顆粒粒度與級配對碎石料與結構接觸面剪切特性的影響

成浩，王晅, 2，張家生, 2，王啟云

?

顆粒粒度與級配對碎石料與結構接觸面剪切特性的影響

成浩1，王晅1, 2，張家生1, 2，王啟云3

(1. 中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075； 2. 中南大學 高速鐵路建造技術國家工程實驗室, 湖南 長沙，410075；3. 福建工程學院 土木工程學院，福建 福州，350108)

為了研究碎石料顆粒粒度與級配對土與結構接觸面剪切強度與變形的影響，采用大型直剪儀分別進行4種不同粒度的單粒組碎石料以及3種不同連續級配碎石料與混凝土結構接觸面的直剪試驗，研究顆粒粒度、級配形式、結構面粗糙度以及法向應力對接觸面剪切特性的影響。研究結果表明：顆粒粒度對碎石料與結構接觸面的力學特性有顯著影響，接觸面剪切強度隨顆粒平均粒度的增大而增大；而當平均粒度相同時，連續級配碎石料與結構接觸面的剪切強度明顯比單粒組碎石料與結構接觸面的剪切強度高；接觸面的體積變形在低法向應力下表現為先剪縮后剪脹，而在高法向應力下接觸面則發生明顯剪縮；在相同條件下，粗糙接觸面的剪切強度和變形量(剪脹或剪縮)均比光滑接觸面的高。

碎石料；接觸面；顆粒級配；剪脹性；大型直剪試驗

碎石料、砂礫料等粗粒料由于其具有良好的工程特性被廣泛應用于大壩、高速鐵路以及大型建筑物等工程建設中，因而，粗粒料與結構接觸界面問題也廣泛存在于巖土工程領域[1?2]，如混凝土面板與墊層料、壩體土石料與基巖以及樁與樁周土等。目前，有許多學者采用室內試驗或數值模擬的方法進行了土與結構接觸界面的力學特性研究，分析粗糙度、不同法向邊界條件以及復雜加載路徑等因素對土與結構接觸面剪切力學特性的影響[3?5]。除此之外，SITHARAM等[6?7]對土顆粒本身的細觀力學性質如顆粒粒度、顆粒形狀以及土體級配特征對顆粒材料與結構接觸面剪切特性的影響進行了研究。UESUGI等[8?9]系統研究了砂土的平均粒度、不均勻系數和結構面粗糙度對砂土與鋼板接觸面力學特性的影響規律，并提出了能考慮顆粒粒度與結構面粗糙度的相對粗糙度指標。VANGLA等[10]進行了細砂、中砂和粗砂與土工膜界面直剪試驗，發現粗砂與土工膜界面的剪切強度最高，而細砂與土工膜界面的剪切強度最小。胡黎明等[11]通過直剪試驗發現粒度縮尺后粗粒土與結構接觸面強度降低。KIM 等[12]進行不同平行級配粗粒土筋土界面直剪試驗時發現，筋土界面的剪切強度隨粗粒土最大粒度的增大而增大。ATHANASOPOULOS等[13]研究了砂土顆粒粒度對筋土界面剪切特性的影響，發現界面剪切強度受顆粒平均粒度與筋材網孔尺寸的共同影響，VANGLA等[14]在進行不同粒度砂土與土工格柵界面剪切試驗時也得到了相似的結論。綜上所述，顆粒粒度與級配對土與結構接觸界面的剪切特性有重要影響。但目前已有的研究主要是針對顆粒粒度相對較小的砂土顆粒，而實際工程中的粗粒土(如碎石料、礫石料等)顆粒粒度更大且變化范圍較寬。目前關于粗粒料顆粒粒度與級配對土與結構接觸面的影響的研究較少，因而，有必要針對不同顆粒粒度與級配的粗粒料與結構接觸面界面剪切特性進行進一步研究。為此，本文作者以顆粒均勻的單粒組碎石料和具有連續級配的碎石料為研究對象，開展碎石料與混凝土結構接觸面的室內大型直剪試驗，分析顆粒粒度、級配形式、結構面粗糙度以及法向應力等因素對碎石料與結構接觸面剪切力學特性的影響。

