粗粒土接觸破壞特性受接觸形式影響規(guī)律探究①

羅馳恒，張 津

(同濟大學地下建筑與工程系，上海200092)

1 研究背景

粗粒土在自然界中分布廣泛，儲量豐富，有強度高、變形小等優(yōu)點，被廣泛的應用于國家的基礎建設項目之中［1］.粗粒土在祖國的建設項目中發(fā)揮著重要的作用，但其受力易發(fā)生破碎，對實際工程的安全性有著重大的影響，因而粗粒土力學特性、破碎規(guī)律逐漸成為了現(xiàn)在研究的熱點.粗粒土受接觸破壞規(guī)律的研究現(xiàn)狀如下:柏樹田(1997)利用三軸壓縮儀對九座堆石壩工程的堆石料進行壓縮實驗得到的試驗數(shù)據(jù)，分析了堆石料在三軸壓縮及平面應變條件下的應力－應變關系等力學特性［2］;秦紅玉(2004)通過大型三軸試驗，研究圍壓大小對粗粒土力學特性的影響，探討不同泥巖含量對堆石壩強度的影響［3］;劉漢龍(2005)利用大型三軸試驗研究了圍壓和峰值內摩擦角與顆粒破碎之間的關系［4］;王子寒(2013)利用大型多功能界面剪切儀對粗粒土進行的大型直剪試驗，研究了粗粒土在單剪情況下的力學特性和破碎規(guī)律［5］;K.V.Uday(2013)利用共焦距顯微鏡和3D 顯微鏡等來研究粗粒土的顆粒形態(tài)參數(shù)，研究粗粒土的顆粒形態(tài)對粗粒土工程特性的影響［6］;H.F.Zhao(2013)通過室內土工試驗，研究了粗粒土在不飽和情況下的剪切強度［7］;姜景山(2014)通過CT 三軸流變試驗對粗粒土流變中顆粒的運動狀態(tài)進行監(jiān)控，研究粗粒土流變過程的變化，通過粗粒土初始組構及剪切過程中的組構來研究粗粒土的宏觀力學性質［8～9］.以上研究多為從宏觀整體的角度來研究粗粒土的力學性質，少有從細觀角度的探索.

為了進一步研究粗粒土在不同的接觸模式情況下的受力特性，本研究通過兩個圓球顆粒接觸來模擬點點接觸，利用錐體與正方體巖塊之間的接觸來模擬點面接觸，同時改變錐體角度以研究不同的錐體角度對接觸特性的影響.

2 巖石接觸試驗

2.1 試驗設備

粗粒土的接觸破壞試驗采用的試驗設備是同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室的巖石雙軸流變儀(Rock Rheological Testing System)，如圖1 所示.該儀器是為了巖石雙軸流變試驗專門設計的，不僅能夠提供穩(wěn)定的位移控制和伺服控制雙軸加載條件，并且測量與控制精度極高，試樣受力與變形的量測與控制精度分別達到5 N 和0.001 mm.該套系統(tǒng)吸取了當今先進的機械制造工藝和自動控制技術，量測、控制精度高且實現(xiàn)了數(shù)字化操作，可以實時監(jiān)控整個試驗過程，高速采集并儲存數(shù)據(jù)，具有精度高、操作簡易、結果可靠等優(yōu)點，是一套先進的數(shù)字化試驗設備.

2.2 試驗材料

采用花崗巖作為試驗研究對象，通過打磨將花崗巖加工成5cm 直徑的圓球以及邊長為5cm 的正方體和相應角度的錐體.試驗加工所采用的花崗巖的主要材料性質如下表.

表1 花崗巖巖石材料性質表

3 試驗方案

3.1 試驗分組

試驗研究的是粗粒土在點面接觸以及點點接觸兩種不同的接觸形式以及錐體的點面接觸在不同錐體角度的情況下的破壞特性.試驗中點－點接觸試驗的對象是5cm 直徑的花崗巖圓球顆粒，通過定制的夾具將兩球固定于加載平臺之上.利用巖石雙軸流變儀對其進行法向加載.

圖1 雙軸流變儀

圖2 花崗巖圓球顆粒及試驗示意圖

錐體與巖塊間的點－面接觸試驗是采用的邊長為5cm 的花崗巖塊體加工而成的錐體以及塊體.選用棱長為5cm 是為了方便與之前的5cm 直徑的圓球顆粒試驗結果進行對比.此外，為了比較錐體的不同角度對顆粒間接觸特性的影響，本研究在試驗制樣時改變了錐體的不同角度，制取了60°，75°，90°，105°，120°這五種不同角度的錐體.

最終通過巖石的雙軸流變儀進行法向加載.

圖3 花崗巖錐體顆粒

3.2 試驗過程

加載過程中，利用伺服機控制兩個顆粒的法向接觸的壓力，接觸壓力以5N/s 的增長速率增加，直到試件突然破碎而試驗終止.試驗進行過程中，通過巖石雙軸流變儀自帶的力和位移傳感器以及外置的位移傳感器記錄顆粒間相對運動的位移情況.

圖4 花崗巖錐體接觸試驗示意圖

4 試驗結果及分析

試驗接觸后，整理傳感器記錄的數(shù)據(jù)，錐體與塊體接觸的力－位移曲線如圖5 ～9 所示.

由圖5 ～圖9 中的五組錐體與塊體的點面接觸情況下的力位移曲線發(fā)現(xiàn)，試驗開始之后，塊體之間的接觸力并非立即上升，而是出現(xiàn)大致0.75mm 左右的位移之后才慢慢上升.

