DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.04.021

颗粒粒度与级配对碎石料与结构接触面剪切特性的影响

成浩¹，王晅^{1, 2}，张家生^{1, 2}，王启云³

(1. 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410075；

2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室, 湖南 长沙，410075；

3. 福建工程学院 土木工程学院，福建 福州，350108)

摘要：为了研究碎石料颗粒粒度与级配对土与结构接触面剪切强度与变形的影响，采用大型直剪仪分别进行4种不同粒度的单粒组碎石料以及3种不同连续级配碎石料与混凝土结构接触面的直剪试验，研究颗粒粒度、级配形式、结构面粗糙度以及法向应力对接触面剪切特性的影响。研究结果表明：颗粒粒度对碎石料与结构接触面的力学特性有显著影响，接触面剪切强度随颗粒平均粒度的增大而增大；而当平均粒度相同时，连续级配碎石料与结构接触面的剪切强度明显比单粒组碎石料与结构接触面的剪切强度高；接触面的体积变形在低法向应力下表现为先剪缩后剪胀，而在高法向应力下接触面则发生明显剪缩；在相同条件下，粗糙接触面的剪切强度和变形量(剪胀或剪缩)均比光滑接触面的高。

关键词：碎石料；接触面；颗粒级配；剪胀性；大型直剪试验

中图分类号：TU44             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)04-0925-08

Effects of particle size and gradation on shear behavior of interface between crushed stone and structure

CHENG Hao^{1, 2}, WANG Xuan^{1, 2}, ZHANG Jiasheng^{1, 2}, WANG Qiyun³

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. National Engineering Laboratory for High-Speed Railway Construction, Changsha 410075, China;

3. College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

Abstract: To investigate particle size and gradation of crushed stone on interface shear strength and dilatancy of soil-structure, a series of large scale direct shear tests were performed considering four uniform particle samples and three graded samples. Based on the results of tests, the influence of particle size, grain-size distribution, roughness and normal stress on interface shear behavior were discussed. The results show that soil particle size has pronounced effect on shear strength of interface, and interface shear strength increases with the increase of particle size. Interface shear strength of graded samples is greater than that of uniform samples which has the same mean particle size. The deformation of interface changes from shear contraction to dilatancy under low normal stress and presents obvious contraction under high normal stress. The response of shear strength and deformation of rough interface is significantly larger than that of smooth interface under the identical condition.

Key words: crushed stone; interface; gradation; dilatancy; large scale direct shear test

碎石料、砂砾料等粗粒料由于其具有良好的工程特性被广泛应用于大坝、高速铁路以及大型建筑物等工程建设中，因而，粗粒料与结构接触界面问题也广泛存在于岩土工程领域^[1-2]，如混凝土面板与垫层料、坝体土石料与基岩以及桩与桩周土等。目前，有许多学者采用室内试验或数值模拟的方法进行了土与结构接触界面的力学特性研究，分析粗糙度、不同法向边界条件以及复杂加载路径等因素对土与结构接触面剪切力学特性的影响^[3-5]。除此之外，SITHARAM等^[6-7]对土颗粒本身的细观力学性质如颗粒粒度、颗粒形状以及土体级配特征对颗粒材料与结构接触面剪切特性的影响进行了研究。UESUGI等^[8-9]系统研究了砂土的平均粒度、不均匀系数和结构面粗糙度对砂土与钢板接触面力学特性的影响规律，并提出了能考虑颗粒粒度与结构面粗糙度的相对粗糙度指标。VANGLA等^[10]进行了细砂、中砂和粗砂与土工膜界面直剪试验，发现粗砂与土工膜界面的剪切强度最高，而细砂与土工膜界面的剪切强度最小。胡黎明等^[11]通过直剪试验发现粒度缩尺后粗粒土与结构接触面强度降低。KIM等^[12]进行不同平行级配粗粒土筋土界面直剪试验时发现，筋土界面的剪切强度随粗粒土最大粒度的增大而增大。ATHANASOPOULOS等^[13]研究了砂土颗粒粒度对筋土界面剪切特性的影响，发现界面剪切强度受颗粒平均粒度与筋材网孔尺寸的共同影响，VANGLA等^[14]在进行不同粒度砂土与土工格栅界面剪切试验时也得到了相似的结论。综上所述，颗粒粒度与级配对土与结构接触界面的剪切特性有重要影响。但目前已有的研究主要是针对颗粒粒度相对较小的砂土颗粒，而实际工程中的粗粒土(如碎石料、砾石料等)颗粒粒度更大且变化范围较宽。目前关于粗粒料颗粒粒度与级配对土与结构接触面的影响的研究较少，因而，有必要针对不同颗粒粒度与级配的粗粒料与结构接触面界面剪切特性进行进一步研究。为此，本文作者以颗粒均匀的单粒组碎石料和具有连续级配的碎石料为研究对象，开展碎石料与混凝土结构接触面的室内大型直剪试验，分析颗粒粒度、级配形式、结构面粗糙度以及法向应力等因素对碎石料与结构接触面剪切力学特性的影响。

