粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响

王贵荣 董晨 段钊 马建全 唐皓

摘 要：粒径级配决定了砂体颗粒结构特征，影响着砂体的剪切力学行为。为查明粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响，在中细砂中逐级加入粗颗粒组分，配制了5组混合砂样，并对其进行了直剪试验研究。结果表明：随着法向应力的增大，各组混合砂样的抗剪强度也随之增大;直剪试验中各混合砂样直剪峰值强度后均出现略微软化，随剪切位移的增大又发生硬化;当法向应力的增大时，各组混合砂样硬化现象更加明显;在同一法向应力作用下，增加粗颗粒含量，各组混合砂样抗剪强度均表现出先降低后升高的趋势，在粗颗粒含量由0%增加到20%时，混合砂样抗剪强度持续降低，在20%粗颗粒含量时达到最小，之后开始增大;在不同的级配及法向应力作用下，混合砂样的摩擦系数等强度指标变化均在20%粗颗粒含量时发生改变。

关键词：抗剪强度;粗颗粒;中细砂;级配;直剪试验;岩土改性

中图分类号：P 642

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0024-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0104开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of coarse particle content on shear strength of medium sand

WANG Gui-rong 1，2，DONG Chen 1，2，DUAN Zhao 1，2，MA Jian-quan 1，2，TANG Hao 1，2

（1.College of Geology and Environment， Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xian 710054，China）

Abstract：Particle size distribution determines the structural characteristics of sand particles and affects the shear mechanical behavior of sand bodies.In order to find out the influence of coarse particle composition on shear strength of medium fine sand， coarse particle composition was added to medium fine sand step by step.The results show that the shear strength of mixed sand samples increases with the increase of normal stress.In the direct shear test， the mixed sand samples showed weak softening after the peak strength of direct shear， and then hardened with the increase of shear displacement.With the increase of normal stress， the hardening phenomenon of mixed sand samples in each group is more obvious.Under the same normal stress， the shear strength of mixed sand sample decreases first and then increases with the increase of coarse particle content.Under the condition of 20% coarse particle content， the shear strength of mixed sand sample is the minimum.Under different graduation and normal stress， the friction coefficient and other characteristic values of mixed lower sand body change when the coarse particle content is 20%.

Key words：shear strength; coarse particle;medium sand; graduation;direct shear test;rock-soil modification

0 引 言

粒徑级配对松散岩土材料的剪切行为有较大的影响[1-2]。诸多学者研究结果表明，粒径级配的变化将影响岩土材料的剪切特性，从而使地质灾害的发生表现出特征差异性。

丁鲁强等利用GDS界面剪切仪研究了在不同剪切速率、网孔尺寸和法向应力影响下土工格栅与饱和细砂接触界面剪切特性变化规律[3]。

孔亮等对不同粒径级配砂体进行了多种应力路径下的室内三轴与室内模拟试验，从细观角度分析了不同级配砂土在循环加载应力路径的变形机制[4]。王军等对不同粒径级配砂土与土工格栅-土界面进行静、动力直剪试验，结果均发生峰值后剪切软化，且在高应力下软化更为明显[5]。

叶万军等对膨胀土在干湿用下的变化特征进行了研究，认为膨胀土的开裂和收缩特性对边坡变形研究具有重要的作用[6]。

朱顺然等进行了土工织物-砂土界面的叠环式剪切试验，发现随着剪切进行，土体出现剪切体变，表现为先剪缩后剪胀的体变过程[7]。

丁自伟等进行了岩土体原位直剪试验，认为岩土体的微观构造及宏观结构显著的影响着岩土体力学特性与破坏形态[8]。

Triplect等对土工膜-土、土工布-土和土工格-土等3种界面间的剪切相互作用进行了研究[9]。Huck进行了混凝土与土之间的强度研究，认为接触面的粗糙程度对剪切强度有一定的影响[10]。夏力农等在Huck研究的基础上，对不同粒径干砂与塑料材料接触面进行直剪试验，认为砂土抗剪强度与砂土级配有一定关系，同一法向应力下，砂土粒径越大抗剪强度越高[11]。

吴景海等利用直剪试验和拉拔试验研究了不同种类的土工合成材料与填料界面力学剪切特性[12]。

冯晓腊等通过直剪试验及PFC 2D模拟对剪切盒尺寸与平均粒径对砂土抗剪强度的影响进行了分析，认为随平均粒径的增大，砂土粘聚力增大而内摩擦角有所降低[13]。Sayeed等利用大型直剪仪研究了不同竖向应力下砂土与无纺土工布界面的剪切特性[14]。张建伟等进行了黄泛区粉土与GFRP布界面摩擦试验，表明其界面摩擦强度随法向压力的增大而增大，摩擦系数随法向应力的增大而减小[15]。

