Effects of rock content and degree of compaction on interface shear characteristics of geogrid-soil-rock mixture
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摘要: 为了探究含石量和压实度对格栅-土石混合体界面抗剪特性的影响，采用大型直剪仪对不同含石量的格栅-土石混合体界面进行了单调剪切试验。试验研究了5种含石量（0%，25%，50%，75%，100%）和3种压实度（88%，92%，96%）对格栅-土石混合体界面的抗剪强度和体变特性的影响，并基于室内直剪试验建立了离散元分析模型，对界面的作用机理进行了分析。结果表明，含石量由0%增加至100%，筋土界面的抗剪强度、内摩擦角及似黏聚力均表现出先增大后减小的趋势，含石量为75%时达到最高；试样在高含石量下表现为较明显的应变软化和剪胀现象。此外，试样的压实度越高，筋土界面的剪切应力在前期增长越快，抗剪强度也越高。数值研究结果表明，低含石量模型的力链细而密，高含石量试样的力链较粗，分布较稀疏，且两组模型在剪切破坏后均形成贯通的强力链；高含石量试样在剪切过程中会形成一个孔隙率较大的带状区域，剪切面上的孔隙自两端向中间发展直至贯通。Abstract: In order to investigate the shear characteristics of the interface between geogrid and soil in the soil-rock aggregation with different rock contents and degrees of compaction, a mono-shear test is carried out on the interface of geogrid-soil mixture with different rock contents by using a large-scale direct shear apparatus. The effects of five kinds of rock contents (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) and three kinds of degrees of compaction (88%, 92%, 96%) on the shear strength and bulk deformation characteristics of the interface of geogrid-soil mixture are studied. Based on the laboratory direct shear tests, the discrete element analysis model for reinforced soil-rock mixture is established to explore the mechanism of interaction of the interface between geogrid and soil-rock mixture. The results show that the shear strength, internal friction angle and apparent cohesion of soil-reinforcedment interface increase first and then decrease with the increase of stone content from 0% to 100%, and reach the highest values when the stone content is 75%. The sample exhibits fairly apparent strain softening and dilatancy at high rock content. In addition, the higher the degree of compaction, the faster the shear stress increases and the higher the shear strength of the interface between geogrid and soil-rock mixture. The numerical results show that the force chains of the low rock content model are thinner and more dense, while the force chains of the high rock content samples are thicker and more sparsely distributed, and the two groups of models are formed through strong chains after shear failure. During the shear process, the samples with high rock content will form a zone with large porosity, and the pores on the shear plane develop from both ends to the middle until they are connected.
