随着中国经济的持续发展，效益显著的高速和重载铁路已成为中国铁路交通运输发展的必然方向。由于高速列车运行速度和重载列车轴重及编组长度的持续增加，不可避免地加剧了路基内的静动力响应，致使路基病害频次及程度呈现逐年上涨的趋势，严重影响线路的正常运营。斜向水泥土桩作为一种新型的路堤快速加固技术，以其经济性好、安全性高、适用性强、无需中断行车等优点，近年来被广泛应用于各类路基加固和病害整治工程^[1-2]。此外，水泥土桩、墙等作为地基处理的有效方法，在软土地基工程领域亦保持着持续且广泛的应用^[3-4]。

土与结构物的相互作用问题，是岩土工程领域中的重要研究内容^[5-7]。众多学者就土与结构物接触面的剪切特性开展了较为深入的研究。Di Donn^[8]、金子豪^[9]等开展了土与结构物接触面的剪切试验，发现结构物表面粗糙度对接触面的剪切强度影响显著。陆勇等^[10]指出土与结构物接触面存在临界粗糙度，粗糙度达到临界值后，接触面剪切强度随粗糙度的增大不再变化。Chen^[11]、石熊^[12]等基于红黏土与混凝土接触面的直剪试验，分析了不同粗糙度与法向应力下接触面强度与变形的发展规律。成浩^[7]、张嘎^[13]、Qian^[14]等开展了土与不同结构物接触面的剪切试验，指出结构面粗糙度和法向应力是影响接触面力学特性的主要因素。张明义^[15]、陈俊桦^[16]等进行了黏性土与混凝土接触面的直剪试验，结果表明粗糙度的增大能显著提高接触的剪切强度。胡黎明等^[17-18]用不同粗糙度的钢板代替结构物进行了接触面的力学特性研究，指出接触面存在临界粗糙度，并建立了接触面的损伤本构模型。Jeong^[19]、熊彬涛^[20]等研究了桩侧表面粗糙度对桩土接触面剪切特性的影响。

综上所述，目前关于土与结构物接触面剪切特性的研究已取得了较为丰硕的成果，但主要侧重于分析土与混凝土、土与钢板等的接触问题，有关土与水泥土接触面的研究鲜有报道。作者通过自制表面粗糙度不同的水泥土试块来模拟实际工程中水泥土桩（或墙）侧的粗糙状态，开展了不同条件下黏土与水泥土接触面的剪切试验；同时，采用土粒示踪的方法观察剪切过程中剪切面附近土体的运移情况。基于剪切应力、剪切位移、剪切破坏强度等试验数据，研究粗糙度和法向应力对黏土与水泥土接触面力学特性及变形机理的影响，为深入研究黏土与水泥土相互作用机制和水泥土桩、墙等结构物的承载和变形机理提供参考依据。

1 黏土–水泥土接触面直剪试验 1.1 试验材料

试验土体取自朔黄铁路某工段的低液限黏土。试验前将原状黏土烘干后经机械碾压分散，并过2 mm土工筛；按目标含水量20%将过筛后黏土掺水拌和均匀，并放入土样保湿器；保湿时间不少于24 h，以保障土体含水量的均一性。水泥为P.C32.5级普通硅酸盐水泥。土样及水泥的物理力学指标分别见表1、2。

1.2 接触面粗糙度

目前，常用的结构表面粗糙度评定方法有灌砂法、硅粉堆落法和分数维法等^[21]。基于灌砂法采用灌砂高度评定黏土–水泥土接触面的粗糙度；运用压模钢板预制带有锯齿状凸起的水泥土板，如图1所示，其最大峰谷距与平均峰谷距相同，可采用峰谷距表征水泥土板表面的粗糙度，并记为R。试验中按水泥掺入比11%，将烘干分散并过2 mm筛后的黏土与水灰比为1的水泥浆混合制成含水率为28%、压实度为0.96的水泥土试块，经压模钢板压制后在标准条件下进行为期14 d的养护，最终形成粗糙度为R₁=0、R₂=1 mm、R₃=2 mm和R₄=4 mm的4种水泥土板。保持不同粗糙度水泥土板的齿距不变，改变齿高（图1），以此研究齿高对黏土–水泥土接触面剪切特性的影响，今后有必要进一步研究齿距变化对其剪切性能的影响。

