王俊杰, 吳 曉

(1. 重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶400074)

砂泥巖顆粒混合料往復(fù)剪切特性試驗研究

王俊杰1,2, 吳 曉1,2

(1. 重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶400074)

通過對ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進行一定的改進，對砂泥巖顆粒混合料進行往復(fù)剪切試驗，在一定的往復(fù)剪切次數(shù)的影響下，分析了剪切力、剪切位移、法向位移、剪切強度等一系列的變化情況。研究表明：砂泥巖顆?；旌狭显谕鶑?fù)剪切過程中，剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系整體呈“梭型”變化趨勢，且逐漸重合，且試樣發(fā)生了明顯的法向位移；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力呈先增加最終趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角呈逐漸減小最終不變的趨勢。

巖土工程；砂泥巖顆粒混合料；往復(fù)剪切；剪切特性

0 引 言

砂泥巖互層結(jié)構(gòu)地層分布很廣泛，如岸坡、水庫等工程中普遍存在砂泥巖互層[1]。就地取材的砂泥巖顆?；旌狭鲜莾α糠浅ＸS富的建筑材料，有時甚至是工程建設(shè)中可利用的唯一建筑填料。目前對砂泥巖顆?；旌狭系难芯恐校饕性陟o荷載方面較多。如盧孝志等[2]通過控制砂泥巖顆?；旌狭霞壟洹⒑始懊軐嵍?，研究了不同砂泥巖配合比對鋼-土接觸界面剪切特性的影響，得出含砂量對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響；鄧文杰[1]通過GDS三軸試驗系統(tǒng)，對砂泥巖顆?；旌狭蠌姸茸冃翁匦赃M行了全面的研究。

在一般情況下，砂泥巖顆?；旌狭洗嬖诘慕Y(jié)構(gòu)通常不僅會受到靜荷載的影響，還會有動荷載存在，如水流波浪、車輛荷載、地震等，對土體的抗剪強度產(chǎn)生極大的影響。有部分學(xué)者[3-8]同樣對不同土體進行了一定的循環(huán)剪切試驗研究來說明土體在動荷載條件下的抗剪強度影響。如齊劍鋒等[9]利用土工靜力-動力液壓三軸-扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀, 主要是通過不固結(jié)、不排水的試驗條件，對黏土的單調(diào)和循環(huán)剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與剪切強度特性進行研究，提出了與循環(huán)剪切強度大小是相關(guān)的一系列觀點；K.YASUHARA等[10]和T.MATSUI等[11]對循環(huán)荷載作用后土的強度等問題進行了一定的深入研究。然而, 目前對土體單調(diào)進行循環(huán)剪切試驗研究相對較少。因此結(jié)合砂泥巖顆?；旌狭洗嬖诘奶厥庑?，有必要研究動荷載條件下的砂泥巖顆?；旌狭系膹姸忍匦?。為此，通過對ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀改裝后，對砂泥巖顆?；旌狭线M行往復(fù)剪切試驗研究，探討了在往復(fù)剪切試驗條件下，剪應(yīng)力、剪切位移以及循環(huán)剪切強度的變化規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

所采用的試驗設(shè)備是由南京土壤儀器廠有限公司制造的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀改進而成的。該設(shè)備提供的試樣尺寸為61.8 mm×20 mm；在豎直方向上通過施加一定砝碼來滿足垂直壓力需求，在水平方向上通過與傳感器連接可實現(xiàn)試樣的往復(fù)剪切試驗。數(shù)據(jù)采集主要是采用東華測試DH5902N數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將其與儀器相連接的位移百分表和拉壓力傳感器，能夠詳細(xì)測出剪切過程中的法向位移、剪切位移及剪切力的變化趨勢，設(shè)置采集頻率為20 Hz，即每隔4 s采集1組數(shù)據(jù)，該設(shè)備的裝置示意圖見圖1。

