花岗岩残积土剪切特性试验研究

刘文辉 何勇彬

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.揭阳市水利水电设计院，广东 揭阳 522000)

花岗岩残积土剪切特性试验研究

刘文辉1何勇彬2

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640； 2.揭阳市水利水电设计院，广东 揭阳 522000)

采用GDS静三轴仪，对饱和花岗岩残积土重塑样进行了常规三轴固结排水试验，并基于三维离散元软件YADE，建立了三轴压缩试验模型，分析了花岗岩残积土的剪切特性，结果表明：在各固结围压下，饱和花岗岩残积土重塑样的应力应变曲线都表现为应变硬化，体变曲线表现出明显的剪缩性，而且随着围压的增大，试样的峰值强度增大，剪缩的程度提高。

花岗岩残积土，三轴试验，离散元，剪切力

0 引言

花岗岩残积土在华南地区分布相当广泛，是南方沿海地区基本建设中经常遇到的主要土体之一。此类土具有较强的结构性，天然状态时有较好的力学特性，但孔隙比大，具有易扰动破坏，遇水易崩解等特点[1]。在路基建设、基坑开挖等工程领域，花岗岩残积土边坡失稳等事故常有发生[2,3]。因此，花岗岩残积土的工程特性越来越受到学术界和工程界的重视。但是，现阶段对于花岗岩残积土的研究大部分只停留在其宏观力学行为，缺乏对其软化特性、结构性等特性的细观上的探索。

离散元方法，是由Cundall等[4]首次提出，其基于非连续介质力学理论，是研究土体的细观力学行为的强有力的工具。罗勇等[5]利用PFC3D模拟了砂土的室内常规三轴试验，并分析了剪切位移场的形成和发展规律。刘勇等[6]模拟了粗粒土的三轴试验，并对细观参数的选取给出了若干建议。但是，对于粘性土的三维颗粒流数值模拟仍较为少见[7]。

本文首先通过对饱和花岗岩残积土重塑样进行常规三轴固结排水试验，然后基于三维离散元软件YADE，建立花岗岩残积土三轴压缩离散元模型，并通过对比数值计算结果和室内试验结果，验证模型的正确性。

1 试样及试验方案

1.1 试样

试验所用花岗岩残积土样取自深圳市福田区某一建筑基坑，取土深度11 m。土样主要呈灰白、肉红、黄褐等色，并夹杂着黑点。土样颗分曲线如图1所示，土样基本物理性质指标如表1所示。

花岗岩残积土重塑样的制备，是将原状土风干后碾碎，过2 mm筛，然后采用击实法分5层制样，干密度与原状土的天然干密度相同，为1.45 g/cm3。

表1 土样基本物理性质指标

天然干密度g/cm3天然含水率/%孔隙比比重不均匀系数曲率系数液限%塑限%塑性指数最大干密度g/cm3最优含水率%1.4519.350.7932.61000.184025.214.81.6421.5

1.2 试验方案

本试验采用GDS静三轴仪，三轴试样尺寸为φ38 mm×H76 mm。对试样进行不同固结围压下的排水剪切试验(CD)，试验方案如表2所示。每个试样固结前都进行了反压饱和，经B值检测，反压饱和后所有试样饱和度都在0.98以上。剪切过程采用应变控制，剪切速率为0.02%/min。

表2 试验方案

2 数值三轴压缩试验

离散元三轴压缩试验采用长方体试样，试样的尺寸为38 mm×38 mm×76 mm，由10 000个颗粒组成，颗粒密度为2 600 kg/m3。试样初始级配与室内试验的土样级配相同。为了减小边界效应的影响，把墙面摩擦系数设置为0。

