考慮粒徑效應(yīng)的人工透明土模擬砂土剪切研究

高 斌， 郭 鴻， 許 嬌， 杜 宇， 吳世楠， 姚 鵬

(陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 陜西漢中 723000)

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考慮粒徑效應(yīng)的人工透明土模擬砂土剪切研究

高 斌， 郭 鴻， 許 嬌， 杜 宇， 吳世楠， 姚 鵬

(陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 陜西漢中 723000)

文章以人工透明土為基本原材料，以室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)為基本方法，模擬不同粒徑的砂土，研究了顆粒粒徑對(duì)剪切強(qiáng)度的影響以及與內(nèi)摩擦角的關(guān)系。結(jié)果表明：不同顆粒粒徑對(duì)人工透明土內(nèi)摩擦角有著直接的影響。內(nèi)摩擦角隨著粒徑的增大，大致呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但當(dāng)顆粒粒徑在小于3.5 mm時(shí)，內(nèi)摩擦角卻隨著顆粒粒徑的增大而減小。

人工透明土； 顆粒粒徑； 內(nèi)摩擦角； 抗剪強(qiáng)度

砂土在實(shí)際巖土工程中的應(yīng)用十分廣泛[1]，比如堆石壩、砂土地基及邊坡等[2]?？辜魪?qiáng)度是顆粒土主要的特性指標(biāo)之一，研究顆粒粒徑對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)一些學(xué)者主要通過(guò)對(duì)粒徑破碎的研究進(jìn)而對(duì)其剪切研究。楊光等通過(guò)不同路徑下的三軸試驗(yàn)，對(duì)粗粒徑在不同應(yīng)力路徑下的顆粒破碎情況研究[3]，結(jié)果表明：顆粒破碎的增加導(dǎo)致峰值內(nèi)摩擦角的減小，峰值內(nèi)摩擦角與顆粒相對(duì)破碎率之間呈線性關(guān)系。胡萬(wàn)雨等利用改進(jìn)的單向壓縮儀，對(duì)不同粒徑土試樣進(jìn)行高壓力水平下的顆粒破碎試驗(yàn)。蔣明鏡、李秀梅[4]分析了雙軸試驗(yàn)中砂土的剪切帶形成機(jī)理 ，著重分析了試樣開(kāi)始產(chǎn)生剪切帶時(shí)的宏觀表現(xiàn)，及其剪切帶內(nèi)外力學(xué)特性、孔隙比及APR各參量的差異性[5]。

綜上分析，本文以人工透明土為基本原材料，模擬不同粒徑的人工透明土試樣，并進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，以期獲得顆粒粒徑參數(shù)與人工透明土內(nèi)摩擦角的關(guān)系，旨在為砂土在工程應(yīng)用中提供參考一定的作用。

1 剪切試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 直接剪切試驗(yàn)

直接剪切實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在預(yù)定的剪切面上分別直接施加法向壓力和剪切應(yīng)力求得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)。采用11個(gè)土體試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切試驗(yàn)，測(cè)出破壞時(shí)剪應(yīng)力、土的摩擦角φ、粘聚力c。

結(jié)合各實(shí)驗(yàn)生成的散點(diǎn)圖并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出：在垂直壓力不變的情況下，隨著剪切位移的增大，剪切力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值并會(huì)在這一范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)；或是隨著剪切位移的增加，剪切力會(huì)一直上升并且在剪切位移為6 mm時(shí)達(dá)到峰值；還可以看出單一顆粒的粒徑對(duì)剪切力有著一定的影響，但并不會(huì)大幅度影響剪切力的大小和波動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于不同垂直壓力的情況下，垂直壓力越大，所受到的剪切力就會(huì)相應(yīng)的提高。

