泥質(zhì)粉砂巖堆石料往復(fù)剪切特性及強(qiáng)度劣化研究

摘要：堆石料往復(fù)剪切力學(xué)特性及強(qiáng)度劣化機(jī)理對(duì)高填方邊坡穩(wěn)定性分析具有重要的研究意義。開展了粗粒土往復(fù)直剪試驗(yàn)，分析不同粗粒含量土體剪切強(qiáng)度、滯回圈面積、阻尼比及剪切剛度的變化規(guī)律，揭示其強(qiáng)度劣化機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：泥質(zhì)粉砂巖堆石料剪切強(qiáng)度受粗粒含量和往復(fù)剪切次數(shù)影響顯著，剪切強(qiáng)度隨粗粒含量增加而增大，隨往復(fù)剪切次數(shù)增加而減小。土體滯回圈面積與粗粒含量呈正相關(guān)，與往復(fù)剪切次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。阻尼比與粗粒含量無關(guān)，但會(huì)隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加而減小。土體破壞剪切剛度與粗粒含量間指數(shù)關(guān)系顯著，歸一化剪切剛度與往復(fù)剪切次數(shù)呈線性分布。據(jù)此建立考慮不同粗粒含量和往復(fù)剪切次數(shù)下泥質(zhì)粉砂巖堆石料剪切剛度的經(jīng)驗(yàn)公式。研究成果可為堆積體穩(wěn)定性分析提供計(jì)算依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：堆石料； 粗粒含量； 強(qiáng)度劣化； 往復(fù)剪切； 抗剪強(qiáng)度

中圖法分類號(hào)： TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.026

0 引 言

泥質(zhì)粉砂巖堆石料是磷礦石露天開采剝離堆積的一類松散地質(zhì)體。受重力分選，堆石料粒徑分布沿不同排土高度存在顯著的分級(jí)特征［1］。隨粗細(xì)顆粒占比變化，土體的組構(gòu)特征也各不相同，粗粒含量成為影響土體強(qiáng)度特性的重要因素［2-6］。不同于連續(xù)性材料，堆石料是一類典型的顆粒離散材料，在極端地質(zhì)環(huán)境中能夠承受往復(fù)剪切變形［7-8］，其抗剪強(qiáng)度特性及強(qiáng)度劣化機(jī)制對(duì)分析高填方邊坡穩(wěn)定性具有十分重要的研究意義。

粗粒含量對(duì)粗粒土的強(qiáng)度及變形特性具有明顯的控制作用［9-10］。徐肖峰等［11］研究指出礫類土的抗剪強(qiáng)度隨粗粒含量增加而增大，受粗粒含量增加土體顆粒摩擦效應(yīng)增強(qiáng)是影響土體抗剪強(qiáng)度的重要原因。王春得等［12］指出粗粒含量對(duì)粗粒土內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響表現(xiàn)為隨粗粒含量增加，內(nèi)摩擦角增大，黏聚力呈先減后增趨勢。Xu等［13］指出土顆粒間的結(jié)構(gòu)特征隨著粗粒含量的增多產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響土體的抗剪強(qiáng)度。張敏超等［14］也指出泥巖混合料剪脹性受粗粒含量影響突出，本質(zhì)上是粗粒含量變化改變了土體間的孔隙率。

受荷載擾動(dòng)，呈散體聚合堆積結(jié)構(gòu)特征的土體將產(chǎn)生多次剪切變形［15］。為探究土體往復(fù)剪切變形特性，需深入分析土體剪切強(qiáng)度、模量、剛度、滯回圈面積與阻尼比等力學(xué)指標(biāo)。梁越等［16］發(fā)現(xiàn)鋼-土界面的剪應(yīng)力-位移曲線隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加呈先增后穩(wěn)定的趨勢。Zhang等［17］指出不同粗粒含量凍土受循環(huán)荷載作用阻尼比呈減小趨勢。而在交通荷載作用下粗粒土的動(dòng)應(yīng)力曲線呈非線性變化，并具有衰減特征［18］。Fakharian等［19］發(fā)現(xiàn)膠砂混合料剪切模量會(huì)在往復(fù)剪切作用下降低，阻尼比則呈增加趨勢。Wang等［20］指出循環(huán)剪切過程中紅黏土表現(xiàn)出軟化特征，剪應(yīng)力會(huì)隨循環(huán)剪切次數(shù)的增加而減小。吳曉［21］發(fā)現(xiàn)隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加泥砂巖滯回圈面積減小、阻尼比增大。

