0 引言

路基是公路承重的主体部分，其主要承受交通荷载的作用，坚固的路基不仅是延长道路使用寿命的前提条件，也是道路强度与稳定性的重要保证。半填半挖路基、分层填铺碾压路基和上覆硬壳层软土路基(如河北省境内邢临高速)工程均存在原状土或重塑土的土层界面行为，并且行车荷载是长期存在的变化荷载，在长期循环荷载作用下土的应变和强度会产生很大不同^[1]。在实际工程中交通荷载的作用深度大于上层路基的厚度，会对下层路基产生影响，由于层状路基上、下土层的力学性质差异，动载在其土层界面处会产生“界面效应”，使动荷载的传递规律发生改变^[2]，而循环动载引起的工程问题又是土动力学研究中面临的新课题^[3]; 因此，研究路基界面土在动载环境条件下的承载能力和运行效果势在必行。

界面土的位移包括接触面上的剪切位移和接触面附近土体变形两部分^[4]，界面土的破坏是一个渐进的过程，因此，用于检测路基界面土位移的仪器较单一土体变形的仪器更加复杂，多数学者通过自制设备来对其进行了研究：闫澍旺等^[5]自制直剪仪对不同土样进行试验，发现土与钢板界面的抗剪糙度不是一个常数；Wu等^[6]采用正交试验法分析了界面土在不同层间黏结条件下，基层和表层厚度、模量、水平力等参数的变化对挠度、拉应力、剪应力的影响；Wang等^[7]通过试验发现增加接触面的粗糙度是提高接触面抗剪强度的有效手段；毕冬宾等^[8]将界面土的破坏分为线性阶段、滑移扩展阶段和滑移阶段等3个阶段，通过原位试验得到了土层锚杆拉拔的荷载-位移曲线；Kock等^[9]采用离散元法(DEM)模拟了颗粒在剪切过程中微观尺度上的相互作用，实验表明，黏土的变形行为在很大程度上取决于颗粒形状、颗粒旋转和颗粒接触等因素；张嘎等^[10]建立了一个可统一描述粗粒土与结构接触面力学特性的本构模型；Beskou等^[11]讨论了道路路面在移动荷载作用下的动力响应；之后Beskou等^[12]计算得到了板-土界面动力响应的解析解。

目前，国内外对界面土进行的研究颇多，在众多学者的努力下该领域的成果不断增加。夏红春等^[13]研究了不同法向应力条件下中砂与地下结构接触面及界面土的剪切力学特性，提出以“界面土效应因子”来衡量界面土效应的类型及其强弱程度；孙厚超等^[14]利用改制的冻土剪切盒，研究了冻土与结构物接触界面土的问题；刘开富等^[15]通过室内直剪试验分析了影响土工格栅-土体界面抗剪强度的影响因素；张明义等^[16]定量分析了粗糙度对桩-土界面抗剪强度的影响，提出了桩-土界面阻力的概念，认为界面阻力由黏性土与混凝土之间的黏着力和摩擦力组成；Robert等^[17]通过直剪试验研究了管道-土界面间的相互作用；Ge等^[18]对土与结构间的聚类效应进行了研究。然而，以上研究大都是针对土与结构物之间的界面土，对于土-土之间界面土的研究和文献报道数量则较少，用于指导路基工程的设计和施工尚存不足。

为了探究土体界面土的力学特性，补充路基工程中相关理论的欠缺，本文在前人研究的基础上，以粉土、粉质黏土和碎石土为试验材料，以法向应力大小、上下土层类型、界面处理方式、动载环境、静载环境及动载作用时长等为试验变量，应用正交试验法设计试验方案，通过室内直剪试验得到了界面土的剪应力-位移本构曲线，并分析了界面土的力学性质与试验变量之间的关系，以期为层状路基的选料、填料铺设方式等的设计和施工提供参考依据。

1 试验准备 1.1 试验装置与材料

室内直剪试验使用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)，模拟交通荷载的装置为沿轨道滑动的可变频小车，试验装置如图 1所示。