1 試驗設備與材料

1.1 試驗設備

試驗設備采用大型多功能界面直剪試驗儀TAW?800，見圖1。該直剪設備由上剪切盒、下剪切盒、液壓動力系統、LVDT位移傳感器、計算機控制及數據采集系統組成，可以實現單向剪切、循環剪切等復雜應力路徑的剪切試驗。上、下剪切盒長×寬×高均為500 mm×500 mm×150 mm；試樣豎向荷載通過剛性板施加，最大可達到800 kN。在剪切過程中，下剪切盒固定，上剪切盒水平位移及剛性板的豎向位移通過LVDT位移傳感器測量，水平最大行程為 300 mm，位移精度可達0.01 mm。在試驗過程中，水平與豎向方向的位移和荷載由計算機自動記錄并保存。為了減小剪切過程中剛性剪切盒對試料顆粒移動的約束，剪切盒尺寸應至少為顆粒最大粒度max的8~10倍[15]，因此，采用該直剪試驗儀對最大粒度 ≤50 mm的粗粒土試樣進行剪切，可消除尺寸效應對接觸面試驗結果的影響。

圖1 大型界面直剪試驗儀示意圖

1.2 試驗材料

試驗所用粗粒料為長沙地區某采石場經人工破碎的灰巖碎石料，顆粒呈棱角型，顏色為深灰—淺灰色。為了研究碎石料顆粒粒度與級配對接觸面剪切特性的影響規律，選用2組不同級配形式的碎石料：均勻顆粒組成的單粒組碎石料與連續級配碎石料。采用訂制的方形篩將碎石料篩分為[2.36，4.75)，[4.75，9.50)，[9.50，13.60)和[13.600，16.00) mm共4組不同粒度范圍的碎石料。不同粒度碎石料顆粒形貌如圖2所示。采用篩分后得到的不同粒度碎石料顆粒配制3種連續級配碎石料試樣，各試樣級配曲線如圖3所示。圖3中，3條級配曲線的不均勻系數u分別為1.76，1.78和1.78，平均粒度50分別為3.9，8.1和13.6 mm，曲線的不均勻系數非常接近且最大粒度max均為31.5 mm，以便更好地研究顆粒粒度對接觸面剪切特性的影響規律。不同碎石料試樣的基本物理參數見表1。

粒度/mm：(a) [2.36，4.75)；(b) [4.75，9.50)；(c) [9.50，13.60)；(d) [13.60，16.00)

試驗采用預制的混凝土試塊來模擬結構接觸面，混凝土試塊采用C35素混凝土制成，試塊長×寬×高為570 mm×560 mm×110 mm。沿剪切方向混凝土試塊長度比上剪切盒長70 mm，以保證試驗過程中土樣與混凝土試塊有效接觸面積不變，從而避免因試樣面積不斷減小而引起的誤差。為了考慮結構表面粗糙度對接觸面剪切特性的影響，分別預制光滑和粗糙這2種不同表面混凝土試塊。光滑表面混凝土試塊在預制時盡可能保證表面的平整度，并在試驗前對表面進行打磨處理以形成光滑接觸面；粗糙表面混凝土試塊參考文獻[3]中的方法，通過在混凝土表面預制規則的半圓形凹槽以形成粗糙接觸面，其中半圓形凹槽的直徑為10 mm，相鄰凹槽間距為30 mm。不同混凝土試塊如圖4所示。

1—GS1；2—GS2；3—GS3。

表1 試樣基本物理參數

圖4 不同表面粗糙度混凝土試塊

2 試驗方案

試驗前先將直剪儀下剪切盒替換為混凝土試塊，然后將土樣分3層裝入上剪切盒中，按壓實度為80%的要求分層進行整平、刨毛、壓實。每組試樣分別在法向應力為50，100，150和300 kPa下進行碎石料與混凝土接觸面的剪切試驗。試驗采用位移加載控制方式，剪切速率為1 mm/min，考慮到沿剪切方向試塊長度僅比上剪切盒尺寸長70 mm，為了避免過大的剪切位移后剪切盒內土顆粒漏出，當水平剪切位移達到 50 mm時結束試驗。具體的試驗方案見表2。

