張敏超 劉新榮 王鵬 杜立兵

摘要：為探究含石量對(duì)泥巖土石混合體剪切特性及細(xì)觀破壞機(jī)制的影響，設(shè)計(jì)了含石量20%～80%共4組試樣，分別在0.2、0.4、0.6、0.8MPa這4種不同圍壓下進(jìn)行室內(nèi)大型三軸剪切試驗(yàn)，研究不同含石量試樣的偏應(yīng)力、體積應(yīng)變及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律;基于數(shù)字圖像處理技術(shù)生成PFC^2D顆粒流數(shù)值模型進(jìn)行一系列數(shù)值分析。結(jié)果表明：試樣抗剪強(qiáng)度隨含石量增大而不斷增大。與其他類(lèi)型的土石混合體不同的是，泥巖土石混合體在低圍壓下呈先剪縮后剪脹的變化規(guī)律，且含石量越高，最終剪脹效果越明顯;在高圍壓下始終表現(xiàn)為剪縮，且含石量越低，剪縮效果越強(qiáng)。內(nèi)摩擦角隨含石量增大呈慢一快一慢的“S”型增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在20%～80%含石量?jī)?nèi)增長(zhǎng)較快;黏聚力隨含石量增大不斷降低，但下降速率逐漸減小。數(shù)值試驗(yàn)表明：土石混合體在剪切過(guò)程中存在拉一剪混合破壞;隨含石量增加，土石混合體骨架結(jié)構(gòu)效應(yīng)越來(lái)越顯著，剪切帶繞過(guò)塊石，形成多個(gè)形狀不規(guī)則的小剪切帶。

關(guān)鍵詞：含石量;泥巖土石混合體;顆粒流模型;剪切特性;細(xì)觀破壞機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2019）06-0017-10

近年來(lái)，中國(guó)西南地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，下穿土石混合體（soil-rock mixture，簡(jiǎn)稱SRM）回填區(qū)域的隧道工程項(xiàng)目日益增多，例如，重慶軌道交通10號(hào)線某段穿越土石回填區(qū)，最大填方厚度達(dá)62m。土石混合體的剪切特性是控制隧道開(kāi)挖變形及穩(wěn)定性的重要力學(xué)參數(shù)，研究表明，土石混合體的含石量（rock block proportion，簡(jiǎn)稱RBP）及塊石巖性等因素對(duì)其剪切特性有顯著影響。因此，開(kāi)展不同含石量下土石混合體剪切特性的研究對(duì)控制隧道開(kāi)挖變形及穩(wěn)定性具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)含石量等因素對(duì)土石混合體剪切特性的影響，學(xué)者們采用原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段展開(kāi)了一系列研究。Lindquist等通過(guò)大量試驗(yàn)研究得出，含石量對(duì)土石混合體的力學(xué)特性有顯著影響，土石混合體中的塊石導(dǎo)致其表現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性特征，從而對(duì)土石混合體的細(xì)觀變形破壞機(jī)理及宏觀力學(xué)特性造成顯著影響。李曉等基于現(xiàn)場(chǎng)大型推剪和壓剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了土石混合體的破壞模式及強(qiáng)度參數(shù)在不同含石量、不同尺寸和不同應(yīng)力狀態(tài)下的變化規(guī)律。Coli等基于Santa Barbara礦區(qū)內(nèi)的土石混合體現(xiàn)場(chǎng)推剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了含石量對(duì)土石混合體力學(xué)特性及強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律。

