土体与桩基、挡土墙和大型深基坑支护等结构接触界面的力学特性对岩土工程结构的安全性和稳定性有着重要影响^[1]。接触面承担着土体与结构之间荷载传递与变形协调的重要功能，同时也是土与结构相互作用系统中的薄弱环节，因此土与结构接触界面力学特性的研究一直是岩土工程学领域的热点课题之一。已有的研究结果表明结构表面粗糙度是影响土与结构接触面力学特性的重要因素^[2–4]，国内外关于结构面粗糙度对接触面力学特性影响的研究也获得了较多有益的结论，如：胡黎明等^[5]采用数字照相技术对不同粗糙度条件下剪切过程中土体颗粒的位移情况进行分析，根据接触面剪切破坏类型的不同提出了临界相对粗糙度的概念。张明义^[6]、陈俊桦^[7]等进行了黏性土与混凝土接触面的直剪试验，试验结果表明粗糙度的增大能明显提高界面的剪切强度。Frost等^[8]在研究砂土与土工膜界面剪切特性时，发现随粗糙度的增大界面剪切带的厚度也随之增加，同时剪切过程中土颗粒与土工膜表面之间的咬合作用也更加明显。Feligha等^[9]指出结构面粗糙度对黏性土与钢板界面的剪切破坏模式有着较大的影响，随着粗糙度增大，接触面的剪切破坏将由滑移破坏向土体内部剪切破坏发展。彭凯^[10]、张嘎^[11]等进行了粗粒土与规则齿型结构接触面的大型直剪试验，通过改变锯齿高度来调整结构表面粗糙度的大小，研究结果表明结构面粗糙度对颗粒与结构面之间的细观相互作用机制以及剪切破坏模式有着重要影响。

上述研究大多是针对单一类型土体与结构接触面的研究，然而对于工程中如埋深较大的超长灌注桩或者高路堤挡土墙等大型结构而言，与其接触的周围土体往往由不同类型土体组成。由于不同土体（如黏性土与砂土）自身性质的差异，其与同一结构接触面的力学特性也存在较大差异。为了研究结构表面粗糙度对不同土体与混凝土结构接触面剪切特性的影响，采用大型直剪试验仪进行了3种不同类型土体（红黏土、砂土和碎石土）与混凝土界面剪切试验，研究粗糙度对不同类型接触面强度特性的影响，并进一步分析了不同类型接触面的剪切破坏特征。相关研究成果能为地下结构与土体相互作用系统的设计与分析提供参考。

试验设备采用大型多功能界面直剪试验仪TAW–800，如图1所示。该仪器由剪切盒、水平与竖向加载系统、计算机控制及数据采集系统组成，可以实现单向剪切、循环剪切等复杂应力路径的剪切试验。剪切盒尺寸为500 mm×500 mm×150 mm（长×宽×高），大尺寸的剪切盒能有效地减小尺寸效应及边界约束对试验结果的影响。该设备在竖直与水平方向上可施加的最大载荷分别为800和400 kN，最大水平剪切位移为300 mm，位移精度可达0.01 mm。已有学者采用该大型直剪设备进行了粗粒土、粗粒土与土工格栅以及土体与结构界面剪切试验研究^{[3–4, 7]}。

图1(Fig. 1)

图1 大型界面直剪试验仪 Fig. 1 Large direct shear apparatus

分别选取了红黏土、砂土与碎石土3种不同性质土体进行土与结构界面剪切试验，其中红黏土取自长沙地区，其主要的物理力学性质参数见表1。试验中所用的砂土为湘江河砂，其级配曲线如图2所示，依据颗粒分析试验确定为粗砂。碎石土为经人工破碎而成的灰岩碎石料，颗粒呈棱角型，颜色为深灰～浅灰色，级配曲线如图2所示。砂土与碎石土的基本物理力学性质参数见表2。

表1(Tab. 1)

表1 红黏土物理力学性质参数 Tab. 1 Physical and mechanical properties parameters of red clay

表1 红黏土物理力学性质参数 Tab. 1 Physical and mechanical properties parameters of red clay 参数 数值 干密度/(g·cm–3) 1.65 比重 2.60 孔隙比 0.65 塑性指数 21 最大干密度/(g·cm–3) 1.81 最优含水率/% 14.08 黏聚力/kPa 95.71 内摩擦角/(°) 32.2

