李澤闖，劉志斌，程培峰，張 昊，蔡啟源

（東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

在滑坡形成及變形機(jī)理方面，滑坡的變形、失穩(wěn)與滑帶土應(yīng)力狀態(tài)的改變、強(qiáng)度的減小有著緊密聯(lián)系，滑帶土力學(xué)特性研究顯得異常重要.國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)滑帶土宏觀力學(xué)性質(zhì)開展了較為深入的研究，目的是為了更好地理解和控制滑坡，也取得了豐富的成果.CHEN X P[1]等通過原位直剪、三軸和直剪試驗(yàn)研究了古滑坡滑帶土的力學(xué)特性，指出滑帶土應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化，沒有顯著的峰值，剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加而逐漸減小.NIAN T K[2]等通過對(duì)重塑滑帶土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)研究，指出非飽和滑帶土具有“軟化”應(yīng)力-應(yīng)變特性，而飽和滑帶土具有“硬化”曲線.LIAN B Q[3]等通過對(duì)滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，指出不同含水率下的殘余強(qiáng)度都近似與法向應(yīng)力成正比，且隨著含水率的增加，滑帶土的殘余粘聚力和摩擦角也隨之減小.高旭[4]等指出不同應(yīng)變速率下滑帶土抗剪強(qiáng)度值差異明顯.WANG L[5]等通過對(duì)滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，指出滑帶土殘余強(qiáng)度隨剪切速率的增加而降低，剪切位移和剪切速率的增加會(huì)改變剪切帶的結(jié)構(gòu).武立清[6]等通過對(duì)礫質(zhì)滑帶土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究了礫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒級(jí)配等因素對(duì)其力學(xué)特性的影響.ZOU Z X[7]等通過原位剪切試驗(yàn)，研究了黃土坡滑坡滑帶土的剪切力學(xué)性質(zhì)，指出滑帶土中礫石的存在增加了滑帶土的強(qiáng)度.李遠(yuǎn)耀[8]等通過對(duì)三峽庫區(qū)滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出該地區(qū)滑帶土的內(nèi)摩擦角隨碎石質(zhì)量含量的增加而增大.陳曉平[9]等通過對(duì)含粗?；瑤恋目辜魪?qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出滑帶土的抗剪強(qiáng)度受到粗粒質(zhì)量含量的影響.從文獻(xiàn)[10]～文獻(xiàn)[11]對(duì)滑帶土的研究總結(jié)中可以看出，學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)大量滑坡滑帶上的土一般都含有礫石等粗顆粒，含粗粒的滑帶土（粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 %～50 %）力學(xué)特性與一般細(xì)?；瑤劣休^大不同，粗顆粒的質(zhì)量占比是滑帶土的變形和強(qiáng)度特性的重要影響因素.現(xiàn)階段對(duì)于有較多含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25 %～50 %）粗顆粒的滑帶土的研究較少，且關(guān)于滑帶土力學(xué)性質(zhì)的研究大都停留在宏觀層面，宏觀層面的研究不足以解釋滑帶土強(qiáng)度的控制因素及滑坡變形演化的破壞機(jī)理.鑒于此，一些學(xué)者借助掃描電鏡、X 射線衍射儀等微觀研究設(shè)備對(duì)滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分進(jìn)行了深入的研究分析.劉動(dòng)[12]等采用掃描電鏡指出滑帶土顆粒在剪切過程中有明顯的定向排列現(xiàn)象，微觀結(jié)構(gòu)的變化與宏觀力學(xué)特性有著密切聯(lián)系.MIAO F S[13]等采用壓汞試驗(yàn)研究了三峽庫區(qū)滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)，指出微觀的分形結(jié)構(gòu)單元是影響滑帶土力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素.但微觀研究主要反映在以黏土礦物成分為主的細(xì)顆?；瑤粒ù笥?.075 mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于25%）.受到粗顆粒尺寸的限制，微觀試驗(yàn)的研究難以解釋較多粗顆粒組分滑帶土的特性，不適合對(duì)于含粗?；瑤灵_展研究.因而對(duì)含粗?；瑤吝M(jìn)行更加精細(xì)和深入的研究出現(xiàn)了瓶頸.