表2 試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 顆粒粒度對接觸面剪切特性的影響

在法向應力為100 kPa下，不同顆粒粒度的單粒組碎石料與粗糙結構接觸面的剪切應力與剪切位移關系見圖5(a)。從圖5(a)可知：顆粒粒度對接觸面的剪切強度有著明顯影響，單粒組碎石料US1，US2，US3和US4與結構接觸面的峰值應力比(即剪切應力峰值與法向應力的比值)分別為1.29，1.83，2.26和2.42，表明隨著顆粒粒度增大，接觸面的剪切強度也隨之增大。在法向應力為100 kPa時，連續級配碎石料GS1，GS2和GS3與粗糙結構接觸面的剪切應力與剪切位移關系見圖5(b)，其中，級配曲線GS1，GS2和GS3的50分別為3.9，8.1和13.6 mm，且這3條級配曲線的不均勻系數非常接近，因此，圖中的剪切強度的差異主要取決于碎石料顆粒粒度。由圖5(b)可知：連續級配碎石料GS1，GS2和GS3與結構接觸面的峰值應力比分別為1.60，1.73和2.36，顯然，無論是單粒組碎石料還是連續級配碎石料，其與結構接觸面的剪切強度均隨顆粒平均粒度的增大而增大。該結果與粗粒土的直剪試驗結果相同，這是因為無論是粗粒土的直剪或者是粗粒土與結構接觸面的直剪，在剪切過程中，土顆粒之間或土顆粒與結構物之間都會發生錯動、滑動和滾動等位移變動[11]，而顆粒粒度的增大會導致土顆粒之間或者顆粒與結構物之間發生錯動或翻滾所需的剪阻力增大，表現為剪切強度提高。從圖5(a)和圖5(b)還可以看出：隨著粒度增大，剪切曲線開始出現明顯波動。LI等[16?17]在進行顆粒材料的直剪試驗中也發現了相同的現象，并認為剪切曲線的波動與剪切過程中剪切帶的體積變形(剪脹或剪縮)有關。隨著顆粒粒度的增大，剪切曲線的波動幅度也越大。

圖5 不同粒度碎石料與混凝土接觸面的剪切應力?剪切位移曲線

當法向應力為100 kPa時，不同顆粒粒度碎石料和粗糙結構接觸面的豎向位移與剪切位移關系見圖6。由于試驗過程中土樣與混凝土表面接觸面積保持不變，因此，豎向位移的變化可以反映剪切過程中接觸面的體變規律，本文以體積膨脹為負，體積縮小為正。從圖6可以看出：當法向應力為100 kPa時，不同級配形式碎石料與結構接觸面均在剪切初期發生剪縮，而后隨著剪切的進行發生剪脹；單粒組碎石料US1，US2，US3和US4與結構接觸面的最終剪脹量分別為0.43，0.45，1.34和1.79 mm，連續級配碎石料GS1，GS2和GS3與結構接觸面的最終剪脹量分別為0.15，0.76和1.53 mm，表明接觸面的剪脹性隨碎石料平均粒度的增大而有所增強。戴北冰等[18]在研究顆粒大小對顆粒材料的剪脹性的影響時也得出類似結論。

圖6 不同粒度碎石料與混凝土接觸面的豎向位移?剪切位移曲線

3.2 顆粒級配對接觸面剪切特性的影響

為了分析碎石料級配形式對接觸面剪切特性的影響，分析法向應力為100 kPa時，單粒組碎石料US1和連續級配碎石料GS1分別與粗糙接觸面的剪切應力與剪切位移的關系，結果見圖7。從圖7可以看出：碎石料GS1與混凝土接觸面的剪切強度明顯比碎石料US1與混凝土接觸面的剪切強度高，而2種不同級配形式碎石料US1和GS1的平均粒度分別為3.55 mm和4.00 mm，其平均粒度非常接近，因而，接觸面剪切強度的差異主要來源于碎石料顆粒組成的不均勻性。這是因為與單粒組碎石料US1相比，連續級配碎石料GS1顆粒組成的不均勻性更大，顆粒之間相互填充密實且顆粒與結構面的接觸面積更大，在剪切過程中，顆粒間咬合力以及顆粒與結構面之間的摩擦阻力更大，因而，連續級配碎石料與結構接觸面的剪切強度更高。

