考虑粒径效应的人工透明土模拟砂土剪切研究

高 斌， 郭 鸿， 许 娇， 杜 宇， 吴世楠， 姚 鹏

(陕西理工学院土木工程与建筑学院， 陕西汉中 723000)



考虑粒径效应的人工透明土模拟砂土剪切研究

高 斌， 郭 鸿， 许 娇， 杜 宇， 吴世楠， 姚 鹏

(陕西理工学院土木工程与建筑学院， 陕西汉中 723000)

文章以人工透明土为基本原材料，以室内直接剪切试验为基本方法，模拟不同粒径的砂土，研究了颗粒粒径对剪切强度的影响以及与内摩擦角的关系。结果表明：不同颗粒粒径对人工透明土内摩擦角有着直接的影响。内摩擦角随着粒径的增大，大致呈现增大趋势，但当颗粒粒径在小于3.5 mm时，内摩擦角却随着颗粒粒径的增大而减小。

人工透明土； 颗粒粒径； 内摩擦角； 抗剪强度

砂土在实际岩土工程中的应用十分广泛[1]，比如堆石坝、砂土地基及边坡等[2]。抗剪强度是颗粒土主要的特性指标之一，研究颗粒粒径对其抗剪强度的影响具有重要的意义。目前国内一些学者主要通过对粒径破碎的研究进而对其剪切研究。杨光等通过不同路径下的三轴试验，对粗粒径在不同应力路径下的颗粒破碎情况研究[3]，结果表明：颗粒破碎的增加导致峰值内摩擦角的减小，峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。胡万雨等利用改进的单向压缩仪，对不同粒径土试样进行高压力水平下的颗粒破碎试验。蒋明镜、李秀梅[4]分析了双轴试验中砂土的剪切带形成机理 ，着重分析了试样开始产生剪切带时的宏观表现，及其剪切带内外力学特性、孔隙比及APR各参量的差异性[5]。

综上分析，本文以人工透明土为基本原材料，模拟不同粒径的人工透明土试样，并进行室内剪切试验，以期获得颗粒粒径参数与人工透明土内摩擦角的关系，旨在为砂土在工程应用中提供参考一定的作用。

1 剪切试验及结果分析

1.1 直接剪切试验

直接剪切实验是通过在预定的剪切面上分别直接施加法向压力和剪切应力求得的抗剪强度指标的试验。采用11个土体试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切试验，测出破坏时剪应力、土的摩擦角φ、粘聚力c。

结合各实验生成的散点图并对实验数据进行分析可以看出：在垂直压力不变的情况下，随着剪切位移的增大，剪切力会出现一个峰值并会在这一范围内进行波动；或是随着剪切位移的增加，剪切力会一直上升并且在剪切位移为6 mm时达到峰值；还可以看出单一颗粒的粒径对剪切力有着一定的影响，但并不会大幅度影响剪切力的大小和波动趋势。对于不同垂直压力的情况下，垂直压力越大，所受到的剪切力就会相应的提高。

1.2 剪应力和竖直压力关系

以抗剪强度S为纵坐标，垂直压力P为横坐标，绘制S—P关系曲线，见图2所示。根据图上各实测点，绘制一条视测直线，各实测点与直线上对应点的抗剪强度之差，不得超过直线上对应点抗剪强度的±5 %。直线在纵坐标上的截距为土的黏聚力c，由于所测土为砂土，直线的倾角为土的内摩擦角φ[6]。

图2为土体颗粒在受到100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的剪切力[7]时，抗剪强度随着垂直压力的增加发生的变化图。

从实验中我们可以看到所采集的砂土试样的粘聚力为0，符合砂土性质，所绘图线的倾角为土体的内摩擦角，根据拟合曲线方程式可以求出各类土所对应的内摩擦角，如图3所示。

从结果中可以明显的看出不同颗粒粒径对内摩擦角有着直接的影响。对于单一颗粒粒径的土体，随着受到的垂直压力的增加，抗剪强度也会不断的增大，抗剪强度基本成线性变化。

2 结论

本文通过对土体进行了取样，进行了室内试验，对土体的物理性质有了深入的了解。主要以不同粒径的人工透明

(a) 颗粒直径为2.5 mm

(b)颗粒直径为3 mm

(c)颗粒直径为3.5 mm

(d) 颗粒直径为4 mm

(e) 颗粒直径为4.5 mm

(f) 颗粒直径为5 mm

(a) 颗粒尺寸为2.5 mm

(b) 颗粒尺寸为3 mm

(c) 颗粒尺寸为3.5 mm

(d) 颗粒尺寸为4 mm

(e) 颗粒尺寸为4.5 mm

(f) 颗粒尺寸为5 mm

图3 内摩擦角随粒径大小变化

土为研究对象，进行室内剪切试验，对土体的剪切过程进行了深入的了解。得出了以下结论：通过直接剪切实验，可以明显的看出颗粒粒径很大程度上影响着土体的抗剪强度，对于单一的颗粒粒径，垂直压力越大，土体的剪应力越大，抗剪

强度也越大；同时颗粒粒径对内摩擦角有着一定的影响作用，内摩擦角随着粒径的增大，大致呈现增大趋势，但当颗粒粒径在某些数值阶段内摩擦角随着颗粒粒径的增大而减小。

[1] 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，2008，30(2).

[2] 周健，池永.砂土力学性质的细观模拟[J].岩土力学，2003，24(6): 901-906.

[3] 蒋明镜，王富周，朱合华.单粒组密砂剪切带的直剪试验离散元数值分析[J].岩土力学，2010，31(1)：253-258.

[4] 刘映晶.颗粒材料的级配相关临界状态力学特性模拟[D].上海交通大学，2014.

[5] 吴剑.滑带剪切过程的离散元模拟研究[D].中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)，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.不同模型维数下常规三轴试验的离散元研究[J].重庆交通大学学报: 自然科学版，2014(2)：63-67.

陕西理工学院大生学创新创业训练计划项目(项目编号：UIRP15087)

高斌(1993～)，男，本科；许娇(1993～)，女，本科；杜宇(1993～)，女，本科；吴世楠(1993～)，男，本科；姚鹏(1992～)，男，本科。

郭鸿(1984～)，男，博士，讲师，研究方向为岩土力学与离散元数值模拟。

TU411.3

A

[定稿日期]2016-06-20