1  试验设备与材料

1.1  试验设备

试验设备采用大型多功能界面直剪试验仪TAW-800，见图1。该直剪设备由上剪切盒、下剪切盒、液压动力系统、LVDT位移传感器、计算机控制及数据采集系统组成，可以实现单向剪切、循环剪切等复杂应力路径的剪切试验。上、下剪切盒长×宽×高均为500 mm×500 mm×150 mm；试样竖向荷载通过刚性板施加，最大可达到800 kN。在剪切过程中，下剪切盒固定，上剪切盒水平位移及刚性板的竖向位移通过LVDT位移传感器测量，水平最大行程为300 mm，位移精度可达0.01 mm。在试验过程中，水平与竖向方向的位移和荷载由计算机自动记录并保存。为了减小剪切过程中刚性剪切盒对试料颗粒移动的约束，剪切盒尺寸应至少为颗粒最大粒度d_max的8~10倍^[15]，因此，采用该直剪试验仪对最大粒度≤50 mm的粗粒土试样进行剪切，可消除尺寸效应对接触面试验结果的影响。

图1  大型界面直剪试验仪示意图

Fig. 1  Schematic diagram of large direct shear apparatus

1.2  试验材料

试验所用粗粒料为长沙地区某采石场经人工破碎的灰岩碎石料，颗粒呈棱角型，颜色为深灰—浅灰色。为了研究碎石料颗粒粒度与级配对接触面剪切特性的影响规律，选用2组不同级配形式的碎石料：均匀颗粒组成的单粒组碎石料与连续级配碎石料。采用订制的方形筛将碎石料筛分为[2.36，4.75)，[4.75，9.50)，[9.50，13.60)和[13.600，16.00) mm共4组不同粒度范围的碎石料。不同粒度碎石料颗粒形貌如图2所示。采用筛分后得到的不同粒度碎石料颗粒配制3种连续级配碎石料试样，各试样级配曲线如图3所示。图3中，3条级配曲线的不均匀系数C_u分别为1.76，1.78和1.78，平均粒度d₅₀分别为3.9，8.1和13.6 mm，曲线的不均匀系数非常接近且最大粒度d_max均为31.5 mm，以便更好地研究颗粒粒度对接触面剪切特性的影响规律。不同碎石料试样的基本物理参数见表1。

图2  不同粒度范围单粒组碎石料

Fig. 2  Uniform samples with different particle sizes

试验采用预制的混凝土试块来模拟结构接触面，混凝土试块采用C35素混凝土制成，试块长×宽×高为570 mm×560 mm×110 mm。沿剪切方向混凝土试块长度比上剪切盒长70 mm，以保证试验过程中土样与混凝土试块有效接触面积不变，从而避免因试样面积不断减小而引起的误差。为了考虑结构表面粗糙度对接触面剪切特性的影响，分别预制光滑和粗糙这2种不同表面混凝土试块。光滑表面混凝土试块在预制时尽可能保证表面的平整度，并在试验前对表面进行打磨处理以形成光滑接触面；粗糙表面混凝土试块参考文献[3]中的方法，通过在混凝土表面预制规则的半圆形凹槽以形成粗糙接触面，其中半圆形凹槽的直径d为10 mm，相邻凹槽间距为30 mm。不同混凝土试块如图4所示。