1—粗粒土US1；2—粗粒土US2。

1—粗粒土US1；2—粗粒土US2

當法向應力為100 kPa時，單粒組碎石料US1和連續級配碎石料GS1分別與粗糙接觸面的豎向位移與剪切位移關系見圖8。從圖8可以看出：在法向應力為100 kPa時，2種級配形式與粗糙接觸面的剪脹(剪縮)性曲線發展規律類似，接觸面在剪切初始階段均表現為剪縮，之后，隨著剪切位移繼續增大，接觸面表現為以剪脹為主的趨勢，單粒組碎石料的最終剪脹變形量比連續級配碎石料的高。這也是因為單粒組碎石料是由粒度相近的均勻顆粒組成，顆粒間的咬合作用并不顯著，在剪切過程中，顆粒更容易發生錯動、翻越等位置調整，導致了較大的豎向變形。

3.3 法向應力對接觸面剪切特性的影響

圖9所示為不同法向應力下單粒組碎石料US4與粗糙接觸面的剪切應力?剪切位移曲線。從圖9可以看出：不同法向應力下的曲線發展規律相同；在剪切初期，剪切應力增加較快，而后增長速率逐漸減小且剪切應力逐漸趨于穩定值；隨著法向應力增加，接觸面的剪切應力峰值也增大；而接觸面的峰值應力比隨法向應力增大而減小，當法向應力分別為50，100，150和300 kPa時，接觸面的峰值應力比分別為4.29，2.43，1.81和1.21，表明接觸面的應力各向異性隨著法向應力的增大而逐漸減小。

法向應力/kPa：1—50；2—100；3—150；4—300。

圖10所示為不同法向應力下接觸面剪脹性曲線。從圖10可以看出：法向應力的變化對接觸面剪脹性曲線也有顯著影響；當法向應力較小時，接觸面體變表現為先剪縮后剪脹，且以剪脹為主的趨勢；而當法向應力較高時，接觸面豎向位移隨剪切位移的增加而單調增大，在剪切過程中，接觸面的體變始終表現為剪縮。這是因為在較低法向應力下，顆粒受到約束作用較小，顆粒間的位置調整相對容易，因此，接觸面的變形以剪脹為主；在高法向應力下，顆粒受到約束作用較大，顆粒翻越鄰近顆粒的阻力變大，此時，顆粒趨于充填鄰近間的孔隙，因此，接觸面的變形以剪縮為主。張嘎等[4]在進行粗粒土與鋼板的接觸面剪切試驗時也得到了相同的結論。

3.4 粗糙度對接觸面剪切特性的影響

當法向應力為100 kPa和300 kPa時，連續級配碎石料GS2分別與光滑和粗糙混凝土接觸面的剪切應力與剪切位移曲線見圖11。從圖11可以看出：在相同法向應力下，粗糙接觸面的剪切強度明顯比光滑接觸面的高；當法向應力為100 kPa和300 kPa時，碎石料GS2與粗糙接觸面的剪切強度較光滑接觸面的剪切強度分別提高35.4%和49.1%。這是由于在接觸表面粗糙條件下，剪切過程中不僅土顆粒間存在咬合，而且顆粒與粗糙結構面之間也存在著咬合、嵌固作用。在剪切過程中，嵌固于粗糙結構面的土顆粒與上部土體顆粒之間的錯位、翻滾導致實際剪切面不再是預設的直線，而是1個不斷翻越嵌固于接觸面粗糙部分的粗顆粒而形成的曲面，如圖12中粗線所示。對于粗糙接觸面而言，在剪切過程中，接觸面附近土顆粒與結構表面發生相對剪切位移所產生的摩擦阻力更大，同時，土顆粒與粗糙結構面之間的咬合、嵌固作用也增大了接觸面的剪阻力，導致粗糙接觸面剪切強度顯著增大。

