粗顆粒組分含量對(duì)中細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的影響

王貴榮 董晨 段釗 馬建全 唐皓

摘?要：粒徑級(jí)配決定了砂體顆粒結(jié)構(gòu)特征，影響著砂體的剪切力學(xué)行為。為查明粗顆粒組分含量對(duì)中細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的影響，在中細(xì)砂中逐級(jí)加入粗顆粒組分，配制了5組混合砂樣，并對(duì)其進(jìn)行了直剪試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著法向應(yīng)力的增大，各組混合砂樣的抗剪強(qiáng)度也隨之增大;直剪試驗(yàn)中各混合砂樣直剪峰值強(qiáng)度后均出現(xiàn)略微軟化，隨剪切位移的增大又發(fā)生硬化;當(dāng)法向應(yīng)力的增大時(shí)，各組混合砂樣硬化現(xiàn)象更加明顯;在同一法向應(yīng)力作用下，增加粗顆粒含量，各組混合砂樣抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，在粗顆粒含量由0%增加到20%時(shí)，混合砂樣抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低，在20%粗顆粒含量時(shí)達(dá)到最小，之后開始增大;在不同的級(jí)配及法向應(yīng)力作用下，混合砂樣的摩擦系數(shù)等強(qiáng)度指標(biāo)變化均在20%粗顆粒含量時(shí)發(fā)生改變。

關(guān)鍵詞：抗剪強(qiáng)度;粗顆粒;中細(xì)砂;級(jí)配;直剪試驗(yàn);巖土改性

中圖分類號(hào)：P 642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）01-0024-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0104開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effect of coarse particle content on shear strength of medium sand

WANG Gui-rong?1，2，DONG Chen?1，2，DUAN Zhao?1，2，MA Jian-quan?1，2，TANG Hao?1，2

（1.College of Geology and Environment， Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xian 710054，China）

Abstract：Particle size distribution determines the structural characteristics of sand particles and affects the shear mechanical behavior of sand bodies.In order to find out the influence of coarse particle composition on shear strength of medium fine sand， coarse particle composition was added to medium fine sand step by step.The results show that the shear strength of mixed sand samples increases with the increase of normal stress.In the direct shear test， the mixed sand samples showed weak softening after the peak strength of direct shear， and then hardened with the increase of shear displacement.With the increase of normal stress， the hardening phenomenon of mixed sand samples in each group is more obvious.Under the same normal stress， the shear strength of mixed sand sample decreases first and then increases with the increase of coarse particle content.Under the condition of 20% coarse particle content， the shear strength of mixed sand sample is the minimum.Under different graduation and normal stress， the friction coefficient and other characteristic values of mixed lower sand body change when the coarse particle content is 20%.

Key words：shear strength; coarse particle;medium sand; graduation;direct shear test;rock-soil modification

0?引?言

粒徑級(jí)配對(duì)松散巖土材料的剪切行為有較大的影響[1-2]。諸多學(xué)者研究結(jié)果表明，粒徑級(jí)配的變化將影響巖土材料的剪切特性，從而使地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生表現(xiàn)出特征差異性。

丁魯強(qiáng)等利用GDS界面剪切儀研究了在不同剪切速率、網(wǎng)孔尺寸和法向應(yīng)力影響下土工格柵與飽和細(xì)砂接觸界面剪切特性變化規(guī)律[3]。

孔亮等對(duì)不同粒徑級(jí)配砂體進(jìn)行了多種應(yīng)力路徑下的室內(nèi)三軸與室內(nèi)模擬試驗(yàn)，從細(xì)觀角度分析了不同級(jí)配砂土在循環(huán)加載應(yīng)力路徑的變形機(jī)制[4]。王軍等對(duì)不同粒徑級(jí)配砂土與土工格柵-土界面進(jìn)行靜、動(dòng)力直剪試驗(yàn)，結(jié)果均發(fā)生峰值后剪切軟化，且在高應(yīng)力下軟化更為明顯[5]。

葉萬軍等對(duì)膨脹土在干濕用下的變化特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為膨脹土的開裂和收縮特性對(duì)邊坡變形研究具有重要的作用[6]。

朱順然等進(jìn)行了土工織物-砂土界面的疊環(huán)式剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著剪切進(jìn)行，土體出現(xiàn)剪切體變，表現(xiàn)為先剪縮后剪脹的體變過程[7]。

丁自偉等進(jìn)行了巖土體原位直剪試驗(yàn)，認(rèn)為巖土體的微觀構(gòu)造及宏觀結(jié)構(gòu)顯著的影響著巖土體力學(xué)特性與破壞形態(tài)[8]。