圖5 錐體角度為60°花崗巖接觸試驗結果圖擬合曲線為y=10.2567*X－10.3267

圖6 錐體角度為75°花崗巖接觸試驗結果圖擬合曲線為y=17.6733*X－25.6251

圖7 錐體角度為90°花崗巖接觸試驗結果圖擬合曲線為y=20.7827*X－25.0118

接觸破壞的力－位移曲線中出現(xiàn)多次跳躍現(xiàn)象，說明在實驗過程中錐體的尖角發(fā)生了多次破碎.并且隨著錐體角度的變大，接觸曲線的跳躍次數(shù)在減少，幅度也在降低.圖5 至圖9 分別是表示的錐體角度從60°～120°之間的力－位移曲線.分析錐體角度為60°的點面接觸力－位移曲線，一共出現(xiàn)了三次幅度較大的破碎，其中第二次跳躍幅度最大，說明在試驗過程中出現(xiàn)的顆粒破碎最為嚴重.當錐體角度增加到120°時，力－位移曲線表現(xiàn)出來的更加平穩(wěn)，幾乎沒有明顯的跳躍現(xiàn)象，說明破碎程度較小.

圖8 錐體角度為105°花崗巖接觸試驗結果圖擬合曲線為y=21.4902*X－23.64046

圖9 錐體角度為120°花崗巖接觸試驗結果圖擬合曲線為y=28.9817*X－22.6644

圖10 圓球顆粒花崗巖接觸試驗結果圖

此外，比較幾種角度情況下的力－位移曲線的斜率.為使分析結果更加具有對比性，在此只取顆粒發(fā)生破碎的前半段進行研究.如圖5 ～9 所示，對于不同的角度的接觸破碎，擬合得到的斜率分別為:10.2567，17.6733，20.7827，21.4902，28.9817.隨著錐體角度的變大，顆粒接觸的力－位移曲線的斜率也在不斷變大.該現(xiàn)象說明粒間接觸剛度隨著錐體角度的變大而不斷的變大.

對比球顆粒的接觸力學曲線，三組試驗得到的力－位移曲線的斜率分別是27.814，27.669，31.245，曲線的斜率相近，平均值為28.909.該斜率比錐體的點面接觸得到的力－位移曲線的斜率要大，說明圓球顆粒粒間接觸剛度要大于錐體點面接觸的接觸剛度.

此外，觀察圖中三組試驗數(shù)據(jù)所得到的力－位移曲線發(fā)現(xiàn)，與錐體的點面接觸曲線不同，圓球顆粒的接觸曲線并沒有出現(xiàn)較為明顯的跳躍現(xiàn)象，力－位移曲線呈現(xiàn)穩(wěn)步逐漸上升的趨勢，這表明圓球顆粒在試驗過程中并沒有大的突然破碎的現(xiàn)象，這說明圓球顆粒在顆粒接觸的過程中表現(xiàn)出來的應力集中現(xiàn)象比較小，從而發(fā)生的破壞并不是特別明顯.

5 試驗結論

通過不同角度的錐體與巖塊接觸實驗和圓球顆粒之間的接觸試驗，并對得到的結果進行對比分析，可以得到如下結論:

(1)在接觸試驗過程中，隨著錐體角度的不斷增加，錐體與塊體接觸破壞的力－位移曲線的斜率在不斷的變大，說明錐體角度大的顆粒有著較大的接觸剛度;

(2)在接觸試驗過程中，顆粒接觸的應力集中現(xiàn)象隨著錐體角度的變大而減弱，而圓球顆粒的粒間接觸的應力集中現(xiàn)象要弱于錐體點面接觸情形.

(3)通過圓球顆粒的接觸試驗與錐體的點面接觸試驗的對比可以發(fā)現(xiàn)，圓球顆粒的接觸剛度相對于錐體點面接觸時的接觸剛度較大.

粗粒土的接觸破壞試驗說明了顆粒間接觸模式和接觸點的角度對顆粒粒間接觸特性如接觸剛度、破碎形態(tài)的影響.該研究對于粗粒土接觸特性的研究有一定的推動作用，但是粗粒土接觸特性的力學機理還需要進一步的研究討論.

［1］ 劉萌成，高玉峰，劉漢龍，等.堆石料變形與強度特性的大型三軸試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(7):1104－1111.

［2］ 柏樹田，崔亦昊.堆石的力學性質［J］.水力發(fā)電學報，1997(3):21－30.

［3］ 秦紅玉，劉漢龍，高玉峰，等.粗粒料強度和變形的大型三軸試驗研究［J］.巖土力學，2004，25(10):1575－1580.

［4］ 劉漢龍，秦紅玉，高玉峰，等.堆石粗粒料顆粒破碎試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(4):562－566.

［5］ 王子寒，周健，趙振平，等.粗粒土強度特性及顆粒破碎試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2013，43(8):90－93.

［6］ Uday K V，Padmakumar G P，Singh D N.Some Studies on Morphology of the Coarse－Grained Soils［J］.Engineering Geology，2013，152(1):48－55.

［7］ Zhao H F，Zhang L M，F(xiàn)redlund D G.Bimodal Shear－Strength Behavior of Unsaturated Coarse－Grained Soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2013，139(12):2070－2081.

［8］ 姜景山，程展林，左永振，等.粗粒土CT 三軸流變試驗研究［J］.巖土力學，2014，35(9).

［9］ 姜景山，程展林，姜小蘭.粗粒土二維模型試驗研究［J］.長江科學院院報，2008，25(2):38－41.