周健等利用可视化跟蹤技术和无标点测量技术进行细观模型试验，研究了土-土工合成材料界面的细观规律，并通过PFC 2D模型对研究结果进行了验证[16]。

田世雄等通过砂卵石土三轴试验及离散元模拟，对粗砂含量对其宏细观力学特征进行了探究，认为随粗砂含量的增多，砂卵石土的应力-应变曲线表现出应力软化[17]。

赵洲等基于颗粒流方法对府谷县新府山滑坡进行研究，构建了滑坡颗粒流数值模型，对滑坡细观特征进行了分析[18]。

刘飞禹等研究了不同加筋材料土与土工合成材料进行了单调直剪试验、循环剪切和循环后单调直剪特性[19]。胡顺洋等基于常应力状态下的直剪试验，对砂土内部及砂土-钢接触面进行直剪试验研究，得出应力软化与硬化特征[20]。任磊等基于颗粒流理论及PFC 2D建模，对级配碎石进行了直剪试验的细观分析，从细观力学的角度描述了直剪过程中颗粒的运动机理[21]。李航等成功建立了砂土直剪试验模拟，分析了试样内颗粒级配数、颗粒速度场及局部孔隙率分布[22]。

叶万军等针对黄陵区Q2黄土进行了不同条件下的三轴剪切试验，探讨了含水率、初始围压对黄土抗剪强度的影响规律[23]。

直剪试验作为土工试验中较为基础的试验，已有较为成熟的实验方法与仪器，但在实际工程中仍有较多的问题需要我们解决。

为了解混合砂体在工程应用中的物理力学性质，进行了5种中细砂与粗砂混合级配砂的直剪试验，对法向压力与粗砂含量对砂体剪切强度的影响进行分析。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

试验材料均采用石英砂，通过将0.5～3 mm粒径粗砂与一定级配中细砂进行混合，中细砂粒径不超过0.5 mm，平均粒径0.2 mm，不均匀系数Cu为2.394，曲率系数Cc为1.187，粗砂取自中国IOS标准砂大于0.5 mm部分，分别得到粗颗粒组分质量百分含量为0%，5%，10%，20%和40%的5种混合砂样（以下简称混合砂样）。对各组混合砂样进行粒径筛分试验，计算得到试样各级配参数，各组混合砂样物理指标见表1，级配曲线如图1所示，试样细观特征如图2（图中 a，b，c，d，e依次为0%，5%，10%，20%，40%粗颗粒含量混合砂样，单位刻度为1 mm）。

1.2 试验设备与试验方法

本次试验所用仪器为南京土壤仪器厂制造ZLB-1型三联直剪仪，试样规格61.8 mm×20 mm.在试验中，对混合砂样进行直剪试验，法向应力分别为25，50，100，200 kPa，剪切速率为0.8 mm/min.

2 试验结果

2.1 法向应力对砂体直剪特性的影响

图3所示分别为不同粗颗粒含量混合砂样在不同法向应力下的直剪应力-应变曲线，表现出以下特征

1）在剪切试验初始阶段，随着剪切位移的增大，剪切应力与剪切位移呈线性增长，到达一定剪

切位移后，剪切应力增长速率迅速减缓，剪切应力到达峰值后略有降低，随剪切位移继续的增大，剪切应力发展趋于平缓，在较大位移处又表现出一定的抬升。

2）在任一级配条件下，抗剪强度均随法向应力的增大而增大。

3）随着剪切应力峰值的增大，出现峰值时的剪切位移也随之增大。

4）由总体看来，粗砂含量的增加带来了更为明显的砂体软化现象。

在直剪试验中出现应力软化与硬化现象[17]，是因为在本次直剪试验中试样为松散颗粒，在剪切过程中按照砂体颗粒的运动规律可将直剪试验过程分为以下几个阶段

1）在剪切初始阶段，颗粒间存在较大孔隙，随试验开始，在剪切面处砂体颗粒间发生挤压和错动，颗粒运动以竖向翻滚为主，颗粒间孔隙减小，在剪切面位置砂体颗粒配位数增大[14]，即颗粒间接触面积迅速增大，因此剪切应力增长较快。

2）在剪应力到达峰值后，颗粒之间基本已经完成重新组合排列，颗粒主要以水平运移为主，试样体积不再发生变化，因此，剪应力峰值开始下降，出现应力软化现象。

3）随着时间的继续进行，由于砂土破裂面的剪胀性，导致砂体体积增大，剪切应力开始上升。并且随着法向应力的增大，砂体颗粒间运移需要达到重新排列组合需要更长的时间，因此较大法向应力下的试样抗剪强度值出现在更大的位移处。

此外，根据摩擦系数计算公式计算试样摩擦系数并绘制曲线，公式如下

f=τfσ（1）

式中 f为摩擦系数;τf为抗剪强度，kPa;σ为法向应力，kPa.

