不同粒径材料的剪切特性分析.pdf

782023年4月质量控制与检测江西建材不同粒径材料的剪切特性分析李远中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081摘要：目前，大尺度的岩土体直剪试验费时费力，有必要采用替代材料进行试验。文中基于不同粒径的材料开展堆积层的直剪试验，获取不同法向应力及不同粒径下的剪应力一剪切位移曲线，分析不同粒径材料的剪切特性。结果表明，同一粒径下，随着法向应力逐渐增大，峰值剪应力也逐渐增大，剪切位移量也逐渐增大；同一法向应力作用下，随着材料粒径的增大，峰值剪应力也逐渐增大，其抗剪强度参数逐渐增大。然而，随着粒径的增加，剪切位移一剪应力曲线逐渐呈现波动现象。研究结果可为类似材料的剪切试验提供参考。关键词：直剪试验；粒径；法向应力；抗剪强度中图分类号：TU19文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 0 7 8-0 3Analysis of Shear Ferties of Materials with Different Particle SizesLi YuanPower China Guiyang Engineering Co.Ltd.,Guiyang,Guizhou 550081Abstract:At present,the large-scale direct shear test of rock and soil is time-consuming and laborious,so it is necessary to use alternativematerials for the test.The direct shear test of the accumulation layer is carried out based on the materials with different particle sizes,and theshear stress-shear displacement curves under different normal stresses and different particle sizes are obtained,and the shear characteristicsof the materials with different particle sizes are analyzed.The results show that under the same grain size,the peak shear stress and sheardisplacement increase with the increase of normal stress.Under the same normal stress,with the increase of material particle size,the peakshear stress gradually increases,and its shear strength parameter gradually increases.However,with the increase of the particle size,theshear displacement-shear stress curve gradually presents a wave phenomenon.The research results can provide reference for shear tests ofsimilar materials.Key words:Direct shear test;Particle size;Normal stress;Shear strength0引言我国西南地区、三峡库区等大型工程区域均存在大量的崩坡积物、残坡积物等形成的陡坡或缓坡。这些坡体表层一般都是由松散堆积层组成，物质组成复杂，主要包括碎砾石、碎石土、碎块石土等，粒径大小不一，大粒径材料占比多。其特性受到松散堆积层物质的影响，研究堆积层的力学特性、剪切破坏机制对开展堆积层地区基础建设与防灾减灾具有指导作用。堆积层的力学性质非常复杂，受内因和外因共同影响，许多学者通过室内试验或数值模拟对其进行了研究。赵川等 11对三峡库区的原状土与砾石混合制备堆积层开展直剪试验，揭示了不同含石量对土体抗剪强度参数的影响规律。徐文杰等 2 基于现代数字图像处理技术，分析内部块石形态，表明土石混合体的剪切带与块石含量有关。