圖1 剪切試驗裝置示意Fig.1 The equipment for the shearing test

1.2 試驗材料

試驗需要的土料主要是通過砂巖顆粒料、泥巖顆粒料進行配比而成。其具體的制取方法主要由以下幾個步驟組成：①現(xiàn)場采取弱風(fēng)化巖石塊，本試驗的弱風(fēng)化砂巖、泥巖均采自重慶長江附近某建筑工地，屬侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組；②室內(nèi)采取并制備試樣，測試其物理力學(xué)指標(biāo)；③機械、人工破碎巖石塊體形成巖石顆粒；④篩分巖石顆粒，為滿足該試驗的規(guī)范要求，用過篩分機分別對破碎后的砂巖和泥巖顆粒進行篩分，篩孔直徑分別為2，1，0.5，0.25，0.075 mm；⑤配制試驗土料，不同試驗土料的顆粒級配曲線是不同，砂泥巖顆?；旌狭现械纳澳鄮r顆粒含量比例也是不同的。根據(jù)對重慶地區(qū)砂泥巖顆?；旌狭系拇嬖诔醪搅私猓x取砂巖與泥巖質(zhì)量比為6∶4，由室內(nèi)土工試驗測得，試驗選取的各粒組顆粒的百分含量見表1，用土主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 試樣土料的顆粒粒徑分布Table 1 Particle size distribution of sample

表2 砂泥巖顆?；旌狭系闹饕夹g(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of sandstone-mudstone particle mixture

1.3 試驗方案

為了研究砂泥巖顆?；旌狭系耐鶑?fù)剪切試驗的強度特性，進行了在不同法向應(yīng)力條件下砂泥巖顆?；旌狭系耐鶑?fù)剪切試驗。共進行了4組往復(fù)剪切試驗，由于考慮以防試樣剪斷后，在持續(xù)的循環(huán)水平剪切作用下土體被剪出，并且試樣在水平剪切循環(huán)試驗循環(huán)剪切次數(shù)為8次時，各項指標(biāo)均已達到基本穩(wěn)定，因此本次試驗的往復(fù)剪切次數(shù)為8次，共剪切16次。文中的往復(fù)剪切均采用應(yīng)變控制，由于砂泥巖顆?；旌狭系耐杆暂^強，在100,200,300,400 kPa法向應(yīng)力下采用快剪試驗方案[2]直接對試樣進行往復(fù)剪切試驗，試驗的剪切速率為12 r/min，最大的剪切位移可達到7 mm。在試驗的過程中，實時記錄法向位移、剪切位移、剪切力等數(shù)據(jù)，從而分析砂泥巖顆?；旌狭显谕鶑?fù)剪切試驗條件下法向位移、剪切位移、剪切力等變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 剪應(yīng)力-剪切位移曲線與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線分析

首先，通過試驗結(jié)果所得出數(shù)據(jù)，整理出試樣在第一次剪切過程中的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。圖2為試樣材料是砂泥巖顆?；旌狭显诜ㄏ驊?yīng)力為100，200，300，400 kPa下，第一次剪切過程中剪應(yīng)力-剪切位移曲線[2]。

圖2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.2 Curves of shear force and shear displacement

以法向應(yīng)力為300 kPa為例，由圖中可以看出，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線主要分為以下3個階段:第1階段為彈性階段：在該階段中，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加迅速增大，即增大幅度較大的趨勢，整體幾乎呈線性變化；第2階段為塑性階段：在該階段中，剪應(yīng)力仍呈隨著剪切位移的增加而增大的趨勢，但是增大的幅度較為緩慢，逐漸出現(xiàn)屈服強度；第3階段為破壞階段：在該階段中，剪應(yīng)力集中比較明顯達到峰值，試樣破壞，在此之后，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加逐漸趨于穩(wěn)定，部分出現(xiàn)土體軟化現(xiàn)象。同時，在法向應(yīng)力為100，200，300，400 kPa下，隨著法向應(yīng)力逐漸增加，在同一法向位移情況下，法向應(yīng)力呈增大的趨勢，并且在不同法向應(yīng)力下，試樣基本都保持在剪切位移為3 mm左右，試樣剪應(yīng)力達到最大值，導(dǎo)致試樣破壞，隨后趨于穩(wěn)定或出現(xiàn)較少的軟化現(xiàn)象。

