本论文依托于临夏州临夏市某一在建幼儿园工程。该场地地层自上而下分别为杂填土、卵石、强风化砂岩及强风化泥岩。于拟建区域采用钻机钻芯取样用于后续试验，因所取原状泥岩大多为片状结构，故本试验采用重塑泥岩进行制样。

本试验所采用材料为红层泥岩与混凝土试块，根据规范《工程岩体试验方法标准》GB/T 50266-2013 [35] 要求制备150 × 150 × 150 mm正方体试验，其中红层泥岩、混凝土试样各占一半，为150 × 150 × 75 mm。

表1 为通过试验测得的红层泥岩基本参数，试验中选取红层泥岩含水率为15%，干密度为1.83 g/cm³。提前准备不同压实度要求的土样，分三次导入模具内并压实至要求高度；通过事先准备好的不同凹槽的亚克力板对接触面进行粗糙度处理。

根据实际工程项目，本文研究选取C35混凝土，根据规范《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011) [36] 进行混凝土配合比计算。本次试验共计15个试样，另设3个混凝土试块用于检测混凝土强度，共计0.0355 m³，预准备0.046 m³混凝土。混凝土配合比如 表2 所示。

本试验开展了不同法向应力及不同粗糙度条件下的桩–岩接触面单向直剪试验。针对接触面粗糙度的划分方法，本文采用R.D. Hryciw和M. Irsyam方法，通过不同的槽深和槽宽对接触面粗糙度进行划分，且为方便探讨不同粗糙度对接触面的影响，本文通过下式对接触面进行量化：

$R=\frac{V_0}{A_0}$(1)

式中： $R$——粗糙度；

$V_0$——粗糙表面上标准砂体积；

$A_0$——混凝土与红层泥岩的接触面积。

试验共预设4种法向应力、3种粗糙度，共12种工况。具体试验方案如下 表3 ：

试验采用自制剪切盒进行直剪，剪切盒分为上剪切盒、下剪切盒以及盖子部分，在试验时，考虑到试样制作会有一定的误差，将盖子做为活动可拆卸的并充当传力板以更均匀地传导轴力。具体剪切盒示意图见 图1 。

将提前准备好的土样通过预制板进行粗糙度处理，浇筑混凝土后放入养护室养护28 d (另外制备三个纯混凝土试样，以检验混凝土在养护后是否达到所需强度)， 图2 为养护后的试样。

利用剪切方向千斤顶将安装好的试样缓慢推至上剪切盒刚好接触上剪切盒顶杆处，再将法向应力施加至预定值，剪切过程中保持法向应力恒定的同时缓慢加载剪切应力。百分表每转一周就需记录下当时的剪切位移、法向位移以及剪应力，试样发生破坏后持续进行加载，直至百分表读数趋于稳定。剪切全局图如 图3 所示。

为减少试验误差，每种工况下至少进行五次直剪，选择三组最具有代表性的数据，根据数据分析处理结果来研究接触面粗糙度、法向应力与峰值抗剪强度、峰值位移、残余抗剪强度等因素之间的关系。

从 图4 中可以看出，不同法向应力下的剪位移–剪应力曲线均呈相似趋势，剪应力随剪位移的增大而增大，达到峰值剪应力后逐渐减小并趋于稳定，符合典型的剪切位移软化规律。从图中可得，不同法向应力下的峰值抗剪强度的重合部分较小，基本为完全独立于某个区域内。当粗糙度相同时，法向应力越大，其达到峰值抗剪强度对应的剪切位移越小。在低应力状态下即100 kPa时，接触面粗糙度的变化对峰值抗剪强度有着重要的影响，特别为从I级到II级时，而II级与III级的差值相差不大，推测当接触面的粗糙度不再为单纯的光滑面，而是具有一定的凹槽，且凹槽的间隔相同仅深度不同时，法向应力对接触面的峰值抗剪强度的影响就会具有一定的规律。因此，提前预制的模型在某种程度上是导致这一现象的主要原因。

在保证其他条件不变的情况下，分别改变桩–岩接触面的粗糙度，不同粗糙度下接触面的剪位移–剪应力曲线表现形式不同。将不同粗糙度下的剪位移–剪应力曲线整理如 图5 所示。

由 图5 可知，不同粗糙度时桩–岩接触面的剪位移–剪应力曲线可大致划分为三个部分：线弹性阶段、塑性阶段、残余阶段。分析图可得随着接触面粗糙度由I到III，线弹性阶段及塑性阶段的斜率(绝对值)均逐渐增大。在残余阶段，粗糙度I与粗糙度II的残余抗剪强度的差值在106~193 kPa之间，粗糙度II与粗糙度III的残余抗剪强度的差值在54~70 kPa，可以看出相同法向应力下，接触面从I变为II对接触面的残余抗剪强度影响较为明显，这与峰值抗剪强度的规律相似。

图4. 不同法向应力下桩–岩接触面的剪位移–剪应力曲线

图5. 不同粗糙度时桩–岩接触面的剪位移–剪应力曲线

因试验试样为固定尺寸，在直剪试验过程中，随着剪切盒受剪切力而带动试样前推，实际剪切接触面面积逐渐减小，从而导致个别的曲线残余抗剪强度呈现微弱减小趋势而非恒定值，且残余强度拐点位移不能明确确定。根据试验的记录数据分析，综合所有剪切位移–抗剪强度曲线来看，大部分剪切曲线在6 mm后残余抗剪强度均已出现稳定趋势，且剪切盒每前进1 mm，剪切力约下降0.18 kN，即8.0 kPa。因此假设剪切位移在6 mm以后所对应的抗剪强度下降是因接触面的面积减小所造成的，故针对拐点不明显的曲线，选取10 mm处的抗剪强度加上32 kPa (4 mm × 8.0 kPa)对应抗剪强度附近最近点作为残余拐点，其强度作为残余强度，位移作为残余强度拐点位移。各个工况下的峰值抗剪强度及拐点位移如 图5(a) 所注。各个工况下的参数如下表所示。

续表

从 表4 可以看出，同一法向应力下，抗剪强度随粗糙度的增加而增大，取各法向应力下抗剪强度的均值差与粗糙度差值进行拟合，得到 图6 。

从 图6 中可以看出无论是峰值抗剪强度还是残余抗剪强度，其差值均与粗糙度差值成一定的正线性关系，可以用式(2)表示：

$\tau =a{R}_D+b$(2)

对抗剪强度取平均值作差再次与粗糙度拟合，得到的拟合系数如 表5 所示。

从 表5 中可以看出，除了150 kPa下的峰值抗剪强度均值差与粗糙度差值的拟合为0.91，其他拟合系数均在0.95以上，证明本文红层泥岩桩–岩接触面的抗剪强度会随着粗糙度的增加而增大，且其抗剪强度的增值与粗糙度增值成线性关系。因此对不同法向应力下抗剪强度差值及粗糙度差值取平均值进行拟合(如 图7 所示)。得到不同粗糙度及法向应力下的综合公式。

τ = 492.712R_D− 3.805 (3)

τ = 508.761R_D− 2.593 (4)

式(3)、(4)分别为峰值抗剪强度差值、残余抗剪强度差值与粗糙度差值公式。代入试验所得数据验证可得理论值与试验值误差均在20 kPa以内，故可根据相对应的法向应力和粗糙度来确定接触面峰值抗剪强度及残余抗剪强度的范围，对实际工程进行指导。