目前，在滑帶土方面的研究主要集中細(xì)?；瑤恋膹?qiáng)度特性和微觀特征，而針對(duì)含粗?；瑤磷冃纹茐臋C(jī)理等方面的研究還比較欠缺.可利用數(shù)值模擬手段突破顆粒尺寸的限制，進(jìn)行含粗粒滑帶土細(xì)觀層面的研究，以便與滑帶土宏觀剪切試驗(yàn)研究相結(jié)合.滑帶土的宏觀力學(xué)參數(shù)實(shí)質(zhì)上是土顆粒細(xì)觀參數(shù)的外在表現(xiàn)，顆粒流方法是模擬土體細(xì)觀力學(xué)的有效手段，可以通過顆粒流數(shù)值模擬研究含粗粒滑帶土細(xì)觀參數(shù)的變化對(duì)其宏觀現(xiàn)象的影響.鄭博寧[14]等提出對(duì)于含礫滑帶土可以通過顆粒流方法及CT掃描技術(shù)建立三維模型.含粗?；瑤恋暮?細(xì)觀研究尚處于起步階段，目前研究成果較少，有關(guān)細(xì)觀剪切變形特性的研究不夠全面.因此，研究含粗?；瑤恋暮昙?xì)觀力學(xué)特性，既能從宏觀層面理解和認(rèn)識(shí)其力學(xué)特性，又可以在細(xì)觀角度解釋含粗?；瑤恋募?xì)觀剪切變形機(jī)理，對(duì)于探究滑坡的變形破壞和穩(wěn)定性分析具有重要意義.

采用可視化直剪和顆粒流數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探究含粗?；瑤恋暮昙?xì)觀力學(xué)特性，先通過含粗?；瑤恋氖覂?nèi)可視化直剪試驗(yàn)對(duì)其宏觀力學(xué)行為進(jìn)行分析，之后運(yùn)用顆粒流數(shù)值模擬在細(xì)觀層面上對(duì)含粗?；瑤恋念w粒接觸力鏈、接觸力分布、位移矢量場(chǎng)、內(nèi)部應(yīng)力分布等細(xì)觀力學(xué)參量的演化過程進(jìn)行對(duì)比分析.

1 含粗?；瑤恋氖覂?nèi)試驗(yàn)

土體剪切試驗(yàn)所用儀器為可視化應(yīng)變控制式直剪儀，見圖1.

圖1 可視化直剪試驗(yàn)儀Fig. 1 visual direct shear tester

以往土工試驗(yàn)中常用的是不透明鋼板組成的封閉式剪切盒，后者僅可在直剪試驗(yàn)結(jié)束之后才能看到剪切的結(jié)果.與常規(guī)剪切盒相比，可視化剪切盒不僅可以直觀的觀察到土體內(nèi)部剪切變化的過程，而且還可借助工業(yè)顯微鏡記錄剪切的全過程，方便后續(xù)分析和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù).通過對(duì)所記錄的剪切圖片進(jìn)行圖像處理，可為建立含粗粒滑帶土的細(xì)觀參數(shù)與其宏觀力學(xué)特性之間的力學(xué)響應(yīng)提供幫助.

1.1 滑帶土基本特征

以撫順西露天礦南幫滑坡為研究對(duì)象，在滑坡后緣I 號(hào)地裂縫的斷陷陡坎處采集含粗粒滑帶土試樣[15].通過試驗(yàn)測(cè)得取樣點(diǎn)滑帶土的天然含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，密度為19.1 kN/m3，塑限為16.2%，液限為26.2%.通過顆粒分析試驗(yàn)獲得其粒徑級(jí)配曲線見圖2.

圖2 含粗?；瑤良?jí)配Fig.2 grading of soil with coarse grained slip zone soil

圖2中，粒徑區(qū)間組成分別為：0.500～2.000 mm占比10%、0.250～0.500 mm 占比20%、0.075～0.250 mm 占比20%、小于0.075 mm 占比50%.

1.2 直剪試驗(yàn)及可視化分析

對(duì)試樣分別進(jìn)行100 kPa、200 kPa 和300 kPa三組法向壓力下的可視化直剪試驗(yàn)，3 組法向壓力下的剪應(yīng)力-剪位移變化見圖3，得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力為80.68 kPa，內(nèi)摩擦角為24.04°.

