动态法向应力下颗粒特性对砾石摩擦行为的影响机制研究

针对砾石材料在动静荷载耦合作用下易发生剪切滑移失效的问题，研究人员通过系统化大型直剪试验，探究了中值粒径(d50)和级配系数(Cu)在恒定(CNL)与动态法向荷载(DNL)条件下的作用规律。研究发现d50主导剪切强度，动态荷载会引发增强/弱化效应，并建立含颗粒参数的修正摩擦模型，为抗震防护工程中砾石材料的性能优化提供理论依据。

　　

在土木工程领域，砾石作为边坡防护的核心材料，长期面临着复杂荷载环境的挑战。香港万宜水库等工程实例显示，结构自重、波浪作用与地震力等动静荷载耦合作用常导致砾石层发生剪切滑移。然而，现有研究多聚焦静态荷载下砾石力学行为，对动态法向应力循环变化与颗粒特性的耦合影响机制认知不足。这种认知缺口使得工程实践中难以精准预测砾石防护体系在交通振动、潮汐波动或地震冲击等动态场景下的稳定性。

为破解这一难题，中国某研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表研究，采用DJZ-500大型直剪仪系统测试了五种不同颗粒特性的砾石样本。通过对比恒定法向荷载(CNL)与动态法向荷载(DNL)条件下的剪切响应，结合颗粒破碎分析和修正摩擦模型构建，揭示了颗粒尺度与动态剪切行为的定量关系。关键技术包括：伺服液压加载系统实现精确应力控制，双组件剪切盒模拟实际应力路径，高频数据采集系统捕捉应力相位延迟现象，以及基于筛分法的颗粒破碎量化分析。

CNL测试结果
研究发现H3样本在σ₀=250kPa时出现剪切应力超过法向应力的"应力反转"现象，这与细粒土行为显著不同。所有样本均显示d₅₀与剪切强度呈正相关，而级配系数C_u影响较弱，表明颗粒尺度而非分布宽度主导静态剪切阻力。

动态剪切响应
DNL条件下发现三类特征行为：小振幅动态荷载引发剪切强化，中等振幅产生最大强化效应（C_u≥5时提升达18.7%），而大振幅导致弱化。这种非单调演变与颗粒重排列和破碎竞争机制相关，相位差分析显示样本刚度决定应力响应滞后程度。

颗粒破碎分析
通过筛分曲线对比发现，粗颗粒区域破碎显著（H3样本d>20mm颗粒减少12.3%），细颗粒区域变化微小。破碎程度与动态应力幅值正相关，但级配良好的样本表现出更优的破碎抗力。

结论与意义
该研究首次建立d₅₀-C_u参数空间与动态剪切强度的映射关系，提出含颗粒参数的修正速率-状态摩擦模型。理论层面揭示了"粗颗粒增强效应"和"级配缓冲效应"的物理机制；工程层面为抗震防护结构中的砾石级配优选提供量化标准，特别对潮汐电站边坡、跨海大桥基础等承受复合动态荷载的关键基础设施具有直接指导价值。研究突破传统土力学仅关注静态参数的局限，推动岩土工程向动力响应精准预测方向发展。