图2(Fig. 2)

图2 颗粒级配曲线 Fig. 2 Grading curves of sand and gravel

表2(Tab. 2)

表2 砂土和碎石土基本物理参数 Tab. 2 Basic physical parameters of sand and gravel samples

表2 砂土和碎石土基本物理参数 Tab. 2 Basic physical parameters of sand and gravel samples 土体类型 颗粒相对密度 特征粒径/mm 不均匀系数 曲率系数 干密度/ (g·cm–3) $ d_{60}$ $d_{30 }$ $ d_{10}$ 最大 最小 砂土 2.56 0.71 0.28 0.08 8.87 1.38 1.71 1.40 碎石土 2.72 10.60 10.10 6.10 1.74 1.58 1.91 1.62

考虑到实际工程中结构表面的形貌特征较为复杂，比如钻孔灌注桩和地下连续墙等通过混凝土现场浇筑而成的结构物，其与周围土体的接触面往往是凹凸不平的粗糙面。为了便于研究结构表面粗糙度的变化对土与结构接触面剪切特性的影响，参考文献[11]中的方法，通过预制具有规则形貌表面的混凝土试块来模拟粗糙的结构面。混凝土试块尺寸为570 mm（长）×500 mm（宽）×170 mm（高），试块表面垂直于剪切方向预制了直径为50 mm的半圆型凹槽，通过调整凹槽数量来改变结构表面粗糙度的大小，凹槽数量分别设置为0、1、3、5个，对应的混凝土试块编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中表面无凹槽的混凝土试块用来模拟实际工程中如预制混凝土桩等表面相对光滑的结构表面，不同粗糙表面的混凝土试块如图3所示。为了避免在剪切位移较大时上剪切盒中的土料漏出，同时保证剪切过程中的有效剪切面积保持不变，沿剪切方向混凝土试块的长度比上剪切盒长70 mm。

图3(Fig. 3)

图3 不同表面粗糙度混凝土试块 Fig. 3 Concrete block with different roughness

目前常用的结构表面粗糙度评定方法有灌砂法、基于结构面几何轮廓曲线的分数维法和最大峰谷距法等^[4]，其中灌砂法的实质是采用平均灌砂深度对结构表面的粗糙度进行评价。灌砂法由于其简单易行的特点，在工程应用中较为广泛^[12]，对于本次试验中表面具有规则凹槽的混凝土试块，采用灌砂法对其表面粗糙度R进行定量评价时，计算公式可表示为：

式中： $ n$ 为试块表面凹槽数量； $ S$ 为试块表面面积； ${V_i} $ 为单个凹槽灌入的标准砂体积， ${V_i} = \dfrac{1}{8}{\text{π}}{d^2}l$ ； $d $ =50 mm，为半圆型凹槽直径； $ l$ =570 mm，为试块垂直于剪切方向的长度。根据式（1）计算得到的结构表面粗糙度结果见表3。

表3(Tab. 3)

表3 混凝土表面粗糙度评定结果 Tab. 3 Evaluation of surface roughness of concrete blocks

表3 混凝土表面粗糙度评定结果 Tab. 3 Evaluation of surface roughness of concrete blocks 试块编号 粗糙度参数 $n$ ${V_i} $ /mm3 R/mm Ⅰ 0 559 596.2 0 Ⅱ 1 559 596.2 1.96 Ⅲ 3 559 596.2 5.89 Ⅳ 5 559 596.2 9.81

试验时先将混凝土试块吊入直剪仪并置于下剪切盒所在位置，试块表面与下剪切盒顶面平齐。根据土体类型的不同，将土样按一定压实度或密实度要求分3层装入上剪切盒中，所需的用土量根据剪切盒尺寸进行计算。对于重塑红黏土样，控制盒内土体的压实度为93%；对于砂土与碎石土，控制盒内土体的相对密实度为70%。法向荷载通过刚性加载板施加，每组试样分别在法向应力为100、200、400、800 kPa下进行预压30 min，待土体竖向变形稳定后进行剪切试验。试验采用位移加载控制方式，剪切速率为1 mm/min，剪切位移达到40 mm时终止试验，共进行了48组大型直剪试验。