盡管已有研究指出粗粒含量是影響土體組構(gòu)特征及抗剪強(qiáng)度的重要因素，且土體承載特性隨往復(fù)剪切出現(xiàn)劣化效應(yīng)，但針對(duì)排土場粒徑懸殊、分級(jí)現(xiàn)象顯著的堆石料在往復(fù)荷載下的強(qiáng)度劣化機(jī)制尚不清晰，有待深入研究。因此，本文采用可實(shí)現(xiàn)往復(fù)剪切的粗粒土試驗(yàn)機(jī)，對(duì)磷礦排土場泥質(zhì)粉砂巖堆石料開展不同粗粒含量條件下的推拉剪切試驗(yàn)，分析土體抗剪強(qiáng)度、滯回圈面積、阻尼比，以及剪切剛度隨往復(fù)剪切次數(shù)的變化規(guī)律，揭示土體的劣化機(jī)制，以期為排土場邊坡穩(wěn)定性分析提供有益指導(dǎo)。

1 堆石料往復(fù)剪切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用DHJ-30型粗粒土剪切試驗(yàn)機(jī)，實(shí)物及結(jié)構(gòu)原理見圖1。

該試驗(yàn)機(jī)配套有計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可完成荷載、位移的采集儲(chǔ)存和垂直荷載、水平荷載、剪切速度的自動(dòng)控制等。試驗(yàn)機(jī)剪切盒尺寸為Φ300×240 mm，可用于測定土樣粒徑小于60 mm的粗粒土抗剪強(qiáng)度。垂直向與水平向加載均由滾珠絲桿伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出荷載最大可至300 kN，土樣變形量可由位移電阻尺測定，試驗(yàn)機(jī)剪切速率可控制在0.01～3.0 mm/min。試驗(yàn)機(jī)在上下剪切盒及滾珠絲桿端部由銷釘連接，能夠使試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)正向、反向往復(fù)剪切功能。在往復(fù)剪切過程中，試驗(yàn)機(jī)先通過滾珠絲桿伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)土料進(jìn)行推剪試驗(yàn)，推剪結(jié)束后再換成拉剪，當(dāng)上下剪切盒重合時(shí)可停止拉剪，重復(fù)此過程可實(shí)現(xiàn)往復(fù)推拉剪切。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土料取自磷礦1 980 m排土臺(tái)階，主要由粒徑不等的泥巖與砂巖散體巖石混合組成。土料沿1 980 m排土臺(tái)階不同排土高度（取樣點(diǎn)距排土臺(tái)階頂部高度h與排土臺(tái)階高H的比值）進(jìn)行取樣，自上而下依次記為取樣點(diǎn)1～4。采用土工篩網(wǎng)對(duì)所取土料進(jìn)行篩分，篩網(wǎng)孔徑分別為2，5，10，20，40，60 mm，篩分結(jié)果見表1。

由表1可知，所取土料粗粒含量隨排土高度的增加而增大，即大粒徑顆粒多分布于排土臺(tái)階底部，小粒徑顆粒多分布于臺(tái)階頂部。依據(jù)文獻(xiàn)［9］，用粒徑5 mm作為土體粗細(xì)顆粒的分界粒徑，并采用粒徑大于5 mm的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)為粗粒含量，用P5表示。為滿足剪切試驗(yàn)機(jī)的填料需求，依據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)土料原型級(jí)配進(jìn)行等量替代縮尺處理。

P5i=P5P5－P0P05i（1）

式中：P5為粗粒含量，%；P5i為處理后粒徑大于5 mm某一粒級(jí)含量，%；P05i為處理前與P5i對(duì)應(yīng)的某粒級(jí)含量，%；P0為粒徑大于60 mm的土料含量，%。

