花崗巖殘積土剪切特性試驗研究

劉文輝 何勇彬

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.揭陽市水利水電設(shè)計院，廣東 揭陽 522000)

花崗巖殘積土剪切特性試驗研究

劉文輝1何勇彬2

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.揭陽市水利水電設(shè)計院，廣東 揭陽 522000)

采用GDS靜三軸儀，對飽和花崗巖殘積土重塑樣進行了常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗，并基于三維離散元軟件YADE，建立了三軸壓縮試驗?zāi)Ｐ?，分析了花崗巖殘積土的剪切特性，結(jié)果表明：在各固結(jié)圍壓下，飽和花崗巖殘積土重塑樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，體變曲線表現(xiàn)出明顯的剪縮性，而且隨著圍壓的增大，試樣的峰值強度增大，剪縮的程度提高。

花崗巖殘積土，三軸試驗，離散元，剪切力

0 引言

花崗巖殘積土在華南地區(qū)分布相當(dāng)廣泛，是南方沿海地區(qū)基本建設(shè)中經(jīng)常遇到的主要土體之一。此類土具有較強的結(jié)構(gòu)性，天然狀態(tài)時有較好的力學(xué)特性，但孔隙比大，具有易擾動破壞，遇水易崩解等特點[1]。在路基建設(shè)、基坑開挖等工程領(lǐng)域，花崗巖殘積土邊坡失穩(wěn)等事故常有發(fā)生[2,3]。因此，花崗巖殘積土的工程特性越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。但是，現(xiàn)階段對于花崗巖殘積土的研究大部分只停留在其宏觀力學(xué)行為，缺乏對其軟化特性、結(jié)構(gòu)性等特性的細觀上的探索。

離散元方法，是由Cundall等[4]首次提出，其基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，是研究土體的細觀力學(xué)行為的強有力的工具。羅勇等[5]利用PFC3D模擬了砂土的室內(nèi)常規(guī)三軸試驗，并分析了剪切位移場的形成和發(fā)展規(guī)律。劉勇等[6]模擬了粗粒土的三軸試驗，并對細觀參數(shù)的選取給出了若干建議。但是，對于粘性土的三維顆粒流數(shù)值模擬仍較為少見[7]。

本文首先通過對飽和花崗巖殘積土重塑樣進行常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗，然后基于三維離散元軟件YADE，建立花崗巖殘積土三軸壓縮離散元模型，并通過對比數(shù)值計算結(jié)果和室內(nèi)試驗結(jié)果，驗證模型的正確性。

1 試樣及試驗方案

1.1 試樣

試驗所用花崗巖殘積土樣取自深圳市福田區(qū)某一建筑基坑，取土深度11 m。土樣主要呈灰白、肉紅、黃褐等色，并夾雜著黑點。土樣顆分曲線如圖1所示，土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

花崗巖殘積土重塑樣的制備，是將原狀土風(fēng)干后碾碎，過2 mm篩，然后采用擊實法分5層制樣，干密度與原狀土的天然干密度相同，為1.45 g/cm3。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

天然干密度g/cm3天然含水率/%孔隙比比重不均勻系數(shù)曲率系數(shù)液限%塑限%塑性指數(shù)最大干密度g/cm3最優(yōu)含水率%1.4519.350.7932.61000.184025.214.81.6421.5

1.2 試驗方案

本試驗采用GDS靜三軸儀，三軸試樣尺寸為φ38 mm×H76 mm。對試樣進行不同固結(jié)圍壓下的排水剪切試驗(CD)，試驗方案如表2所示。每個試樣固結(jié)前都進行了反壓飽和，經(jīng)B值檢測，反壓飽和后所有試樣飽和度都在0.98以上。剪切過程采用應(yīng)變控制，剪切速率為0.02%/min。

表2 試驗方案

2 數(shù)值三軸壓縮試驗

離散元三軸壓縮試驗采用長方體試樣，試樣的尺寸為38 mm×38 mm×76 mm，由10 000個顆粒組成，顆粒密度為2 600 kg/m3。試樣初始級配與室內(nèi)試驗的土樣級配相同。為了減小邊界效應(yīng)的影響，把墻面摩擦系數(shù)設(shè)置為0。