根据红黏土与混凝土接触面直剪试验结果，得到不同粗糙度条件下接触面剪切应力与剪切位移关系曲线如图4所示。由图4可知，在剪切初期接触面剪切应力随剪切位移的变化呈现非线性增大，随剪切位移的继续增大，剪切应力在达到峰值后出现不同程度的下降并最终达到稳定的残余强度，这与典型超固结黏性土在直剪试验条件下表现出的剪切软化特性相同^[13]。粗糙度的增大对接触面的剪切强度有着显著的影响，以法向应力400 kPa为例，粗糙度参数R分别为0、1.96、5.89和9.81 mm时，接触面峰值剪切应力分别为214.76、235.16、257.84和267.72 kPa，接触面残余剪切应力分别为171.08、202.76、233.56和243.48 kPa。随粗糙度的增大，接触面峰值剪切强度与残余剪切强度分别提高了78.8%和42.3%。另一方面，随着粗糙度的增大，接触面剪切应力在达到峰值后的降低幅度也逐渐减小，粗糙度参数R分别为0、1.96、5.89和9.81 mm时，接触面剪切应力在峰值后分别下降了20.3%、13.8%、9.4%和9.1%。比较图4也可以看出，光滑接触面（R=0 mm）的软化现象最为明显，随着粗糙度的增大，曲线的软化现象逐渐减弱，表明粗糙度的增大能有效提高红黏土与混凝土接触面的剪切延性^[14]。

图4(Fig. 4)

图4 红黏土与混凝土接触面剪切应力与剪切位移曲线 Fig. 4 Shear stress–shear displacement curves of red clay–concrete interface

不同粗糙度条件下砂土与混凝土接触面剪切应力随剪切位移的变化曲线如图5所示，由图5可知，剪切应力在初始剪切阶段增长较快，随着剪切位移的增加，剪切应力在增大至最大值后基本保持不变，接触面剪切应力随剪切位移的变化过程表现出理想弹塑性特征。接触面剪切应力最大值随粗糙度的增大而增大，以法向应力100 kPa为例，粗糙度参数R分别为0、1.96、5.89和9.81 mm时，接触面最大剪切应力分别为84.6、99.84、104.24和111.84 kPa，接触面最大剪切应力随粗糙度的增大提高了32.2%。

图5(Fig. 5)

图5 砂土与混凝土接触面剪切应力与剪切位移曲线 Fig. 5 Shear stress–shear displacement curves of sand–concrete interface

不同粗糙度与法向应力条件下碎石土与混凝土接触面剪切应力与剪切位移关系曲线如图6所示。由图6可知，剪切应力随剪切位移的增加不断增大，但其增大速率逐渐减小，剪切过程中剪切应力没有出现明显的峰值，接触面剪切曲线表现出剪切硬化特征。法向应力对剪切曲线的形态也有着一定的影响，法向应力较小（≤200 kPa）时，接触面剪切曲线的应变硬化特征最为显著；随着法向应力的增大，曲线的应变硬化特征逐渐减弱，曲线逐渐向理想弹塑性型发展。从图6也可以看出，接触面剪切应力的最大值随粗糙度的增大而增大，以法向应力100 kPa为例，粗糙度参数R分别为0、1.96、5.89和9.81 mm时，接触面最大剪切应力分别为104.56、158.48、168.24和184.42 kPa，接触面最大剪切应力随粗糙度的增大提高了76.4%。从图6（d）中还可以看出，粗糙度参数 $R $ =9.81 mm时对应的剪切曲线出现了轻微的波动现象，这与颗粒材料在直剪试验中出现的波动性剪应力现象类似。Li等^[15]认为颗粒土剪应力的波动特征与颗粒形状与级配、法向应力大小等因素有关。将法向应力为400 kPa，粗糙度参数R分别为0和9.81 mm对应的剪切曲线的局部进行放大，如图6（a）和（d）所示。通过对比图6（a）和（d）可以看出，粗糙度对于接触面剪切曲线波动也有着重要影响，随着粗糙度的增大，接触面剪切曲线的波动特征也越来越明显。

图6(Fig. 6)

图6 碎石土与混凝土接触面剪切应力与剪切位移曲线 Fig. 6 Shear stress–shear displacement curves of gravelly soil–concrete interface