圖3 含粗?；瑤潦覂?nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 laboratory shear test results of coarse-grained slip zone soil

對(duì)比圖3 不同法向壓力下含粗粒滑帶土的剪應(yīng)力-剪位移可以看出，含粗?；瑤恋募羟袘?yīng)力隨著法向壓力的增大而增大，100 kPa 和200 kPa 下的剪應(yīng)力差值略大于200 kPa 和300 kPa 下的差值，且三組不同法向壓力下的含粗?；瑤恋募魬?yīng)力-剪位移曲線均呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象.

在進(jìn)行含粗?；瑤恋闹奔粼囼?yàn)時(shí)，利用直剪盒的可視化，采用工業(yè)高清數(shù)碼儀器記錄下了剪切試驗(yàn)的全過程，直剪試驗(yàn)的記錄結(jié)果見圖4.

圖4 直剪試驗(yàn)100 kPa 法向壓力Fig. 4 direct shear test at 100 kPa normal press

對(duì)比圖4（a）、圖4（b），可在宏觀層面直觀地看出含粗粒滑帶土中的粗顆粒在直剪前后有明顯的顆粒遷移情況，即粗顆粒在剪切過程中會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)等一系列不規(guī)則運(yùn)動(dòng).此外對(duì)比剪切前后可以發(fā)現(xiàn)含粗?；瑤林屑羟袔У陌l(fā)展情況，剪切帶從試樣中的微小裂紋和粗顆粒附近開始，而后逐漸發(fā)展擴(kuò)大和貫通，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生剪切破壞，可視化直剪在一定程度上也可以為巖土材料的剪切帶和局部應(yīng)變化理論的發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)支撐.

2 含粗粒滑帶土的顆粒流數(shù)值試驗(yàn)

2.1 顆粒流及成樣方法

由于土體天然的非連續(xù)性和力學(xué)行為的復(fù)雜性，使用顆粒流方法研究土體更加貼近土體真實(shí)的物理力學(xué)性質(zhì)，它通過數(shù)值方法將巖土材料劃分為有代表性的數(shù)千乃至上萬的顆粒單元，是分析巖土材料內(nèi)部顆粒間接觸力和應(yīng)變的有效工具.此外顆粒流方法可以有效模擬介質(zhì)的開裂、分離等非連續(xù)現(xiàn)象，進(jìn)而在細(xì)觀層面上揭示介質(zhì)的損傷及破壞機(jī)理.許多學(xué)者運(yùn)用顆粒流對(duì)邊坡破壞、滑坡等工程問題開展系列研究，并取得很多研究成果[16-19]，但針對(duì)含粗粒滑帶土力學(xué)特性的細(xì)觀研究較少.筆者通過引入顆粒流對(duì)含粗?；瑤恋闹奔粼囼?yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并從位移矢量圖、大小主應(yīng)力分布變化、顆粒接觸力鏈以及組構(gòu)等細(xì)觀角度剖析其力學(xué)性質(zhì).

圖5為建立的顆粒流模型.該模型按照含粗?；瑤琳鎸?shí)顆粒級(jí)配曲線（見圖2）創(chuàng)建，顆粒共33 641 個(gè)，可以在細(xì)觀層面上真實(shí)反映出含粗?；瑤恋牧W(xué)特性.顆粒流模擬過程分為成樣、固結(jié)、加膠結(jié)、加載4 步進(jìn)行.在生成試樣之后利用顆粒流內(nèi)嵌fish 語言編寫伺服函數(shù)，保證模型上下墻體施加恒定的法向壓力，而后根據(jù)試驗(yàn)要求，上剪切盒保持不動(dòng)，通過賦予下剪切盒墻體以速度進(jìn)行剪切，直至模型試樣發(fā)生破壞.在施加載荷過程中，每剪切10%即0.2 mm 記錄一次模型的位移矢量場(chǎng)、顆粒接觸力鏈等參量的變化.

