張敏超 劉新榮 王鵬 杜立兵

摘要：為探究含石量對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”型增長趨勢，且在20%～80%含石量內(nèi)增長較快;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)越來越顯著，剪切帶繞過塊石，形成多個形狀不規(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

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

近年來，中國西南地區(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，簡稱SRM）回填區(qū)域的隧道工程項目日益增多，例如，重慶軌道交通10號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，簡稱RBP）及塊石巖性等因素對其剪切特性有顯著影響。因此，開展不同含石量下土石混合體剪切特性的研究對控制隧道開挖變形及穩(wěn)定性具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

針對含石量等因素對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)值模擬等手段展開了一系列研究。Lindquist等通過大量試驗(yàn)研究得出，含石量對土石混合體的力學(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)場推剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了含石量對土石混合體力學(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，并通過擬合得到了預(yù)測土石混合體強(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，對該類泥巖土石混合體剪切特性的研究較少。該類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)特性較其他類型的土石混合體有顯著差別。

通過上述分析可知，現(xiàn)階段對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號線下穿土石回填區(qū)所取得的土石混合體材料為研究對象，該類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土石混合體剪切面的演化規(guī)律及含石量對其細(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。通過相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測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，烘干后通過篩分試驗(yàn)測得土樣的天然級配曲線如圖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)得到的顆粒級配曲線制備了含石量（塊石質(zhì)量占塊石與基質(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，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，對各層之間接觸面進(jìn)行鑿毛處理。試驗(yàn)時，試樣采用反壓法飽和。然后，在設(shè)計圍壓下進(jìn)行固結(jié)，最后，保持0.1mm/min的剪切速率開展排水剪切試驗(yàn)，當(dāng)試樣的軸向應(yīng)變達(dá)到15%時，終止試驗(yàn)。

研究重點(diǎn)是含石量對土石混合體力學(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?？梢钥闯觯嗤瑖鷫合?，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)波動現(xiàn)象，原因是由于剪切過程中試樣局部出現(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。該類土石混合體偏應(yīng)力一軸向應(yīng)變曲線可分為3個階段：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程，部分試樣的曲線略微呈下凸型，推測可能是由于制樣過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、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?？梢钥闯觯煌吭嚇釉谙嗤瑖鷫簵l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)及相互錯動等現(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。同時可以看出，相同圍壓下，含石量越高，試樣最終體應(yīng)變越大，即剪脹作用越顯著。以圍壓0.2MPa為例，20%含石量的試樣軸向應(yīng)變達(dá)到15%時，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，體應(yīng)變?yōu)?.9%，且體應(yīng)變有繼續(xù)增大的趨勢。

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)變增大始終表現(xiàn)為剪縮特征。原因是由于試樣經(jīng)過試驗(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，試樣在剪切過程中體應(yīng)變越大，即剪縮作用越顯著。以圍壓0.8MPa為例，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時，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)過三軸試驗(yàn)后的變形破壞特征?？梢钥闯?，試樣中上部呈現(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：該曲線有峰值時取峰值，無峰值時則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時的值。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。采用摩爾一庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對圖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)摩爾一庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對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，基質(zhì)土體內(nèi)摩擦角Фsoil=13°。由圖7可知，含石量對內(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的變化規(guī)律：即當(dāng)含石量小于20%時，內(nèi)摩擦角增長較為緩慢;含石量在20%～80%之間時，內(nèi)摩擦角則增長較快;含石量大于80%后，內(nèi)摩擦角逐漸趨于穩(wěn)定值。對這一變化規(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和咬合產(chǎn)生的摩擦力。滑動摩擦力受到構(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，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，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，含石量對其影響較為顯著。而當(dāng)含石量大于80%時，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，通過對不同塊石性質(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)，對于黏土等軟土，參數(shù)b的值較小，對于砂土則參數(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，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，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，通過與前人研究對比發(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)對其進(jìn)行模擬。

3.1數(shù)值模型的構(gòu)建

模型生成過程如圖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

針對土石混合體中顆粒間的接觸特性，選用線性剛度模型、滑動模型及接觸粘結(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?？梢钥闯觯M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到有，直至貫通的全過程。

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，形成剪切裂紋。

2）加載到峰值偏應(yīng)力（εa=5%）之前，該過程中剪切裂紋開始向土體內(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)、錯動導(dǎo)致試樣體積膨脹，產(chǎn)生拉伸裂紋。

4）加載后期（εa=10%～15%），裂紋繞過塊石，并在塊石周圍和土體中逐步貫通，形成多個X型剪切帶。且裂紋主要以拉伸裂紋為主，表明此時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)、錯動為主。

3.3.2含石量對破壞模式的影響

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，表明此時塊石發(fā)生一系列翻轉(zhuǎn)、錯動等現(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，剪切破壞帶較規(guī)則，有一個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)、錯動，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)變越大，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)變越大即剪縮作用越顯著。

3）泥巖土石混合體的抗剪強(qiáng)度隨含石量增大而增大，含石量對其抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響顯著?？傮w上，內(nèi)摩擦角隨含石量增大呈慢一陜一慢的“S”型增長趨勢：含石量在20%～80%范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角增長較快，其他范圍增長較為緩慢;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的變化規(guī)律，具有較好的適用性。

4）在剪切過程中，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。