试验所用原状土样类型为粉土、粉质黏土和碎石土，均取自荣乌高速新线工程ZT6标段，试验材料如图 2所示。

1.2 试验方案

试验的方案设计和实施步骤均按《公路土工试验规程》^[19]的要求执行。

1.2.1 原状土室内直剪试验方案

通过不同荷载下粉土、界面土和粉质黏土的剪切试验，来探寻土体界面土的力学性质与上下土层力学性质之间的关系。

试验方案为，对粉土、界面土和粉质黏土等原状土样分别施加50，100，150 kPa的剪切载荷来进行直剪试验，测其剪应力。

1.2.2 重塑土室内直剪试验方案

1) 静载试验方案

采用正交试验法设计试验方案，以土层类型、法向应力大小和界面处理方式为变量，对重塑土进行直剪试验，以此来研究各变量对土体界面土力学性质的影响。用A(粉土)、B(粉质黏土)、C(碎石土)分别代表不同性质的单一土体；用AB，BC，AC代表界面土(其中左右两边的字母分别代表上下土层的性质)；P，R，I分别代表平面处理、规则凿毛处理和不规则凿毛处理。加载的法向应力大小分别为50，100，150 kPa。

以AB组合类型的试样为例，其剪切方案为A-50，A-100，A-150，B-50，B-100，B-150，AB-P-50，AB-P-100，AB-P-150，AB-R-50，AB-R-100，AB-R-150，AB-I-50，AB-I-100，AB-I-150。

2) 动载试验方案

除将静荷载改为用小车施加的动荷载外，其余变量设置与静载试验方案相同，采用正交试验方案来研究动载作用下各因素对界面土力学性质的影响。其中：用100代表施加的法向应力大小，单位为kPa；分别用○、Ⅲ和Ⅵ表示小车扰动荷载作用的时长0、3和6 min。

同样以AB组合类型试样为例，试验方案设计为A-○-100，A-Ⅲ-100，A-Ⅵ-100，B-○-100，B-Ⅲ-100，B-Ⅵ-100，AB-P-○-100，AB-P-Ⅲ-100，AB-P-Ⅵ-100，AB-R-○-100，AB-R-Ⅲ-100，AB-R-Ⅵ-100，AB-I-○-100，AB-I-Ⅲ-100，AB-I-Ⅵ-100。

2 土层界面直剪试验

目前，大部分的剪应力-位移的本构关系是以Clough^[20]所提出的双曲线模型为基础并结合室内直剪试验拟合得到的。刘学增等^[21]在双曲线模型的基础上，经过大量的试验对式(1)中的参数做了一定的讨论：

式中：τ为剪应力，kPa；Δu_s为剪切变形位移，mm；m为与初始切向刚度k_si(单位kPa/mm)互为倒数关系的参数, mm/kPa；n为与法向应力σ_n(单位kPa)有关的参数，kPa^-1，其取值与土体类型有关。式(2)为k_si与n的函数表达式：

式中：k_i为剪切模量系数；n_i为参数；x₁和x₂为应力指数。k_i、n_i 、x₁、x₂的取值由室内直剪试验确定。

界面切向黏结系数采用的是Goodman模型单元，即式(3)所示的剪应力τ与剪切位移Δu之间的关系：

式中：K为黏结系数，kPa/mm；Δu为路面上下两层发生的相对水平位移，mm。冯德成等^[22]认为黏结系数是平均剪应力与相对水平位移曲线的割线模量，且黏结系数随着剪应力的增加而变小，峰值抗剪强度处的黏结系数K反应了土体黏性的破坏。本文黏结系数K由式(4)求得：

式中：τ_max为土体所能承受的最大剪应力，kPa；u_max为土体在剪切破坏时的最大位移，mm。

2.1 原状土直剪试验

用环刀采取试样，将试样放进剪切盒，调节设备，按照设计方案施加荷载，用快剪方式以0.8 mm/min的速度剪切至试样破坏，将试验结果与式(1)和(2)拟合，绘制各组试验的剪应力-位移本构曲线，如图 3所示。

由图 3的剪应力-位移本构曲线可知，在剪切过程中，剪应力增长率均呈现出逐渐变缓的形态。不同法向应力条件下，剪应力与位移的比值增长率和抗剪强度从大到小依次为粉质黏土、界面土、粉土。