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0. 引言
土石混合体作为一种特殊的地质体在中国三峡库区和西南地区广泛分布[1]。考虑到挖填平衡、就地取材等原则，在基础设施建设过程中可将其作为基础填料应用于边坡回填、路基填筑、土石坝修建等工程中[2]。土石混合体是一种由细粒土、块石、空隙组成的非连续介质材料，其组分种类多样，剪切力学特性较复杂。由于混合体的颗粒级配跨度很大，因此常选用大型试验设备进行试验，如唐建一等[3]、涂义亮等[4]、刘新荣等[5]通过室内大型直剪试验探究了含石量、压实度、块石岩性、含水率等因素对土石混合体抗剪强度的影响，解释了混合体强度产生的机制。夏加国等[6]进行了固结不排水试验，发现含石量较高时土石混合体的应力-应变曲线呈锯齿状。杨校辉等[7]证实混合料填方工程应用中应严格控制压实系数，对于填方工程，混合料填筑体强度特性更为复杂。丁秀丽等[8]用ABAQUS研究了含石量、土石界面的接触特性对混合体力学特性的影响。杨忠平等[9]基于PFC2D研究了直剪试验中块石尺寸、颗粒级配、孔隙率等因素的影响。
近年来，填筑体变形破坏引发了魏家湾滑坡[10]等土石混合体边坡滑坡事故，为了提高边坡稳定性，工程应用中会在回填时分层铺设土工格栅等加筋材料，利用格栅与土体之间的摩擦、咬合等作用，减小填筑体的侧向变形。筋材与土体的接触面往往是加筋结构的薄弱处[11]，界面特性影响工程的稳定，因而筋材与土体的界面特性与强度机制是工程设计的关键[12-13]。Abdi等[14]通过拉拔试验比较分析了格栅与不同填土界面的拉拔特性。Liu等[15-17]通过直剪试验系统地分析了填料种类、颗粒形状、剪切速率、剪切幅值等对筋土界面强度与变形特性的影响。由于直剪试验的局限性，无法观测到剪切过程中土体移动、颗粒旋转等现象，周健等[18]利用数码可视化跟踪和量测技术，建立PFC模型，从细观角度验证了筋土接触界面的剪切带范围及颗粒旋转特征规律等。
综上所述，目前对土石混合体剪切强度和筋-土界面的相关研究已十分丰富，但针对格栅-土石混合体界面的相关研究较少，为了保证加筋土石混合体边坡的稳定性，进行相关研究十分有必要。本文基于单调直剪试验分析了含石量、压实度、竖向应力对格栅-土石混合体界面特性的影响，并结合数值模拟软件探究了不同含石量下模型的力链分布情况和剪切界面处孔隙率的发展规律。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料与仪器
本试验所用试样取自于海南省五指山市某工程，主要由砂质黏性土和中风化花岗岩组成。根据文献[19]建议并考虑剪切盒尺寸，本试验选用5 mm作为尺寸阈值，即5 mm以下的颗粒为土料，5 mm以上的颗粒为石料。对试样进行筛分试验，得到的各粒组土样如图 1所示。试验选用筋材的各项技术指标如表 1所示。
表 1 土工格栅技术指标Table 1. Main characteristics of geogrid土工合成材料 单位面积质量/
(g·m-2)网孔尺
寸/mm纵横肋尺
寸/mm极限延伸
率/%极限抗拉强
度/(kN·m-1)横向 纵向 横向 纵向 横向 纵向 聚丙烯土工格栅 330 35×35 5 5 9.8 9.9 45.8 46.3 为了研究含石量对格栅土-石混合体界面剪切特性的影响，称取所需各粒组土样，并将土样混合均匀，制备了含石量为0%，25%，50%，75%，100%共5种土样。图 2显示了各组土样的级配曲线，表 2为各组土样的级配组成情况。
表 2 不同含石量试样级配组成Table 2. Composition of samples with different stone contents含石量/% d10/mm d30/mm d60/mm Cu Cc 0 0.17 0.71 1.86 11.28 1.62 25 0.22 1.09 2.96 13.68 1.87 50 0.37 1.89 7.54 20.38 1.27 75 1.12 5.35 11.55 10.32 2.21 100 5.95 9.01 13.96 2.35 0.98 本试验使用的仪器如图 3所示。具体参数请见相关文献[20]。
1.2 试验方法
共设计了45组试验方案。制备了含石量为0%，25%，50%，75%，100%共5种土样，在每种含石量下设定3个压实度，分别为88%，92%，96%。试验开始前，先对试样统一施加10 kPa的竖向应力，预压30 min后再分别施加100，200，300 kPa的竖向应力，达到预定值后，以1 mm/min的剪切速率进行剪切试验，剪切位移达到60 mm时终止。
2. 直剪试验结果与分析
2.1 剪切应力−剪切位移曲线
（1）含石量的影响
图 4为不同含石量下的直剪试验结果（压实度92%），剪切曲线有如下特征：当试样的含石量较低时（0%~50%），随着剪切过程的进行，剪切应力持续增长，随后剪切应力保持不变，试样进入塑性变形阶段，未出现明显的峰值。低含石量试样中大部分为细集料，试样界面强度主要由格栅表面与细集料的摩擦作用、格栅横肋对土颗粒提供的被动侧阻作用、格栅网口处细集料间的相互作用力3方面来提供。剪切应力–剪切位移曲线表现为塑性应变破坏。
