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土壤颗粒越细粘结性怎样(粒状土与结构接触面强度特性粒径效应影响研究)

土壤颗粒越细粘结性怎样(粒状土与结构接触面强度特性粒径效应影响研究)试验所用的典型粒状土为取自长沙周边某采石场的灰岩碎石粗粒料,以棱角型颗粒为主,颜色为浅灰~深灰色。为了研究该粗粒料颗粒粒径对接触面力学特性的影响,采用订制的方形筛筛分出了4组不同粒径范围的均匀粒径粗粒料,粒径范围分别为2.36~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~13.6 mm、13.6~16 mm 对应的试样编号为S1、S2、S3和S4 不同粒径大小粗粒料如图2所示。图1 大型界面直剪试验仪示意 境内外学者针对接触面力学特性的影响因素开展了系统的试验研究,李永辉等[4]开展了粉质黏土、粉细砂土与混凝土接触界面剪切试验,研究了泥皮与水泥浆存在时对界面力学特性的影响。成浩等[5 6]采用大型直剪仪研究了粗糙度对黏性土与混凝土接触面的剪切强度的影响,发现粗糙度的增大能明显提高接触面的剪切强度。Borana等[7 8]采用改进的直剪仪,研究基质吸力对花岗岩残积土与混凝土接触面界面的

成浩 王佳 张家生 黎磊锋佛山市交通科技有限公司 佛山市公路桥梁工程监测站有限公司 中南大学土木工程学院

摘 要:为研究颗粒粒径对典型粒状土与结构接触面剪切特性的影响,开展了不同粒径范围粗粒土与混凝土接触面大型直剪试验,分析颗粒粒径对接触面剪切强度及接触面强度参数的影响规律,探讨了接触面剪切强度的粒径效应影响机理。结果表明:接触面剪切强度随土体颗粒粒径的增大而明显增大,且当颗粒粒径与结构表面粗糙形貌比值接近1时,其继续增大对接触面剪切强度影响不再明显;不同剪切位移处接触面剪切应力与法向应力均能较好地满足摩尔库伦破坏准则,剪切过程中接触面内摩擦角随剪切位移的增大而增大并逐渐趋于稳定;而不同粒径条件下接触面表观黏聚力随剪切位移的变化规律有着明显的差异;颗粒粒径的增大能显著提高接触面表观黏聚力,对接触面最大内摩擦角无明显影响。

关键词:粗粒料;大型直剪试验;接触面;颗粒粒径;强度参数;

基金:国家自然科学基金项目,项目编号51978674;湖南省自然科学基金项目,项目编号2017JJ2314;佛山市科技计划项目,项目编号2020001005435;

土体与结构物间的接触问题是岩土工程领域的热点课题之一,如堆石坝坝体与垫层料、隧道衬砌与周围土体、桩土接触面等[1 2 3]。接触面作为土与结构物间受力和变形的传递媒介,其力学特性对土-结构相互作用有着重要影响。由于接触面两侧材料的差异,导致其在荷载作用下容易发生滑移、脱开等问题,严重影响工程结构的稳定性。因此,合理描述接触面力学特性是开展土-结构相互作用分析的前提。

境内外学者针对接触面力学特性的影响因素开展了系统的试验研究,李永辉等[4]开展了粉质黏土、粉细砂土与混凝土接触界面剪切试验,研究了泥皮与水泥浆存在时对界面力学特性的影响。成浩等[5 6]采用大型直剪仪研究了粗糙度对黏性土与混凝土接触面的剪切强度的影响,发现粗糙度的增大能明显提高接触面的剪切强度。Borana等[7 8]采用改进的直剪仪,研究基质吸力对花岗岩残积土与混凝土接触面界面的影响,并提出了考虑基质吸力影响的接触面强度公式。夏红春等[9]进行了一系列砂土与结构接触面直剪试验,系统地研究了法向应力、结构面粗糙度、剪切速率等因素对接触面力学特性的影响。Farhadi等[10]研究了土体各向异性对砂土与钢板接触面剪切特性的影响,试验中通过调整接触界面相对于剪切面的倾斜角度来模拟砂土的初始各向异性。赖丰文等[11]进行了砂土与土工格栅界面循环剪切试验,通过对循环剪切前后筋土界面的力学特性进行对比分析,发现循环剪切后界面的黏聚力和内摩擦角均有提高。陆勇等[12]研究了结构面粗糙度对粗粒土与结构接触面力学特性的影响,并指出粗糙度对接触面剪切强度的影响存在临界值。

