被擠密閉合，剪脹位移?。虎邶X間滑動階段，持續(xù)時間長，水平剪切推力首先克服齒面間摩擦阻力，使試樣沿界面產(chǎn)生爬坡滑動，剪脹位移近恒定速率快速增長，試樣剪脹效應(yīng)顯著；③齒面剪斷階段，剪脹位移呈衰減式增長，并出現(xiàn)“跳躍”現(xiàn)象，表明接觸齒面瞬間被剪斷，剪脹位移“跳躍”式增長，且齒面角度越大，含水率越低，干密度越大，剪脹位移“跳躍”現(xiàn)象越明顯，這與該條件下試樣更易脆性剪斷有關(guān)；④界面摩擦階段，剪脹變形逐漸平穩(wěn)并趨于峰值，此時試樣僅沿剪斷界面間產(chǎn)生摩擦滑動。

不同齒面角度、含水率、干密度對界面試樣最大豎向剪脹位移影響規(guī)律不同(圖12)。從圖12可以看出，試樣最大豎向剪脹位移隨齒面角度呈先增大而后減小的趨勢[圖12(a)]，這與試樣剪切破壞模式有關(guān)。當齒面角度較小時，試樣剪切破壞模式為齒間滑動，因此，最大豎向剪脹位移隨齒面角度增大而增大；當齒面角度較大時，齒面剪斷破壞模式逐漸出現(xiàn)，齒間滑動距離越來越短，因此，最大豎向剪脹位移又隨齒面角度增大而逐漸減小。試樣最大豎向剪脹位移隨含水率增大而逐漸降低[圖12(b)]，這是由于高含水率導(dǎo)致試樣強度降低，破壞模式更趨于齒面剪斷，試樣沿齒間滑動距離逐漸減小，所以最大豎向剪脹位移逐漸減小。試樣最大豎向剪脹位移隨干密度增大而增大[圖12(c)]，這是由于干密度大的試樣齒面強度更大，破壞模式逐漸由齒面剪斷向齒間滑動過渡，試樣沿齒間滑動距離越來越大，所以最大豎向剪脹位移不斷增大。

2.4 剪切強度特性

2.4.1 峰值強度

圖13為不同試樣對峰值強度的影響。從圖13可見，界面存在顯著降低了峰值強度，與黃土、三趾馬紅土試樣相比，界面試樣峰值強度降低了50%～83%。為了進一步分析界面試樣峰值強度影響因素，繪制界面試樣峰值強度隨界面接觸條件的變化曲線(圖14)。從圖14可見，當齒面角度為0°時，峰值強度隨法向應(yīng)力呈線性變化[圖14(a)]，符合線性Mohr-Coulomb強度準則。當齒面角度不為0°時，峰值強度隨法向應(yīng)力呈非線性增長，并且齒面角度越大，含水率越高，干密度越小，峰值強度非線性變化特征越明顯。峰值強度隨齒面角度增大而增大，但增幅隨法向應(yīng)力增大而增大[圖14(a)]；峰值強度隨含水率增大而降低，在高法向應(yīng)力下降幅更大[圖14(b)]；峰值強度隨干密度增大而增大，增幅也隨法向應(yīng)力增大而增大[圖14(c)]。

圖12 不同法向應(yīng)力下界面試樣最大豎向剪脹位移變化Fig.12 Variations of Maximum Shear Vertical Dilatancy Displacement of Interface Samples Under Different Normal Stresses

圖13 不同試樣的峰值強度變化Fig.13 Variations of Peak Strength of Different Samples

為分析界面接觸條件對峰值強度影響敏感性，繪制峰值強度隨界面接觸條件變化的三維模擬(圖15)。從圖15可見，界面試樣峰值強度隨齒面角度變化最敏感，隨含水率變化次之，隨干密度變化敏感度最低。峰值強度隨界面接觸條件變化的敏感度又受法向應(yīng)力影響，高法向應(yīng)力下變化敏感度更高。

圖14 界面試樣峰值強度隨界面接觸條件的變化Fig.14 Variations of Peak Strength of Interface Samples with Interface Contact Conditions

圖15 峰值強度隨界面接觸條件變化的三維模擬Fig.15 Three-dimensional Simulation of Variations of Peak Strength with Interface Contact Conditions

圖15(a)表明，界面試樣峰值強度隨法向應(yīng)力、齒面角度增大均呈非線性增大，其中隨法向應(yīng)力變化更敏感。而且，齒面角度越大，界面試樣峰值強度隨法向應(yīng)力變化幅度越大，這與試樣剪切破壞模式有關(guān)。高齒面角度、高法向應(yīng)力下，試樣剪切過程中沿齒間滑動的摩擦阻力越大，試樣剪切破壞模式更趨向于齒面剪斷，因此，峰值強度逐漸增大。但隨著齒面角度、法向應(yīng)力不斷增大，齒面剪斷位置越來越接近齒面根部，齒面剪斷面積越來越大，因此，峰值強度隨齒面角度、法向應(yīng)力增大幅度越來越小。