2.2 重塑土直剪试验

重塑土由剪切后的原状土制备，其密度、孔隙比等与原状土存在较大差异。将直剪试验后的原状土试样分类装好，风干后用碾子碾碎，用2 mm筛子筛分碾碎的土样，使用四分对角取样法取出足够土样装好备用。用喷雾器向干土样均匀喷洒净水，搅拌后密封在塑料袋中放置不少于24 h，以使土样和水分充分接触。

2.2.1 静载试验

将制备好的重塑土放置在环刀中，用击样法击实，放入固结仪中固结30 min，然后取出土样，施加50 kPa法向应力，以0.8 mm/min的剪切速度做快剪试验。将试验数据代入式(1)和(2)进行拟合，绘制剪应力-位移拟合曲线，为了比较单层土与界面土力学性质之间的关系，在每组曲线中均设置单层土(A，B，C)剪切曲线作为对照组，50 kPa法向应力下的试验结果如图 4所示。

由图 4的剪应力-位移本构曲线可知，重塑土的曲线增长也呈逐渐变缓的形态。试样在相同法向应力条件下产生相同位移时，界面土的剪应力增长率和抗剪强度均小于增长率较大的单层土体。此外，如果上下两层土体的剪应力增长率相差较大，界面土的剪应力增长率介于两种单层土体之间(图 4a)；如果上下两层土体的剪应力增长率相差较小，则界面土的剪应力增长率小于增长率较小的单层土体(图 4b，c)。这说明当上下两层土体的剪应力增长率相差较大时，增长率小的土体受增长率大的土体的影响，其力学性质得到了一定程度的提升；而当两层土体的剪应力增长率差异较小时，两者的结合会使得土的力学性质减弱。对不同界面处理方式的界面土剪切结果进行分析，发现剪应力增长速率和抗剪强度由小到大依次为平面处理、规则凿毛处理、不规则凿毛处理，这说明界面土越粗糙(粗糙度大小通过小刀刻痕的道数、深度以及混凝土压痕的凹凸程度来进行评判)，其上下土体的接触就越充分，从而使其自身抵抗外力的能力越强。这与参考文献[7]的结论相一致。

2.2.2 动载试验

将制备好的重塑土试样放入剪切盒，在调整好的剪切盒上放置滑道，让自制小车以2 Hz^[23]的振动频率沿滑道匀速移动，同时对试样施加1 kPa的动荷载。根据加速试验的概念^[24]，先对试样分别施加0，3，6 min时长的振动荷载来模拟实际中高频次、长周期的车辆荷载加载效果；然后施加100 kPa法向应力模拟一个标准轴载产生的压应力^[25]，用0.8 mm/min的剪切速度剪至试样破坏；最后将试验结果代入式(1)和(2)进行拟合，绘制剪应力-位移拟合曲线。100 kPa法向应力下的试验结果如图 5所示。

由图 5可知，动载条件下，剪应力-位移曲线仍呈逐渐变缓的增长形态。其他条件相同时，通过剪切产生相同位移需要的剪应力由小到大依次为振动6，3，0 min的试样，即抗剪强度由小到大依次为振动6，3，0 min的试样，说明随着动荷载作用时间的增加，土体的抗剪强度等力学性质会产生一定的下降。

3 试验结果分析 3.1 原状土直剪试验结果

本文用式(1)(2)来对试验结果进行拟合，其效果的好坏可通过相关系数R来反应，R的取值范围为(0, 1)，R的取值越接近于1表明拟合效果越好，反之，表明拟合效果越差。各组试验中标准曲线与拟合曲线之间的相关系数R的计算值如表 1所示，可以看出R的计算值分布在0.983~0.996之间，均接近于1，说明用公式(1)(2)来拟合原状土直剪试验的剪应力-位移曲线是合理的。