現(xiàn)場泥質(zhì)粉砂巖堆石料級(jí)配由式（1）縮尺處理后，縮尺粒徑級(jí)配累積曲線見圖2。

1.3 試驗(yàn)方案

結(jié)合等量替代縮尺后的土體級(jí)配組成，制備密度2.16 g/cm3，天然含水率3.04%，粗粒含量分別為27.56%，38.02%，61.34%，75.43%的重塑土樣，并開展堆石料往復(fù)剪切試驗(yàn)，其中，往復(fù)剪切路徑見圖3。

依據(jù)重塑土樣粗粒含量的不同，設(shè)計(jì)4組往復(fù)剪切試驗(yàn)。每組4個(gè)土樣，并對(duì)4個(gè)土樣分別施加4個(gè)垂壓，當(dāng)剪切應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)可停止試驗(yàn)［22］，具體試驗(yàn)方案見表2。記N=1時(shí)為1次往復(fù)推拉剪切，每組粗粒含量下土樣完成4次往復(fù)推拉剪切時(shí)停止試驗(yàn)，試驗(yàn)中土樣共完成8次剪切。設(shè)定直剪儀器的水平剪切速率為1 mm/min，試驗(yàn)條件為固結(jié)快剪。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 相關(guān)力學(xué)參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)土料通過剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行往復(fù)推拉剪切時(shí)，在剪應(yīng)力-剪切位移曲線上會(huì)形成滯回圈［21］，該滯回圈表征為往復(fù)剪切過程中克服土顆粒摩擦阻力所產(chǎn)生的能量損耗。粗粒土在往復(fù)剪切作用下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線見圖4。為便于分析，現(xiàn)將A→B的剪切過程記為正向剪切，剪切強(qiáng)度用τT表示；B→A的剪切過程記為反向剪切，剪切強(qiáng)度用-τL（負(fù)號(hào)代表方向）表示；滯回圈的面積用S表示。

根據(jù)土力學(xué)相關(guān)理論，本試驗(yàn)中泥質(zhì)粉砂巖堆石料的剪切剛度K和阻尼比λ可由式（2）和式（3）計(jì)算得出［21］。

K=K1+K22=τT+τL2S（2）

λ=12（S4πSΔOBC+S4πSΔOAD）（3）

式中：K1為正向剪切剛度，kPa/mm；K2為反向剪切剛度，kPa/mm；S為滯回圈面積，kPa·mm；λ為阻尼比。

2.2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線

對(duì)不同粗粒含量泥質(zhì)粉砂巖堆石料進(jìn)行往復(fù)剪切試驗(yàn)，依據(jù)圖4整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得不同粗粒含量泥質(zhì)粉砂巖堆石料在不同垂壓下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。其中，堆石料抗剪強(qiáng)度會(huì)隨垂壓的增大而增加，但本文重點(diǎn)研究不同粗粒含量及往復(fù)剪切次數(shù)對(duì)堆石料相關(guān)力學(xué)特性的影響，暫不考慮垂壓因素，因此，以1 000 kPa為例，分析其抗剪強(qiáng)度曲線特征，見圖5。不同粗粒含量下堆石料剪切前的剪切面顆粒分布特征見圖6。

由圖5可知，往復(fù)剪切過程中不同粗粒含量試驗(yàn)土料應(yīng)力應(yīng)變曲線均為應(yīng)變硬化型。隨粗粒含量增加，土料抗剪強(qiáng)度逐漸增大。結(jié)合圖6分析其原因可知，當(dāng)粗粒含量較小時(shí)，土體中粗顆粒處于懸浮狀態(tài)，顆粒間的咬合作用尚不充分，進(jìn)而抵抗外力變形相對(duì)較弱。隨著土體中粗顆粒含量的逐漸增多，塊石顆粒相互咬合及接觸逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而能夠抵抗較大的剪切作用，使得抗剪強(qiáng)度逐漸增大。此外，同一粗粒含量土樣在不同往復(fù)剪切過程中其抗剪強(qiáng)度也各不相同，均隨著往復(fù)剪切次數(shù)N的增加而減小。究其原因，往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)弱化了土體顆粒間的相互咬合作用，導(dǎo)致堆石料抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出劣化特征。