試樣制備的具體步驟為：1)根據(jù)圖1的級配曲線隨機生成10 000個顆粒，使用半徑擴大法生成初始孔隙比為0.793的無膠結(jié)松散樣；2)通過施加伺服，監(jiān)測側(cè)墻所受到的壓力，6面剛性墻體同時壓縮試樣，直到墻體壓力達到設(shè)定的圍壓；3)在所有顆粒的接觸點形成膠結(jié)，膠結(jié)特性采用YADE自帶的線性膠結(jié)接觸模型：法向拉力隨著法向位移的增大而線性增大，當(dāng)膠結(jié)破壞后，法向拉力變?yōu)?；切向剪切力隨著切向位移增大而線性增大，當(dāng)膠結(jié)破壞后，剪切力降為恒定值，該恒定值的大小取決于法向接觸力和顆粒摩擦系數(shù)；4)為保證試驗加載為準靜態(tài)過程，頂面和底面墻體以軸向應(yīng)變3%/min的加載速率壓縮試樣，并通過施加伺服，控制側(cè)墻的運動速度，從而保持圍壓不變。

離散元模擬的一些主要參數(shù)見表 3。

表3 離散元模擬中的顆粒參數(shù)

3 結(jié)果與討論

常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗與數(shù)值三軸壓縮試驗的宏觀力學(xué)響應(yīng)如圖2，圖3所示。由圖2可知，不同圍壓條件下，飽和花崗巖殘積土重塑樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變硬化，隨著圍壓的增大，峰值強度不斷增大。由圖3可知，試樣在剪切過程中體積一直在縮小，體變曲線表現(xiàn)出明顯的剪縮性，而且隨著圍壓的增大，剪縮程度也逐漸增大。

圖4為試樣的強度包線圖，由圖4可知，室內(nèi)三軸試驗的強度指標(biāo)為：cCD=2.4 kPa，φCD=32.8°；而數(shù)值三軸壓縮試驗計算得到的強度指標(biāo)為：cCD=3.3 kPa，φCD=33.5°，與室內(nèi)試驗的強度指標(biāo)大致相等。而且，從圖2，圖3可以看出，數(shù)值計算得到的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線以及體變曲線與室內(nèi)三軸試驗得到的曲線比較接近。所以，本文所建立的離散元模型是可靠的，能基本反映試驗土樣的宏觀力學(xué)行為。

4 結(jié)語

本文對飽和花崗巖殘積土重塑樣進行了常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗，并基于三維離散元軟件YADE，建立了三軸壓縮試驗?zāi)Ｐ?，得出了以下結(jié)論：

1)在各固結(jié)圍壓下，飽和花崗巖殘積土重塑樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系都呈應(yīng)變硬化；在剪切過程中，呈現(xiàn)出明顯的剪縮性，而且隨著圍壓的增大，剪縮的程度逐漸降低。

2)離散元試驗?zāi)Ｐ偷挠嬎憬Y(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果比較接近，能基本反映試驗土樣的宏觀力學(xué)行為。

[1] 戴 繼,王鐵宏,高廣運,等.由壓縮試驗分析礫質(zhì)花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)特性[J].地下空間與工程學(xué)報,2009(4):675-679.

[2] 王彥華,謝先德,王春云.風(fēng)化花崗巖崩崗災(zāi)害的成因機理[J].山地學(xué)報,2000(6):496-501.

[3] 吳能森.花崗巖殘積土開挖邊坡的工程特性[J].山地學(xué)報,2006(4):431-436.

[4] Cundall P A,Strack O D L.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Geotechnique,2015,30(3):331-336.

[5] 羅 勇,龔曉南,連 峰.三維離散顆粒單元模擬無黏性土的工程力學(xué)性質(zhì)[J].巖土工程學(xué)報,2008(2):292-297.

[6] 劉 勇,朱俊樸,閆 斌.基于離散元理論的粗粒土三軸試驗細觀模擬[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2014(4):58-62.

[7] 徐小敏,凌道盛,陳云敏,等.基于線性接觸模型的顆粒材料細—宏觀彈性常數(shù)相關(guān)關(guān)系研究[J].巖土工程學(xué)報,2010(7):991-998.

Experimental research on shearing force properties of granite residual-soil

Liu Wenhui1He Yongbin2

(1.CollegeofCivil&Traffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China; 2.JieyangHydropowerDesignInstitute,Jieyang522000,China)

Applying GDS static tri-axial instrument, the paper carries out conventional tri-axial consolidation drainage test for the saturated granite residual-soil remolded sample. Based on three-dimensional DEX software YADE, it establishes tri-axial compression testing model, and analyzes shearing characteristics of granite residual-soil. Results show that: under consolidated confining pressure, the stress strain curve of saturated granite residual-soil remolded sample tends to the strain hardening, the volume deformation curve tends to be obvious shear shrinkaging, with the confining pressure increasing, the peak intensity of samples is increased, and the shear shrinkage strength is improved.

granite residual-soil, tri-axial test, DEM(Discrete Element Model), shearing force

1009-6825(2017)02-0082-02

2016-11-10

劉文輝(1991- )，男，在讀碩士； 何勇彬(1988- )，男，工程師

TU458.3

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