其次，對試樣在進行往復(fù)剪切8次試驗后的數(shù)據(jù)進行處理，圖3為300 kPa下的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線隨往復(fù)剪切次數(shù)的變化規(guī)律。由圖中可知，對土體每次往復(fù)剪切的過程進行對比，剪應(yīng)力與剪切位移的變化趨勢幾乎一致，同時在第一次剪切過程中，試驗出現(xiàn)剪切力變化滿足剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線趨勢；在隨后每次往復(fù)剪切過程中，剪切力與剪切位移的關(guān)系大體上呈“梭型”并且每次往復(fù)剪切數(shù)據(jù)有一定的重合，部分出現(xiàn)跳動現(xiàn)象。

圖3 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系隨循環(huán)剪切次數(shù)變化曲線(σ=300 kPa)Fig.3 Relations between shear force and shear displacement with cyclic shear cycles changes(σ=300 kPa)

為更精確的說明一次循環(huán)的情況，選取第4循環(huán)為例。由圖中可以看出，當(dāng)剪切位移達到初始位置后，剪應(yīng)力值是上一次循環(huán)剪切后，趨于穩(wěn)定后的殘余強度值；隨后反向進行下一次循環(huán)剪切，在較短的時間內(nèi)，剪應(yīng)力迅速降低到0；然后隨著剪切位移的增加，呈逐漸增大，且整體變化呈先陡后緩的趨勢。根據(jù)這種規(guī)律，在整個一次循環(huán)過程中，最終呈現(xiàn)圖中所示規(guī)律。比較第4循環(huán)、第6循環(huán)、第8循環(huán)的整體趨勢，可以看出由于在往復(fù)剪切過程中，土體出現(xiàn)翻滾、摩擦、移動等一系列的現(xiàn)象后，不同循環(huán)次數(shù)下出現(xiàn)細(xì)微差別。對比第6循環(huán)、第8循環(huán)的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系變化曲線，發(fā)現(xiàn)隨著剪切循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，土體被磨圓后，變化趨勢越來越穩(wěn)定，最后幾乎重合。

2.2 法向位移-剪切位移的關(guān)系曲線分析

針對試驗所得數(shù)據(jù)，分析法向位移與剪切位移關(guān)系的變化規(guī)律。圖4為以法向應(yīng)力為300 kPa為例，法向位移與與剪切位移的關(guān)系變化規(guī)律。由圖中可以看出，在同一剪切循環(huán)次數(shù)下，無論隨著剪切位移的增大還是減小，法向位移均呈有增加的趨勢，并且呈現(xiàn)一定的不對稱性，并且在單向循環(huán)過程中，法向位移增加的速率逐漸減慢，最終趨于平衡；隨著剪切循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，在同一剪切位移下，法向位移增量逐漸減小，最終也趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖3、圖4綜合分析，通過試驗結(jié)果，從不同角度來說明土體在往復(fù)剪切過程中，土體的變化特征。圖4能夠更清楚地表達出，隨著剪切次數(shù)的變化，土體中的顆粒通過在滾動、摩擦、破碎等一系列的動作下，進行平衡位置的調(diào)整，使得土體排列緊湊、密實；因此，盡管隨著循環(huán)剪切次數(shù)逐漸增加，鄰近的法向位移之差也會不斷減小，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 法向位移與剪切位移的關(guān)系曲線(σ=300 kPa)Fig.4 Curves of vertical displacement and shear displacement(σ=300 kPa)

2.3 剪切強度與循環(huán)剪切次數(shù)的變化分析

結(jié)合4組試驗數(shù)據(jù)，綜合處理后得出峰值剪切強度隨循環(huán)剪切次數(shù)的變化規(guī)律，見圖5。

圖5 峰值剪切強度與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Curves of peak shear strength with cyclic shear cycles changes