為彌補(bǔ)原位試驗(yàn)的不足，大量學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究。Dinc等、Kalender等采用室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，研究了含石量對(duì)土石混合體單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，并通過(guò)擬合得到了預(yù)測(cè)土石混合體強(qiáng)度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。董云采用改進(jìn)的新型室內(nèi)直剪試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了土石混合體強(qiáng)度指標(biāo)的影響因素，結(jié)果表明，母巖性質(zhì)和含石量對(duì)土石混合體的強(qiáng)度指標(biāo)影響較大。金磊等借助室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)，研究了塊石含量及形狀對(duì)膠結(jié)土石混合體力學(xué)特性的影響規(guī)律。劉忠強(qiáng)等基于室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了不同塊石形狀、土體性質(zhì)、含石量及應(yīng)力狀態(tài)下崩積體重塑樣的剪應(yīng)力一應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度參數(shù)曲線的變化規(guī)律。Afifipour等采用單軸壓縮試驗(yàn)，研究了人工制備的高含石量混雜巖的強(qiáng)度參數(shù)。

現(xiàn)階段相關(guān)研究主要有以下3點(diǎn)不足：1）雖然考慮了含石量對(duì)土石混合體剪切特性的影響，但由于多數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)研究選用的土石混合體試樣中塊石顆粒粒徑較小，相較于實(shí)際工程中的土石混合體所含塊石粒徑差異較大;2）相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)多為單軸壓縮試驗(yàn)或直剪試驗(yàn)，較少進(jìn)行土石混合體在不同圍壓條件下的大型三軸壓縮試驗(yàn);3）中國(guó)西南地區(qū)的土石混合體所含塊石多以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，對(duì)該類(lèi)泥巖土石混合體剪切特性的研究較少。該類(lèi)土石混合體多為非膠結(jié)土石混合體，泥巖塊石強(qiáng)度較低，導(dǎo)致其力學(xué)特性較其他類(lèi)型的土石混合體有顯著差別。

通過(guò)上述分析可知，現(xiàn)階段對(duì)于泥巖土石混合體在不同含石量下剪切特性的大型三軸試驗(yàn)研究還不是很全面。因此，本文以重慶市軌道交通10號(hào)線下穿土石回填區(qū)所取得的土石混合體材料為研究對(duì)象，該類(lèi)土石混合體所含塊石主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，基質(zhì)土體為粉質(zhì)黏土。采用該土樣制備不同含石量的土石混合體試樣，然后，在不同圍壓下進(jìn)行室內(nèi)大型三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，詳細(xì)分析了含石量對(duì)土石混合體剪切特性的影響。最后，運(yùn)用數(shù)字圖像處理生成泥巖土石混合體的二維數(shù)值模型，采用PFC顆粒流軟件研究了該類(lèi)土石混合體剪切面的演化規(guī)律及含石量對(duì)其細(xì)觀破壞機(jī)制的影響。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)所用儀器為四川大學(xué)華西巖土研究所研制的YS30-3B型粗粒土應(yīng)力路徑控制大型三軸試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)主要由三軸試驗(yàn)機(jī)、應(yīng)力路徑控制系統(tǒng)及自動(dòng)采集系統(tǒng)3部分組成。最大軸向荷載為1500kN，最大圍壓為4MPa，最大軸向行程為300mm，試樣直徑為300mm，高度為600mm。

試驗(yàn)材料取自重慶市軌道交通10號(hào)線下穿土石回填區(qū)域，其塊石主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，基質(zhì)土為粉質(zhì)黏土。通過(guò)相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得土樣基本物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示。從取回的土樣中隨機(jī)抽取4份，烘干后通過(guò)篩分試驗(yàn)測(cè)得土樣的天然級(jí)配曲線如圖1所示，土樣天然含石量約為60.51%。

根據(jù)前人研究成果，選定5mm作為土/石閾值;考慮到試樣所允許的最大塊石粒徑應(yīng)小于試樣高度或直徑的1/5倍，故取最大粒徑為60mm，剔除所取土樣中直徑大于60mm的塊石。因此，試驗(yàn)中“塊石”表示粒徑在5～60mm的泥巖或砂質(zhì)泥巖，粒徑小于5mm的部分為“基質(zhì)土體”。以該土石混合體土樣為基礎(chǔ)，根據(jù)得到的顆粒級(jí)配曲線制備了含石量（塊石質(zhì)量占?jí)K石與基質(zhì)土體總質(zhì)量的百分比）分別為20%、40%、60%和80%的土石混合體試樣。圖2為制備的各含石量泥巖土石混合體顆粒級(jí)配曲線。