由上述研究可知,目前接触面的相关研究已取得较为丰富的研究成果,但主要是针对黏性土或砂土与结构接触面,较少涉及大粒径的粒状土;且考虑粒状土颗粒粒径及其结构面粗糙度相对尺度影响的接触面剪切强度机理研究也较为缺乏。为此,本文通过开展不同粒径范围典型粒状土与混凝土接触面大型剪切试验,系统地研究了颗粒粒径对接触面强度特性的影响规律,并对剪切过程中接触面强度参数的演化规律进行分析,阐述了各强度分量与颗粒粒径间的相关效应,揭示了接触面剪切强度的形成机理。研究成果为粒状土与结构接触面的剪切强度理论分析提供了有益的参考。

1 接触面大型直剪试验1.1试验设备

试验所采用的大型直剪试验仪如图1所示,该设备主要由3部分组成:液压伺服系统、主机加载系统和计算机控制系统组成,设备尺寸为500 mm(长)×500 mm(宽)×150 mm(高) 可满足大多数土体自剪以及接触面剪切试验的要求。设备竖向及水平可提供最大荷载分别为800 kN和400 kN。

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图1 大型界面直剪试验仪示意

1.2试验材料

试验所用的典型粒状土为取自长沙周边某采石场的灰岩碎石粗粒料,以棱角型颗粒为主,颜色为浅灰~深灰色。为了研究该粗粒料颗粒粒径对接触面力学特性的影响,采用订制的方形筛筛分出了4组不同粒径范围的均匀粒径粗粒料,粒径范围分别为2.36~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~13.6 mm、13.6~16 mm 对应的试样编号为S1、S2、S3和S4 不同粒径大小粗粒料如图2所示。

1.3粗糙结构面模拟

考虑到实际工程中的结构物大多为混凝土结构,因此在室内试验中采用预制混凝土试块模拟土体与结构间的接触。试块采用C30素混凝土制成,其尺寸为570 mm(长)×500 mm(宽)×170 mm(高)。为了保证剪切全过程上剪切盒盒内土体与试块表面的有效接触面积不变,沿剪切方向混凝土试块尺寸比上剪切盒长70 mm。此外,通过在试块表面预制垂直剪切方向排列的半圆形凹槽,对结构物表面进行粗糙化处理。考虑到土体颗粒粒径与凹槽直径的相对大小,凹槽直径d取颗粒尺寸的中间值10 mm。

土壤颗粒越细粘结性怎样(粒状土与结构接触面强度特性粒径效应影响研究)(2)

图2 不同粒径范围粗粒料

1.4试验方案

进行不同粒径粗粒料与结构接触面剪切试验时,需先将直剪仪下剪切盒替换为预制的混凝土试块,将上剪切盒置于试块上方固定位置,并保持试块顶面与上剪切盒底面平齐。将不同粒径范围粗粒料试样分别装入上剪切盒中并进行压实,试样制备过程如图3所示。待装样完成后通过刚性加载板向试样施加法向荷载,为了避免过大的法向应力造成明显的颗粒破碎现象,剪切过程中施加的最大竖向应力为300 kPa 试验过程采用位移控制,以1 mm/min的剪切速率至剪切位移达到40 mm时终止试验。

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图3 试验装样过程

2 剪切试验结果分析

4给出了不同剪切条件下接触面剪切应力与剪切位移曲线。从图4中可以看出,在剪切初期,接触面剪切应力随剪切位移的增大逐渐增大;随着剪切过程的进一步发展,接触面剪切曲线的形态受颗粒颗粒粒径与法向应力的影响而表现出不同的形式。法向应力越大,接触面剪切曲线的初始斜率也越大,且相同剪切位移时对应的剪切应力也越大。颗粒粒径对接触面剪切曲线的形态也具有一定的影响,当颗粒粒径较小时,随剪切位移的增大接触面剪切应力在增大至峰值后均出现小幅度的下降,接触面表现出弱剪切软化特征,且剪切曲线也相对光滑,如图4(a)所示。对比图4中不同粒径范围条件下接触面的剪切应力位移曲线可知,颗粒粒径越大,曲线的剪切硬化特征越明显,且在剪切后期出现了较为明显的剪切应力波动现象。