2.3 剪切強(qiáng)度分析

通過整理圖5數(shù)據(jù)，可得垂壓1 000 kPa條件下正向剪切強(qiáng)度τT和反向剪切強(qiáng)度-τL分布如圖7所示。

由圖7可知，泥質(zhì)粉砂巖堆石料往復(fù)剪切破壞時(shí)的抗剪強(qiáng)度與粗粒含量及往復(fù)剪切次數(shù)有關(guān)。相同往復(fù)剪切次數(shù)下，試驗(yàn)土料隨粗粒含量的增多抗剪強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)土料粗粒含量相同時(shí)，其抗剪強(qiáng)度隨著往復(fù)剪切次數(shù)的增大而減小。此外，當(dāng)粗粒含量與剪切次數(shù)保持不變時(shí)，試驗(yàn)土料的正向抗剪切強(qiáng)度均大于反向抗剪切強(qiáng)度，且兩者關(guān)于x軸近似呈對(duì)稱分布。

2.4 滯回圈面積與阻尼比

依據(jù)圖4和式（3）整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得垂壓1 000 kPa條件下土樣滯回圈面積S和阻尼比λ分布如圖8與圖9所示。其中，堆石料往復(fù)剪切結(jié)束后其剪切面特征見圖10。

由圖8可知，當(dāng)往復(fù)剪切次數(shù)相同時(shí)，土樣滯回圈面積大小受土體組構(gòu)特征影響，即隨著粗粒含量增加，土樣滯回圈面積增大。分析其原因，滯回圈面積表征土樣在往復(fù)剪切時(shí)克服土顆粒摩擦產(chǎn)生的能量損耗，粗粒含量越大，顆粒間的摩擦效應(yīng)越顯著，故滯回圈面積越大。而當(dāng)粗粒含量相同時(shí)，土樣滯回圈面積隨往復(fù)剪切次數(shù)增多而逐漸減小。結(jié)合圖10分析其原因，當(dāng)N=1時(shí)，剪切面上塊石顆粒接觸咬合緊密，互鎖作用強(qiáng)烈、摩阻力較大，故土樣剪切破壞時(shí)克服摩阻力產(chǎn)生的能量損耗也越大，而隨著往復(fù)剪切次數(shù)的累積，分布在剪切面上的塊石顆粒逐漸被磨圓，摩擦特性弱化，進(jìn)而使得土樣剪切破壞克服土顆粒摩擦阻力所產(chǎn)生的能量損耗相對(duì)減小。

由圖9可知，粗粒含量相同土樣的阻尼比均隨往復(fù)剪切次數(shù)增多而呈減小趨勢，而當(dāng)往復(fù)剪切次數(shù)相同時(shí)，土樣阻尼比與粗粒含量相關(guān)性不顯著，可得土樣阻尼比與粗粒含量無關(guān)。

3 力學(xué)特性演化分析

3.1 破壞剪切剛度Kf

剪切剛度是表征土體剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)。依據(jù)文獻(xiàn)［22］，可將土樣應(yīng)變15%（即剪切位移達(dá)到45 mm時(shí)）對(duì)應(yīng)的剪切剛度定義為破壞剪切剛度。本文將圖5中不同粗粒含量第一次推剪時(shí)的破壞剪切剛度作為該組土體的破壞剪切剛度，用Kf表示，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。用4種常見的模型對(duì)表3中破壞剪切剛度Kf與粗粒含量P5間的關(guān)系進(jìn)行擬合對(duì)比，結(jié)果見表4。

分析表4，指數(shù)模型擬合破壞剪切剛度Kf與粗粒含量P5的關(guān)系效果最佳，具體見圖11。

依據(jù)圖11，土樣破壞剪切剛度Kf與粗粒含量P5關(guān)系可表示為

Kf=12.7893e0.0068P5（4）

式（4）指數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.918 3，即泥質(zhì)粉砂巖堆石料破壞剪切剛度Kf與粗粒含量P5具有良好的指數(shù)相關(guān)性?？捎迷撌奖碚髂噘|(zhì)粉砂巖堆石料破壞剪切剛度Kf隨粗粒含量P5的變化規(guī)律。其中，12.789 3表示垂壓1 000 kPa條件下堆石料粗粒含量P5=0時(shí)的破壞剪切剛度，0.006 8表示垂壓1 000 kPa條件下堆石料往復(fù)剪切過程中破壞剪切剛度與粗粒含量關(guān)系曲線間的修正系數(shù)。