1.2試驗(yàn)步驟

首先，依據(jù)圖2中不同含石量試樣的級(jí)配曲線及9.2%的天然含水率，稱取各粒組所需質(zhì)量，然后加入預(yù)計(jì)質(zhì)量的水，攪拌使粗細(xì)顆粒均勻混合，用防水膜包裹密封，養(yǎng)護(hù)24h，使試樣干濕均勻。制樣時(shí)，控制試樣密度與土樣天然密度2.07g/cm³一致，稱取一定質(zhì)量配置好的土樣，分4層裝入三軸試樣套筒內(nèi)，每層厚度為150mm。為保證試樣質(zhì)量，每層土石料入模后，采用靜壓法壓實(shí)至預(yù)定高度。為避免層間出現(xiàn)預(yù)設(shè)軟弱面，對(duì)各層之間接觸面進(jìn)行鑿毛處理。試驗(yàn)時(shí)，試樣采用反壓法飽和。然后，在設(shè)計(jì)圍壓下進(jìn)行固結(jié)，最后，保持0.1mm/min的剪切速率開(kāi)展排水剪切試驗(yàn)，當(dāng)試樣的軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，終止試驗(yàn)。

研究重點(diǎn)是含石量對(duì)土石混合體力學(xué)特性和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，因此，選取4種代表性含石量，分別在圍壓0.2、0.4、0.6、0.8MPa下進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖3給出了經(jīng)過(guò)大型三軸剪切試驗(yàn)后，20%～80%這4種含石量的泥巖土石混合體試樣在不同圍壓條件下偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律?？梢钥闯?，相同圍壓下，不同含石量試樣的偏應(yīng)力一軸向應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，但峰值偏應(yīng)力隨含石量增大而增大。曲線在局部出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，原因是由于剪切過(guò)程中試樣局部出現(xiàn)大粒徑塊石，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致塊石破碎，從而引起曲線局部波動(dòng)。該類(lèi)土石混合體偏應(yīng)力一軸向應(yīng)變曲線可分為3個(gè)階段：1）初始階段曲線大致呈線性變化，該階段主要為土體壓密過(guò)程，部分試樣的曲線略微呈下凸型，推測(cè)可能是由于制樣過(guò)程中人為因素造成試樣土體未達(dá)到均勻和密實(shí)狀態(tài)，導(dǎo)致試驗(yàn)初期變形較大;2）隨著軸壓逐漸增大，曲線的斜率緩慢減小，直到出現(xiàn)峰值偏應(yīng)力，該階段塊石的滑動(dòng)、重新排列導(dǎo)致塊石之間相互咬合;3）軸壓進(jìn)一步增大，此時(shí)試樣在低圍壓和高圍壓下產(chǎn)生了不同的變形特性：在圍壓較低（0.2、0.4MPa）條件下，表現(xiàn)出弱應(yīng)變軟化特性;而在高圍壓（0.6、0.8MPa）條件下，則表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性。

2.2體應(yīng)變特性

圖4給出了不同圍壓條件下20%和80%兩種代表性含石量的泥巖土石混合體的體應(yīng)變一軸向應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯?，不同含石量試樣在相同圍壓條件下的體積應(yīng)變一軸向應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本相同，但體變量大小有所差異。