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图4 接触面剪切应力~剪切位移曲线

5给出了接触面剪切强度随颗粒粒径变化曲线。从图5中可以看出,接触面剪切强度与颗粒粒径之间总体呈现正相关关系,颗粒粒径越大,对应接触面剪切强度越高。法向应力分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa300 kPa时,接触面剪切强度随颗粒粒径的增大分别提高了117.2%、82.1%、51.6%和24.1%。此外,随颗粒平均粒径增大,接触面剪切强度变化规律表现出阶段性特征。以法向应力为50 kPa为例,在颗粒粒径由3.3 mm增大至11.5 mm时,接触面剪切强度随平均粒径的增大得到显著提高,此时的增幅为103.1%;而随着颗粒粒径继续增大至14.8 mm 接触面剪切强度仅提高7.2% 此时接触面剪切强度随粒径的继续增大几乎不再发生变化。这可能与颗粒粒径和结构面粗糙形貌的相对尺度大小有关,本文中结构表面凹槽直径d10 mm 由图中可知,当粗粒料颗粒粒径与直径d的比值接近1时,接触面剪切强度会达到较大值,此后颗粒粒径的继续增大对接触面剪切强度影响较小,这与陆勇等[12]12]在研究相对形貌尺度对接触面剪切特性影响时得到的规律一致,文献[12]中是通过改变结构表面粗糙度来调整相对尺度的大小。

3 接触面强度参数演化规律

已有的研究结果表明,接触面剪切强度与法向应力间符合摩尔-库伦强度公式[5 7 13] 如式(1)所示。

τf=σntanφ c (1)

式中:τf为接触面剪切强度;σn为法向应力;cφ分别为接触面表观黏聚力和内摩擦角。

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图5 接触面剪切强度随颗粒粒径变化曲线

为了更进一步探究剪切过程中接触面强度参数的演化规律,将式(1)中接触面的表观黏聚力和内摩擦角表示为剪切位移u的函数,如式(2)所示:

τ(u)=c(u) σntanφ(u) (2)

式中:τ(u)为剪切位移为u时接触面的剪切应力;c(u)为剪切位移为u时接触面的表观黏聚力;φ(u)为剪切位移为u时接触面的内摩擦角。

通过对不同剪切位移处的剪切应力与法向应力关系进行线性拟合,即可得到接触面强度参数随剪切位移的变化曲线。

图6为不同剪切位移处线性拟合相关系数分布图。从图6中可以看出,除在剪切位移小于5 mm时有个别拟合相关系数较小外,其余剪切位移处拟合相关系数均在0.95以上。剪切初期拟合相关系数较低的原因可能是在剪切初始阶段刚性剪切盒与土样间尚未完全接触,试样的抗剪能力没有得到完全发挥。从图中不同粒径条件下线性拟合的相关系数结果来看,不同剪切位移处接触面剪切应力与法向应力间的关系均能较好地满足摩尔库伦强度公式。

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图6 线性拟合相关系数随剪切位移变化散点

图7给出了不同粒径范围粗粒料与混凝土接触面强度参数随剪切位移的变化曲线。从图7中可以看出,在剪切初期,随着剪切位移的增大,接触面表观黏聚力和内摩擦角均增长较快,但在剪切后期二者表现出了不同的发展规律。此外,在剪切后期接触面强度参数与剪切位移的关系曲线均出现了不同程度的波动,且颗粒粒径越大,强度参数的波动越明显,这也与图4(d)中接触面剪切应力所发生的波动现象相对应。

不同粒径条件下接触面内摩擦角的发展规律较为类似,其随剪切位移的增大而不断增大,但增大速率逐渐减小,当剪切位移达到15 mm左右时,接触面的内摩擦角随剪切位移的继续增大均已基本不再变化。而不同粒径条件下接触面表观黏聚力的发展规律存在较大的差异,当颗粒粒径较小时,随剪切位移的增大,接触面表观黏聚力在达到一定的剪切位移后也逐渐趋于稳定,如图7(a)中粗粒料S1与混凝土接触面;而当颗粒粒径较大时,接触面表观黏聚力随剪切位移的增大而不断增大,直至剪切位移达到最大时仍未达到稳定值,如图7(d)中粗粒料S4与混凝土接触面。