1.3 试验装置

试验装置为ZJ–2型等应变直剪仪。试验时，将原仪器下部剪切盒替换为不同粗糙度的水泥土板，水泥土板尺寸为110 mm×100 mm×25 mm（长×宽×厚）。上剪切盒内部几何尺寸为95 mm×75 mm×42 mm（长×宽×高），如图2所示。接触面最小尺寸与土料最大粒径之比D/d_max=75/2=37.5>6，则该剪切盒的尺寸设计能弱化剪切过程中尺寸效应对试验结果的影响^[22]。水泥土板沿剪切方向长度为L，土样长度l与最大剪切位移δ_max的关系为L–l=（110–95）=15 mm>δ_max=10 mm，即剪切过程中接触面面积始终不变，可有效改善应力集中现象，提高试验精度。

为确定剪切过程中剪切面附近土体的运移情况，试验前，在土样表面观测点处，用直径1.5 mm的钢丝垂直插入土样，轻微旋转后拔出，再将沾有粒径小于0.1 mm碳粉的钢丝插入该孔中，轻微扭转，使碳粉尽可能吸附在孔壁上，然后拔出钢丝。

1.4 试验过程

试验前，将原直剪仪的下部剪切盒替换为水泥土板，同时将重塑黏土按压实度0.96（干密度为1.637 g/cm³）分层装入上剪切盒并压实。重塑黏土的液性指数I_L=−0.088（<0），表明黏土处于较坚硬状态。制样完成后，移除上剪切盒，将水泥土板连同上部重塑黏土一并放入保湿器；保湿时间不少于24 h，以保障接触面物质交换（主要为水分的交换）接近工程实际。经过重塑黏土的压实及接触面保湿和水分交换过程，使得黏土和水泥土在界面处保持较为紧密的接触。本文直剪试验均采用快剪试验方式进行，剪切速率按1.2 mm/min进行控制^[23-24]。开展试验时，将水泥土板及其上部重塑黏土组装至直剪仪，并于适当位置安装竖向千分表和横向量力环。

2 粗糙度和法向应力对接触面剪切特性的影响 2.1 剪应力–剪切位移关系曲线

图3为不同条件下接触面剪应力τ与剪切位移δ的关系曲线。

由图3可见：不同粗糙度R下，τ–δ曲线的变化趋势大致相同，可分为快速增长阶段（0<δ<3 mm）、缓慢增长阶段（3 mm<δ<7 mm）和稳定阶段（7 mm<δ<10 mm）。法向应力对接触面τ–δ曲线影响显著，随着法向应力的增大，接触面的最大剪应力（即峰值）显著增大。本文峰值剪应力取测力计读数不变或出现下降时的对应值；若测力计读数持续增加则峰值剪应力取最大剪切位移δ_max（10 mm）的对应值。由图3可知，各曲线基本于最大剪切位移前达到或接近其稳定状态，此时其剪应力基本不再增加（接近其最大值）；因此，对于本文非软化型曲线，取最大剪切位移对应的剪应力为峰值剪应力具有较好的代表性。

图4为不同粗糙度下接触面峰值剪应力与粗糙度（τ_p–R）之间的关系曲线。由图4可知：粗糙度R<1 mm时，接触面峰值剪应力基本不变；当1 mm≤R <2 mm时，接触面峰值剪应力随粗糙度以较快速度增长，但当 R≥2 mm时，峰值剪应力的增长速率逐步减小。