圖5 含粗?；瑤令w粒流模型Fig.5 particle flow model of soil with coarse grained slippage

顆粒流數(shù)值模擬中，顆粒的力學(xué)性質(zhì)通過顆粒的接觸參數(shù)、接觸模型等細(xì)觀參數(shù)來體現(xiàn).當(dāng)前階段含粗粒滑帶土的宏觀物理力學(xué)參數(shù)還不能直接轉(zhuǎn)化成顆粒的細(xì)觀參數(shù)，通過“試錯(cuò)法”進(jìn)行一系列的數(shù)值試驗(yàn)得到與含粗粒滑帶土宏觀力學(xué)參數(shù)吻合程度較好的1 組細(xì)觀參數(shù)，見表1.

表1 顆粒流模型細(xì)觀參數(shù)Tab.1 microscopic parameters of particle flow model

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

考慮到所要研究的含粗粒滑帶土具有一定的黏性，根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，在顆粒流建模時(shí)選取線性接觸黏結(jié)模型（Linear Contact Bond Model），在一定程度上保證了模擬的合理性和精準(zhǔn)性.室內(nèi)試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值試驗(yàn)的擬合結(jié)果見圖6.

圖6 3 種法向壓力下顆粒流擬合結(jié)果Fig. 6 three sets of discrete element model fitting results under normal pressure

對(duì)比三組法向壓力下的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值實(shí)驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪位移曲線的初始彈性模量略大于室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图扒€，但整體上模擬曲線和試驗(yàn)曲線趨勢(shì)變化一致、擬合程度較好，表明所選取的顆粒流細(xì)觀參數(shù)較為合理，可為后續(xù)含粗?；瑤恋念w粒流相關(guān)研究提供借鑒和參考.

將顆粒流數(shù)值試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線與室內(nèi)直剪試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖7，并將二者的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，列于表2.從圖7 可以看出含粗?；瑤恋募羟蟹逯祽?yīng)力隨著法向應(yīng)力的增大而線性增大，且室內(nèi)試驗(yàn)值和數(shù)值實(shí)驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線的趨勢(shì)相同，擬合程度較好.從表2 可以看出模擬值與試驗(yàn)值的抗剪強(qiáng)度參數(shù)相差不大，表明本文顆粒流模擬的合理性，此外可以看出含粗粒滑帶土屬于黏性土，其抗剪強(qiáng)度受到內(nèi)摩擦角和黏聚力的共同控制，且內(nèi)摩擦角相比無黏性土而言較小.

圖7 試驗(yàn)與模擬抗剪強(qiáng)度包線對(duì)比Fig. 7 comparison between test and simulated shear strength cladding

表2 試驗(yàn)與模擬抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比Tab. 2 comparison of experimental and simulated shear strength parameters

2.3 含粗?；瑤良裘浶苑治?/h3>

在顆粒流數(shù)值模擬過程中，通過顆粒流內(nèi)嵌fish語言編寫函數(shù)，監(jiān)測(cè)并記錄含粗粒滑帶土顆粒流模型在100 kPa、200 kPa、300 kPa 下的法向位移隨著剪切位移的變化的剪脹曲線，見圖8.

圖8 100～300 kPa 法向壓力下數(shù)值試驗(yàn)剪脹曲線對(duì)比Fig.8 comparison of dilatation curves in numerical tests under normal pressure of 100～300 kPa

從圖8 可以看出在各法向應(yīng)力下含粗?；瑤翑?shù)值試樣的剪脹曲線整體呈顯著剪脹性，法向位移隨法向壓力的增大而減??；在相同剪切位移下，法向應(yīng)力越小，對(duì)應(yīng)的法向位移越大，剪脹性也更明顯.此外，在剪切的初始階段，對(duì)比3 組不同法向應(yīng)力下剪脹曲線可以看出，法向應(yīng)力處于較低法向應(yīng)力（100 kPa、200 kPa）時(shí)，法向位移為正，呈現(xiàn)剪脹性；法向應(yīng)力處于較高法向應(yīng)力（300 kPa）時(shí)，法向位移為負(fù)，呈現(xiàn)剪縮性；之后隨著剪切位移的增加，所有法向應(yīng)力下的法向位移都為正值，呈現(xiàn)顯著剪脹性，上述剪脹性規(guī)律與張強(qiáng)[20]等基于顆粒流以土石混合體為研究對(duì)象所得的剪脹性趨勢(shì)一致.從細(xì)觀層面分析含粗粒滑帶土數(shù)值試樣的剪脹性主要是由于剪切開始前數(shù)值試樣粗細(xì)顆粒為均勻分布，在剪切過程中顆粒會(huì)產(chǎn)生相互擠壓和碰撞，導(dǎo)致粗顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而引起法向位移的增大和數(shù)值試樣的體積膨脹，表現(xiàn)出剪脹性.在低法向應(yīng)力下，粗細(xì)顆粒更容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)和錯(cuò)動(dòng)，數(shù)值試樣體積膨脹較大，因此其對(duì)應(yīng)的法向位移較大，剪脹性更顯著，而在高法向應(yīng)力下，粗細(xì)顆粒不易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，故其法向位移隨剪切位移的變化相對(duì)較小，剪脹性沒有低法向應(yīng)力下顯著.