图3  连续级配碎石料级配曲线

Fig. 3  Grain-size distribution curves of graded samples

表1  试样基本物理参数

Table 1  Basic physical properties of samples

图4  不同表面粗糙度混凝土试块

Fig. 4  Concrete blocks with different roughness

2  试验方案

试验前先将直剪仪下剪切盒替换为混凝土试块，然后将土样分3层装入上剪切盒中，按压实度为80%的要求分层进行整平、刨毛、压实。每组试样分别在法向应力为50，100，150和300 kPa下进行碎石料与混凝土接触面的剪切试验。试验采用位移加载控制方式，剪切速率为1 mm/min，考虑到沿剪切方向试块长度仅比上剪切盒尺寸长70 mm，为了避免过大的剪切位移后剪切盒内土颗粒漏出，当水平剪切位移达到50 mm时结束试验。具体的试验方案见表2。

表2  试验方案

Table 2  Test performs

3  试验结果与分析

3.1  颗粒粒度对接触面剪切特性的影响

在法向应力为100 kPa下，不同颗粒粒度的单粒组碎石料与粗糙结构接触面的剪切应力与剪切位移关系见图5(a)。从图5(a)可知：颗粒粒度对接触面的剪切强度有着明显影响，单粒组碎石料US1，US2，US3和US4与结构接触面的峰值应力比(即剪切应力峰值与法向应力的比值)分别为1.29，1.83，2.26和2.42，表明随着颗粒粒度增大，接触面的剪切强度也随之增大。在法向应力为100 kPa时，连续级配碎石料GS1，GS2和GS3与粗糙结构接触面的剪切应力与剪切位移关系见图5(b)，其中，级配曲线GS1，GS2和GS3的d₅₀分别为3.9，8.1和13.6 mm，且这3条级配曲线的不均匀系数非常接近，因此，图中的剪切强度的差异主要取决于碎石料颗粒粒度。由图5(b)可知：连续级配碎石料GS1，GS2和GS3与结构接触面的峰值应力比分别为1.60，1.73和2.36，显然，无论是单粒组碎石料还是连续级配碎石料，其与结构接触面的剪切强度均随颗粒平均粒度的增大而增大。该结果与粗粒土的直剪试验结果相同，这是因为无论是粗粒土的直剪或者是粗粒土与结构接触面的直剪，在剪切过程中，土颗粒之间或土颗粒与结构物之间都会发生错动、滑动和滚动等位移变动^[11]，而颗粒粒度的增大会导致土颗粒之间或者颗粒与结构物之间发生错动或翻滚所需的剪阻力增大，表现为剪切强度提高。从图5(a)和图5(b)还可以看出：随着粒度增大，剪切曲线开始出现明显波动。LI等^[16-17]在进行颗粒材料的直剪试验中也发现了相同的现象，并认为剪切曲线的波动与剪切过程中剪切带的体积变形(剪胀或剪缩)有关。随着颗粒粒度的增大，剪切曲线的波动幅度也越大。

图5  不同粒度碎石料与混凝土接触面的剪切应力-剪切位移曲线

Fig. 5  Interface shear stress-shear displacement curves with different soil particle sizes of crushed stone