由圖5可知，在法向應(yīng)力為100，200 kPa下，隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加，峰值剪切強度均是先增加后減小的規(guī)律；在法向應(yīng)力為300，400 kPa下，隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加，均處于逐漸減小的趨勢，但是總體可以看出，峰值剪切強度隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加，總體變化趨勢不是很明顯。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，選取在不同法向應(yīng)力條件下的每一次循環(huán)剪切過程中的峰值剪切強度，進行作圖、分析、擬合曲線，來分析抗剪強度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系的變化規(guī)律。通過數(shù)據(jù)擬合看出，剪應(yīng)力與法向應(yīng)力呈良好的線性擬合關(guān)系，并且根據(jù)莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則：τ=c+σtanφ，其中c為土體的黏聚力(kPa)；σ為施加的法向應(yīng)力(kPa)；φ為土體的內(nèi)內(nèi)摩擦角(°)?？梢缘贸鲈诿看窝h(huán)剪切條件下抗剪強度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角的數(shù)值，見表3。

表3 循環(huán)剪切次數(shù)與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系Table 3 Relations between cyclic shear cycles changes and cohesion and internal friction

為了更清楚合理地分析黏聚力、內(nèi)摩擦角與循環(huán)剪切次數(shù)的變化規(guī)律(表3)，繪制出黏聚力與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系圖，見圖6；內(nèi)摩擦角與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線，見圖7。

圖6 黏聚力與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of cohesion and cyclic shear cycles changes

圖7 內(nèi)摩擦角與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Curves of friction and cyclic shear cycles changes

由圖6可以分析出，在剛開始的幾次循環(huán)剪切過程中，由于所施加的法向應(yīng)力起主導(dǎo)作用，土體顆粒逐漸被壓實，黏聚力逐漸增加。緊接著，隨著循環(huán)次數(shù)的增加。土體顆粒密實后，水平方向上的剪應(yīng)力呈主導(dǎo)作用，土體顆粒為了達到一個穩(wěn)定的位置，通過摩擦、移動，升高等，離開了原來的位置，從而導(dǎo)致土體的黏聚力出現(xiàn)下降的趨勢。最后，當(dāng)土體保持一個平衡的狀態(tài)后，黏聚力變化逐漸趨于穩(wěn)定，并且呈幾乎不變的狀態(tài)。總之，黏聚力隨著剪切圈數(shù)的增加，出現(xiàn)先增加后減小最后不變的趨勢。同理，由圖7可以分析出，內(nèi)摩擦角隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加，呈逐漸減小，并最終趨于不變的趨勢。

3 結(jié) 論

1)砂泥巖顆?；旌狭显谕鶑?fù)剪切過程中，剪應(yīng)力與剪切位移整體呈“梭型”變化趨勢，且隨著循環(huán)剪切次數(shù)的逐漸增加，變化趨勢越來越穩(wěn)定，最后幾乎重合。

2)在同一剪切循環(huán)次數(shù)下，隨著剪切位移無論是增大還是減小時，法向位移均呈增加的趨勢，并且呈現(xiàn)一定的不對稱性。隨著剪切循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，在同一剪切位移下，法向位移增量逐漸減小，最終也趨于穩(wěn)定。

3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力呈先增加后減小逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢；內(nèi)摩擦角隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加，呈逐漸減小，并最終不變的趨勢。

試驗結(jié)果表明了砂泥巖顆粒混合料的往復(fù)剪切試驗的一般規(guī)律。在以后的試驗過程中，可以對砂泥巖顆?；旌狭系钠渌匦匀缟澳鄮r混合比、級配、含水率、干密度等針對往復(fù)剪切試驗進行深入研究。

[1] 鄧文杰. 砂泥巖混合料強度變形特性三軸試驗研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué),2013. DENG Wenjie.TriaxialTextStudyonStrengthandDeformationBehaviorofSandstone-MudstoneParticleMixture[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University,2013.

[2] 盧孝志,梁越, 邱珍峰.砂泥巖配合比對鋼-土界面剪切特性影響的試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,17(14):272-275. LU Xiaozhi,LIANG Yue,QIU Zhenfeng.Text researches on shearing characteristics of steel-interface considering sandstone mudstone particle ratio [J].ScienceTechnologyandEngineering,2014,17(14):272-275.