3 顆粒流數(shù)值試驗(yàn)細(xì)觀力學(xué)分析

3.1 位移矢量場(chǎng)演化分析

以200 kPa 法向壓力為例分析含粗?；瑤粮骷?xì)觀力學(xué)參量的演化過程.根據(jù)含粗?；瑤聊Ｐ偷奈灰剖噶繄?chǎng)的分布演化，可以從細(xì)觀層面分析其在剪切過程中剪切帶的形成和演化情況.圖9 依次是顆粒流模型在固結(jié)之后以及剪切位移達(dá)到20%、50%、80%和剪切完成時(shí)的位移矢量場(chǎng)分布.對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，在模型固結(jié)之后位移矢量場(chǎng)表現(xiàn)為無規(guī)則的隨機(jī)分布，但在模型的粗顆粒附近的位移較大，而細(xì)小顆粒附近的位移則較小.之后隨著剪切力的施加，含粗?；瑤聊Ｐ偷奈灰茍?chǎng)開始呈現(xiàn)出沿著剪切力的方向分布，剪切下盒的顆粒位移整體大于上盒并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即在剪切應(yīng)變較小時(shí)（20 %），顆粒位移主要集中于模型的左下角和右下角，而左上角和右上角出現(xiàn)明顯的位移區(qū)分帶（裂隙），右側(cè)區(qū)域更明顯；之后隨著剪位移的繼續(xù)增加（50 %～80 %），顆粒位移普遍開始增大，模型上盒顆粒在下盒顆粒的擠壓和帶動(dòng)之下也沿著剪切方向運(yùn)動(dòng)，但右上角顆粒位移呈現(xiàn)明顯疏松狀態(tài). 顆粒位移從左下側(cè)到右上側(cè)逐漸減小，這主要是由于左下側(cè)墻體為剪切力施加一側(cè)，而右上側(cè)墻體屬于上盒，在剪切過程中保持不動(dòng)所引起；而后隨著剪切位移達(dá)到最大，剪切結(jié)束時(shí)顆粒位移場(chǎng)分帶規(guī)律顯著，從左下側(cè)到右上側(cè)數(shù)值從大到小呈曲邊條帶狀分布，上述位移場(chǎng)演化過程與薛亞東[21]等以崩積混合體為研究對(duì)象，進(jìn)行直剪試驗(yàn)PFC 數(shù)值模擬的研究成果相似.最后對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)隨著剪位移的增加，模型的左上角和右下角分別向下和向上凸出，表現(xiàn)為明顯的剪脹性.

圖9 位移矢量場(chǎng)分布Fig. 9 displacement vector field distribution

3.2 顆粒接觸力鏈演化分析

散體材料中，接觸力經(jīng)由顆粒間接觸從一個(gè)顆粒傳遞至另一個(gè)顆粒，這一傳力特征在可視化后表現(xiàn)為鏈狀結(jié)構(gòu)，直觀地稱為力鏈.力鏈分叉、合并、交叉形成復(fù)雜的接觸力網(wǎng)，主導(dǎo)散體材料的力學(xué)性質(zhì)[22].在眾多細(xì)觀特征參數(shù)中，力鏈作為特征顆粒組，在尺度上介于顆粒與單元體之間，同時(shí)也是顆粒材料承載和傳力的主體，既表現(xiàn)出與宏觀應(yīng)力、應(yīng)變相同的變化特征，又能從機(jī)制上解決宏觀力學(xué)分析中出現(xiàn)的爭(zhēng)議[23].顆粒接觸力鏈能從細(xì)觀角度展現(xiàn)含粗?；瑤聊Ｐ驮谥奔粼囼?yàn)中顆粒受力、傳力及其變化情況，力鏈分布及演化情況見圖10.