2.2 法向应变–剪切位移关系曲线

图5为法向应力420 kPa下各粗糙度接触面的法向应变ε与剪切位移δ的关系曲线（ε以压缩为正，膨胀为负），其余法向应力下的ε–δ曲线变化规律与之类似。各曲线的变化趋势仍可分为3个阶段：即较快增加阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段。各法向应力σ下土样体积均减小，表现为剪缩，且剪缩量在剪切前期增长较快，但随着剪切的持续进行，剪缩量逐渐趋于稳定，最后随剪切位移继续增大，土体体积基本不再发生变化。

图6为不同粗糙度下接触面法向应变最大值随法向应力的变化曲线。由图6可见：同一粗糙度下，法向应变的最大值随法向应力的增大而增大，基本呈线性关系；相同法向应力下，法向应变最大值随粗糙度的增加而增大。

3 抗剪强度参数与粗糙度的关系

不同粗糙度和法向应力下，黏土–水泥土接触面的剪应力峰值（即抗剪强度τ_s）如表3所示。由表3可见，相比光滑接触面，粗糙度R>1 mm时，接触面的抗剪强度得到了显著提升。以法向应力σ=420 kPa为例，粗糙度R=4 mm时，接触面剪切强度较R=0时提高了99.5%。

图7为接触面抗剪强度随法向应力的变化关系。

由图7可见，接触面的抗剪强度随法向应力和粗糙度的增大而增大，且与法向应力间具有良好的线性关系，表明黏土–水泥土接触面的剪切破坏服从摩尔–库伦强度准则，如式（1）：

${\tau _{\rm{s}}}{\rm{ = }}\sigma \tan\; {\phi _1} + {c_1}$

(1)

式中， ${\phi _1}$ 和c₁分别为接触面摩擦角和接触面黏聚力。

经线性拟合（拟合优度r²均大于0.95）可得黏土–水泥土接触面在不同粗糙度下的抗剪强度参数如表4所示，其中c和 $\phi $ 分别表示黏聚力和摩擦角。

本文同时开展了重塑黏土和水泥土的直剪试验，所得重塑黏土和水泥土的抗剪强度参数如表4所示。由表4可知：水泥土的抗剪强度参数较素土有明显提高，其中黏聚力提高约10倍，内摩擦角提高约5倍；但接触面的黏聚力和摩擦角均远低于水泥上。

图8为黏土–水泥土接触面抗剪强度参数随粗糙度的变化曲线。由图8可知：接触面摩擦角随粗糙度的增大而增加，但当粗糙度大于2 mm时，接触面摩擦角的增长速率逐渐减小；接触面黏聚力接近于黏土的黏聚力并在其上下浮动，说明黏土–水泥土接触面的黏聚力可近似取为黏土的黏聚力。

4 归一化的接触面强度有效系数

归一化的接触面强度有效系数E_s为表征土与结构物接触面剪切特性的一个有效参数^[25]，可通过下式计算得到：

${E_{\rm{s}}} = \frac{{\tan \;{\phi _1}}}{{\tan \;{\phi _2}}}$

(2)

式中， ${\phi _2} $ 为重塑黏土的内摩擦角。

图9为接触面强度有效系数与粗糙度之间的关系曲线。由图9可知，E_s随接触面粗糙度的增大而增大，当粗糙度R>1 mm时，E_s>1，说明对于“规则型”结构物表面，当粗糙度增大到某一值时，由于“被动阻力”的存在充分调动了接触面的抗剪性能^[26]，使得其抗剪强度大于黏土自身的抗剪强度。

5 剪应力与剪切位移的复合指数模型

由图3可知，不同条件下接触面剪应力τ与剪切位移δ的关系曲线变化规律基本一致，整体表现为应变硬化型。基于MATLAB软件平台，对图3中各条τ–δ曲线进行复合指数、双曲线、指数和Logistic 4种曲线模型拟合，得到复合指数模型的拟合度最优，表达式为：

$\tau = A\left( {1 - B{{\rm{e}}^{ - C\delta }}} \right)$

(3)

当剪切位移δ趋于无穷时，有：

${\tau _{\rm{s}}}{\rm{ = }}A{\rm{ = }}\sigma \tan \;{\phi _1} + {c_1}$

(4)

