考慮粗糙度影響的凍結(jié)砂土-混凝土接觸面蠕變特性研究

何菲，陳航杰，王旭，李君善，郭春香

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 國網(wǎng)青海省電力公司 檢修公司，青海 西寧 810021)

在青藏地區(qū)的鐵路建設(shè)中，常采用“以橋代路”的形式來避免凍土地區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞。其中，青藏鐵路中采用“以橋代路”的橋梁工程達(dá)87.3 km，柴達(dá)爾至木里段地方鐵路橋梁有 40 余座[1]。凍土區(qū)樁基礎(chǔ)的承載力主要由樁端阻力、樁側(cè)凍結(jié)力組成，由于水和冰的存在，凍土表現(xiàn)出強(qiáng)烈的流變特性。因此，多年凍土區(qū)樁基在服役期荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生流變效應(yīng)，樁基承載性能會(huì)發(fā)生劣化，表現(xiàn)為長期荷載作用下樁-土相對(duì)位移逐漸增大，樁基礎(chǔ)沉降加大。凍結(jié)力是導(dǎo)致凍土區(qū)樁基承載力遠(yuǎn)大于融土區(qū)樁基礎(chǔ)的主要原因[2]，樁基服役期變形的加劇除了受到凍土流變特性影響外，還需重點(diǎn)研究樁-凍土接觸面的蠕變特性。樁-凍土接觸面承載特性的研究方法主要包括凍土-混凝土接觸面直剪試驗(yàn)、凍土樁基的抗拔試驗(yàn)，由于直剪試驗(yàn)受力機(jī)理清晰、試驗(yàn)操作便利，常被采用。CHOI等[3]利用直剪試驗(yàn)研究凍土與結(jié)構(gòu)界面的抗剪強(qiáng)度，用以預(yù)測(cè)土的凍結(jié)強(qiáng)度。溫智等[4]利用ZJ四聯(lián)直剪儀研究了青藏粉土與混凝土、青藏粉土與玻璃鋼接觸面的凍結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律及其影響因素。楊平等[5]利用自制大型凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了凍土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性能及變形規(guī)律的試驗(yàn)研究。呂鵬等[6]通過土工粗顆粒土直剪試驗(yàn)儀研究了凍結(jié)粉質(zhì)黏土與混凝土接觸面的剪切力學(xué)特性。ZHAO等[7]利用大型多功能直剪儀研究了人工凍土與結(jié)構(gòu)界面的循環(huán)直剪特性。HE等[8]利用ZJ四聯(lián)應(yīng)變直剪儀開展了不同凍融循環(huán)次數(shù)、法向應(yīng)力、試驗(yàn)溫度等條件下的混凝土與凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度的直剪試驗(yàn)研究。ZHANG等[9]利用直剪試驗(yàn)研究了現(xiàn)澆混凝土與凍土界面的剪切特性。劉志強(qiáng)等[10]通過改進(jìn)的高壓直殘剪儀研究了凍土-混凝土接觸面在高應(yīng)力、升溫條件下的剪切特性。謝一鳴等[11]研究了在動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土與混凝土界面的動(dòng)力剪切特性。綜上所述，針對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的研究已成為近年來的研究熱點(diǎn)，并形成了一系列研究成果?？紤]到樁側(cè)粗糙度的大小是影響多年凍土區(qū)摩擦樁承載特性的重要因素之一，孫厚超等[12]利用單剪試驗(yàn)研究了人工凍結(jié)黏土與3種粗糙度(用峰谷距定義粗糙度)鋼板的剪切力學(xué)特性。王天亮等[13-14]利用應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)凍結(jié)粉土與不同凹槽鋼板進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，研究接觸面抗剪強(qiáng)度及其影響因素。ALDAEEF等[15]利用直剪試驗(yàn)研究了凍結(jié)砂土與鋼接觸面的抗剪強(qiáng)度特性，用以評(píng)價(jià)粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響。然而，快速剪切試驗(yàn)獲得的凍土-結(jié)構(gòu)接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，并不能直接應(yīng)用于樁基的長期變形研究中，不能揭示凍土區(qū)樁基礎(chǔ)長期承載性能劣化的機(jī)制。因此，本研究采用自制的大型應(yīng)力控制式剪切儀開展凍土-混凝土接觸面剪切蠕變?cè)囼?yàn)，旨在研究粗糙度對(duì)凍結(jié)砂土-混凝土接觸面剪切蠕變特性的影響，用灌砂法量化接觸面粗糙度，探究在不同粗糙度條件下接觸面的剪切蠕變機(jī)理，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立考慮粗糙度影響的接觸面現(xiàn)象學(xué)蠕變模型，以期為凍土區(qū)樁基礎(chǔ)的長期服役提供理論支撐。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 剪切儀