低圍壓（0.2、0.4MPa）條件下，各含石量試樣在試驗(yàn)初期均表現(xiàn)出一定的剪縮。原因是由于在試驗(yàn)初期，顆粒填充到原來(lái)的空隙中并發(fā)生壓密作用，導(dǎo)致試樣高度降低;隨著軸向應(yīng)變逐漸增大，由于圍壓較小，塊石容易發(fā)生滑移、翻轉(zhuǎn)及相互錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣進(jìn)入剪脹階段且剪脹幅度快速增大;試驗(yàn)后期，試樣體應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)可以看出，相同圍壓下，含石量越高，試樣最終體應(yīng)變?cè)酱螅醇裘涀饔迷斤@著。以圍壓0.2MPa為例，20%含石量的試樣軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，體應(yīng)變?yōu)?.85%，且體應(yīng)變已經(jīng)趨于穩(wěn)定;但80%含石量的試樣軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，體應(yīng)變?yōu)?.9%，且體應(yīng)變有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。

與低圍壓條件下的結(jié)果顯著不同的是，高圍壓（0.6、0.8MPa）條件下，各含石量試樣隨軸向應(yīng)變?cè)龃笫冀K表現(xiàn)為剪縮特征。原因是由于試樣經(jīng)過(guò)試驗(yàn)初期壓密作用后，在較高圍壓條件下，顆粒翻轉(zhuǎn)難度較大;且由于塊石主要為強(qiáng)度較小的泥巖、砂質(zhì)泥巖，其受到粒間作用力而破碎，導(dǎo)致細(xì)顆粒含量增加，孔隙繼續(xù)被填充，試件進(jìn)一步被壓密而表現(xiàn)出剪縮特征。此外，還可以看出，相同圍壓下，含石量越低，試樣在剪切過(guò)程中體應(yīng)變?cè)酱螅醇艨s作用越顯著。以圍壓0.8MPa為例，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，20%和80%含石量試樣的體應(yīng)變分別為3.1%和2.5%。

圖5給出了20%含石量試樣在0.2MPa圍壓條件下經(jīng)過(guò)三軸試驗(yàn)后的變形破壞特征?？梢钥闯觯嚇又猩喜砍尸F(xiàn)出顯著的鼓脹現(xiàn)象。

2.3抗剪強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范，從泥巖土石混合體的偏應(yīng)力一軸向應(yīng)變關(guān)系中取得抗剪強(qiáng)度：該曲線有峰值時(shí)取峰值，無(wú)峰值時(shí)則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的值。圖6所示為不同含石量的泥巖土石混合體在不同圍壓條件下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，抗剪強(qiáng)度大致隨含石量增大而逐漸增大。采用摩爾一庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)圖6中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表明在0.2～0.8MPa圍壓范圍內(nèi)摩爾一庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)該泥巖土石混合體基本適用。根據(jù)該擬合曲線即可獲得不同含石量泥巖土石混合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值（c、ψ）。下面將探討含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。

2.3.1內(nèi)摩擦角與含石量的關(guān)系

不同含石量下泥巖土石混合體內(nèi)摩擦角ψSRM如圖7中試驗(yàn)值所示。其中，含石量為0時(shí)，基質(zhì)土體內(nèi)摩擦角Фsoil=13°。由圖7可知，含石量對(duì)內(nèi)摩擦角影響顯著。

由圖7可以看出，試驗(yàn)值呈“S”形分布，其變化規(guī)律符合Logistic函數(shù)。借鑒前人研究成果，采用Logistic函數(shù)并考慮邊界條件等因素，擬合得

從圖7中可以看出，經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)值擬合較好，能夠很好地反映出泥巖土石混合體內(nèi)摩擦角隨含石量增長(zhǎng)的變化規(guī)律：即當(dāng)含石量小于20%時(shí)，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)較為緩慢;含石量在20%～80%之間時(shí)，內(nèi)摩擦角則增長(zhǎng)較快;含石量大于80%后，內(nèi)摩擦角逐漸趨于穩(wěn)定值。對(duì)這一變化規(guī)律分析如下：