4 接触面剪切强度机理分析

吴帅峰等[14 15]14 15]在研究粗粒料的强度机理时,指出粗粒料的抗剪强度本质上是由咬合分量和摩擦分量构成,剪切过程中土体颗粒发生相互错动及重调整,并伴随着宏观的体积变形(剪胀或剪缩) 强度的咬合分量和摩擦分量各自得到不同程度的发挥。对于粗粒料与混凝土接触面,其剪切强度的咬合分量和摩擦分量可分别由表观黏聚力和内摩擦角来表示。图8给出了剪切过程中接触面的最大表观黏聚力cmax和最大内摩擦角φmax随颗粒平均粒径的变化曲线。由图8可知,接触面最大内摩擦角随着颗粒粒径的增大无明显变化规律,其值在33.15°~38.78°范围内变化;而随着粗粒料颗粒粒径从3.6 mm增大到14.8 mm 接触面最大表观黏聚力从52.5 kPa增大到了182.8 kPa 增长了248.2%。显然,粗粒料颗粒粒径的变化对接触面表观黏聚力的影响更为显著。

粗粒料与混凝土接触面的表观黏聚力与颗粒材料在剪切过程中所表现出的颗粒间咬合力(或结构力)类似。由于接触面剪切破坏面并不是理想的平面,而是沿着剪切方向连接颗粒接触点所形成的不规则面,如图9所示。剪切过程中结构面附近颗粒之间必然发生相互错动、翻转等现象,此时颗粒间的机械咬合作用提供了部分接触面的表观黏聚力;同时由于结构面规则凹槽的存在,粗糙结构面对土体颗粒的变位也会产生一定的约束,颗粒与粗糙结构面间也可能产生相互咬合、嵌固等作用。因此,接触面的表观黏聚力不仅包含了颗粒间的咬合作用,同时还存在颗粒与结构面之间的咬合作用。

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图7 接触面强度参数随剪切位移变化曲线

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图8 接触面强度参数与颗粒粒径关系曲线

由图8可知,对于粗粒料与混凝土接触面而言,接触面的表观黏聚力随颗粒平均粒径的增大而明显增大。这是由于剪切过程中剪切面上颗粒会发生错动、翻越等相对运动,而颗粒粒径越大,颗粒间发生相对运动时的做功也越多。李广信[16]16]指出,对于散体颗粒材料,大尺寸颗粒间咬合作用更为显著,散粒体的抗剪强度也更高。对于本文中粗粒料与混凝土接触面,一方面颗粒粒径的增大增强了颗粒间的咬合作用;另一方面较大粒径的颗粒与接触面凹槽间的咬合作用也更加明显,从而提高了接触面的表观黏聚力。

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图9 粗粒料与混凝土接触面剪切破坏面示意

5结语

采用大型直剪仪进行了不同粒径范围粗粒料与混凝土结构接触面剪切试验,分析了颗粒粒径对接触面剪切强度及强度参数演化规律的影响,在此基础上阐述了颗粒粒径对接触面强度特性的影响机理。

(1)典型粗粒料与混凝土结构接触面剪切应力位移曲线以剪切硬化型为主,且颗粒粒径越大,剪切曲线的硬化特征越明显,剪切过程中剪切应力的波动特征也越显著。

(2)颗粒粒径的增大可以增强颗粒与接触面间的咬合作用,从而提高接触面剪切强度;且当颗粒粒径增大到11.5 mm后(颗粒粒径与结构表面凹槽直径比值接近于1) 粒径的继续增大对接触面剪切强度的影响明显减小。

(3)由不同粒径条件下接触面强度参数的演化规律分析可知,接触面表观黏聚力随剪切位移的变化规律受颗粒粒径影响显著,不同粒径条件下接触面内摩擦角均随剪切位移的增大而增大并逐渐趋于稳定值。随着颗粒粒径的增大,接触面最大表观黏聚力得到显著得提高,而接触面最大内摩擦角无明显变化规律。

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