剪切儀為蘭州交通大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室自制的大型應(yīng)力控制式剪切儀，由剪切盒、主機(jī)框架、水平及豎向加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成[16]，如圖1所示。上下剪切盒內(nèi)側(cè)壁及下剪切盒內(nèi)底面均放置厚度為2 cm的有機(jī)玻璃，能有效防止土樣與剪切盒溫度的相互影響，上下剪切盒內(nèi)體積均為20 cm×20 cm×10 cm。試樣法向應(yīng)力由施加于主機(jī)框架橫梁上的千斤頂施加，剪應(yīng)力由荷重通過滑輪施加。試驗(yàn)時(shí)將剪切儀放置于圖2所示的低溫環(huán)境箱中。

圖1 大型應(yīng)力控制式剪切儀Fig. 1 Large-scale stress-controlled shearing apparatus

圖2 低溫環(huán)境箱Fig. 2 Low temperature environmental chamber

1.2 土樣的選取和制備

試驗(yàn)用土為蘭州砂土，試驗(yàn)前先將土樣過2 mm篩，取篩下土樣作為研究對(duì)象，其粒徑級(jí)配曲線如圖3所示，粒徑大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的85%，定名為細(xì)砂。由土樣擊實(shí)試驗(yàn)得到最優(yōu)含水率為10.5%，最大干密度為1.945 g/cm3。

圖3 粒徑級(jí)配曲線Fig. 3 Particle size distribution curve

土樣制作時(shí)，先將土樣置于烘箱中12 h以上確保土中水分烘干。隨后取出烘干土樣置于密封容器中冷卻，依據(jù)剪切盒體積和95%壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算用土量及用水量。取定量土及水充分拌和，并置于密封容器12 h使水分充分均勻。

制樣盒如圖4所示，為可拆卸式鋼制樣盒，內(nèi)部容積為20 cm的正方體。制樣時(shí)先將混凝土試塊置于制樣盒底部，然后將拌和均勻的土樣分層攤鋪于混凝土上方，分層擊實(shí)，層間做刮毛處理。在土與混凝土接觸面處放置2個(gè)溫度傳感器，并在土樣高度中心位置處放一個(gè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸面及試樣溫度。將裝有試樣的制樣盒外部套上塑料袋，置于-10 ℃低溫箱中快速凍結(jié)，凍結(jié)時(shí)在試樣頂部放置重物，防止凍結(jié)過程中土樣凍脹的不均勻性及降低凍結(jié)過程引起的體積膨脹。冷凍24 h后，將試樣取出，放置在目標(biāo)溫度的環(huán)境箱中做恒溫處理，待溫度穩(wěn)定且達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)將制樣盒拆除，將試樣裝入剪切盒，試驗(yàn)準(zhǔn)備階段完成。

圖4 混凝土-土制樣模具Fig. 4 Concrete-soil sample mold

1.3 粗糙度設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

凍土-混凝土接觸面類型影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致不同破壞類型的產(chǎn)生。其中，接觸面粗糙度是決定凍土-結(jié)構(gòu)體接觸面力學(xué)特性的重要因素之一。按結(jié)構(gòu)物表面的起伏狀況、排列方式和形狀特征等規(guī)律，可以將接觸面的粗糙度劃分為兩大類，即“隨機(jī)型”與“規(guī)則型”[17]。