3.2 剪切剛度K

往復(fù)剪切試驗(yàn)中，土樣剪切剛度K可由式（2）計(jì)算得出，其中K1與K2分別是往復(fù)剪切過程中土樣正向破壞剪切剛度與反向破壞剪切剛度。根據(jù)上述研究可知，泥質(zhì)粉砂巖堆石料破壞剪切剛度Kf受粗粒含量P5影響顯著，采用比值法消除土樣剪切剛度量綱，可得出泥質(zhì)粉砂巖堆石料剪切剛度比K/Kf隨往復(fù)剪切次數(shù)N的變化關(guān)系。利用4種模型對(duì)剪切剛度比K/Kf與往復(fù)剪切次數(shù)N進(jìn)行擬合，結(jié)果見表5。

分析表5可知，線性模型擬合破壞剪切剛度比K/Kf與往復(fù)剪切次數(shù)N的關(guān)系效果最佳，具體見圖12。

依據(jù)圖12，土樣剪切剛度比K/Kf與往復(fù)剪切次數(shù)N的關(guān)系可表示為

K/Kf=－0.0719N+1.0543（5）

式中：-0.071 9表示垂壓1 000 kPa條件下隨著往復(fù)剪切次數(shù)N的增加，土樣剪切剛度出現(xiàn)劣化特征時(shí)的劣化程度；1.054 3表示垂壓1 000 kPa條件下當(dāng)往復(fù)剪切次數(shù)N=0時(shí)，土樣剪切剛度比K/Kf近似等于1，即土樣未進(jìn)行剪切時(shí)，剪切剛度無變化。

結(jié)合式（4）和式（5），可建立泥質(zhì)粉砂巖堆石料剪切剛度K隨粗粒含量和往復(fù)剪切次數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，見式（6）。

K=12.7893e0.0068P5（－0.0719N+1.0543）（6）

式中：N為往復(fù)剪切次數(shù)，1≤N≤4；P5為粗粒含量，0≤P5≤75%。相關(guān)系數(shù)的物理意義與式（4）和式（5）相同。

式（6）是在垂壓1 000 kPa條件下建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式，由該式可知，剪切剛度與粗粒含量和往復(fù)剪切次數(shù)有關(guān)。為驗(yàn)證式（6）的合理性，在垂壓1 000 kPa條件下進(jìn)行粗粒含量分別為30%，40%，70%的往復(fù)剪切試驗(yàn)，往復(fù)剪切次數(shù)為4，計(jì)算出剪切剛度K，并與試驗(yàn)值做對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖13。

由圖13可知，土樣剪切剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值雖存在誤差，但誤差較小，表明可用式（6）表征垂壓1 000 kPa條件下泥質(zhì)粉砂巖堆石料剪切剛度隨往復(fù)剪切次數(shù)和粗粒含量的變化規(guī)律。

4 強(qiáng)度劣化機(jī)理分析與討論

泥質(zhì)粉砂巖堆石料在往復(fù)剪切過程中的強(qiáng)度劣化機(jī)理是一系列復(fù)雜物理、力學(xué)反應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。堆石料自身的礦物成分與組構(gòu)特征的差異性是其強(qiáng)度劣化的本因［23］，往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)為強(qiáng)度劣化提供了觸發(fā)因素，兩者之間存在逐級(jí)遞進(jìn)、相互影響的關(guān)系，需對(duì)其力學(xué)行為響應(yīng)進(jìn)行具體分析。