由上面公式可以得到，不改变其他条件，摩擦系数与法向应力表现出反比关系。

图4为不同法向应力下各组混合砂样摩擦系数变化曲线，可以看出，摩擦系数随法向应力的增大而减小，当法向应力达到100 kPa，曲线变化趋于平缓，摩擦系数基本不再发生变化，在200 kPa时，低粗砂含量混合砂样摩擦系数趋于一致，但40%粗砂含量混合砂样摩擦系数仍较其他混合砂样高，因此混合砂样中粗颗粒含量对试样摩擦系数有一定影响。

2.2 粗砂含量变化对砂体直剪特性的影响

已有研究表明砂土颗粒级配对砂体直剪特性有一定的影响[15]。图5分别为25，50，100，200 kPa法向应力下不同粗颗粒含量试样直剪试验剪切应力-应变曲线，可以看出

1）在相同的法向应力下，随着粗砂含量的增加，混合砂样抗剪强度均表现出先降低后升高的趋势，在粗颗粒含量由0%增加到20%时，混合砂样抗剪强度持续降低，在20%粗颗粒含量时降到最小，之后开始增大，即20%粗颗粒含量砂样时为最小抗剪强度粗颗粒含量试样。

2）随粗颗粒含量的增大，抗剪强度出现的位置均有提前，但大都处在剪切应变2%～4%之间。

表2为各组砂样直剪试验強度值，可以看出，随着粗颗粒含量的增加，试样抗剪强度值总体表现出先降低后上升的趋势;残余强度变化趋势与峰值强度变化趋势一致，并在后期表现出抬升，且随着法向应力增大，砂样软化程度降低，软化系数增大，软化现象减弱。这说明在粗砂含量较小时，大颗粒在试样中分布较少，无法在试样内构成有效的砂粒骨架，对砂体强度有减弱作用，随着粗砂含量的增多，在试样中粗颗粒相互接触，会在剪切盒中形成完整的颗粒骨架，为试样的整体性提供支撑，加强了试样整体强度。

图6为不同粗颗粒含量砂体直剪摩擦系数变化曲线。在粗砂含量0%，10%，20%时砂体摩擦系数多呈现出降低的趋势，在粗砂含量变为40%时，摩擦系数又表现出上升的趋势，与试样直剪强度变化趋势一致。粗砂含量的增加改变了砂体级配，在粗砂含量较低时，砂体配位数较小，在剪切面处砂体颗粒接触面积减小，抗磨阻力减小，随着粗粒含量的增加，砂体颗粒接触面增大，抗磨阻力又上升。

图7是5种粗颗粒含量砂体的直剪试验τ-σ曲线，通过Origin软件将直剪试验数据进行拟合，得到直线，相关系数分别为0.98，0.98，0.99，0.99，0.98.可以得到粗砂含量由0%增长到5%时，内摩擦角（见表3）由36.08°降低为35.77°，减小了0.8%，粗砂含量继续增加砂体内摩擦角依次降低0.6%，0.7%，又依次增大0.7%，5.8%，在40%粗砂含量内摩擦角较纯中细砂增大5.0%.与砂体抗剪强度变化趋势一致，皆是随粗砂含量的增大先降低后升高。发生这种变化的原因是在粗颗粒含量较少时，试样以中细颗粒为主，砂体颗粒比表面积大，平均配位数大，因此颗粒间接触面积较大，发生相对位移需要较大的推力;随着粗颗粒含量的增大，砂体颗粒比表面积减小，且平均配位数减小，故其内摩擦角随之减小;当粗颗粒含量增大到一定程度时，中细-粗颗粒间相互接触，形成结构良好的颗粒骨架，镶嵌与咬合作用增强，小颗粒发生运移必须翻越大颗粒，内能增大，内摩擦角又出现增大的趋势。

4 结 论

1）在法向应力作用下，砂体直剪表现出一定的结构强度，随着法向应力的增大，抗剪强度随之增大，但摩擦系数表现出下降的趋势且趋于平缓。

2）砂体颗粒级配也是影响砂体抗剪强度的一个重要因素，在本次试验中，随粗颗粒含量的增多，砂体抗剪强度指标及摩擦系数均表现出先减小后增大的趋势，粗颗粒组分含量为20%时，是最小强度粗颗粒组分含量砂样。

3）本次砂体直剪试验均表现出一定程度的软化现象，且随法向应力的增大，软化系数增大，软化现象减弱，在粗颗粒含量增大的过程中砂体直剪残余强度均趋于一致，其摩擦系数与剪应力峰值变化一致，即先增长后降低的特征。

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