Triplect等對(duì)土工膜-土、土工布-土和土工格-土等3種界面間的剪切相互作用進(jìn)行了研究[9]。Huck進(jìn)行了混凝土與土之間的強(qiáng)度研究，認(rèn)為接觸面的粗糙程度對(duì)剪切強(qiáng)度有一定的影響[10]。夏力農(nóng)等在Huck研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同粒徑干砂與塑料材料接觸面進(jìn)行直剪試驗(yàn)，認(rèn)為砂土抗剪強(qiáng)度與砂土級(jí)配有一定關(guān)系，同一法向應(yīng)力下，砂土粒徑越大抗剪強(qiáng)度越高[11]。

吳景海等利用直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)研究了不同種類的土工合成材料與填料界面力學(xué)剪切特性[12]。

馮曉臘等通過直剪試驗(yàn)及PFC?2D模擬對(duì)剪切盒尺寸與平均粒徑對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析，認(rèn)為隨平均粒徑的增大，砂土粘聚力增大而內(nèi)摩擦角有所降低[13]。Sayeed等利用大型直剪儀研究了不同豎向應(yīng)力下砂土與無紡?fù)凉げ冀缑娴募羟刑匦訹14]。張建偉等進(jìn)行了黃泛區(qū)粉土與GFRP布界面摩擦試驗(yàn)，表明其界面摩擦強(qiáng)度隨法向壓力的增大而增大，摩擦系數(shù)隨法向應(yīng)力的增大而減小[15]。

周健等利用可視化跟蹤技術(shù)和無標(biāo)點(diǎn)測量技術(shù)進(jìn)行細(xì)觀模型試驗(yàn)，研究了土-土工合成材料界面的細(xì)觀規(guī)律，并通過PFC?2D模型對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[16]。

田世雄等通過砂卵石土三軸試驗(yàn)及離散元模擬，對(duì)粗砂含量對(duì)其宏細(xì)觀力學(xué)特征進(jìn)行了探究，認(rèn)為隨粗砂含量的增多，砂卵石土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)力軟化[17]。

趙洲等基于顆粒流方法對(duì)府谷縣新府山滑坡進(jìn)行研究，構(gòu)建了滑坡顆粒流數(shù)值模型，對(duì)滑坡細(xì)觀特征進(jìn)行了分析[18]。

劉飛禹等研究了不同加筋材料土與土工合成材料進(jìn)行了單調(diào)直剪試驗(yàn)、循環(huán)剪切和循環(huán)后單調(diào)直剪特性[19]。胡順洋等基于常應(yīng)力狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)，對(duì)砂土內(nèi)部及砂土-鋼接觸面進(jìn)行直剪試驗(yàn)研究，得出應(yīng)力軟化與硬化特征[20]。任磊等基于顆粒流理論及PFC?2D建模，對(duì)級(jí)配碎石進(jìn)行了直剪試驗(yàn)的細(xì)觀分析，從細(xì)觀力學(xué)的角度描述了直剪過程中顆粒的運(yùn)動(dòng)機(jī)理[21]。李航等成功建立了砂土直剪試驗(yàn)?zāi)M，分析了試樣內(nèi)顆粒級(jí)配數(shù)、顆粒速度場及局部孔隙率分布[22]。

葉萬軍等針對(duì)黃陵區(qū)Q2黃土進(jìn)行了不同條件下的三軸剪切試驗(yàn)，探討了含水率、初始圍壓對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律[23]。

直剪試驗(yàn)作為土工試驗(yàn)中較為基礎(chǔ)的試驗(yàn)，已有較為成熟的實(shí)驗(yàn)方法與儀器，但在實(shí)際工程中仍有較多的問題需要我們解決。

為了解混合砂體在工程應(yīng)用中的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行了5種中細(xì)砂與粗砂混合級(jí)配砂的直剪試驗(yàn)，對(duì)法向壓力與粗砂含量對(duì)砂體剪切強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

1?試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料均采用石英砂，通過將0.5～3 mm粒徑粗砂與一定級(jí)配中細(xì)砂進(jìn)行混合，中細(xì)砂粒徑不超過0.5 mm，平均粒徑0.2 mm，不均勻系數(shù)Cu為2.394，曲率系數(shù)Cc為1.187，粗砂取自中國IOS標(biāo)準(zhǔn)砂大于0.5 mm部分，分別得到粗顆粒組分質(zhì)量百分含量為0%，5%，10%，20%和40%的5種混合砂樣（以下簡稱混合砂樣）。對(duì)各組混合砂樣進(jìn)行粒徑篩分試驗(yàn)，計(jì)算得到試樣各級(jí)配參數(shù)，各組混合砂樣物理指標(biāo)見表1，級(jí)配曲線如圖1所示，試樣細(xì)觀特征如圖2（圖中 a，b，c，d，e依次為0%，5%，10%，20%，40%粗顆粒含量混合砂樣，單位刻度為1 mm）。

1.2?試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所用儀器為南京土壤儀器廠制造ZLB-1型三聯(lián)直剪儀，試樣規(guī)格61.8 mm×20 mm.在試驗(yàn)中，對(duì)混合砂樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，法向應(yīng)力分別為25，50，100，200 kPa，剪切速率為0.8 mm/min.