影響土石混合體內(nèi)摩擦角大小的因素包含顆粒之間的滑動(dòng)和咬合產(chǎn)生的摩擦力。滑動(dòng)摩擦力受到構(gòu)成顆粒的礦物性質(zhì)及顆粒之間的接觸方式等影響;咬合摩擦力則與顆粒的大小、形狀及是否形成有效接觸等因素相關(guān)。從圖7中泥巖土石混合體內(nèi)摩擦角與含石量關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)含石量小于20%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨含石量的增大變化較為緩慢。這是因?yàn)楫?dāng)含石量較小時(shí)，基質(zhì)土體中的塊石相互之間并未形成有效接觸，塊石作用微弱，未產(chǎn)生骨架效應(yīng)，咬合摩擦力較小，此時(shí)的土石混合體更多地表現(xiàn)為“土”的特性，因此，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)較為緩慢。而隨著含石量繼續(xù)增大，塊石數(shù)量進(jìn)一步增多，并形成有效接觸作用，塊石之間的閉鎖、咬合等作用使得土石混合體內(nèi)摩擦角快速增大，此時(shí)的土石混合體變形與強(qiáng)度特性受到塊石與基質(zhì)土體的共同控制，含石量對(duì)其影響較為顯著。而當(dāng)含石量大于80%時(shí)，由于塊石已經(jīng)占據(jù)了試樣內(nèi)大部分空間，導(dǎo)致咬合作用進(jìn)一步發(fā)展的空間減小，因此，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速度也逐漸減小。

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式（1）的適用性并探討擬合參數(shù)a、6的實(shí)際意義。采用該公式對(duì)前人研究數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯剑?）能較好地反映土石混合體內(nèi)摩擦角同含石量之間的變化規(guī)律，具有較強(qiáng)的適用性。此外，通過(guò)對(duì)不同塊石性質(zhì)、不同基質(zhì)土體強(qiáng)度的土石混合體內(nèi)摩擦角一含石量的擬合公式可以總結(jié)出以下規(guī)律：擬合參數(shù)a與土石混合體中塊石的強(qiáng)度大小有關(guān)，塊石強(qiáng)度越高（如砂巖），則參數(shù)a的值越小，塊石強(qiáng)度越低（如泥巖），則參數(shù)a的值越大;擬合參數(shù)6與土石混合體中“基質(zhì)土體”的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于黏土等軟土，參數(shù)b的值較小，對(duì)于砂土則參數(shù)b的值較大。

根據(jù)前人研究成果可知，黏聚力主要包括顆粒間膠結(jié)力、結(jié)合水膜上的靜電引力、接觸點(diǎn)的化合價(jià)鍵及表觀黏聚力等，其中，表觀黏聚力包括毛細(xì)作用力及顆粒之間的咬合力。從圖9中預(yù)測(cè)曲線可以看出，隨著含石量的增大，泥巖土石混合體的黏聚力逐漸降低。在含石量較低范圍內(nèi)，黏聚力下降較為顯著。這是由于當(dāng)含石量較低時(shí)，一方面顆粒間咬合力較小，另一方面隨著含石量的增大，土體基質(zhì)逐漸減小，造成顆粒間膠結(jié)力不斷下降，結(jié)合水膜上的靜電引力及毛細(xì)引力也不斷下降，此時(shí)土石混合體的黏聚力主要受顆粒間膠結(jié)力、結(jié)合水膜上的靜電引力及毛細(xì)力控制，因此，表現(xiàn)為黏聚力的顯著下降;而在含石量較高時(shí)，顆粒間咬合作用顯著增強(qiáng)，由此增加的黏聚力部分抵消了顆粒間膠結(jié)力的減小，此時(shí)土石混合體的黏聚力受顆粒間咬合力及膠結(jié)力等共同控制，因此，表現(xiàn)出黏聚力下降速度變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。由于黏聚力的影響因素較多、隨含石量變化規(guī)律較為復(fù)雜，通過(guò)與前人研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式（2）較適用于塊石為軟巖、基質(zhì)土體為軟黏土的土石混合體。

3基于數(shù)字圖像處理的PFC^2D數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究含石量對(duì)泥巖土石混合體變形破壞細(xì)觀力學(xué)特征的影響，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立不同含石量下的泥巖土石混合體顆粒流模型，采用雙軸試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行模擬。

