考慮粒徑效應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

(陜西理工學院土木工程與建筑學院， 陜西漢中 723000)

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考慮粒徑效應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

(陜西理工學院土木工程與建筑學院， 陜西漢中 723000)

文章以人工透明土為基本原材料，以室內直接剪切試驗為基本方法，模擬不同粒徑的砂土，研究了顆粒粒徑對剪切強度的影響以及與內摩擦角的關系。結果表明：不同顆粒粒徑對人工透明土內摩擦角有著直接的影響。內摩擦角隨著粒徑的增大，大致呈現增大趨勢，但當顆粒粒徑在小于3.5 mm時，內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； 內摩擦角； 抗剪強度

砂土在實際巖土工程中的應用十分廣泛[1]，比如堆石壩、砂土地基及邊坡等[2]?？辜魪姸仁穷w粒土主要的特性指標之一，研究顆粒粒徑對其抗剪強度的影響具有重要的意義。目前國內一些學者主要通過對粒徑破碎的研究進而對其剪切研究。楊光等通過不同路徑下的三軸試驗，對粗粒徑在不同應力路徑下的顆粒破碎情況研究[3]，結果表明：顆粒破碎的增加導致峰值內摩擦角的減小，峰值內摩擦角與顆粒相對破碎率之間呈線性關系。胡萬雨等利用改進的單向壓縮儀，對不同粒徑土試樣進行高壓力水平下的顆粒破碎試驗。蔣明鏡、李秀梅[4]分析了雙軸試驗中砂土的剪切帶形成機理 ，著重分析了試樣開始產生剪切帶時的宏觀表現，及其剪切帶內外力學特性、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，并進行室內剪切試驗，以期獲得顆粒粒徑參數與人工透明土內摩擦角的關系，旨在為砂土在工程應用中提供參考一定的作用。

1 剪切試驗及結果分析

1.1 直接剪切試驗

直接剪切實驗是通過在預定的剪切面上分別直接施加法向壓力和剪切應力求得的抗剪強度指標的試驗。采用11個土體試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進行剪切試驗，測出破壞時剪應力、土的摩擦角φ、粘聚力c。

結合各實驗生成的散點圖并對實驗數據進行分析可以看出：在垂直壓力不變的情況下，隨著剪切位移的增大，剪切力會出現一個峰值并會在這一范圍內進行波動；或是隨著剪切位移的增加，剪切力會一直上升并且在剪切位移為6 mm時達到峰值；還可以看出單一顆粒的粒徑對剪切力有著一定的影響，但并不會大幅度影響剪切力的大小和波動趨勢。對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相應的提高。

1.2 剪應力和豎直壓力關系

以抗剪強度S為縱坐標，垂直壓力P為橫坐標，繪制S—P關系曲線，見圖2所示。根據圖上各實測點，繪制一條視測直線，各實測點與直線上對應點的抗剪強度之差，不得超過直線上對應點抗剪強度的±5 %。直線在縱坐標上的截距為土的黏聚力c，由于所測土為砂土，直線的傾角為土的內摩擦角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，抗剪強度隨著垂直壓力的增加發生的變化圖。

從實驗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，所繪圖線的傾角為土體的內摩擦角，根據擬合曲線方程式可以求出各類土所對應的內摩擦角，如圖3所示。

從結果中可以明顯的看出不同顆粒粒徑對內摩擦角有著直接的影響。對于單一顆粒粒徑的土體，隨著受到的垂直壓力的增加，抗剪強度也會不斷的增大，抗剪強度基本成線性變化。

2 結論

本文通過對土體進行了取樣，進行了室內試驗，對土體的物理性質有了深入的了解。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 內摩擦角隨粒徑大小變化

土為研究對象，進行室內剪切試驗，對土體的剪切過程進行了深入的了解。得出了以下結論：通過直接剪切實驗，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度，對于單一的顆粒粒徑，垂直壓力越大，土體的剪應力越大，抗剪

強度也越大；同時顆粒粒徑對內摩擦角有著一定的影響作用，內摩擦角隨著粒徑的增大，大致呈現增大趨勢，但當顆粒粒徑在某些數值階段內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黏性土的工程力

學性質[J].巖土工程學報，2008，30(2).

[2] 周健，池永.砂土力學性質的細觀模擬[J].巖土力學，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離散元數值分析[J].巖土力學，2010，31(1)：253-258.

[4] 劉映晶.顆粒材料的級配相關臨界狀態力學特性模擬[D].上海交通大學，2014.

[5] 吳劍.滑帶剪切過程的離散元模擬研究[D].中國科學院研究生院(武漢巖土力學研究所)，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.不同模型維數下常規三軸試驗的離散元研究[J].重慶交通大學學報: 自然科學版，2014(2)：63-67.

陜西理工學院大生學創新創業訓練計劃項目(項目編號：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，研究方向為巖土力學與離散元數值模擬。

TU411.3

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[定稿日期]2016-06-20