2?試驗(yàn)結(jié)果

2.1?法向應(yīng)力對(duì)砂體直剪特性的影響

圖3所示分別為不同粗顆粒含量混合砂樣在不同法向應(yīng)力下的直剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表現(xiàn)出以下特征

1）在剪切試驗(yàn)初始階段，隨著剪切位移的增大，剪切應(yīng)力與剪切位移呈線性增長，到達(dá)一定剪

切位移后，剪切應(yīng)力增長速率迅速減緩，剪切應(yīng)力到達(dá)峰值后略有降低，隨剪切位移繼續(xù)的增大，剪切應(yīng)力發(fā)展趨于平緩，在較大位移處又表現(xiàn)出一定的抬升。

2）在任一級(jí)配條件下，抗剪強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力的增大而增大。

3）隨著剪切應(yīng)力峰值的增大，出現(xiàn)峰值時(shí)的剪切位移也隨之增大。

4）由總體看來，粗砂含量的增加帶來了更為明顯的砂體軟化現(xiàn)象。

在直剪試驗(yàn)中出現(xiàn)應(yīng)力軟化與硬化現(xiàn)象[17]，是因?yàn)樵诒敬沃奔粼囼?yàn)中試樣為松散顆粒，在剪切過程中按照砂體顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可將直剪試驗(yàn)過程分為以下幾個(gè)階段

1）在剪切初始階段，顆粒間存在較大孔隙，隨試驗(yàn)開始，在剪切面處砂體顆粒間發(fā)生擠壓和錯(cuò)動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)以豎向翻滾為主，顆粒間孔隙減小，在剪切面位置砂體顆粒配位數(shù)增大[14]，即顆粒間接觸面積迅速增大，因此剪切應(yīng)力增長較快。

2）在剪應(yīng)力到達(dá)峰值后，顆粒之間基本已經(jīng)完成重新組合排列，顆粒主要以水平運(yùn)移為主，試樣體積不再發(fā)生變化，因此，剪應(yīng)力峰值開始下降，出現(xiàn)應(yīng)力軟化現(xiàn)象。

3）隨著時(shí)間的繼續(xù)進(jìn)行，由于砂土破裂面的剪脹性，導(dǎo)致砂體體積增大，剪切應(yīng)力開始上升。并且隨著法向應(yīng)力的增大，砂體顆粒間運(yùn)移需要達(dá)到重新排列組合需要更長的時(shí)間，因此較大法向應(yīng)力下的試樣抗剪強(qiáng)度值出現(xiàn)在更大的位移處。

此外，根據(jù)摩擦系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算試樣摩擦系數(shù)并繪制曲線，公式如下

f=τfσ（1）

式中?f為摩擦系數(shù);τf為抗剪強(qiáng)度，kPa;σ為法向應(yīng)力，kPa.

由上面公式可以得到，不改變其他條件，摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力表現(xiàn)出反比關(guān)系。

圖4為不同法向應(yīng)力下各組混合砂樣摩擦系數(shù)變化曲線，可以看出，摩擦系數(shù)隨法向應(yīng)力的增大而減小，當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到100 kPa，曲線變化趨于平緩，摩擦系數(shù)基本不再發(fā)生變化，在200 kPa時(shí)，低粗砂含量混合砂樣摩擦系數(shù)趨于一致，但40%粗砂含量混合砂樣摩擦系數(shù)仍較其他混合砂樣高，因此混合砂樣中粗顆粒含量對(duì)試樣摩擦系數(shù)有一定影響。

2.2?粗砂含量變化對(duì)砂體直剪特性的影響

已有研究表明砂土顆粒級(jí)配對(duì)砂體直剪特性有一定的影響[15]。圖5分別為25，50，100，200 kPa法向應(yīng)力下不同粗顆粒含量試樣直剪試驗(yàn)剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出

