崩积混合体直剪试验与PFC2D 数值模拟分析

薛亚东，刘忠强，吴 坚

（1.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；3.Norwegian Geotechnical Institute，Oslo 0806；4.浙江公路水运工程咨询公司，杭州 310004）

1 引言

崩积混合体是由土和石构成的复杂地质体，其性质完全不同于土或岩石，表现出强烈的非均质性与各向异性。自20 世纪90年代开始，越来越多的国内外学者开始针对这种特殊地质材料展开研究，但目前为止对其还没有一个统一的命名。文献中较常见的名称有混杂岩（mélange，法语）；bimrock or bimsoil（block in matrix）[1]；崩积体（colluvium）[2－3]；土石混合体（soil-rock mixture）[4－6]；砾石土或岩堆体（talus）[7]；并构岩[8]，国内采用“土石混合体”的叫法较普遍。本课题组在开展相关研究的过程中认为，“土石混合体”体现了这种材料的组成特点，明确易懂，但很容易与土石坝等工程中的“人工土石混合材料”相混，因为研究的对象主要是“自然”形成的地质体，与“人工”土石混合体存在显著不同，并考虑到造成滑坡的“灾源”多为崩塌-堆积而形成的混合地质体，称作“崩积混合体”似乎更合理。图1为崩积混合体地层组成示意图，图2为现场崩积体照片。

由于成因的复杂性，混合体组成材料的力学特性空间变异性大，表现出强烈的非均质性。在高速公路等工程建设中，路堤填方量和路堑挖方量大、路堑边坡陡峻，加之气候多雨、地震活动较频繁，崩积体一经扰动即可能产生滑塌（见图2）。随着国家经济的快速发展以及西部大开发战略的实施，我国西南山区要修建众多的山区高速公路和山区铁路以及大型水库电站。这些大型重要工程将不可避免遇到崩积混合体，因此开展对其力学特性的研究对于工程的设计和安全具有重要意义。

图1 崩积混合体示意图Fig.1 Sketch of colluvial mixture

图2 崩积混合体实例照片（水麻高速公路）Fig.2 Photos of colluvial mixture

有关崩积混合体的研究，国内外学者已开展了部分研究工作。Miller 等[9]最早开展了各种不同块石含量对崩积混合体抗剪强度影响的试验研究，但由于试验中法向应力较高，摩尔-库仑理论的适用性有待探讨。Irfab 等[2]通过直剪试验发现崩积混合体的抗剪强度随含石量的增加而增加。徐文杰等[10－11]与李晓等[12]通过现场原位剪切试验指出含石量是影响土石混合体强度与破坏形式的重要因素。在数值仿真试验方面，赫建明[13]分析了采用PFC3D进行土石混合体模拟的可行性。徐文杰等[14]采用VC++.NET 接口程序实现了非均质材料细观结构PFC2D软件建模，建立了土石混合体真实的细观结构PFC2D数值计算模型。丁秀丽等[15－16]由实拍数字图像直接生成颗粒流模型，为土石混合体力学行为的颗粒流模拟提供了建模方法。

综合前人研究成果，崩积混合体的结构特征，尤其是含石量，在很大程度上影响着崩积混合体的剪切力学特性。以往的研究很少考虑不同粒径的级配，并且由于试验手段的限制很难观测剪切过程并揭示其破坏机制。因此，本文通过崩积混合体原状样的筛分试验，对其结构组成特征进行分析，在此基础上制备相应的重塑样，考虑6 种含石量水平（0，20%，40%，60%，80%及100%）开展大尺度直剪试验，并结合PFC2D颗粒离散元仿真试验，从宏观与细观角度揭示崩积混合体的变形与强度特性。

2 崩积混合体结构特征分析[17]

块石含量及其分布规律是研究崩积混合体物理力学特性的重要指标，在确定颗粒级配以前对崩积混合体的研究。首先应该确定土体与块石的界限值，由野外现场踏勘发现，混合体中5 mm 以下的粗颗粒基本上是由土颗粒黏结而成，本次试验结合前学者的研究[18－20]，试验中将5 mm 界定为土体与块石之间的粒径界限。崩积混合体样本全部取自云南水麻高速公路典型混合体边坡，其中块石多为褐红、紫红色泥岩或页岩碎块，结构松散，碎块石呈棱角、或次棱角状。块石体积不均一，存在仅用肉眼辨别不必筛分的超巨型石块分布其中。几何形状不规则，风化较为严重。母岩岩性为泥质砂岩。块石强度明显大于土体。为了确定其天然级配，对取回的混合体试样进行筛分，筛分结果如图3 所示。