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图 4 不同含石量下格栅-土石混合体界面剪切应力-剪切位移曲线Figure 4. Shear stress-shear displacement curves of interface of geogrid-soil-rock mixture under different rock contents随着含石量的增加（50%~75%），粗集料开始接触并与土工格栅形成骨架，细集料将空隙填充，强度由格栅、粗集料和细集料一同提供，整体呈现应变软化特性。当含石量为100%时，试样仅由粗集料组成，粗集料与格栅所形成骨架存在较多空隙，试样界面的强度有所降低，曲线表现的应变软化特性增强。
图 5是含石量与抗剪强度关系曲线。在各竖向应力下，随着含石量增加，试样界面抗剪强度的变化规律具有一致性。各竖向应力下，试样界面的抗剪强度均在含石量增长至75%时最高。
（2）压实度的影响
图 6为不同压实度下格栅-土石混合体界面剪切特性曲线（含石量为50%）。分析剪切曲线可知，试样的压实度越高，剪切应力前期增长越快，抗剪强度越高。试样的剪切破坏模式与压实度有关，低压实度（88%）试样随着剪切的进行，剪切应力未出现明显峰值，表现为剪切硬化，而高压实度（96%）试样剪切时易出现剪切软化现象。
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图 6 不同压实度下格栅-土石混合体界面剪切特性曲线Figure 6. Shear characteristic curves of interface of geogrid-soil-rock mixture under different degrees of compaction图 7为压实度与抗剪强度关系曲线。在100，200，300 kPa竖向应力下，压实度从88%升高到92%，试样的抗剪强度增幅分别为16.4%，8.7%，8.1%，压实度从92%升高到96%，增幅分别为10.9%，6.6%，6.1%。由此可见，试样的压实度越高，提高压实度对其抗剪强度的提升越不明显。
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图 7 压实度与抗剪强度关系曲线Figure 7. Curves of relationship between degree of compaction and shear strength2.2 界面体变特性
（1）含石量的影响
图 8为不同含石量试样得到的竖向位移-剪切位移曲线（压实度92%），图 9为含石量与最终竖向位移关系曲线。由于剪切过程中剪切面不变，体变规律可以用接触面的竖向位移发展规律来代表，在本次试验中剪胀为正，剪缩为负。在剪切过程中含石量为0%，25%的试样在各竖向应力下均表现为剪缩，含石量为75%，100%的试样在各竖向应力下均表现为剪胀。而含石量为50%的试样在竖向应力为100，200kPa下表现为剪胀，在300 kPa下表现为剪缩。
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图 8 不同含石量格栅-土石混合体界面竖向位移-剪切位移曲线Figure 8. Normal displacement-shear displacement curves of interface of geogrid-soil-rock mixture under different rock contents![]()
图 9 含石量与最终竖向位移关系曲线Figure 9. Curves of relationship between rock content and vertical displacement（2）压实度的影响
图 10为不同压实度下剪切位移与竖向位移之间的关系曲线（含石量50%）。在100，200，300 kPa竖向应力下，试样在剪切结束后剪缩量分别为0.45，1.02，1.66 mm。竖向应力越大，低压实度（88%）试样的剪缩越明显，试样越趋于密实。而高压实度（96%）试样整体表现为剪胀，竖向应力大小对高压实度试样的剪胀量影响较明显。在100，200，300 kPa竖向应力下，试样在剪切结束后的剪胀量分别为9.12，6.66，3.75 mm。
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图 10 不同压实度下格栅-土石混合体界面竖向位移-剪切位移曲线Figure 10. Vertical displacement-shear displacement curves of interface of geogird-soil-rock mixture under different degrees of compaction2.3 界面强度指标分析
根据92%压实度工况下的试验结果，整理数据后线性回归分析可得到各筋土界面的σ-τ曲线（图 11）。各组数据点线性拟合后的相关系数R2均大于0.98，格栅-土石混合体界面的试验结果符合莫尔-库仑强度准则。