圖10 顆粒接觸力鏈分布演化Fig.10 evolution of particle contact force chain distribution

從圖10（a）可以發(fā)現(xiàn)，在試樣固結(jié)之后其顆粒接觸力鏈在各個(gè)方向上的空間分布較為隨機(jī)，呈現(xiàn)非規(guī)律性，但模型粗顆粒附近的接觸力鏈相較于細(xì)小顆粒而言力鏈較粗、數(shù)值較大（接觸力鏈的粗細(xì)表示接觸力的大?。?，可以認(rèn)為含粗粒滑帶土顆粒流模型剛開始是由大顆粒相互之間緊密接觸構(gòu)成土體骨架，從而起到傳遞和承擔(dān)載荷的作用.而后隨著下盒剪切力的施加可以發(fā)現(xiàn)，顆粒接觸力鏈也開始沿著剪切力方向分布，并初步呈現(xiàn)一定的規(guī)律性（見圖10（b）、圖10（c）），即模型左上角和右下角區(qū)域的接觸力鏈顯著減少，變得稀疏，同時(shí)中間區(qū)域粗顆粒附近的力鏈也開始減小，而左下角和右上角分布的力鏈數(shù)和數(shù)值則顯著增加，這主要是由于顆粒受到水平剪切力，數(shù)值試樣的受力和傳力骨架開始重分布、重構(gòu)造.而后隨著進(jìn)一步的加載，上述顆粒接觸力鏈分布規(guī)律更加明顯（見圖10（d）、圖10（e）），顆粒接觸力主要分布在以上盒右側(cè)墻體和下盒左側(cè)墻體所圍成的四邊形區(qū)域，但力鏈較之前增加較少，因?yàn)榇藭r(shí)剪位移對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力已接近峰值剪應(yīng)力，模型發(fā)生剪切破壞，上述接觸力演化規(guī)律與楊升[24]等以土石混合體為研究對(duì)象，進(jìn)行三維直剪的顆粒流模擬所得結(jié)論具有一致性.從上述細(xì)觀分析中可以發(fā)現(xiàn)，土體試樣細(xì)觀接觸力鏈的方向、粗細(xì)等變化對(duì)應(yīng)著宏觀層面上剪應(yīng)力的變化情況，兩者密切相關(guān).

3.3 大小主應(yīng)力演化

土體應(yīng)力及其分布演化情況是反映土體細(xì)觀力學(xué)的重要特性，為了更加清晰地了解含粗?；瑤令w粒流模型在模擬過程中應(yīng)力的變化，通過編寫函數(shù)，以應(yīng)力十字的方式記錄及輸出了不同剪切階段下數(shù)值試樣內(nèi)部大小主應(yīng)力的分布情況，見圖11，分別是模型在剪切位移達(dá)到20%、50%、80%和剪切完成時(shí)的大小主應(yīng)力分布，圖中應(yīng)力十字的長(zhǎng)短表示應(yīng)力的大小，其長(zhǎng)軸和短軸分別代表最大和最小主應(yīng)力.從圖11（a）可以看出，在模型固結(jié)之后其應(yīng)力的大小和方向整體分布比較均勻，但在局部即含粗?；瑤恋拇诸w粒附近的應(yīng)力值較大，而后隨著剪切位移的增加（見圖11（b）、圖11（c）），模型內(nèi)部應(yīng)力分布迅速發(fā)生變化，在模型左上側(cè)和右下側(cè)區(qū)域的應(yīng)力減小而左下側(cè)和右上側(cè)區(qū)域的應(yīng)力增大，且中間區(qū)域粗顆粒附近的應(yīng)力值也開始減小，這主要是由于剪切力的施加而引起的應(yīng)力重分布.之后隨著剪切位移的進(jìn)一步增加可以看出（見圖11（d）、圖11（e）），應(yīng)力分布規(guī)律更加明顯，即在左下、右上、中間區(qū)域模型的應(yīng)力都沿著土體所受剪切力的方向分布和傳遞，且在聯(lián)通左下和右上兩個(gè)區(qū)域的過渡區(qū)域，其應(yīng)力分布為斜向上約30°的角度分布，上述過程在細(xì)觀層面完整地展現(xiàn)出數(shù)值試樣在剪切過程中內(nèi)部大小主應(yīng)力的分布及演化過程.