圖15(b)表明，界面試樣峰值強度隨含水率增大而降低，隨法向應(yīng)力增大而增大，其中隨法向應(yīng)力變化更敏感。法向應(yīng)力越大，峰值強度隨含水率變化幅度越大，這與試樣剪切破壞模式有關(guān)。高法向應(yīng)力下，試樣趨向于齒面剪斷破壞，而剪斷齒面土體強度受含水率變化影響，強度軟化明顯，因此，高法向應(yīng)力下，峰值強度隨含水率變化幅度更大。低法向應(yīng)力下，試樣剪切破壞模式主要為齒間滑動，但含水率變化對齒面間摩擦強度影響有限，因此，峰值強度隨含水率變化幅度有限。

圖15(c)表明，界面試樣峰值強度隨干密度、法向應(yīng)力增大而增大，其中隨法向應(yīng)力變化更敏感。法向應(yīng)力越大，峰值強度隨干密度變化幅度越大，這與試樣剪切破壞模式有關(guān)。高法向應(yīng)力下，試樣剪切破壞模式趨向于齒面剪斷，而干密度增大提高了剪斷齒面土體強度，因此，峰值強度隨干密度變化幅度大。低法向應(yīng)力下，試樣剪切破壞模式主要為齒間滑動，而干密度變化對齒間摩擦強度影響有限，因此，干密度變化對峰值強度影響有限。

2.4.2 殘余強度

殘余強度可反映試樣剪斷后沿剪斷界面間的摩擦強弱。圖16為界面試樣殘余強度隨界面接觸條件的變化。

圖16 界面試樣殘余強度隨界面接觸條件的變化Fig.16 Variations of Residual Strength of Interface Samples with Interface Contact Conditions

從圖16(a)可見，界面試樣齒面角度越大，殘余強度越大，這與試樣剪切破壞模式有關(guān)。齒面角度較小時，試樣剪切破壞模式為齒間滑動，殘余強度為光滑齒面間的摩擦強度；隨著齒面角度增大，試樣趨于齒面剪斷破壞，殘余強度為粗糙剪斷齒面間的摩擦強度，并且齒面角度越大，剪斷面積越大，齒面間摩擦強度越大，因此，界面試樣殘余強度越大。

由圖16(b)可見，界面試樣殘余強度隨含水率變化規(guī)律不明顯。當法向應(yīng)力低于200.0 kPa時，殘余強度隨含水率增大而增大，與峰值強度變化規(guī)律相反，這與剪切破壞模式有關(guān)。含水率越高，試樣剪切破壞模式越趨于齒面剪斷，且齒面剪斷位置距離齒面根部越來越近，齒面剪斷面積越大，進而剪斷后試樣沿剪斷面摩擦面積越大，界面間摩擦強度越大，因此，殘余強度越大。但當法向應(yīng)力高于200.0 kPa時，殘余強度隨含水率增大而減小，雖然試樣剪切破壞模式隨含水率增大而趨于齒面剪斷，并且齒面剪斷面積不斷增大，但由于高含水率軟化土體降低了粗糙剪斷界面間的摩擦強度，所以殘余強度隨含水率增大而逐漸減小。

由圖16(c)可見，干密度越大，界面試樣殘余強度越低，與峰值強度變化規(guī)律相反，這與試樣剪切破壞模式有關(guān)。干密度越大，試樣剪切破壞模式從齒面剪斷逐漸向齒間滑動-齒面剪斷過渡，且齒面剪斷位置距離齒面根部越來越遠，齒面剪斷面積越小，進而試樣剪斷后沿剪斷齒面摩擦面積越小，界面間摩擦強度越小，因此，殘余強度越低。

3 結(jié) 語

(1)黃土-三趾馬紅土界面試樣剪切試驗表明，其剪切破壞模式可分為齒間滑動、齒間滑動-齒面剪斷、齒面剪斷3種，并受界面接觸條件影響。齒面角度越大，試樣剪切破壞模式越趨于脆性齒面剪斷；含水率越高，試樣剪切破壞模式越趨于塑性齒面剪斷；干密度越大，試樣剪切破壞模式越趨于脆性齒間滑動-齒面剪斷。

(2)界面試樣剪切應(yīng)力-位移曲線均呈應(yīng)變軟化特征，并受界面接觸條件影響。齒面角度越大，含水率越低，干密度越大，峰前剪切剛度越大，剪切破壞位移越小，峰后應(yīng)變“跳躍”現(xiàn)象越明顯，界面脆性剪斷特征越顯著。

(3)界面剪切過程存在明顯剪脹效應(yīng)。界面試樣最大豎向剪脹位移隨齒面角度先增大后減小，隨含水率增大而減小，隨干密度增大而增大，反映了界面的不同剪切破壞模式。

(4)界面存在顯著降低土體強度，并受界面接觸條件影響。齒面角度越大，峰值強度越大，殘余強度越高；含水率越高，峰值強度越小，高法向應(yīng)力下殘余強度的下降幅度更大；干密度越大，峰值強度越大，殘余強度卻越低。

(5)本文主要研究了簡化的黃土-三趾馬紅土界面剪切力學(xué)特性，而實際界面更加粗糙復(fù)雜，試驗中并未考慮接觸界面間黏結(jié)強度對界面強度影響，研究成果與實際存在一定差別，下一步將繼續(xù)開展相關(guān)研究。