高含石量堆积体剪切特性研究

　　摘要：通过室内大型直剪试验和PFC颗粒流数值模拟方法研究了不同含石量堆积体的剪切特性。研究结果表明，含石量对堆积体的强度和变形特性具有控制作用，随着含石量的升高，堆积体剪应力-位移关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变，即高含石量堆积体剪应力-位移曲线具有显著的应变软化特征，采用Weibull模型可以较好地拟合堆积体的剪应力-位移曲线。

　　关键词：堆积体;大型直剪试验;剪切特性;应变软化;PFC颗粒流

　　目前国内滑坡时有发生，威胁着人民的生命安全。尤其是斜坡遭遇库水位升降、持续降雨等情况，滑坡发生的概率要远大于平时。我国西南地区存在大量自然边坡，多雨季节滑坡时有发生。据统计，我国85%以上的滑坡为堆积体滑坡[1]，因此，深入研究堆积体的物理力学性质对滑坡的预报及治理具有重要意义。堆积体的应变软化现象会加速斜坡失稳的过程，而Weibull模型能很好地描述岩石的脆性破坏特性[2-3]。

　　应变软化边坡的失稳是一个逐渐变化的过程，即应力大的点先超过峰值强度而软化，软化后强度降低，此时超额的剪应力转移给相邻岩土体，使得相邻岩土体的剪应力超过其峰值强度，随之发生软化，如此延续，直至边坡的破坏。进行边坡的稳定性分析时，如果按照峰值剪应力计算，则比较危险[4]，因此考虑应变软化的边坡稳定性分析方法对于此类边坡的评价与治理具有重大的意义。

　　杨继红等[5]通过室内大型直剪试验得出，高含石量的土石混合体在较低法向应力下显示出应变硬化特性，而在高法向应力下则显示出应变软化的特性;薛亚东等[6]通过试验得出土石混合物在低法向应力时表现为剪胀，高法向应力时表现为剪缩;杨忠平等[7]通过数值模拟计算得出高含石量条件下，法向应力越高，应变软化越明显;贾学明等[8]通过数值模拟得出软岩混合料在高法向应力作用下产生剪缩和软化现象，硬岩混合料在高法向应力条件下表现为剪胀和塑性。已有的研究成果表明堆积体中含石量的多少以及石块的种类对剪应力-位移曲线的峰值和曲线形状都具有较大影响，但对于如何描述堆积体的剪切特性却研究甚少。本文运用PFC颗粒流技术计算得出高含石量堆积体的直剪试验剪应力-位移曲线，运用Weibull模型描述该剪应力-位移曲线。

　　1堆积体的大型直剪试验

　　对于土石混合介质堆积体而言，可采用三轴试验和大型直剪获得其抗剪强度。但三轴试验操作复杂，试验历时长，试样制作困难且受设备限制，试样中堆积体的最大粒径较小，不利用于对土石混合介质堆积体进行大量的试验研究。相比之下，大型直剪试验设备构造简单，制样方便，固结速度快，试验历时短，操作方便，对粒径限制小。因此，利用大型应变控制式直剪仪，结合三峡库区典型的土石混合介质堆积体边坡，进行了不同含石量条件下室内重塑样的大型直剪试验。

　　根据试验研究内容，定义小于5mm的颗粒是“土”，大于5mm的颗粒是“石块”，直剪仪适用的最大控制粒径为80mm，因此碎石粒径为5~80mm，碎石所占堆积体总质量的百分比为“含石量”，试样尺寸为504.6mm400mm。此次试验是用某滑坡现场取回的堆积体土样，堆积体为紫红色的黏土夹紫红色碎块石，土石比约为3∶7，碎块岩性为粉砂岩。整个试验配置了不同含石量的土体。根据不同含石量，在法向应力为300kPa的条件下进行试验，剪切速率为0.4~1.2mm/min，不同含石量堆积体的剪应力-位移曲线如图3所示，随着含石量的增加，土体出现应变软化现象。

　　3堆积体大型直剪试验的PFC数值模拟

　　离散元是专门解决不连续介质的一种数值计算方法，颗粒离散元法(PFC)主要模拟有限尺寸的颗粒，允许颗粒产生位移和转动，能很好地反映颗粒的运动机理、运动过程和结果。

　　3.1剪切盒模型

　　本次模拟的剪切盒尺寸和原模型一致[10]，在整个模拟过程中保持上剪切盒不动，推动下剪切盒向右移动，通过伺服加载机制使正应力保持不变。模拟过程中认为球和墙体都是刚性的，设置的墙体刚度远远大于球体。

　　3.2颗粒生成及参数设置

　　此次模拟的是土石混合体的直剪，在模拟过程中为了保持计算机高速运转，使用ball模拟土石块，在参数设置时，将其摩擦系数适当放大，以此来抵消土石块棱角带来的影响[8]。

　　3.3模拟结果PFC

　　随着剪切位移的增大，模拟出的剪应力先增大后减小，表现出应变软化特性，其峰值剪应力为317kPa，对应的剪切位移为40.9mm。与试验得出的剪应力曲线相比，峰值降低，而在峰值出现时对应的剪切位移与试验一致。

　　数值模拟剪切应力曲线峰值较小的可能原因有2个：一是在数值模拟中，ball有一定的旋转，用ball代替石块减小了石块间的摩擦力;二是ball在PFC中默认为刚性，数值模拟中石块无破碎，剪切应力是仅仅克服摩擦力，而在实际剪切过程中石块有破碎，剪切应力是颗粒间的摩擦力和块石破碎所需力之和。另外，在计算过程中运用的线弹性模型相比平行粘结模型的抗剪强度也不可避免的受到影响。

　　岩土论文投稿刊物：岩土工程学报核心期刊，是中国水利学会、中国土木工程学会、中国力学学会、中国建筑学会、中国水力发电工程学会、中国振动工程学会联合主办的1979年创刊的期刊，已经成为水利、土木工程、力学等领域的核心期刊。

　　4结论

　　对堆积体进行大型直剪试验，试验结果可知，当堆积体的含石量<60%时，堆积体的剪切特性表现为应变硬化;当堆积体的含石量>70%时，堆积体表现为应变软化特性，且堆积体的抗剪强度随含石量的增大而增大。在高含石量下，堆积体剪应力-位移曲线具有明显的应变软化特征，模拟试验得出的剪应力-位移曲线采用Weibull模型拟合，结果表明Weibull模型对堆积体的应变软化具有很好的拟合效果。

　　参考文献：

　　[1]刘汉东.边坡失稳定时预报理论与方法[M].1版.郑州:黄河水利出版社,1996:42-60.

　　[2]陈竑然,秦四清,薛雷,等.岩石脆性破坏表征与Weibull分布适用范围[J].地球物理学进展,2017,32(5):2200-2206.

　　[3]杨哲豪,俞缙,涂兵雄,等.考虑刚度劣化影响的岩石峰后应变软化模型[J].华侨大学学报(自然科学版),2018,39(5):664-668.

　　[4]薛海斌,党发宁,尹小涛,等.应变软化边坡稳定性分析方法研究[J].岩土工程学报,2016,38(3):570-576.

　　[5]杨继红,董金玉,黄志全,等.不同含石量条件下堆积体抗剪强度特性的大型直剪试验研究[J].岩土工程学报,2016,38(S2):161-166.

　　[6]薛亚东,刘忠强,吴坚.崩积混合体直剪试验与PFC2D数值模拟分析[J].岩土力学,2014,35(S2):587-592.

　　作者：杨继红1，王晶莹1，杨兴隆1，刘佳宾2，刘晓广1

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