当法向应力为100 kPa时，不同颗粒粒度碎石料和粗糙结构接触面的竖向位移与剪切位移关系见图6。由于试验过程中土样与混凝土表面接触面积保持不变，因此，竖向位移的变化可以反映剪切过程中接触面的体变规律，本文以体积膨胀为负，体积缩小为正。从图6可以看出：当法向应力为100 kPa时，不同级配形式碎石料与结构接触面均在剪切初期发生剪缩，而后随着剪切的进行发生剪胀；单粒组碎石料US1，US2，US3和US4与结构接触面的最终剪胀量分别为0.43，0.45，1.34和1.79 mm，连续级配碎石料GS1，GS2和GS3与结构接触面的最终剪胀量分别为0.15，0.76和1.53 mm，表明接触面的剪胀性随碎石料平均粒度的增大而有所增强。戴北冰等^[18]在研究颗粒大小对颗粒材料的剪胀性的影响时也得出类似结论。

图6  不同粒度碎石料与混凝土接触面的竖向位移-剪切位移曲线

Fig. 6  Interface vertical displacement-shear displacement curves with different soil particle sizes of crushed stone

3.2  颗粒级配对接触面剪切特性的影响

为了分析碎石料级配形式对接触面剪切特性的影响，分析法向应力为100 kPa时，单粒组碎石料US1和连续级配碎石料GS1分别与粗糙接触面的剪切应力与剪切位移的关系，结果见图7。从图7可以看出：碎石料GS1与混凝土接触面的剪切强度明显比碎石料US1与混凝土接触面的剪切强度高，而2种不同级配形式碎石料US1和GS1的平均粒度分别为3.55 mm和4.00 mm，其平均粒度非常接近，因而，接触面剪切强度的差异主要来源于碎石料颗粒组成的不均匀性。这是因为与单粒组碎石料US1相比，连续级配碎石料GS1颗粒组成的不均匀性更大，颗粒之间相互填充密实且颗粒与结构面的接触面积更大，在剪切过程中，颗粒间咬合力以及颗粒与结构面之间的摩擦阻力更大，因而，连续级配碎石料与结构接触面的剪切强度更高。

图7  不同级配形式碎石料与混凝土接触面剪切应力-剪切位移曲线

Fig. 7  Interface shear stress-shear displacement curves with different gradations of crushed stone

图8  不同级配形式碎石料与混凝土接触面竖向位移-剪切位移曲线

Fig. 8  Interface vertical displacement-shear displacement curves with different gradations of crushed stone

当法向应力为100 kPa时，单粒组碎石料US1和连续级配碎石料GS1分别与粗糙接触面的竖向位移与剪切位移关系见图8。从图8可以看出：在法向应力为100 kPa时，2种级配形式与粗糙接触面的剪胀(剪缩)性曲线发展规律类似，接触面在剪切初始阶段均表现为剪缩，之后，随着剪切位移继续增大，接触面表现为以剪胀为主的趋势，单粒组碎石料的最终剪胀变形量比连续级配碎石料的高。这也是因为单粒组碎石料是由粒度相近的均匀颗粒组成，颗粒间的咬合作用并不显著，在剪切过程中，颗粒更容易发生错动、翻越等位置调整，导致了较大的竖向变形。

3.3  法向应力对接触面剪切特性的影响

图9所示为不同法向应力下单粒组碎石料US4与粗糙接触面的剪切应力-剪切位移曲线。从图9可以看出：不同法向应力下的曲线发展规律相同；在剪切初期，剪切应力增加较快，而后增长速率逐渐减小且剪切应力逐渐趋于稳定值；随着法向应力增加，接触面的剪切应力峰值也增大；而接触面的峰值应力比随法向应力增大而减小，当法向应力分别为50，100，150和300 kPa时，接触面的峰值应力比分别为4.29，2.43，1.81和1.21，表明接触面的应力各向异性随着法向应力的增大而逐渐减小。

图9  不同法向应力下接触面剪切应力-剪切位移曲线

Fig. 9  Interface shear stress-shear displacement curves under different normal stresses

