粗粒土接触破坏特性受接触形式影响规律探究①

罗驰恒，张 津

(同济大学地下建筑与工程系，上海200092)

1 研究背景

粗粒土在自然界中分布广泛，储量丰富，有强度高、变形小等优点，被广泛的应用于国家的基础建设项目之中［1］.粗粒土在祖国的建设项目中发挥着重要的作用，但其受力易发生破碎，对实际工程的安全性有着重大的影响，因而粗粒土力学特性、破碎规律逐渐成为了现在研究的热点.粗粒土受接触破坏规律的研究现状如下:柏树田(1997)利用三轴压缩仪对九座堆石坝工程的堆石料进行压缩实验得到的试验数据，分析了堆石料在三轴压缩及平面应变条件下的应力－应变关系等力学特性［2］;秦红玉(2004)通过大型三轴试验，研究围压大小对粗粒土力学特性的影响，探讨不同泥岩含量对堆石坝强度的影响［3］;刘汉龙(2005)利用大型三轴试验研究了围压和峰值内摩擦角与颗粒破碎之间的关系［4］;王子寒(2013)利用大型多功能界面剪切仪对粗粒土进行的大型直剪试验，研究了粗粒土在单剪情况下的力学特性和破碎规律［5］;K.V.Uday(2013)利用共焦距显微镜和3D 显微镜等来研究粗粒土的颗粒形态参数，研究粗粒土的颗粒形态对粗粒土工程特性的影响［6］;H.F.Zhao(2013)通过室内土工试验，研究了粗粒土在不饱和情况下的剪切强度［7］;姜景山(2014)通过CT 三轴流变试验对粗粒土流变中颗粒的运动状态进行监控，研究粗粒土流变过程的变化，通过粗粒土初始组构及剪切过程中的组构来研究粗粒土的宏观力学性质［8～9］.以上研究多为从宏观整体的角度来研究粗粒土的力学性质，少有从细观角度的探索.

为了进一步研究粗粒土在不同的接触模式情况下的受力特性，本研究通过两个圆球颗粒接触来模拟点点接触，利用锥体与正方体岩块之间的接触来模拟点面接触，同时改变锥体角度以研究不同的锥体角度对接触特性的影响.

2 岩石接触试验

2.1 试验设备

粗粒土的接触破坏试验采用的试验设备是同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室的岩石双轴流变仪(Rock Rheological Testing System)，如图1 所示.该仪器是为了岩石双轴流变试验专门设计的，不仅能够提供稳定的位移控制和伺服控制双轴加载条件，并且测量与控制精度极高，试样受力与变形的量测与控制精度分别达到5 N 和0.001 mm.该套系统吸取了当今先进的机械制造工艺和自动控制技术，量测、控制精度高且实现了数字化操作，可以实时监控整个试验过程，高速采集并储存数据，具有精度高、操作简易、结果可靠等优点，是一套先进的数字化试验设备.

2.2 试验材料

采用花岗岩作为试验研究对象，通过打磨将花岗岩加工成5cm 直径的圆球以及边长为5cm 的正方体和相应角度的锥体.试验加工所采用的花岗岩的主要材料性质如下表.

表1 花岗岩岩石材料性质表

3 试验方案

3.1 试验分组

试验研究的是粗粒土在点面接触以及点点接触两种不同的接触形式以及锥体的点面接触在不同锥体角度的情况下的破坏特性.试验中点－点接触试验的对象是5cm 直径的花岗岩圆球颗粒，通过定制的夹具将两球固定于加载平台之上.利用岩石双轴流变仪对其进行法向加载.

图1 双轴流变仪

图2 花岗岩圆球颗粒及试验示意图

锥体与岩块间的点－面接触试验是采用的边长为5cm 的花岗岩块体加工而成的锥体以及块体.选用棱长为5cm 是为了方便与之前的5cm 直径的圆球颗粒试验结果进行对比.此外，为了比较锥体的不同角度对颗粒间接触特性的影响，本研究在试验制样时改变了锥体的不同角度，制取了60°，75°，90°，105°，120°这五种不同角度的锥体.

最终通过岩石的双轴流变仪进行法向加载.

图3 花岗岩锥体颗粒

3.2 试验过程

加载过程中，利用伺服机控制两个颗粒的法向接触的压力，接触压力以5N/s 的增长速率增加，直到试件突然破碎而试验终止.试验进行过程中，通过岩石双轴流变仪自带的力和位移传感器以及外置的位移传感器记录颗粒间相对运动的位移情况.

图4 花岗岩锥体接触试验示意图

4 试验结果及分析

试验接触后，整理传感器记录的数据，锥体与块体接触的力－位移曲线如图5 ～9 所示.

由图5 ～图9 中的五组锥体与块体的点面接触情况下的力位移曲线发现，试验开始之后，块体之间的接触力并非立即上升，而是出现大致0.75mm 左右的位移之后才慢慢上升.