3.1數(shù)值模型的構(gòu)建

模型生成過(guò)程如圖10所示。首先，拍攝得到不同含石量下的土石混合體照片，利用MATLAB軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的二值圖像，然后，從二值圖像中提取塊石位置信息。參照原圖長(zhǎng)寬比，設(shè)置模型試件尺寸為300mm×600mm，按照預(yù)定的孔隙比，在模型試件中生成半徑在2.0～3.3mm的顆粒，根據(jù)上述得到的塊石位置信息，將顆粒組合成cluster塊石，最終生成相應(yīng)的土石混合體數(shù)值模型。模型邊界采用PFC中的墻體Wall，并將墻體的切向接觸剛度和摩擦力設(shè)置為0，以消除墻體與顆粒之間的摩擦對(duì)模擬結(jié)果的影響。

3.2數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

針對(duì)土石混合體中顆粒間的接觸特性，選用線性剛度模型、滑動(dòng)模型及接觸粘結(jié)模型3種接觸本構(gòu)模型。土顆粒與塊石之間的接觸特性對(duì)土石混合體性質(zhì)的影響較大，選用接觸粘結(jié)模型能夠更好地反映土石混合體的力學(xué)行為。

模型的細(xì)觀參數(shù)決定了其宏觀力學(xué)性質(zhì)，而目前還無(wú)法將材料的宏觀參數(shù)直接轉(zhuǎn)化為顆粒的細(xì)觀參數(shù)，因此，采用“試錯(cuò)法”確定數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)。選擇含石量20%的土石混合體試樣，分別在0.2、0.8MPa圍壓下的室內(nèi)大型三軸剪切試驗(yàn)得到的偏應(yīng)力一軸向應(yīng)變曲線為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，使20%含石量數(shù)值模型在0.2、0.8MPa圍壓下所得數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到最大程度的相近，如圖11所示?？梢钥闯?，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，表明該模型及相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)能夠較好地反映泥巖土石混合體的力學(xué)特性。

按照上述步驟并參考室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)，設(shè)計(jì)含石量20%、40%、60%和80%的試樣分別在0.2、0.4、0.6、0.8MPa條件下的數(shù)值模型試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，左右兩側(cè)墻體利用數(shù)值伺服機(jī)制施加恒定應(yīng)力使其保持固定;模型下邊界同樣保持固定，對(duì)上邊界施加0.1mm/rain的法向加載速率，當(dāng)模型試件軸向應(yīng)變達(dá)到15%后，停止加載。

3.3結(jié)果分析

3.3.1剪切面形態(tài)及演化特征

圖12給出了20%含石量試樣在0.2MPa圍壓下剪切面發(fā)展?fàn)顩r，其中，紅色代表拉伸裂紋，藍(lán)色代表剪切裂紋。從圖中可以清晰地觀察到剪切帶從無(wú)到有，直至貫通的全過(guò)程。

不同階段裂紋發(fā)展規(guī)律如下：

1）加載初期（εa=2%），微裂紋數(shù)很少，且主要集中在塊石附近，以剪切裂紋為主。這是由于塊石與土體的強(qiáng)度差異較大，初始加載時(shí)在土石界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致塊石與土顆粒相互滑動(dòng)，形成剪切裂紋。

2）加載到峰值偏應(yīng)力（εa=5%）之前，該過(guò)程中剪切裂紋開(kāi)始向土體內(nèi)部擴(kuò)展，這主要是由于土體壓密產(chǎn)生了剪切裂紋。

3）加載到峰值偏應(yīng)力后，從圖12中εa=5%～10%這一過(guò)程可以看出，隨著軸向應(yīng)變逐漸增大，剪切裂紋和拉伸裂紋數(shù)目均顯著增多并逐漸形成剪切帶，這是由于此過(guò)程中，一方面土體繼續(xù)壓密產(chǎn)生剪切裂紋;另一方面，塊石在荷載作用下翻轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致試樣體積膨脹，產(chǎn)生拉伸裂紋。