泥質(zhì)粉砂巖堆石料往復(fù)剪切過程中的力學(xué)響應(yīng)示意圖及實(shí)物圖見圖14。自然狀態(tài)下，堆石料粗細(xì)顆粒占比不同，顆粒尺寸不一，粗顆粒之間通過相互接觸形成土體骨架，細(xì)顆粒起膠結(jié)作用填充于骨架之間的孔隙中，使其整體聯(lián)系緊密，穩(wěn)定性較好。當(dāng)進(jìn)行單向剪切受力時(shí)，初次改變了堆石料粗細(xì)顆粒之間原有的空間分布與接觸方式等，重塑其骨架結(jié)構(gòu)，并形成較為明顯的剪切面。剪切面上的土顆粒為了獲取更大的剪切空間會(huì)出現(xiàn)相互擠壓、翻滾、旋轉(zhuǎn)等改變空間位置的現(xiàn)象，由于應(yīng)力集中以及砂巖顆粒與泥巖顆粒自身力學(xué)特性的差異，分布于剪切面上的塊石顆粒發(fā)生顆粒破碎，且土顆粒間的摩擦效應(yīng)減弱，抗剪強(qiáng)度降低［24-25］，但此時(shí)剪切面上的塊石顆粒仍棱角分明，渾圓度較差。當(dāng)往復(fù)剪切次數(shù)逐漸累積，土顆粒間的空間結(jié)構(gòu)不斷被擾動(dòng)，顆粒破碎現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，土骨架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杉?xì)粒土承擔(dān)，細(xì)顆粒占比的增加使剪切面摩阻力顯著減弱，直到往復(fù)剪切結(jié)束（N=4）后，剪切面變得平直光滑，塊石顆粒破碎特征顯著，其抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)衰減。但其抗剪強(qiáng)度的下降幅度不會(huì)隨著往復(fù)剪切次數(shù)的增加而增加，當(dāng)往復(fù)剪切次數(shù)發(fā)展到一定程度時(shí)，堆石料剪切面附近的組構(gòu)特征趨于穩(wěn)定，其抗剪強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定。

泥質(zhì)粉砂巖堆石料往復(fù)剪切過程中復(fù)雜的物理力學(xué)行為響應(yīng)使其表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度劣化特征。正反向剪切強(qiáng)度均隨著往復(fù)剪切次數(shù)的增加而降低。土樣滯回圈面積、阻尼比以及剪切剛度的發(fā)展演化規(guī)律與強(qiáng)度存在相似性，均隨著往復(fù)剪切次數(shù)的增加表現(xiàn)出不同程度的衰減特征。

排土場邊坡作為巖土工程中常見的一類邊坡，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)是分析評(píng)價(jià)該類邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。為進(jìn)一步定量分析堆石料強(qiáng)度劣化機(jī)理，依據(jù)圖7整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將每次往復(fù)剪切過程中正向剪切強(qiáng)度作為該次往復(fù)剪切的破壞剪切強(qiáng)度，并與不同法向應(yīng)力按庫倫公式進(jìn)行擬合，擬合公式見式（7），擬合結(jié)果見表6。黏聚力及內(nèi)摩擦角與粗粒含量及往復(fù)剪切次數(shù)的關(guān)系見圖15。值得注意的是，由于試驗(yàn)設(shè)備的局限性，在剪切過程中不能準(zhǔn)確測定剪切面面積的變化程度，因此在處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)假定剪切面保持恒定不變，故所測定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可能高于實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

τ=σtanφ+c（7）

式中：τ為泥質(zhì)粉砂巖堆石料往復(fù)剪切過程中的破壞剪切強(qiáng)度，kPa；σ為垂壓，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；c為黏聚力，kPa。