图10所示为不同法向应力下接触面剪胀性曲线。从图10可以看出：法向应力的变化对接触面剪胀性曲线也有显著影响；当法向应力较小时，接触面体变表现为先剪缩后剪胀，且以剪胀为主的趋势；而当法向应力较高时，接触面竖向位移随剪切位移的增加而单调增大，在剪切过程中，接触面的体变始终表现为剪缩。这是因为在较低法向应力下，颗粒受到约束作用较小，颗粒间的位置调整相对容易，因此，接触面的变形以剪胀为主；在高法向应力下，颗粒受到约束作用较大，颗粒翻越邻近颗粒的阻力变大，此时，颗粒趋于充填邻近间的孔隙，因此，接触面的变形以剪缩为主。张嘎等^[4]在进行粗粒土与钢板的接触面剪切试验时也得到了相同的结论。

3.4  粗糙度对接触面剪切特性的影响

当法向应力为100 kPa和300 kPa时，连续级配碎石料GS2分别与光滑和粗糙混凝土接触面的剪切应力与剪切位移曲线见图11。从图11可以看出：在相同法向应力下，粗糙接触面的剪切强度明显比光滑接触面的高；当法向应力为100 kPa和300 kPa时，碎石料GS2与粗糙接触面的剪切强度较光滑接触面的剪切强度分别提高35.4%和49.1%。这是由于在接触表面粗糙条件下，剪切过程中不仅土颗粒间存在咬合，而且颗粒与粗糙结构面之间也存在着咬合、嵌固作用。在剪切过程中，嵌固于粗糙结构面的土颗粒与上部土体颗粒之间的错位、翻滚导致实际剪切面不再是预设的直线，而是1个不断翻越嵌固于接触面粗糙部分的粗颗粒而形成的曲面，如图12中粗线所示。对于粗糙接触面而言，在剪切过程中，接触面附近土颗粒与结构表面发生相对剪切位移所产生的摩擦阻力更大，同时，土颗粒与粗糙结构面之间的咬合、嵌固作用也增大了接触面的剪阻力，导致粗糙接触面剪切强度显著增大。

图10  不同法向应力下接触面竖向位移-剪切位移曲线

Fig. 10  Interface vertical displacement-shear displacement curves under different normal stresses

图11  不同粗糙接触面剪切应力-剪切位移曲线

Fig. 11  Interface shear stress-shear displacement curves with different roughnesses

图12  土颗粒与不同结构表面相互作用示意图

Fig. 12  Illustration of interaction between soil particle and different concrete surfaces

当法向应力为100 kPa和300 kPa时，连续级配碎石料GS2分别与光滑和粗糙混凝土接触面的竖向位移与剪切位移关系见图13。从图13可以看出：粗糙接触面无论是在低法向压力下的最终剪胀量还是高法向应力下的最终剪缩量都比光滑接触面的大。这是因为在外力和结构表面的约束作用下，接触面的剪切会引起结构面附近一定范围内土颗粒变位即形成有一定厚度的剪切影响带，而粗糙度对结构面附近的土颗粒转动、滑动及位置重调整的能力有较大影响，从而影响剪切影响带的厚度。粗糙度越大，接触面剪切影响带厚度越大，因而，接触面在竖直方向的变形也越大。

图13  不同粗糙接触面竖向位移-剪切位移曲线

Fig. 13  Interface vertical displacement-shear displacement curves with different roughnesses

4  结论

1) 颗粒粒度对接触面剪切特性有显著影响。随着颗粒平均粒度从3.6 mm增大至14.8 mm，接触面剪切强度增大87%。

2) 在平均粒度相同条件下，连续级配碎石料与结构接触面的剪切强度比单粒组碎石料与结构接触面的剪切强度高，但其与结构接触面的竖向变形比单粒组碎石料的小。

3) 在相同法向应力条件下，碎石料与粗糙接触面的剪切强度明显比光滑接触面的高，且粗糙接触面无论是在低压时的剪胀量还是高压时的剪缩量均比光滑接触面的小。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-05-10；修回日期：2017-07-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51508097)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ2314)；中南大学研究生创新项目(2016zzts077)(Project(51508097) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ2314) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(2016zzts077) supported by the Graduated Student Innovation Foundation of Central South University)

通信作者：王晅，博士，讲师，从事岩土工程研究；E-mail：dddebug@csu.edu.cn