在混凝土試塊表面模擬粗糙度時(shí)采用凹槽比采用凸起更能保證接觸面的質(zhì)量，凸起常會(huì)因?yàn)榛炷脸尚图梆B(yǎng)護(hù)時(shí)的不當(dāng)操作而產(chǎn)生粗糙度的破損。本試驗(yàn)采用“規(guī)則型”粗糙度定義方法中的灌砂法定義混凝土結(jié)構(gòu)表面的粗糙度，通過混凝土表面凹槽的尺寸和數(shù)量來表征粗糙度的大小，即凹槽的總體積除以結(jié)構(gòu)面表面積，用平均深度來衡量結(jié)構(gòu)面粗糙度，如式(1)所示。

式中：R為粗糙度；V為凹槽體積；A為結(jié)構(gòu)面表面積。

試驗(yàn)所用的粗糙度設(shè)計(jì)如圖5所示，粗糙度共有0，0.039，0.059和0.098 mm 4種。試驗(yàn)用C40混凝土，通過試驗(yàn)確定其配合比為普通硅酸鹽水泥:砂:碎石:水:外加劑=477:650:1107:176:5.72，制作與下剪切盒體積一致的混凝土用可拆卸鋼模具。將混凝土試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)2 d后脫模，并繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d。

圖5 混凝土試塊表面粗糙度設(shè)計(jì)Fig. 5 Surface roughness design of concrete test block

1.4 試驗(yàn)方案及蠕變判定標(biāo)準(zhǔn)

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)工況如表1所示，法向應(yīng)力150 kPa模擬土層深15 m處的側(cè)向土壓力，剪切應(yīng)力在考慮鐵砂袋的固定質(zhì)量及粗糙度為0.059 mm試樣快剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度[18](235.4 kPa)的基礎(chǔ)上得到，蠕變剪切應(yīng)力為166.65 kPa。試驗(yàn)時(shí)先通過千斤頂對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)，待法向位移穩(wěn)定后(法向位移速率不大于0.01 mm/h)，開始施加水平荷載，水平荷載通過加載框及鐵砂袋重量來實(shí)現(xiàn)。本試驗(yàn)的剪切蠕變變形穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

表1 不同粗糙度條件下接觸面剪切蠕變?cè)囼?yàn)條件Table 1 Shear creep test conditions of the interface with different roughness

1) 當(dāng)試樣表現(xiàn)為衰減蠕變時(shí)，取24 h內(nèi)的變形小于累計(jì)蠕變變形的5/1 000；

2) 當(dāng)試樣表現(xiàn)為穩(wěn)定蠕變時(shí)，取24 h內(nèi)的剪切變形速率達(dá)到恒定值；

3) 當(dāng)試樣表現(xiàn)為加速蠕變時(shí)，以接觸面發(fā)生蠕變破壞為標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接觸面剪切蠕變曲線

由于本試驗(yàn)中的剪應(yīng)力是由鐵砂袋及加載框來實(shí)現(xiàn)的，并且為了防止鐵砂袋加載過快產(chǎn)生沖擊荷載，鐵砂袋的加載需要一些時(shí)間，一般在5 min內(nèi)能完成加載，荷載-時(shí)間曲線如圖6(a)所示。測(cè)得的剪切位移-時(shí)間曲線如圖6(b)所示，剪切位移是在開始加載及卸載前所產(chǎn)生的總變形，包括剪切變形及蠕變變形?？紤]到加載時(shí)間的影響，取試驗(yàn)開始后第7 min為蠕變變形開始時(shí)間，蠕變變形量為總的剪切位移減去前6 min的剪切變形值。因此，凍結(jié)砂土-混凝土接觸面的蠕變過程分為3個(gè)階段：衰減蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段及加速蠕變階段，如圖7所示。衰減蠕變階段，在恒定荷載作用下，部分冰顆粒受剪、融化變成未凍水，土顆粒之間、土顆粒與混凝土表面之間的接觸被部分破壞，接觸面間局部發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)，伴隨著土顆粒重新排列和未凍水的再凍結(jié)，蠕變速率逐漸較?。浑S著荷載作用時(shí)間的增長，蠕變速率減小到一恒定值，試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段，凍土內(nèi)部及凍土與混凝土間裂縫擴(kuò)展，冰包裹體消融速度加快，凍土與混凝土接觸面間發(fā)生大范圍的錯(cuò)動(dòng)。在荷載的進(jìn)一步作用下，土顆粒逐漸被定向排列，抵抗剪切破壞作用的顆粒間黏著力、凍結(jié)力及摩阻力已不能再平衡外荷載的作用，接觸面變形量會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸增大，直至破壞。