根据接触面的摩尔–库伦强度破坏准则（式（1））可知，参数A可表示为A=σtanφ₁+c₁。当剪切位移δ=0时，接触面剪应力τ=0，可得B=1。C为模型参数，主要表征剪应力随剪切位移的发展速率，其大小与接触面性质有关。因此，式（3）可表示为：

$\tau = \left( {\sigma \tan \;{\phi _1} + {c_1}} \right)\left( {1 - {{\rm{e}}^{ - C\delta }}} \right)$

(5)

式（5）为τ–δ曲线的应变硬化型复合指数模型，经拟合可得不同粗糙度下模型参数C的值如表5所示。由数据变化特征可知，模型参数C随粗糙度的增加而增大，但随法向应力的变化不大，即同一粗糙度不同法向应力下模型参数C基本在某一较小范围波动，后续分析时统一用其平均值表示。

图10为模型参数C随接触面粗糙度R的变化关系曲线。

由图10可知，参数C与粗糙度R之间具有较好的线性关系，可由下式表示：

$C = 1.119R + 0.525$

(6)

将式（6）代入式（5），可得剪应力与剪切位移的复合指数模型如式（7）：

$\tau = \left( {\sigma \tan \;\phi + c_1} \right)\left( {1 - {{\rm{e}}^{ - \left( {1.119R + 0.525} \right)\delta }}} \right)$

(7)

图11为粗糙度R=2 mm时，不同法向应力下接触面的τ–δ拟合曲线和试验曲线。

由图11可见，复合指数模型拟合曲线与试验曲线变化趋势基本吻合，说明黏土–水泥土接触面剪应力与剪切位移之间的关系可用本文提出的复合指数型模型模拟。

6 土体运移规律

图12为试验结束后的接触面实物图。由图12可见，黏土–水泥土接触面发生剪切破坏后，水泥土表面可见定向排列的波纹状线条，水泥土沟槽内局部有剪切破坏残留的土体。

图13为植入碳粉示踪的黏土在试验结束后，沿剪切方向切开后的某一剖面。由图13可知，接触面附近一定范围内的土体发生了明显的位移，整个影响范围呈中间大两边小的弧形区域；且左侧（剪切前方）土体标记线弯曲变化较右侧明显，率先发生剪切破坏，随着剪切的继续进行，剪切破坏区逐渐向右侧（剪切后方）扩展。

7 结　论

基于系列直剪试验，研究黏土–水泥土接触面的剪切特性。试验中保持不同粗糙度水泥土板的齿距不变，并基于灌砂法采用齿高表征接触面的粗糙度R，以此研究齿高变化对黏土–水泥土接触面剪切性能的影响。所得主要结论如下：

1）当R<1 mm时，接触面峰值剪应力基本不变；当1 mm≤R<2 mm时，接触面的峰值剪应力随粗糙度的增加呈现较快增长；但当R≥2 mm时，峰值剪应力随粗糙度的增长速率逐步减小。此外，接触面峰值剪应力随法向应力的增加而增大。

2）黏土–水泥土接触面的剪切破坏规律服从摩尔–库伦强度准则；接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大，但增长速率逐渐减缓；接触面黏聚力与黏土自身的黏聚力大小相当。

3）随着粗糙度的增加，接触面的剪切强度会出现大于黏土自身剪切强度的情况，即接触面强度有效系数E_s大于1，证明了随着接触面粗糙度的增加，“规则型”结构物表面会出现一定的剪切“被动阻力”。

4）建立了描述黏土–水泥土接触面粗糙度R、剪应力τ、剪切位移δ、法向应力σ、摩擦角φ和黏聚力c之间关系的复合指数模型；该模型结构形式简单、参数少，可较好地模拟剪应力随剪切位移的变化关系。

5）接触面剪切过程中黏土的运移情况表明，随着剪切的持续进行，剪切破坏区由剪切前方逐步扩展至剪切后方。