刘新荣等 3 以土石混合体为研究对象，开展室内大型直剪试验，分析土石混合体受剪切后的颗粒破碎特征，揭示颗粒变化规律。还有学者通过改进试验装备，开展土石混合体的剪切试验，胡峰等 4 以含石量、上覆压力和块石尺寸为变量进行土石混合体的剪切试验，揭示了土石混合体的剪切带形成演化规律。胡伟等 5 依托改进的剪切设备，采用高精度数据采集系统，获取了库区滑坡的滑带作者简介：李远（19 8 4-），男，贵州遵义人，本科，工程师，主要研究方向为工程地质与岩土施工。和滑体的原位抗剪强度参数。牛茗等 6 分析了直剪试验与三轴试验的异同点。也有学者开展数值模拟工作，徐文杰等 7 以含石量、颗粒尺寸，强度特性为变量，通过颗粒离散元软件开展数值剪切试验，表明土石混合体的抗剪强度随样品尺寸增加逐渐减小的规律。由于自然界中的堆积层物质粒径往往较大，但室内试验研究受限于材料尺寸，难以反映实际情况 8 。因此，可替代材料的出现，给岩土体大型直剪试验提供了新途径。采用不同粒径大小的材料替代岩土体模拟堆积层，开展室内直剪试验，分析在不同法向应力作用下的抗剪强度及剪切特性。1室内直剪试验方案为获取堆积体的抗剪强度指标，本文拟通过室内直剪试验来获取，直剪试验仪器采用美国Geocomp公司生产的大型直剪仪，剪切盒尺寸为30 5mm305mm，获得的数据可靠。直剪试验仪分为上剪切盒和下剪切盒两个部分。剪切时，先给加压板施加一个稳定的垂直压力P，再给剪切盒一个水平方向的力T，使试样沿着上下剪切盒的交界面发生剪切破坏，同时，垂直方向和水平方向的加载装置通过力传感器和位移传感器记录相对应的数据，试样的水平横截面面积为A，则作用于试样上的法向应力为=P/A,切向应力为t=T/A。采用四种不同粒径（R1、R2、R3、R4）的材料制备试样，材料均为实心材料。792023年4月质量控制与检测江西建材2试验结果分析2.1剪切破坏特征根据试验设计方案，法向压应力分别为10 0 kPa、200kPa、30 0 k Pa 和40 0 kPa，获取四组试样的剪应力-剪切位移曲线，如图1所示，图中仅展示两组法向压应力下的曲线。需要指出的是，由于粒径R1的材料是该直剪仪所能剪切的材料粒径的下限，因此，在试验过程中堆积体不易控制，有部分颗粒在剪切过程中被挤出，导致试验曲线不理想，如图1中，2 0 0 kPa时的剪应力应变曲线误差较大。从图1中可以看出，同一粒径情况下，随着法向应力逐渐增大，峰值剪应力也逐渐增大，相应剪切位移量也逐渐增大；同一法向应力作用下，随着材料粒径的增大，峰值剪应力也逐渐增大。需要注意的是，在10 0 kPa的法向应力作用下，不同粒径材料的剪应力相差不大，这可能是因为低法向应力作用下，法向应力对堆积体的抗剪能力影响有限。200-R,-100kPaR,-200kPa150R2-100kPaR2-200kPaR3-100kPaR3-200kPa-￥-R-10 0 k Pa100-*-R,-200kPa505101520位移/mm图1不同粒径材料在各法向压应力下剪应力剪位移曲线（R,-10 0 k Pa 指粒径R为材料在10 0 kPa法向应力作用下的曲线曲线）对于粒径为R的材料，除了2 0 0 kPa法向应力作用下，其他法向应力下的剪应力剪位移曲线斜率随着法向应力的增加呈增加趋势，且随着剪应力增加，低法向应力作用下越容易发生较大位移，在达到峰值剪应力后，应力基本保持不变；法向应力越高，其达到峰值剪应力的周期越长，且呈现微型缓慢增长趋势。对于粒径为R的材料，随着法向应力的增加，曲线斜率逐渐增加，曲线整体较为平稳，震荡趋势少见。对于粒径为R，的材料，随着法向应力的增加，曲线斜率均逐渐增加，且同法向应力作用下，曲线斜率均小于粒径为R2的材料的曲线斜率。对于粒径为R4的材料，随着法向应力的增加，曲线斜率也逐渐增加，且同法向应力作用下，曲线斜率均小于粒径为R3的材料的曲线斜率。2.2抗剪强度参数取各垂直压力下的抗剪强度峰值，绘制抗剪强度与法向应力关系曲线，即抗剪强度包络线，如图2 所示。不同粒径材料的抗剪强度包络线均近似为线性关系，拟合效果较好。根据这些强度包络线可求出抗剪强度参数。对于粒径为R，的材料，其线性关系式的斜率最小，说明其材料的内聚力最小，而内摩擦角也是最小；对于粒径为R2、R3、R4的材料，其线性关系式的斜率近乎相同，说明其材料的内聚力差不多相同，而内摩擦角也差不多相同。结果表明，法向应力越大，抗剪强度越高，但对于不同粒径材料，同法向应力作用下，抗剪强度变化规律稍有区别，整体而言，法向应力越大，材料的抗剪强度越大。因此，根据现有强度准则可以进行抗剪强度参数确定，其结果具有一定的可信度。