用式(4)结合试验数据计算不同种类原状土在50、100和150 kPa法向应力下的黏结系数，绘制折线图，结果如图 6所示。

从图 6可以看出，黏结系数由小到大的土体类型依次为粉土、界面土和粉质黏土，这说明抵抗外力的能力由小到大依次为粉土、界面土和粉质黏土。结合图 3和图 6可知：界面土的力学性质介于粉土和粉质黏土之间。这说明在漫长的地质变化过程中，由于压力^[26]、温度、风化、堆积等外界作用，不同土体间的颗粒出现破碎、胶结、嵌入^[27]等现象，导致上、下土层在界面土处发生融合，从而呈现出一种“渐变”的物理力学性质。

3.2 重塑土试验结果与分析 3.2.1 静载试验结果

同样用相关性系数R来检验公式(1)(2)对重塑土试验结果的拟合效果。经计算得到各组试验标准曲线与拟合曲线之间相关性系数R的取值在0.946~0.998之间，均接近1，说明拟合曲线对重塑土在静荷载作用下直剪试验结果的拟合效果较好。以100 kPa法向应力下的试验结果为例，根据图 4的拟合曲线和式(4)黏结系数表达式，计算得到图 7所示的不同条件下不同重塑土土样的黏结系数。

由图 7可知：在静载条件下，各种重塑土试样界面土的黏结系数均小于黏结系数较大的单一土层的黏结系数；若上下土层的黏结系数相差较小(约60.00 kPa/mm，图 7a)时，则界面土黏结系数的取值小于两个单层土的黏结系数；若上下土层的黏结系数相差较大(大于100.00 kPa/mm，图 7b，c)时，则界面土黏结系数取值位于两种单层土之间。并且，每一组界面土中不规则凿毛处理界面土的黏结系数最大；说明界面土越粗糙，上下土层之间的摩擦越剧烈，抵抗剪切破坏的能力就越强，试验中表现为峰值剪应力(抗剪强度)提高，黏结系数增大。这与拟合曲线所呈现出的趋势相符合，也与原状土直剪试验所得的结果相一致。

分析图 4、图 7可以发现：当两种土层差异较小时，由于上下土层性质相似，在剪切试验中两种土层的土颗粒未能较好地融合，从而使界面土呈现一种“突变”状态的力学性质；当两种土层差异较大时，上下土层性质相差较远，在剪切过程中上下土层颗粒能够较好地融合，从而使界面土呈现出一种“渐变”的力学状态。

分析原状土对照试验的结果，发现界面土的黏结系数取值位于粉土与粉质黏土之间(图 6)，与重塑土的试验结果相一致，并且原状粉土与粉质黏土的力学性质相差较大；因此可以得出结论：若上下两土层的力学性质相差较大，则界面土的力学性质介于上下两层土体之间。

3.2.2 动载试验结果

经计算，标准曲线与拟合曲线之间的相关系数R取值在0.989~0.998之间，均接近于1，说明拟合曲线对动荷载作用下重塑土直剪试验结果的拟合效果较好。由图 5的拟合曲线和黏结系数表达式(4)计算得到图 8所示的在不同条件下重塑土黏结系数随动载作用时长的变化情况。

由图 8可知，无论是单一土层还是两种土层接触部位的界面土，其原状与重塑后试样的黏结系数均会随着动荷载作用时间的增加而降低，说明扰动荷载会造成土体强度的衰减^[28-29]。由此可推测，随着交通荷载作用次数的增加，路基土的黏结系数会有一定程度的降低，即路基土的强度会有所下降。

4 结论

1) 对不同载荷下的原状粉土和粉质黏土进行室内直剪试验，发现粉土的黏结系数小于粉质黏土，界面土的力学性质介于粉土和粉质黏土之间。

2) 对比原状土和重塑土的室内直剪试验结果，发现界面土的剪应力-位移特性与界面接触的充分程度和上下土层的力学性质等因素相关，上下土层在界面土处的接触越充分，接触界面越粗糙，界面土抵抗外力的能力越强。当上下两土层性质差别较大时，界面土的抗剪强度和黏结系数介于两土层之间；当上下两土层性质差别较小时，界面土的抗剪强度和黏结系数均低于两个单一土层。

3) 随着动载作用时间的增加，单一土层和界面土的抗剪强度会降低，同时反映为试样黏结系数的减小，说明路基的强度在运营期的交通荷载下处于一种不断衰减的状态，在实际的路基设计和运营维护工作中应对其强度衰减予以充分考虑。