为了便于分析粗糙度对接触面剪切强度的影响，对于剪切软化型的剪切曲线，取峰值剪切应力作为接触面的剪切强度；对于无明显峰值的剪切曲线，取剪切应力的最大值为接触面的剪切强度。图7为不同土体与混凝土接触面剪切强度随法向应力的变化曲线。由图7中可以看出，相同法向应力下，接触面剪切强度随粗糙度的增大而增大，但随着法向应力的增大，粗糙度的变化对接触面剪切强度的影响逐渐减弱。以红黏土与混凝土接触面为例，法向应力分别为100、200、400和800 kPa时，接触面剪切强度随粗糙度的增大分别提高了78.8%、64.5%、20.1%和14.2%。由此可见，低法向应力条件下粗糙度的变化对接触面剪切强度的影响更为显著，且粗糙度对接触面剪切强度的影响随法向应力的增大逐渐弱化。而相同粗糙度下，不同土体与混凝土接触面剪切强度均随法向应力的增大近似呈线性增大，对二者进行线性拟合后得到拟合的相关系数均在0.991以上，拟合结果见表4，表明接触面剪切强度与法向应力之间的线性关系显著，接触面的剪切破坏符合摩尔–库伦破坏准则，即：

图7(Fig. 7)

图7 接触面剪切破坏包络线 Fig. 7 Shear failure envelopes of interfaces

表4(Tab. 4)

表4 接触面强度参数 Tab. 4 Strength parameters of interfaces

表4 接触面强度参数 Tab. 4 Strength parameters of interfaces 土体类型 R/mm 表观黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 拟合相关系数 红黏土 0 41.70 22.59 0.994 1.96 51.08 23.28 0.995 5.89 96.48 21.18 0.996 9.81 103.18 21.61 0.991 砂土 0 10.49 33.04 0.993 1.96 28.76 33.62 0.999 5.89 32.33 34.74 0.999 9.81 40.67 33.77 0.999 碎石土 0 16.38 39.78 0.992 1.96 76.52 37.53 0.999 5.89 79.55 39.49 0.999 9.81 92.46 39.51 0.998

式中， ${\tau _{\rm{f}}}$ 为接触面剪切强度， $\sigma $ 为法向应力， $c$ 为接触面表观黏聚力， $\varphi $ 为接触面内摩擦角。

不同类型接触面强度参数与粗糙度的关系曲线如图8所示。从图8（a）中可以看出，不同土体与混凝土接触面的内摩擦角随粗糙度的变化没有明显的规律，其值均在一定范围内波动。当粗糙度参数R从0增大至9.81 mm时，红黏土与混凝土接触面的内摩擦角最大变化幅度为3.4%，砂土与混凝土接触面的内摩擦角的最大变化幅度为6.6%，碎石土与混凝土接触面的内摩擦角的最大变化幅度为7.7%，表明粗糙度的变化对接触面内摩擦角的影响很小。从图8（b）中可以看出，当粗糙度参数R从0增大至9.81 mm时，红黏土与混凝土接触面的表观黏聚力从36.22 kPa增大至103.18 kPa，提高了184.8%；砂土与混凝土接触面的表观黏聚力从10.49 kPa增大至40.67 kPa，提高了287.7%；碎石土与混凝土接触面的表观黏聚力从16.38 kPa增大至94.30 kPa，提高了475.7%，表明接触面的表观黏聚力随粗糙度的增大得到明显提高。

图8(Fig. 8)

图8 接触面强度参数与粗糙度关系曲线 Fig. 8 Relationships between roughness and strength parameters of interfaces

接触面的表观黏聚力与黏性土的黏聚力不同，黏性土的黏聚力是指颗粒间胶结物的胶结力、黏粒间的电荷吸力和分子吸力等，而接触面的表观黏聚力则表现为黏土颗粒与结构表面的黏着作用或颗粒土与粗糙结构表面的咬合作用。对于红黏土与混凝土接触面，其表观黏聚力主要由黏土颗粒与混凝土表面之间的黏着力和填充于凹槽内土体与上部土体之间的黏聚力这两部分构成。当粗糙度较小（R=0）时，接触面表观黏聚力主要由黏土颗粒与混凝土表面之间的黏着力提供，此时表观黏聚力数值较小。随着粗糙度的增大，填充于凹槽内土体与上部土体的接触面积增大，接触面的表观黏聚力也不断增大。而对于颗粒土与混凝土接触面，其表观黏聚力表现为土颗粒与粗糙结构表面的咬合力或嵌固力。当混凝土表面相对光滑（R=0）时，土颗粒与结构表面的咬合作用并不明显，此时砂土、碎石土与混凝土接触面的表观黏聚力也较小，分别为10.49、16.38 kPa。随着粗糙度的增大，更多的土体颗粒填充于试块表面的凹槽部分，剪切过程中土颗粒之间的咬合、嵌固作用也越来越显著，此时接触面的表观黏聚力也增大。由表4可知，碎石土与混凝土接触面的表观黏聚力明显高于砂土与混凝土接触面的表观黏聚力，表明颗粒粒径越大，接触面表观黏聚力越大，这与刘飞禹等^[16]在研究粗粒土颗粒粒径对筋土界面剪切强度的影响时得到的结论相一致。