圖11 大小主應(yīng)力分布變化Fig. 11 variation of principal stress distribution

3.4 組構(gòu)演化分析

為更加清晰地分析含粗粒滑帶土在直剪過程中顆粒內(nèi)部之間接觸力的演化情況，對(duì)200 kPa 下不同剪切階段（固結(jié)、剪位移達(dá)到20%、50%、80%、100%）的顆粒接觸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并分別繪制了顆粒法向和切向的接觸力分布，見圖12、圖13.

圖12 顆粒法向接觸力統(tǒng)計(jì)分布Fig.12 statistical distribution diagram of tangential contact forces

圖13 顆粒切向接觸力統(tǒng)計(jì)分布Fig. 13 statistical distribution diagram of normal contact forces

由圖12 可以發(fā)現(xiàn)，顆粒法向接觸力在剪切剛開始時(shí)為圓形分布，之后隨著剪切位移的增加，初始階段的圓形分布開始發(fā)生變化，逐漸演化為沿30°與210°連線方向分布，變?yōu)闄E圓形狀分布，之后隨著剪切位移的進(jìn)一步增加，橢圓形分布的中間區(qū)域開始收縮變窄，而兩端開始集中凸出，最終接觸力呈現(xiàn)出花生形狀分布.法向接觸力的形狀從圓形分布的各向同性，逐漸過渡到橢圓形分布，最后演化為花生狀的各向異性分布.上述演化過程也更加直觀地展現(xiàn)出含粗粒滑帶土在直剪過程中由于在下剪切盒施加水平剪切力之后內(nèi)部的法向接觸力的細(xì)觀演化情況.

由圖13 可以發(fā)現(xiàn)，顆粒切向接觸力在剪切過程的不同階段大致沿著4 個(gè)方向分布，形如蝴蝶狀.切向接觸力在剪切的初始階段左側(cè)上下和右側(cè)上下4個(gè)方向切向接觸力的分布還較為分散，而后隨著直剪位移的增加，4 個(gè)區(qū)域內(nèi)的切向接觸力各自逐漸合并連為一體，主要沿著60°與240°和150°與330°兩條連線方向進(jìn)行分布，且剪切位移越大，其4 個(gè)區(qū)域內(nèi)的切向接觸力的分布范圍和面積越大.

4 結(jié)論

通過對(duì)含粗?；瑤梁暧^層面的室內(nèi)可視化直剪試驗(yàn)，以及細(xì)觀層面顆粒流的數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探究了含粗?；瑤猎谥奔暨^程中的變形破壞機(jī)理及其宏細(xì)觀力學(xué)特性，得出的主要結(jié)論如下.

（1）含粗?；瑤恋募魬?yīng)力-剪位移曲線整體呈應(yīng)變硬化趨勢(shì)，剪切過程中表現(xiàn)出明顯的剪脹性.此外粗顆粒在剪切前后有明顯的顆粒遷移變化，剪切帶從試樣中的微小裂紋和粗顆粒附近開始，而后逐漸發(fā)展擴(kuò)大和貫通，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生剪切破壞.

（2）含粗?；瑤恋奈灰剖噶繄?chǎng)和接觸力鏈在剪切開始時(shí)表現(xiàn)為無規(guī)則的隨機(jī)分布，之后隨剪位移的增加，位移場(chǎng)從左下側(cè)到右上側(cè)的數(shù)值逐漸減小，最終逐漸演化為曲邊條帶狀分布，顆粒接觸力鏈隨剪位移的增加而沿著剪切力方向分布，粗力鏈骨架開始呈現(xiàn)，土體骨架被重新構(gòu)造.

（3）在剪切的初始階段，含粗粒滑帶土內(nèi)部大小主應(yīng)力為均勻分布，之后在剪切力的作用下，內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生重分布；法向接觸力在初始剪切時(shí)為圓形分布，之后演化為橢圓形分布，最終呈現(xiàn)出花生狀分布，切向接觸力沿4 個(gè)方向分布，形如蝴蝶狀，剪切位移越大，切向接觸力分布面積越大.