由表6及圖15可知，不同粗粒含量泥質(zhì)粉砂巖堆石料抗剪強(qiáng)度參數(shù)與往復(fù)剪切次數(shù)有關(guān)。具體表現(xiàn)為黏聚力與內(nèi)摩擦角均隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加而逐漸減小。以粗粒含量P5=27.56%為例，隨著往復(fù)剪切次數(shù)的增加，其黏聚力降幅依次為4.35%，3.03%，1.56%，其內(nèi)摩擦角降幅依次為12.28%，8.71%，11.35%。其原因是進(jìn)行第一次往復(fù)剪切時(shí)，土顆粒間接觸緊密，咬合充分，使其發(fā)生剪切破壞的剪應(yīng)力較大，因此，黏聚力及內(nèi)摩擦角也相應(yīng)較大。而隨著往復(fù)剪切次數(shù)的累積，剪切面上土顆粒的空間結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)破壞，往復(fù)剪切作用使接觸咬合緊密的土顆粒通過旋轉(zhuǎn)、翻滾及抬升離開了原來的位置，從而使抗剪強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致黏聚力及內(nèi)摩擦角減小。當(dāng)往復(fù)剪切進(jìn)行到一定程度時(shí)，土體空間結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，黏聚力及內(nèi)摩擦角也趨于穩(wěn)定。

綜上所述，泥質(zhì)粉砂巖堆石料黏聚力及內(nèi)摩擦角在往復(fù)剪切作用下均呈現(xiàn)不同程度的弱化特征，亦說明泥質(zhì)粉砂巖堆石料強(qiáng)度受往復(fù)剪切影響，在其作用下強(qiáng)度表現(xiàn)出不同程度的劣化特征。

5 結(jié) 論

（1） 泥質(zhì)粉砂巖堆石料剪切強(qiáng)度與粗粒含量和往復(fù)剪切次數(shù)密切相關(guān)，受兩者影響顯著。剪切強(qiáng)度隨粗粒含量增加而增大，隨往復(fù)剪切次數(shù)增加而減小，且正向剪切強(qiáng)度均大于反向剪切強(qiáng)度，兩者近似關(guān)于x軸對(duì)稱分布。

（2） 相同粗粒含量土樣滯回圈面積和阻尼比均會(huì)隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加呈減小趨勢。同一往復(fù)剪切次數(shù)下，隨粗粒含量增加，土樣滯回圈面積也逐漸增大，阻尼比與粗粒含量無相關(guān)性。

（3） 土樣破壞剪切剛度隨粗粒含量的增大呈指數(shù)增加，歸一化剪切剛度隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加而線性減小。土樣剪切剛度受粗粒含量和往復(fù)剪切次數(shù)影響顯著。

（4） 堆石料本身礦物成分與組構(gòu)特征的差異是其強(qiáng)度劣化的本因，往復(fù)剪切是觸發(fā)因素并改變了土顆粒原有的空間分布與接觸方式，顆粒破碎不斷加劇，塊石顆粒咬合作用減弱，土體抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢，具體表現(xiàn)為土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨往復(fù)剪切次數(shù)的增加而逐漸降低。

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（編輯：鄭 毅）

Experimental study on reciprocating shear characteristics and strength degradation of muddy siltstone rockfill

XIONG Zhiming1，2，DU Jun2，YANG Zhiquan1，SHEN Xinggang2

（1.Faculty of Public Safety and Emergency Management，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China； 2.College of Architecture and Civil Engineering，Kunming University，Kunming 650214，China）

Abstract：

The reciprocating shear mechanical properties and strength degradation mechanism of rockfill have important research significance for stability analysis of high fill slopes.A direct shear test was carried out to analyze the shear strength，hysteresis loop area，damping ratio and shear stiffness of soils with different coarse-grained contents and to furtherly explored its degradation mechanism.The test results showed that the shear strength of argillaceous siltstone rockfill was significantly affected by coarse grain content and reciprocating shear times.The shear strength increased with the increasing of coarse grain content and decreased with the reciprocating shear times.The area of hysteresis loop was positively correlated with coarse grain content and negatively correlated with the numbers of reciprocating shear.The damping ratio had nothing to do with the coarse grain content，but it decreased with the increasing of the numbers of reciprocating shear.The exponential relationship between shear stiffness of soil failure and the coarse grain content was significant，and the normalized shear stiffness was linearly correlated with the numbers of reciprocating shears.Based on this，an empirical formula of shear stiffness of argillaceous siltstone rockfill considering different coarse grain content and reciprocating shear times was established，which can provide a calculation basis for the stability analysis of accumulation bodies.

Key words：

rockfill material； coarse grain content； strength deterioration； reciprocating direct shear； shear strength