4）加載后期（εa=10%～15%），裂紋繞過(guò)塊石，并在塊石周?chē)屯馏w中逐步貫通，形成多個(gè)X型剪切帶。且裂紋主要以拉伸裂紋為主，表明此時(shí)土體的壓密作用已經(jīng)比較微弱，而是以塊石之間的翻轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)為主。

3.3.2含石量對(duì)破壞模式的影響

圖13為不同含石量的泥巖土石混合體分別在低圍壓（0.2MPa）和高圍壓（0.8MPa）條件下的最終破壞模式?？梢钥闯?，在低圍壓條件下，試樣加載后期以拉伸裂紋為主，表明此時(shí)塊石發(fā)生一系列翻轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣體積膨脹產(chǎn)生拉伸裂紋，這與室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)體應(yīng)變結(jié)果即剪切后期發(fā)生剪脹現(xiàn)象是一致的。此外，在含石量較低時(shí)，剪切破壞帶較規(guī)則，有一個(gè)明顯的從右上至左下的主剪切帶;而隨著含石量的增大，由于塊石的存在導(dǎo)致剪切帶變得極不規(guī)則，產(chǎn)生了多個(gè)小剪切帶。

而在高圍壓條件下，試樣加載后期以剪切裂紋為主，這與室內(nèi)試驗(yàn)體應(yīng)變結(jié)果始終為剪縮現(xiàn)象同樣是一致的。對(duì)于所含塊石強(qiáng)度較低的泥巖土石混合體，由于高圍壓的限制，泥巖塊石很難翻轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)，更容易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，因此，剪切帶在高圍壓條件下更寬。

4結(jié)論

采用大型三軸剪切試驗(yàn)及基于數(shù)字圖像處理的PFC數(shù)值模擬方法，研究了20%～80%的4種不同含石量的泥巖土石混合體，分別在0.2～0.8MPa圍壓條件下的剪切特性：

1）泥巖土石混合體三軸剪切過(guò)程中，相同圍壓下，不同含石量試樣的偏應(yīng)力一軸向應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，但峰值偏應(yīng)力有所差異。在低圍壓（0.2MPa）條件下，泥巖土石混合體呈現(xiàn)弱應(yīng)變軟化特性;在高圍壓（0.8MPa）條件下，則呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化特性。

2）低圍壓下泥巖土石混合體在三軸剪切過(guò)程中表現(xiàn)為先剪縮后剪脹，且含石量越大，試樣最終體應(yīng)變?cè)酱?，即剪脹作用越顯著;高圍壓下，試樣始終表現(xiàn)為剪縮特征，且含石量越小，試樣體應(yīng)變?cè)酱蠹醇艨s作用越顯著。

3）泥巖土石混合體的抗剪強(qiáng)度隨含石量增大而增大，含石量對(duì)其抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響顯著。總體上，內(nèi)摩擦角隨含石量增大呈慢一陜一慢的“S”型增長(zhǎng)趨勢(shì)：含石量在20%～80%范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)較快，其他范圍增長(zhǎng)較為緩慢;黏聚力隨著含石量增大不斷下降，但降低速率逐漸減小。擬合公式能夠較好地反映出泥巖土石混合體的內(nèi)摩擦角、黏聚力隨含石量增長(zhǎng)的變化規(guī)律，具有較好的適用性。

4）在剪切過(guò)程中，微裂紋首先出現(xiàn)在塊石附近，隨后逐漸向土體中擴(kuò)展，最終形成一條貫通的剪切帶。含石量越高，剪切帶形狀越不規(guī)則，呈現(xiàn)多個(gè)小剪切帶;低圍壓條件下，最終破壞模式以拉伸裂紋為主，而高圍壓條件下，則以剪切裂紋為主。