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图 11 不同含石量下格栅-土石混合体界面的σ-τ曲线Figure 11. σ-τ curves of interface of geogird-soil-rock mixture under different rock contents图 12为含石量与似黏聚力、内摩擦角关系曲线。本试验中，不同含石量界面表现出来的强度参数差异显著。含石量从0%增加至75%，格栅-土石混合体界面似黏聚力和内摩擦角分别增长469%，35.2%；含石量从75%继续提高到100%，似黏聚力和内摩擦角分别降低27.9%，6.4%。究其原因，试样界面的摩擦特性包含两部分：①颗粒间产生互相滑动时需要克服的滑动摩擦；②由于颗粒嵌锁和连锁及脱离咬合状态而移动产生的咬合摩擦。而似黏聚力随含石量变化的规律则可能与填料和格栅网格匹配程度有关[21]。图 13为剪切前后格栅变形示意图，试样在剪切过程中，界面上颗粒有相对移动的趋势，这使土工格栅发生变形，筋材产生拉力，颗粒受围锁作用更紧密的团聚在一起，使似黏聚力增大。含石量过低，细集料起主导作用，格栅和石块无法联成骨架，格栅的作用得不到发挥；含石量过高，网孔内的粗集料间存在较多空隙，颗粒间无法有效的传递力，颗粒嵌锁作用减弱；只有合适含石量的填料才可以把格栅的网格填满，使得在围锁效应最大化的同时减小土石混合体的孔隙比，提高颗粒间的咬合力，使咬合摩擦增大。
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图 12 含石量与似黏聚力、内摩擦角关系曲线Figure 12. Relationship among rock content, angle of apparent cohesion and internal friction3. 数值模拟分析
3.1 模型建立
数值模型中的剪切盒尺寸与试验真实尺寸一致，设置上下剪切盒长度分别为305，405 mm，高度均为100 mm。分别采用wall刚性墙和clump刚性簇来模拟剪切盒与加载板，剪切盒内按级配填充ball颗粒来模拟土石混合体。数值模型中土石颗粒采用线性接触模型，土工格栅采用平行黏结模型，土工格栅的相关参数：杨氏模量=63 GPa，刚度比=1.0，法向黏结强度=7.5 GPa，切向黏结强度=7.5 GPa，黏结半径=1.0 mm。
为了更准确还原土石混合体的级配，在考虑计算机效率和剪切宏观影响后，选定了9种粒径生成颗粒，遵循Rosin_Rammler粒径分布函数。其中半径为1~2.5 mm的颗粒代表“土”，半径为2.5~15 mm的颗粒代表“石”。图 14为含石量25%，75%两种工况的模型图，分别生成了22421，4301个ball颗粒，其中半径大于2.5 mm颗粒的体积分数可以反映含石量的大小。剪切盒内颗粒生成后，在上剪切盒上方的加载板施加200 kPa的竖向应力，沿水平方向移动下剪切盒达到60 mm后终止试验。
数值模拟采用与试验仪器相似的加载方式，为了与试样的宏观剪切特性相匹配，对颗粒接触刚度、孔隙率、颗粒摩擦系数等参数进行了校验。图 15为25%，75%含石量的模型在200 kPa竖向应力下得到的室内试验与数值模拟结果。通过对比可以发现两组曲线的变化规律基本相同，这验证了模型的可靠性，细观参数取值如表 3所示。
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图 15 剪切应力-剪切位移关系对比Figure 15. Comparison of shear stress-shear displacement relationship表 3 细观参数标定值Table 3. Calibrated values of microscopic parameters计算参数 土 石 墙体 法向接触刚度/(N·m-1) 2.0×106 5.0×106 2.0×108 切向接触刚度/(N·m-1) 1.0×106 2.0×106 1.0×108 摩擦系数 0.54 0.88 0 颗粒密度/(kg·m-3) 2100 2400 — 粒径/mm 0.075~5.0 > 5.0 — 3.2 细观力学响应分析
（1）接触力链分析
图 16为剪切过程的接触力链。观察图 16可发现，高低含石量下的试样在剪切初期，力链都呈均匀分布；剪切破坏后力链网络剧烈变化，形成贯通的强力链，与水平向形成的夹角约为30°~60°。对比图 16（a），16（b），在低含石量下，试样中主要为土颗粒，力链细而密；高含石量下，试样中主要为石颗粒，力链较粗，分布较稀疏，强度也较大。剪切过程中，细颗粒对粗颗粒间的孔隙进行填充，格栅有效限制了剪切界面附近块石的滚动，这都有利于形成稳定的强力链，宏观上表现为抗剪强度的提高。
（2）孔隙率分析
图 17为含石量75%的工况下，不同剪切阶段的孔隙率分布情况。观察可以发现，在施加竖向荷载后的剪切初期，剪切盒中试样的孔隙率分布较均匀，随着剪切的进行，下盒的孔隙率变化不大，上盒变化明显，这是由于土工格栅限制了下盒颗粒的运动，使界面处靠近上盒的颗粒运动较为剧烈。对比剪切初期、剪切中期、剪切后期的试样的孔隙率发展情况，可以发现剪切面上的孔隙逐渐增大，并自两端向中间发展直至贯通，形成了一个孔隙率较大的带状区域。这可能是由于颗粒转动、翻滚使孔隙变大，宏观上表现为剪切过程中试样的剪胀。
4. 结论
（1）格栅-土石混合体界面在低含石量（0%~50%）、低压实度（88%）下表现为剪切硬化；而在高含石量（50%~100%）、高压实度（96%）下则表现为剪切软化。
（2）随着含石量的提高，格栅-土石混合体界面的抗剪强度指标总体上表现为先增大后减小。含石量为75%时，格栅-土石混合体界面的抗剪强度、内摩擦角和似黏聚力均达到最大。
（3）低含石量和低压实度的试样在剪切过程中更易出现剪缩，高含石量和高压实度试样更易出现剪胀。
（4）高含石量和低含石量的模型在剪切破坏后均会形成贯通的强力链，且高含石量试样在剪切过程中会形成一个孔隙率较大的带状区域。
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图 4 不同含石量下格栅-土石混合体界面剪切应力-剪切位移曲线