法向應力/kPa：1—50；2—100；3—150；4—300。

圖11 不同粗糙接觸面剪切應力?剪切位移曲線

圖12 土顆粒與不同結構表面相互作用示意圖

當法向應力為100 kPa和300 kPa時，連續級配碎石料GS2分別與光滑和粗糙混凝土接觸面的豎向位移與剪切位移關系見圖13。從圖13可以看出：粗糙接觸面無論是在低法向壓力下的最終剪脹量還是高法向應力下的最終剪縮量都比光滑接觸面的大。這是因為在外力和結構表面的約束作用下，接觸面的剪切會引起結構面附近一定范圍內土顆粒變位即形成有一定厚度的剪切影響帶，而粗糙度對結構面附近的土顆粒轉動、滑動及位置重調整的能力有較大影響，從而影響剪切影響帶的厚度。粗糙度越大，接觸面剪切影響帶厚度越大，因而，接觸面在豎直方向的變形也越大。

圖13 不同粗糙接觸面豎向位移?剪切位移曲線

4 結論

1) 顆粒粒度對接觸面剪切特性有顯著影響。隨著顆粒平均粒度從3.6 mm增大至14.8 mm，接觸面剪切強度增大87%。

2) 在平均粒度相同條件下，連續級配碎石料與結構接觸面的剪切強度比單粒組碎石料與結構接觸面的剪切強度高，但其與結構接觸面的豎向變形比單粒組碎石料的小。

3) 在相同法向應力條件下，碎石料與粗糙接觸面的剪切強度明顯比光滑接觸面的高，且粗糙接觸面無論是在低壓時的剪脹量還是高壓時的剪縮量均比光滑接觸面的小。

[1] 石熊, 張家生, 孟飛, 等. 改良粗粒土填料大型三軸試驗[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2015, 46(2): 645?652. SHI Xiong, ZHANG Jiasheng, MENG Fei, et al. Large-scale triaxial test on modified coarse-grained fillers[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(2): 645?652.

[2] 張丙印, 溫彥鋒, 朱本珍, 等. 土工構筑物和邊坡工程發展綜述、作用機理與數值模擬方法[C]//第十二屆土力學及巖土工程學術會議摘要集. 上海, 2015: 129?152. ZHANG Bingyin, WEN Yanfeng, ZHU Benzhen, et al. Research progress of soil structures and slope engineering: action mechanism and numerical simulation methods[C]//Proceeding of the 12th National Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Shanghai, 2015: 129?152.

[3] 成浩, 陳曉斌, 張家生, 等. 紅黏土?混凝土結構接觸面殘余強度特性試驗研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2017, 48(9): 2458?2464. CHENG Hao, CHEN Xiaobin, ZHANG Jiasheng, et al. Experimental research on residual shear strength of red clay-concrete structure interface[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2017, 48(9): 2458?2464

[4] 張嘎, 張建民. 粗粒土與結構接觸面單調力學特性的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2004, 26(1): 21?25. ZHANG Ga, ZHANG Jianmin. Experimental study on monotonic behavior of interface between soil and structure[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(1): 21?25.

[5] 馬剛. 粗粒土與結構接觸面特性的離散-連續耦合數值研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(11): 3454?3464. MA Gang. Numerical study of behavior of interface between coarse-grained soil and structure by discrete-continuum coupling method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(11): 3454?3464.

[6] SITHARAM T G, NIMBKAR M S. Micromechanical modeling of granular materials: effect of particle size and gradation[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2000, 18(2): 91?117.

[7] AFZALI-NEJAD A, LASHKARI A, SHOURIJEH P T. Influence of particle shape on the shear strength and dilation of sand-woven geotextile interfaces[J]. Geotexiles and Geomembranes, 2016, 45(1): 54?66.