1）在相同的法向應(yīng)力下，隨著粗砂含量的增加，混合砂樣抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，在粗顆粒含量由0%增加到20%時(shí)，混合砂樣抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低，在20%粗顆粒含量時(shí)降到最小，之后開始增大，即20%粗顆粒含量砂樣時(shí)為最小抗剪強(qiáng)度粗顆粒含量試樣。

2）隨粗顆粒含量的增大，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)的位置均有提前，但大都處在剪切應(yīng)變2%～4%之間。

表2為各組砂樣直剪試驗(yàn)強(qiáng)度值，可以看出，隨著粗顆粒含量的增加，試樣抗剪強(qiáng)度值總體表現(xiàn)出先降低后上升的趨勢;殘余強(qiáng)度變化趨勢與峰值強(qiáng)度變化趨勢一致，并在后期表現(xiàn)出抬升，且隨著法向應(yīng)力增大，砂樣軟化程度降低，軟化系數(shù)增大，軟化現(xiàn)象減弱。這說明在粗砂含量較小時(shí)，大顆粒在試樣中分布較少，無法在試樣內(nèi)構(gòu)成有效的砂粒骨架，對(duì)砂體強(qiáng)度有減弱作用，隨著粗砂含量的增多，在試樣中粗顆粒相互接觸，會(huì)在剪切盒中形成完整的顆粒骨架，為試樣的整體性提供支撐，加強(qiáng)了試樣整體強(qiáng)度。

圖6為不同粗顆粒含量砂體直剪摩擦系數(shù)變化曲線。在粗砂含量0%，10%，20%時(shí)砂體摩擦系數(shù)多呈現(xiàn)出降低的趨勢，在粗砂含量變?yōu)?0%時(shí)，摩擦系數(shù)又表現(xiàn)出上升的趨勢，與試樣直剪強(qiáng)度變化趨勢一致。粗砂含量的增加改變了砂體級(jí)配，在粗砂含量較低時(shí)，砂體配位數(shù)較小，在剪切面處砂體顆粒接觸面積減小，抗磨阻力減小，隨著粗粒含量的增加，砂體顆粒接觸面增大，抗磨阻力又上升。

圖7是5種粗顆粒含量砂體的直剪試驗(yàn)τ-σ曲線，通過Origin軟件將直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到直線，相關(guān)系數(shù)分別為0.98，0.98，0.99，0.99，0.98.可以得到粗砂含量由0%增長到5%時(shí)，內(nèi)摩擦角（見表3）由36.08°降低為35.77°，減小了0.8%，粗砂含量繼續(xù)增加砂體內(nèi)摩擦角依次降低0.6%，0.7%，又依次增大0.7%，5.8%，在40%粗砂含量內(nèi)摩擦角較純中細(xì)砂增大5.0%.與砂體抗剪強(qiáng)度變化趨勢一致，皆是隨粗砂含量的增大先降低后升高。發(fā)生這種變化的原因是在粗顆粒含量較少時(shí)，試樣以中細(xì)顆粒為主，砂體顆粒比表面積大，平均配位數(shù)大，因此顆粒間接觸面積較大，發(fā)生相對(duì)位移需要較大的推力;隨著粗顆粒含量的增大，砂體顆粒比表面積減小，且平均配位數(shù)減小，故其內(nèi)摩擦角隨之減小;當(dāng)粗顆粒含量增大到一定程度時(shí)，中細(xì)-粗顆粒間相互接觸，形成結(jié)構(gòu)良好的顆粒骨架，鑲嵌與咬合作用增強(qiáng)，小顆粒發(fā)生運(yùn)移必須翻越大顆粒，內(nèi)能增大，內(nèi)摩擦角又出現(xiàn)增大的趨勢。

4?結(jié)?論

1）在法向應(yīng)力作用下，砂體直剪表現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，隨著法向應(yīng)力的增大，抗剪強(qiáng)度隨之增大，但摩擦系數(shù)表現(xiàn)出下降的趨勢且趨于平緩。

2）砂體顆粒級(jí)配也是影響砂體抗剪強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，在本次試驗(yàn)中，隨粗顆粒含量的增多，砂體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及摩擦系數(shù)均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，粗顆粒組分含量為20%時(shí)，是最小強(qiáng)度粗顆粒組分含量砂樣。

3）本次砂體直剪試驗(yàn)均表現(xiàn)出一定程度的軟化現(xiàn)象，且隨法向應(yīng)力的增大，軟化系數(shù)增大，軟化現(xiàn)象減弱，在粗顆粒含量增大的過程中砂體直剪殘余強(qiáng)度均趨于一致，其摩擦系數(shù)與剪應(yīng)力峰值變化一致，即先增長后降低的特征。

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