[3] 齊劍峰. 飽和黏土循環(huán)剪切特性與軟化變形的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007. QI Jianfeng.AStudyonCyclicShearBehaviorandSofteningDeformationofSaturatedClay[D].Dalian: Dalian University of Technology,2007.

[4] 趙亦凡,劉文白.粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面往返剪切試驗的PFC2D數(shù)值模擬[J].上海海事大學(xué)學(xué)報,2015(1):81-85. ZHAO Yifan, LIU Wenbai. Numerical simulation on cyclic shear test of graval-structure interface by PFC2D[J].JournalofShanghaiMaritimeUniversity,2015(1):81-85.

[5] 張嘎,張建民.粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面單調(diào)力學(xué)特性的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2004(1):21-25. ZHANG Ga, ZHANG Jianmin. Experimental study on monotonic behavior of interface between soil and structure[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2004(1):21-25.

[6] 欒茂田,劉功勛, 郭瑩,等. 復(fù)雜循環(huán)荷載作用后長江口原狀淤泥質(zhì)軟黏土靜強度弱化特性研究[J].水利學(xué)報,2010,41(12):1047-1415. LUAN Maotian, LIU Gongxun, GUO Ying, et al. Study on the degradation of static shear strength of undisturbed silt soft clay in the Yangtze estuary after complex cyclic loadings[J].JournalofHydraulicEngineering,2010,41(12):1047-1415.

[7] 徐超, 陳洪帥, 石志龍,等.筋-土界面力學(xué)特性的水平循環(huán)剪切試驗研究[J].巖土力學(xué),2013,34(6):1553-1559. XU Chao, CHEN Hongshuai, SHI Zhilong,et al. Research on the mechanical behavior of soil-reinforcement interface by horizontal cyclic shear test[J].RockandSoilMechanics,2013,34(6):1553-1559.

[8] 梁越，盧孝志，王曉龍,等. 考慮土體密實度的鋼-土界面剪切特性研究[J].水運工程,2014(4):168-172. LIANG Yue, LU Xiaozhi, WANG Xiaolong, et al. Research on shearing characteristics of steel-soil interface considering dense degree of soil[J].Port&WaterwayEngineering, 2014(4):168-172.

[9] 齊劍峰,欒茂田,聶影,等.飽和黏土循環(huán)剪切強度與變形特性的試驗研究[J].水利學(xué)報,2008,39(7):822-828. QI Jianfeng, LUAN Maotian, NIE Ying, et al. Experimental study on cyclic shear strength and deformation behavior of saturated clays [J].JournalofHydraulicEngineering,2008, 39(7):822-828.

[10] YASUHARA K, MURAKAMI S, SONG B W,et al. Postcyclic degradation of strength and stiffness for low plasticitysilt[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,ASCE, 2003,129(8):756-769.

[11] MATSUI T, BAHR M A, ABE N. Estimation of shear characteristic degradation and stress-strain relationship of satuarated clays after cyclic loading[J].SoilsandFoundations,1992,32(1):161-172.

Experimental Study on Shearing Characteristics of Sandstone-mudstone Particle Mixture under Reciprocating Direct Shear

WANG Junjie1,2, WU Xiao1,2

(1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074，P.R.China；2. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)

By improving the ZJ typed strain control direct shear apparatus, reciprocating shear tests on sandstone-mudstone particle mixture were carried out. As the result of number of reciprocating cuttings, a series of changes of shear force, shear displacement, vertical displacement,shear strength etc were analyzed. The research results show that in the process of reciprocating shearing the sandstone-mudstone particle mixture, the shear stress-shear displacement relation presented trend of change in shape of "shuttle" generally and increasingly overlap where the specimen undertook notable vertical displacement. With the increase of cyclic shear cycles changed, cohesive force presented a tread of increasing and then stabilization meanwhile friction angle also showed a tread of decreasing followed by the final stabilization.

geotechnical engineering; sandstone-mudstone particle mixture; reciprocating direct shear; shear properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.14

2015-11-09；

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金項目(51479012)

王俊杰(1973—)，男，甘肅人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程等方面的教學(xué)和科研工作。E-mail:wangjunjiehhu@163.com。

TU432

A

1674-0696(2016)04-065-05