[8] UESUGI M, KISHIDA H. Influential factors of friction between steel and dry sands[J]. Soils and Foundations, 1986, 26(2): 33?46.

[9] UESUGI M, KISHIDA H, TSUBAKIHARA Y. Behavior of sand particles in sand-steel friction[J]. Soils and Foundations, 1988, 28(1): 107?118.

[10] VANGLA P, GALI M L. Effect of particle size of sand and surface asperities of reinforcement on their interface shear behavior[J]. Geotexiles and Geomembranes, 2016, 44(3): 254?268.

[11] 胡黎明, 馬杰, 張丙印, 等. 粗粒料與結構物接觸面力學特性縮尺效應[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2007, 47(3): 327?330. HU Liming, MA Jie, ZHANG Bingyin, et al. Scaling effect on the mechanical behavior of the interface between coarse-grained materials and structure[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2007, 47(3): 327?330.

[12] KIM D, HA S. Effects of particle size on the shear behavior of coarse grained Soils reinforced with geogrid[J]. Materials, 2014, 7(2): 963?979.

[13] ATHANASOPOULOS G A. Effect of particle size on the mechanical behaviour of sand-geotextile composites[J]. Geotextiles and Geomembranes, 1993, 12(3): 255?273.

[14] VANGLA P, GALI M L. Influence of particle size on the friction and interfacial shear strength of sands of similar morphology[J]. International Journal of Geosynthetics & Ground Engineering, 2015, 1(1): 1?12.

[15] CHEN Xiaobin, ZHANG Jiasheng, XIAO Yuanjie, et al. Effect of roughness on shear behavior of red clay-concrete interface in large-scale direct shear tests[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2015, 52(8): 1122?1135.

[16] LI Y R, AYDIN A. Behavior of rounded granular materials in direct shear: mechanisms and quantification of fluctuations[J]. Engineering Geology, 2016, 115(1): 96?104.

[17] MORGAN J K. Numerical simulations of granular shear zones using the distinct element method: 2.Effects of particle size distribution and interparticle friction on mechanical behavior[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1999, 104(B2): 2721?2732.

[18] 戴北冰, 楊峻, 周翠英. 顆粒大小對顆粒材料力學行為影響初探[J]. 巖土力學, 2014, 35(7): 1878?1885. DAI Beibing, YANG Jun, ZHOU Cuiying. A preliminary investigation on effect of particle size on mechanical behavior of granular materials[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(7): 1878?1885.

(編輯 陳燦華)

Effects of particle size and gradation on shear behavior of interface between crushed stone and structure

CHENG Hao1, 2, WANG Xuan1, 2, ZHANG Jiasheng1, 2, WANG Qiyun3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High-Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 3. College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

To investigate particle size and gradation of crushed stone on interface shear strength and dilatancy of soil-structure, a series of large scale direct shear tests were performed considering four uniform particle samples and three graded samples. Based on the results of tests, the influence of particle size, grain-size distribution, roughness and normal stress on interface shear behavior were discussed. The results show that soil particle size has pronounced effect on shear strength of interface, and interface shear strength increases with the increase of particle size. Interface shear strength of graded samples is greater than that of uniform samples which has the same mean particle size. The deformation of interface changes from shear contraction to dilatancy under low normal stress and presents obvious contraction under high normal stress. The response of shear strength and deformation of rough interface is significantly larger than that of smooth interface under the identical condition.

crushed stone; interface; gradation; dilatancy; large scale direct shear test

TU44

A

1672?7207(2018)04?0925?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.021

2017?05?10；

2017?07?20

國家自然科學基金資助項目(51508097)；湖南省自然科學基金資助項目(2017JJ2314)；中南大學研究生創新項目(2016zzts077)(Project(51508097) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ2314) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(2016zzts077) supported by the Graduated Student Innovation Foundation of Central South University)

王晅，博士，講師，從事巖土工程研究；E-mail：dddebug@csu.edu.cn