圖6 接觸面剪切試驗(yàn)曲線Fig. 6 Shear test curve of the interface

由圖7可知，在粗糙度為0.098 mm時(shí)，蠕變曲線只表現(xiàn)出蠕變變形的前2個(gè)階段。在其他3個(gè)粗糙度條件下，出現(xiàn)接觸面的加速蠕變階段并導(dǎo)致接觸面結(jié)構(gòu)的剪切破壞。最終變形值、衰減蠕變時(shí)間是影響蠕變特性的重要參數(shù)，衰減蠕變時(shí)間隨著粗糙度的增大而增長，試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間隨粗糙度的增加而增大；粗糙度為0.098 mm試樣的最終蠕變量為3.69 mm，其他3組試驗(yàn)均達(dá)到破壞。由此可知：隨著接觸面粗糙度的提高，凍結(jié)砂土-混凝土接觸面的蠕變穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。

圖7 不同粗糙度條件下的蠕變曲線Fig. 7 Creep curves under different roughness

從圖7中提取4種粗糙度條件下的共同蠕變衰減時(shí)段，并繪制該階段部分時(shí)刻蠕變變形與粗糙度的關(guān)系(如圖8)。由圖8可知：在衰減蠕變階段，對(duì)于同一種粗糙度的試樣，蠕變變形的增長量隨時(shí)間的增大逐漸減小；對(duì)于不同的粗糙度試樣，在相同時(shí)段內(nèi)蠕變?cè)鲩L量有所區(qū)別，粗糙度為0.098 mm的試樣蠕變?cè)隽孔钚?；?duì)于同一時(shí)刻的蠕變量，粗糙度越大蠕變量越小，且粗糙度與蠕變量之間大致呈線性關(guān)系。

圖8 衰減蠕變階段粗糙度-蠕變變形曲線Fig. 8 Roughness-creep deformation curve in decay creep stage

由快速剪切試驗(yàn)獲得的粗糙度為0.059 mm凍土-混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度為235.4 kPa，而在蠕變?cè)囼?yàn)剪切力為166.65 kPa條件(約為抗剪強(qiáng)度的70%)下，試樣在約100 h時(shí)就發(fā)生了加速蠕變破壞。而對(duì)于工程而言是不允許發(fā)生非衰減蠕變的，所以考慮安全效應(yīng)的承載力設(shè)計(jì)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于抗剪強(qiáng)度，因此快剪試驗(yàn)結(jié)果不能直接應(yīng)用于樁基的長期變形研究中，而需通過蠕變?cè)囼?yàn)研究基礎(chǔ)的長期強(qiáng)度。

2.2 蠕變速率曲線

蠕變過程中，蠕變速率隨時(shí)間的增長發(fā)生變化，蠕變速率-時(shí)間曲線如圖9所示。衰減蠕變初期，蠕變速率最大，隨著時(shí)間的增長，蠕變速率快速減小，試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段。當(dāng)試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段時(shí)，蠕變速率基本保持恒定，因此，穩(wěn)定蠕變速率是表征凍土-混凝土流變特性的重要指標(biāo)。