黏性土与结构接触面的剪切破坏存在3种不同类型：界面滑移破坏、土体内部剪切破坏以及介于这两者之间的破坏^{[9, 17]}。Hammouda等^[18]进一步指出粗糙度对界面剪切破坏模式有着较大的影响，随着结构面粗糙度的不断增大，接触面的破坏模式由滑移破坏向土体内部剪切破坏发展。对于本文中红黏土与混凝土接触面，当接触面相对光滑（R=0）时，黏土颗粒与结构表面之间的黏聚力较小，剪切过程中接触面更容易表现为界面滑移破坏；随着结构表面粗糙度的增大，土颗粒与结构表面接触面积越大，同时剪切过程中对于上部土体的影响范围也逐渐扩大，这也导致了剪切过程中的摩擦阻力越大，接触面的宏观剪切应力亦随之增大。当粗糙度增大到一定程度时（R=9.81 mm），接触面的表观黏聚力（103.18 kPa）接近或超过红黏土自身的黏聚力（95.71 kPa），此时接触面的剪切破坏发生在土体内部^[3]。

对于颗粒土与结构接触面，接触面的宏观剪切特性与剪切过程中细观颗粒的运动有着直接联系^[19–20]。陆勇等^[21]在研究粗粒土与结构接触面剪切特性时，进一步指出结构面形貌特征对剪切过程中土颗粒与结构面间的细观作用机制（相对滑动、颗粒变位、颗粒破碎等）有着重要影响。受不同粗糙程度结构表面的约束，剪切过程中结构面附近土颗粒在剪切与竖向荷载下会发生颗粒与颗粒之间以及颗粒与结构面之间的相互错动、翻滚、咬合和破碎等现象^[20]。随着结构表面粗糙度的增大，颗粒与结构面之间的摩擦阻力以及颗粒与填充于凹槽内土体颗粒之间的咬合力也随之增大，接触面的宏观剪切强度也得到提高。对比图5和6可知，相同条件下碎石土与混凝土接触面的剪切强度高于砂土与混凝土接触面的剪切强度，这是因为砂土颗粒的尺寸远小于凹槽尺寸，砂土颗粒与结构面之间的相互作用以相对滑移为主，剪切过程中所形成的剪切面比较平整。而碎石土颗粒粒径较大，部分颗粒会嵌固于结构表面凹槽内，因此剪切过程中结构面附近土颗粒与被嵌固颗粒之间的相互错动、咬合、翻滚等现象更为明显，接触面的剪切阻力也更大。碎石土颗粒与粗糙结构面之间的相互作用导致了剪切过程中形成凹凸不平的剪切破坏面，宏观上接触面的剪切曲线也出现了不同程度的波动现象。

1）土体类型对土与混凝土结构接触面的剪切应力–位移关系曲线的形态具有较大影响：红黏土与混凝土接触面表现出明显的剪切软化特征，砂土与混凝土接触面表现出非线性弹性–理想塑性特征，而碎石土与混凝土接触面则主要表现出剪切硬化特征。

2）相同法向应力下，不同土体与混凝土接触面剪切强度均随粗糙度的增大而增大。低法向应力下，粗糙度对接触面剪切强度的影响更为显著，随着法向应力的增大，粗糙度的影响也逐渐减弱。

3）不同类型接触面的剪切破坏均符合摩尔–库伦破坏准则。粗糙度的增大明显提高了接触面的表观黏聚力，但是对接触面内摩擦角的影响较小。粗糙度对接触面表观黏聚力的贡献主要是提高了黏土颗粒或颗粒土与结构物之间的黏着力或咬合力，从而导致了接触面剪切强度的增大。