R350-R2R3300R4R的线性拟合R,的线性拟合250-R,的线性拟合R,的线性拟合200-150-10050-100150200250300350400法向应力/kPa图2不同粒径材料的抗剪强度包络线包线试验结果表明，随着材料粒径的增大，其抗剪强度参数逐渐增大。在剪切过程中，均未出现明显破碎现象。然而，随着粒径的增加，剪切位移一剪应力曲线逐渐呈现波动现象，说明半径越大材料组成的堆积体在剪切过程中，出现了一个从相对疏松的状态过渡到较为密实状态，因此，剪应力呈现上升下降相互振动的特征。随着颗粒间的咬合力逐渐增加，颗粒材料的剪应力则增大。室内试验是获取岩土体抗剪强度参数的最直接有效的方法，但由于试验组数较少，实验结果的可靠性受到影响，特别是部分试验存在离散性问题，导致计算的抗剪强度参数有一定的误差。因此，在可行性基础上，应设计对照试验，减小试验误差，力求计算得出的抗剪强度参数与材料的实际强度参数值吻合。若试验条件不允许，后期可开展数值模拟试验研究，数值试验目前是弥补室内试验不足的一种手段，能够有效再现岩土体的剪切破坏过程，获取剪切位移-剪应力曲线，求解抗剪强度参数，进而依据数值模拟试验结果对室内试验结果进行校核，综合获取较为真实的抗剪强度参数。因此，数值模拟方法与室内试验相结合，有助于获得真实的强度参数。3结语（1）不同粒径下的剪切试验结果表明：同一粒径情况下，随着法向应力逐渐增大，峰值剪应力也逐渐增大，相应剪切位移量也逐渐增大；同一法向应力作用下，随着材料粒径的增大，峰值剪应力也大体上呈现逐渐增大的现象。（2）不同粒径材料的抗剪强度包络线都近似为线性关系，拟合效果较好。（3）随着材料粒径的增大，其抗剪强度参数逐渐增大。在剪切过程中，均未出现明显破碎现象。然而，随着粒径的增加，剪切位移一剪应力曲线逐渐呈现波动现象。参考文献1赵川，石晋旭，唐红梅。三峡库区土石比对土体强度参数影响规律的试验研究J.公路，2 0 0 6（11）：32-35.（下转第8 5页）85行业资讯上接第8 2 页）上接第7 9页）2023年4 月质量控制与检测江西建材测，避免氯离子含量超标，保证建筑材料质量，为后续建筑工程施工的稳定性奠定坚实的基础。参考文献1万桂芬.探讨建筑用砂氯离子含量快速测定方法【J.广东建材，2015,31（4):2 8-3 1.2陈丹丹，罗冰.建设用砂氯离子检测研究【J】.化工设计通讯，2022,48（11):7 9-8 1,10 8.2 徐徐文杰，胡瑞林，岳中琦，等.基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究.岩石力学与工程学报，2 0 0 8（5）：996-10 0 7.3刘新荣，涂义亮，王鹏，等.基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究J.岩土工程学报，2 0 17，3 9（8）：14 2 5-14 3 4.4胡峰，李志清，胡瑞林，等.基于大型直剪试验的土石混合体剪切带变形特征试验研究 J.岩石力学与工程学报，2 0 18，3 7（3）：766-778.车辆荷载对桥梁的冲击作用较小。参考文献1陈宝春，陈友杰.桥梁工程（第二版）M.北京：人民交通出版社，2013.2王腾飞，刘艳.桥梁荷载试验检测相关问题分析J城市建设理论研究（电子版），2 0 14（3 6）：3 3-3 4.国内首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目首吊成功4月2 9日，明阳阳江青洲四海上风电场项目（以下简称“青洲四项目”）首台风机正式吊装完成，此举标志着国内近海深水区离岸最远项目正式进人风机安装阶段。作为国内首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目，青洲四项目规划装机容量50 0 MW，拟布置包括11MW、【3 周清长.建设用砂氯离子含量测试影响因素研究J.混凝土世界，2 0 16，8 4（6)：6 0-6 2.4封余贤，潘立，韦日强，等.建筑用砂氯离子含量检测及过程处理讨论【J】.建筑技术开发，2 0 2 1，4 8（6）：91-92.5姜丽丽.建筑用砂氯离子含量的检测方法J】.石材，2 0 2 2（11）：101-103.6 栾超，方光旭.离子色谱法测定建设用砂中氯化物含量【J.绿色环保建材，2 0 16（11）：11.5】胡伟，闵弘，陈健，等.大型原位直剪试验设备改进研制与应用J】.岩土力学，2 0 15，3 6（3）：90 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