圖9 蠕變速率-時(shí)間曲線Fig. 9 Creep rate-time curves

粗糙度為0.098 mm試樣的最終蠕變速率為0，穩(wěn)定蠕變速率隨粗糙度的增大而減小(如圖10所示)，且接近于線性變化規(guī)律，說明在長期荷載作用下可通過增加粗糙度的方法來增加接觸面的抗變形能力。將圖10中粗糙度與穩(wěn)定蠕變速率進(jìn)行線性擬合，認(rèn)為擬合線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)著穩(wěn)定蠕變速率為零的臨界粗糙度(臨界粗糙度為0.093 mm)，在其他條件不變時(shí)，大于該臨界粗糙度的接觸面粗糙度試樣均會(huì)發(fā)生衰減蠕變，反之則會(huì)發(fā)生非衰減蠕變。當(dāng)接觸面受到的應(yīng)力超過接觸面的流動(dòng)極限時(shí)，在長時(shí)間受荷條件下，接觸面抵抗荷載的能力逐漸減小，蠕變速率逐漸增大，直至加速破壞。穩(wěn)定蠕變速率越低，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形時(shí)間越長，抗變形能力也越強(qiáng)。

圖10 粗糙度-穩(wěn)定蠕變速率曲線Fig. 10 Curve of roughness-stable creep rate

2.3 粗糙度對(duì)接觸面的蠕變影響機(jī)理

由以上內(nèi)容可知，粗糙度越大，接觸面的瞬時(shí)蠕變變形越小，穩(wěn)定蠕變速率越小，接觸面的蠕變穩(wěn)定性越好，凍土-結(jié)構(gòu)接觸面微觀示意圖如圖11所示。首先，增加混凝土表面粗糙度，會(huì)增加進(jìn)入凹槽中的土顆粒及冰顆粒的數(shù)量，可以有效提高凍結(jié)砂土-混凝土的接觸面積。其次，增加混凝土表面粗糙度，增加了混凝土與土顆粒及冰顆粒的咬合作用。從承載機(jī)理角度考慮，表面光滑的混凝土與凍土接觸面的承載主要由接觸面的摩阻力及冰晶的凍結(jié)力承擔(dān)，表面粗糙的混凝土-凍土接觸面承載機(jī)理除了接觸面凍結(jié)摩阻力外，還包括接觸面一定范圍內(nèi)(即剪切帶)中凍土的抗剪強(qiáng)度，凹槽使得剪切帶中凍土在剪切過程中形成被動(dòng)阻力，在上述力的共同作用下起到阻礙接觸面的相對(duì)滑動(dòng)的作用，因此增大接觸面粗糙度會(huì)提高蠕變的穩(wěn)定性。多年凍土工程中的現(xiàn)澆混凝土樁形成過程中，由于混凝土的水化熱、混凝土中粗骨料及凍土中粗顆粒的共同作用，導(dǎo)致樁表面形成不規(guī)則的凹凸面，與樁周凍土形成良好的接觸關(guān)系。樁側(cè)粗糙度增加，有效提高了樁-凍土的接觸面積，從而提高樁與凍土的凍結(jié)摩阻力，同時(shí)粗糙度增加導(dǎo)致樁-土界面凹凸面不容易產(chǎn)生剪切變形，在上部荷載作用下剪切面逐漸向樁側(cè)凍土中偏移，由于樁-凍土接觸面的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于凍土的抗剪強(qiáng)度。因此，粗糙度增加會(huì)降低樁的蠕變速率，有效抑制樁基的蠕變變形，從而起到控制樁基長期沉降的作用。

圖11 凍土-結(jié)構(gòu)接觸面微觀示意圖Fig. 11 Microscopic-schematic diagram of frozen soil-structure interface

3 考慮粗糙度影響的接觸面現(xiàn)象學(xué)蠕變模型

3.1 衰減蠕變階段

3.1.1 粗糙度函數(shù)