图5 锥体角度为60°花岗岩接触试验结果图拟合曲线为y=10.2567*X－10.3267

图6 锥体角度为75°花岗岩接触试验结果图拟合曲线为y=17.6733*X－25.6251

图7 锥体角度为90°花岗岩接触试验结果图拟合曲线为y=20.7827*X－25.0118

接触破坏的力－位移曲线中出现多次跳跃现象，说明在实验过程中锥体的尖角发生了多次破碎.并且随着锥体角度的变大，接触曲线的跳跃次数在减少，幅度也在降低.图5 至图9 分别是表示的锥体角度从60°～120°之间的力－位移曲线.分析锥体角度为60°的点面接触力－位移曲线，一共出现了三次幅度较大的破碎，其中第二次跳跃幅度最大，说明在试验过程中出现的颗粒破碎最为严重.当锥体角度增加到120°时，力－位移曲线表现出来的更加平稳，几乎没有明显的跳跃现象，说明破碎程度较小.

图8 锥体角度为105°花岗岩接触试验结果图拟合曲线为y=21.4902*X－23.64046

图9 锥体角度为120°花岗岩接触试验结果图拟合曲线为y=28.9817*X－22.6644

图10 圆球颗粒花岗岩接触试验结果图

此外，比较几种角度情况下的力－位移曲线的斜率.为使分析结果更加具有对比性，在此只取颗粒发生破碎的前半段进行研究.如图5 ～9 所示，对于不同的角度的接触破碎，拟合得到的斜率分别为:10.2567，17.6733，20.7827，21.4902，28.9817.随着锥体角度的变大，颗粒接触的力－位移曲线的斜率也在不断变大.该现象说明粒间接触刚度随着锥体角度的变大而不断的变大.

对比球颗粒的接触力学曲线，三组试验得到的力－位移曲线的斜率分别是27.814，27.669，31.245，曲线的斜率相近，平均值为28.909.该斜率比锥体的点面接触得到的力－位移曲线的斜率要大，说明圆球颗粒粒间接触刚度要大于锥体点面接触的接触刚度.

此外，观察图中三组试验数据所得到的力－位移曲线发现，与锥体的点面接触曲线不同，圆球颗粒的接触曲线并没有出现较为明显的跳跃现象，力－位移曲线呈现稳步逐渐上升的趋势，这表明圆球颗粒在试验过程中并没有大的突然破碎的现象，这说明圆球颗粒在颗粒接触的过程中表现出来的应力集中现象比较小，从而发生的破坏并不是特别明显.

5 试验结论

通过不同角度的锥体与岩块接触实验和圆球颗粒之间的接触试验，并对得到的结果进行对比分析，可以得到如下结论:

(1)在接触试验过程中，随着锥体角度的不断增加，锥体与块体接触破坏的力－位移曲线的斜率在不断的变大，说明锥体角度大的颗粒有着较大的接触刚度;

(2)在接触试验过程中，颗粒接触的应力集中现象随着锥体角度的变大而减弱，而圆球颗粒的粒间接触的应力集中现象要弱于锥体点面接触情形.

(3)通过圆球颗粒的接触试验与锥体的点面接触试验的对比可以发现，圆球颗粒的接触刚度相对于锥体点面接触时的接触刚度较大.

粗粒土的接触破坏试验说明了颗粒间接触模式和接触点的角度对颗粒粒间接触特性如接触刚度、破碎形态的影响.该研究对于粗粒土接触特性的研究有一定的推动作用，但是粗粒土接触特性的力学机理还需要进一步的研究讨论.

［1］ 刘萌成，高玉峰，刘汉龙，等.堆石料变形与强度特性的大型三轴试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(7):1104－1111.

［2］ 柏树田，崔亦昊.堆石的力学性质［J］.水力发电学报，1997(3):21－30.

［3］ 秦红玉，刘汉龙，高玉峰，等.粗粒料强度和变形的大型三轴试验研究［J］.岩土力学，2004，25(10):1575－1580.

［4］ 刘汉龙，秦红玉，高玉峰，等.堆石粗粒料颗粒破碎试验研究［J］.岩土力学，2005，26(4):562－566.

［5］ 王子寒，周健，赵振平，等.粗粒土强度特性及颗粒破碎试验研究［J］.工业建筑，2013，43(8):90－93.

［6］ Uday K V，Padmakumar G P，Singh D N.Some Studies on Morphology of the Coarse－Grained Soils［J］.Engineering Geology，2013，152(1):48－55.

［7］ Zhao H F，Zhang L M，Fredlund D G.Bimodal Shear－Strength Behavior of Unsaturated Coarse－Grained Soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2013，139(12):2070－2081.

［8］ 姜景山，程展林，左永振，等.粗粒土CT 三轴流变试验研究［J］.岩土力学，2014，35(9).

［9］ 姜景山，程展林，姜小兰.粗粒土二维模型试验研究［J］.长江科学院院报，2008，25(2):38－41.