1.2 剪應(yīng)力和豎直壓力關(guān)系

以抗剪強(qiáng)度S為縱坐標(biāo)，垂直壓力P為橫坐標(biāo)，繪制S—P關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2所示。根據(jù)圖上各實(shí)測(cè)點(diǎn)，繪制一條視測(cè)直線，各實(shí)測(cè)點(diǎn)與直線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度之差，不得超過(guò)直線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的±5 %。直線在縱坐標(biāo)上的截距為土的黏聚力c，由于所測(cè)土為砂土，直線的傾角為土的內(nèi)摩擦角φ[6]。

圖2為土體顆粒在受到100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的剪切力[7]時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著垂直壓力的增加發(fā)生的變化圖。

從實(shí)驗(yàn)中我們可以看到所采集的砂土試樣的粘聚力為0，符合砂土性質(zhì)，所繪圖線的傾角為土體的內(nèi)摩擦角，根據(jù)擬合曲線方程式可以求出各類(lèi)土所對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角，如圖3所示。

從結(jié)果中可以明顯的看出不同顆粒粒徑對(duì)內(nèi)摩擦角有著直接的影響。對(duì)于單一顆粒粒徑的土體，隨著受到的垂直壓力的增加，抗剪強(qiáng)度也會(huì)不斷的增大，抗剪強(qiáng)度基本成線性變化。

2 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)土體進(jìn)行了取樣，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)土體的物理性質(zhì)有了深入的了解。主要以不同粒徑的人工透明

(a) 顆粒直徑為2.5 mm

(b)顆粒直徑為3 mm

(c)顆粒直徑為3.5 mm

(d) 顆粒直徑為4 mm

(e) 顆粒直徑為4.5 mm

(f) 顆粒直徑為5 mm

(a) 顆粒尺寸為2.5 mm

(b) 顆粒尺寸為3 mm

(c) 顆粒尺寸為3.5 mm

(d) 顆粒尺寸為4 mm

(e) 顆粒尺寸為4.5 mm

(f) 顆粒尺寸為5 mm

圖3 內(nèi)摩擦角隨粒徑大小變化

土為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，對(duì)土體的剪切過(guò)程進(jìn)行了深入的了解。得出了以下結(jié)論：通過(guò)直接剪切實(shí)驗(yàn)，可以明顯的看出顆粒粒徑很大程度上影響著土體的抗剪強(qiáng)度，對(duì)于單一的顆粒粒徑，垂直壓力越大，土體的剪應(yīng)力越大，抗剪

強(qiáng)度也越大；同時(shí)顆粒粒徑對(duì)內(nèi)摩擦角有著一定的影響作用，內(nèi)摩擦角隨著粒徑的增大，大致呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但當(dāng)顆粒粒徑在某些數(shù)值階段內(nèi)摩擦角隨著顆粒粒徑的增大而減小。

[1] 羅勇，龔曉南，連峰.三維離散顆粒單元模擬無(wú)黏性土的工程力

學(xué)性質(zhì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(2).

[2] 周健，池永.砂土力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀模擬[J].巖土力學(xué)，2003，24(6): 901-906.

[3] 蔣明鏡，王富周，朱合華.單粒組密砂剪切帶的直剪試驗(yàn)離散元數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2010，31(1)：253-258.

[4] 劉映晶.顆粒材料的級(jí)配相關(guān)臨界狀態(tài)力學(xué)特性模擬[D].上海交通大學(xué)，2014.

[5] 吳劍.滑帶剪切過(guò)程的離散元模擬研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所)，2007.

[6] Li Xia，Yu Haisui.Influence of loading direction on the behavior ofanisotropic granular materia[J].International Journal of Engineering Science，2009.

[7] 周杰.不同模型維數(shù)下常規(guī)三軸試驗(yàn)的離散元研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2014(2)：63-67.

陜西理工學(xué)院大生學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：UIRP15087)

高斌(1993～)，男，本科；許嬌(1993～)，女，本科；杜宇(1993～)，女，本科；吳世楠(1993～)，男，本科；姚鵬(1992～)，男，本科。

郭鴻(1984～)，男，博士，講師，研究方向?yàn)閹r土力學(xué)與離散元數(shù)值模擬。

TU411.3

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[定稿日期]2016-06-20