由2.1節(jié)可知，在衰減蠕變階段蠕變變形與粗糙度呈線性關(guān)系，又由于系數(shù)j和k隨時(shí)間發(fā)生變化(如圖12所示)，因此得到衰減蠕變階段變形與粗糙度滿足式(2)。

圖12 系數(shù)j與系數(shù)k隨時(shí)間的變化曲線Fig. 12 Curve of coefficient j and coefficient k with Time

式中：R為粗糙度，mm；t為時(shí)間，min。

3.1.2 時(shí)間函數(shù)

在衰減蠕變階段，不同粗糙度下的變形速率-時(shí)間函數(shù)具有很好的相似性，變形速率隨時(shí)間不斷減小(圖9)，其變化趨勢(shì)符合關(guān)系式(3)。

對(duì)式(3)積分，不考慮積分常數(shù)項(xiàng)，得到衰減蠕變階段蠕變變形的時(shí)間函數(shù)為式(4)。

式中：a((μm/min)-1)，b((μm)-1)為試驗(yàn)系數(shù)。

3.1.3 衰減蠕變階段蠕變變形

由現(xiàn)象學(xué)理論中的時(shí)效理論可知，由不同函數(shù)組成的蠕變方程要求只有在恒定的溫度和荷載條件下才能使用[19]。而在本試驗(yàn)的蠕變過程中，在整個(gè)加載過程中荷載是恒定的，而且整個(gè)加載過程中溫度也是恒定的。因此，由組合形式得到的現(xiàn)象學(xué)理論適用于進(jìn)行凍土-混凝土接觸面的蠕變研究。本文中蠕變變形量函數(shù)僅與粗糙度及時(shí)間有關(guān)，因此，某時(shí)刻的應(yīng)變應(yīng)是粗糙度函數(shù)與時(shí)間函數(shù)的乘積，即衰減蠕變階段t的變形滿足式(5)。

式 中：A(mm)，B(量 綱 為1)，C((μm/min)-1)，D((μm)-1)為試驗(yàn)系數(shù)。

3.2 穩(wěn)定蠕變階段及加速蠕變階段

由2.2節(jié)中圖10可知，在穩(wěn)定蠕變階段穩(wěn)定蠕變速率與粗糙度呈線性關(guān)系，因此得到穩(wěn)定蠕變速率與粗糙度滿足式(6)。加速蠕變階段的蠕變速率在穩(wěn)定蠕變速率的基礎(chǔ)上急劇增大，且隨時(shí)間的增大而增大，滿足式(7)。

穩(wěn)定蠕變階段的變形與時(shí)間的一次方呈正比，滿足式(8)。

加速蠕變階段的蠕變變形滿足式(9)。

式(9)中：ti為蠕變時(shí)間，min；e，n(無量綱)，f(無量綱)均為試驗(yàn)系數(shù)。

3.3 現(xiàn)象學(xué)蠕變方程的建立

結(jié)合蠕變各階段的蠕變變形表達(dá)式，建立考慮粗糙度影響的凍結(jié)砂土-混凝土接觸面統(tǒng)一蠕變方程為式(10)。

式中：A，B，C和D同式(5)；r0為初始蠕變，mm；R為粗糙度，mm；t為蠕變時(shí)間，min；J(mm/min)，F(xiàn)(10-3/min)，n(無量綱)，H(無量綱)，m(無量綱)為模型系數(shù)，其中m與粗糙度有關(guān)。