试样制备的具体步骤为：1)根据图1的级配曲线随机生成10 000个颗粒，使用半径扩大法生成初始孔隙比为0.793的无胶结松散样；2)通过施加伺服，监测侧墙所受到的压力，6面刚性墙体同时压缩试样，直到墙体压力达到设定的围压；3)在所有颗粒的接触点形成胶结，胶结特性采用YADE自带的线性胶结接触模型：法向拉力随着法向位移的增大而线性增大，当胶结破坏后，法向拉力变为0；切向剪切力随着切向位移增大而线性增大，当胶结破坏后，剪切力降为恒定值，该恒定值的大小取决于法向接触力和颗粒摩擦系数；4)为保证试验加载为准静态过程，顶面和底面墙体以轴向应变3%/min的加载速率压缩试样，并通过施加伺服，控制侧墙的运动速度，从而保持围压不变。

离散元模拟的一些主要参数见表 3。

表3 离散元模拟中的颗粒参数

3 结果与讨论

常规三轴固结排水试验与数值三轴压缩试验的宏观力学响应如图2，图3所示。由图2可知，不同围压条件下，饱和花岗岩残积土重塑样的应力应变曲线都表现为明显的应变硬化，随着围压的增大，峰值强度不断增大。由图3可知，试样在剪切过程中体积一直在缩小，体变曲线表现出明显的剪缩性，而且随着围压的增大，剪缩程度也逐渐增大。

图4为试样的强度包线图，由图4可知，室内三轴试验的强度指标为：cCD=2.4 kPa，φCD=32.8°；而数值三轴压缩试验计算得到的强度指标为：cCD=3.3 kPa，φCD=33.5°，与室内试验的强度指标大致相等。而且，从图2，图3可以看出，数值计算得到的试样应力应变曲线以及体变曲线与室内三轴试验得到的曲线比较接近。所以，本文所建立的离散元模型是可靠的，能基本反映试验土样的宏观力学行为。

4 结语

本文对饱和花岗岩残积土重塑样进行了常规三轴固结排水试验，并基于三维离散元软件YADE，建立了三轴压缩试验模型，得出了以下结论：

1)在各固结围压下，饱和花岗岩残积土重塑样的应力—应变关系都呈应变硬化；在剪切过程中，呈现出明显的剪缩性，而且随着围压的增大，剪缩的程度逐渐降低。

2)离散元试验模型的计算结果与室内试验结果比较接近，能基本反映试验土样的宏观力学行为。

[1] 戴 继,王铁宏,高广运,等.由压缩试验分析砾质花岗岩残积土的结构特性[J].地下空间与工程学报,2009(4):675-679.

[2] 王彦华,谢先德,王春云.风化花岗岩崩岗灾害的成因机理[J].山地学报,2000(6):496-501.

[3] 吴能森.花岗岩残积土开挖边坡的工程特性[J].山地学报,2006(4):431-436.

[4] Cundall P A,Strack O D L.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Geotechnique,2015,30(3):331-336.

[5] 罗 勇,龚晓南,连 峰.三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质[J].岩土工程学报,2008(2):292-297.

[6] 刘 勇,朱俊樸,闫 斌.基于离散元理论的粗粒土三轴试验细观模拟[J].铁道科学与工程学报,2014(4):58-62.

[7] 徐小敏,凌道盛,陈云敏,等.基于线性接触模型的颗粒材料细—宏观弹性常数相关关系研究[J].岩土工程学报,2010(7):991-998.

Experimental research on shearing force properties of granite residual-soil

Liu Wenhui1He Yongbin2

(1.CollegeofCivil&Traffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China; 2.JieyangHydropowerDesignInstitute,Jieyang522000,China)

Applying GDS static tri-axial instrument, the paper carries out conventional tri-axial consolidation drainage test for the saturated granite residual-soil remolded sample. Based on three-dimensional DEX software YADE, it establishes tri-axial compression testing model, and analyzes shearing characteristics of granite residual-soil. Results show that: under consolidated confining pressure, the stress strain curve of saturated granite residual-soil remolded sample tends to the strain hardening, the volume deformation curve tends to be obvious shear shrinkaging, with the confining pressure increasing, the peak intensity of samples is increased, and the shear shrinkage strength is improved.

granite residual-soil, tri-axial test, DEM(Discrete Element Model), shearing force

1009-6825(2017)02-0082-02

2016-11-10

刘文辉(1991- )，男，在读硕士； 何勇彬(1988- )，男，工程师

TU458.3

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