Figure 4. Shear stress-shear displacement curves of interface of geogrid-soil-rock mixture under different rock contents
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图 6 不同压实度下格栅-土石混合体界面剪切特性曲线
Figure 6. Shear characteristic curves of interface of geogrid-soil-rock mixture under different degrees of compaction
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图 7 压实度与抗剪强度关系曲线
Figure 7. Curves of relationship between degree of compaction and shear strength
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图 8 不同含石量格栅-土石混合体界面竖向位移-剪切位移曲线
Figure 8. Normal displacement-shear displacement curves of interface of geogrid-soil-rock mixture under different rock contents
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图 9 含石量与最终竖向位移关系曲线
Figure 9. Curves of relationship between rock content and vertical displacement
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图 10 不同压实度下格栅-土石混合体界面竖向位移-剪切位移曲线
Figure 10. Vertical displacement-shear displacement curves of interface of geogird-soil-rock mixture under different degrees of compaction
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图 11 不同含石量下格栅-土石混合体界面的σ-τ曲线
Figure 11. σ-τ curves of interface of geogird-soil-rock mixture under different rock contents
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图 12 含石量与似黏聚力、内摩擦角关系曲线
Figure 12. Relationship among rock content, angle of apparent cohesion and internal friction
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图 15 剪切应力-剪切位移关系对比
Figure 15. Comparison of shear stress-shear displacement relationship
表 1 土工格栅技术指标
Table 1 Main characteristics of geogrid
土工合成材料 单位面积质量/
(g·m-2)网孔尺
寸/mm纵横肋尺
寸/mm极限延伸
率/%极限抗拉强
度/(kN·m-1)横向 纵向 横向 纵向 横向 纵向 聚丙烯土工格栅 330 35×35 5 5 9.8 9.9 45.8 46.3 
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表 2 不同含石量试样级配组成
Table 2 Composition of samples with different stone contents
含石量/% d10/mm d30/mm d60/mm Cu Cc 0 0.17 0.71 1.86 11.28 1.62 25 0.22 1.09 2.96 13.68 1.87 50 0.37 1.89 7.54 20.38 1.27 75 1.12 5.35 11.55 10.32 2.21 100 5.95 9.01 13.96 2.35 0.98
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表 3 细观参数标定值
Table 3 Calibrated values of microscopic parameters
计算参数 土 石 墙体 法向接触刚度/(N·m-1) 2.0×106 5.0×106 2.0×108 切向接触刚度/(N·m-1) 1.0×106 2.0×106 1.0×108 摩擦系数 0.54 0.88 0 颗粒密度/(kg·m-3) 2100 2400 — 粒径/mm 0.075~5.0 > 5.0 —
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