3.4 模型驗(yàn)證

將本試驗(yàn)中的3種粗糙度(即粗糙度為0，0.039和0.059 mm)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)代入式(10)，反演得出擬合系數(shù)如表2所示。為了驗(yàn)證模型的正確性，本文補(bǔ)做了混凝土表面粗糙度為0.02 mm(即混凝土表面只有一個(gè)凹槽，位于混凝土表面的中心處)的凍結(jié)砂土與混凝土接觸面蠕變?cè)囼?yàn)，其他試驗(yàn)條件與第1節(jié)中所述試驗(yàn)條件相同，其蠕變-時(shí)間曲線如圖13所示。同時(shí)，結(jié)合表2中的參數(shù)及式(10)，得到粗糙度為0.098 mm和0.02 mm的計(jì)算曲線如圖13所示。將粗糙度為0.098 mm和0.02 mm試樣的試驗(yàn)曲線及計(jì)算曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出試驗(yàn)值與計(jì)算曲線吻合較好，說明采用本文中的蠕變模型能較好地模擬凍土-混凝土的蠕變過程。

由于式(10)采用的蠕變模型計(jì)算蠕變量時(shí)，僅與時(shí)間及粗糙度有關(guān)，因此，該蠕變模型也可用于預(yù)測(cè)一定粗糙度的蠕變變形規(guī)律。由試驗(yàn)中穩(wěn)定蠕變速率與粗糙度的關(guān)系可知，當(dāng)粗糙度在0～0.098 mm時(shí)，穩(wěn)定蠕變速率與粗糙度呈線性關(guān)系，粗糙度越大穩(wěn)定蠕變速率越小，因此結(jié)合式(10)的現(xiàn)象學(xué)蠕變方程可對(duì)粗糙度為0～0.098 mm的蠕變規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)(如圖13中粗糙度0.05 mm預(yù)測(cè)曲線)，計(jì)算時(shí)，結(jié)合表2中參數(shù)m與粗糙度呈線性關(guān)系，從而可得到相關(guān)粗糙度下的參數(shù)m。又由于凍結(jié)砂土-混凝土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于凍結(jié)砂土的抗剪強(qiáng)度[20]，因此，粗糙度增加會(huì)降低蠕變速率，有效抑制接觸面的蠕變變形，因此也可預(yù)測(cè)粗糙度大于0.098 mm的情況(圖13中粗糙度0.15 mm預(yù)測(cè)曲線)。

表2 擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters

圖13 不同粗糙度條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)曲線Fig. 13 Test data and predicted curves with different roughness

本文提出的現(xiàn)象學(xué)蠕變模型適用于按灌砂法定義混凝土結(jié)構(gòu)表面粗糙度的情況，且隨著粗糙度的增大，蠕變穩(wěn)定性有明顯增強(qiáng)的情況。當(dāng)粗糙度增大到一定值，土體中剪切帶形成不完整，蠕變穩(wěn)定性增強(qiáng)不明顯的情況不適用于本文提出的相關(guān)方程。

4 結(jié)論

1) 采用自行研制的大型應(yīng)力控制式剪切儀進(jìn)行了凍結(jié)砂土-混凝土接觸面蠕變特性試驗(yàn)，接觸面蠕變變形過程分為衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變及加速蠕變3個(gè)階段。

2) 隨著粗糙度的增大瞬時(shí)蠕變量有所減小，但數(shù)值差距不大；衰減蠕變時(shí)間隨粗糙度的增大而增大，試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間隨粗糙度的增加而增大；穩(wěn)定蠕變速率隨粗糙度的增大而減小，且接近于線性變化規(guī)律。隨著接觸面粗糙度的提高，凍結(jié)砂土-混凝土接觸面的剪切蠕變穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。

3) 混凝土表面粗糙度增加，有效提高了凍結(jié)砂土-混凝土的接觸面積，且混凝土表面的凹凸面會(huì)增加混凝土與凍結(jié)砂土的咬合力，使得在剪切力作用下，接觸面一定范圍內(nèi)的凍土產(chǎn)生被動(dòng)阻力，阻礙接觸面的相對(duì)滑動(dòng)，減小蠕變變形，從而提高接觸面的穩(wěn)定性。

4) 提出的現(xiàn)象學(xué)蠕變模型能較好地模擬接觸面蠕變的全過程，蠕變數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，且蠕變模型僅與時(shí)間及粗糙度有關(guān)，可用于預(yù)測(cè)不同粗糙度的情況。