图3 崩积混合体筛分试验粒度分析结果Fig.3 Particle size analysis of colluvial mixture

由筛分试验结果可以看出，虽然试验地点相近，但试验结果的离散性较大，颗粒分布规律并不一致，含石量在51%～81%之间。从混合体总体的粒径分布结果来看，级配良好，粒径曲线分布范围表现为平滑，说明在同一崩积混合体范围内，虽然总体级配良好，但其内部不均匀，有些部分非常密实，有些部分存在明显孔隙。将混合体内部的土体和块石区分开来，其结构局部相似，整体上看其结构特征又具非线性。根据上述崩积混合体组成特点，可以认为在崩积混合体中粒径较大的块石形成骨架，粒径较小的土体充填其中。一般来讲，混合体的级配越好，则其密度越大，强度也会相应提高，所以结构组成是影响崩积混合体力学特性的重要因素之一。

3 大型剪切试验

3.1 块石粒度选取

由于现场崩积混合体中含有较多超粒径块石，为了便于后续试验的连续性，并考虑试验仪器尺寸的限制，需要对超粒径块石进行必要的处理。按大型直剪试验的要求，最大颗粒直径不超过直剪试验试样高度的1/5 倍。本次所用的试样剪切盒的高度为200 mm，试验中块石最大粒径取为40 mm。

对于超径颗粒的处理，现行相关规范中常用等量代替法[21]：（1）以容许最大粒径来替代；（2）按级配等量替代，本次试验采用按级配等量替代。根据图1 中研究区崩积混合体粒度分布特征，分别按照0（均质土体），20%，40%，60%，80%，100%（块石）6 组不同含石量水平，对超径部分进行粒径替代，得到试验所采用的颗粒分布曲线，如图4 所示。

图4 试验用崩积混合体颗粒分布曲线Fig.4 Particle distribution of colluvial mixture used in tests

3.2 试验过程

试验在大型多功能界面剪切仪SJW-200 平台上进行。试样的尺寸（长×宽×高）与剪切盒内轮廓相同，为600 mm×400 mm×200 mm。试样制备完成后，按照50、100、150 kPa 及200 kPa 等量分级施加法向应力。试验开始前，施加垂直压力进行压密固结，待垂直变形小于0.03 mm 时，认为固结稳定。利用伺服控制系统，保持预定的法向应力不变，启动下剪切盒匀速进行剪切，剪切速率为2 mm/min，自动记录剪切位移、剪切荷载、垂直位移等数据。

3.3 试验结果分析

考虑不同法向应力水平下混合体的剪应力与剪切位移以及垂直位移与剪切位移的相互关系，分别绘制100 kPa与200 kPa法向应力条件下混合体的应力-位移曲线，如图5、6 所示。图中，空心图例表示垂直位移与剪切位移关系曲线。

图5 不同法向应力时混合体的应力-位移曲线Fig.5 Curves of stress vs.displacement in different normal stresses

对试验结果的系统分析可知：

（1）含石量高（60%～80%）的混合体应变硬化程度明显强于含石量低（20%～40%）的混合体，说明含石量40%～80%之间时，崩积混合体组成结构特征发生了转变，崩积混合体从更倾向于土体的性质过渡到更倾向于块石的性质。当含石率较小时，“块石”悬浮在由“土体”构成的介质中，块石与块石间距离较大难以发生相互作用，块石的存在几乎不会影响其宏观变形破坏特征；当含石率较大时，块石与块石紧密接触构成整个岩土体的骨架，而土体则充填于其中的间隙。由于此时块石间排列紧密，绝大部分为“土体”部分充填于“块石”构成的骨架间隙中，此时试件的变形特性主要取决于块石。

（2）在低法向应力（100 kPa）条件下，由于没有足够的能量促使颗粒填充崩积混合体剪切产生的孔隙，崩积混合体表现出剪胀现象。含石量越高，产生的垂直位移越大，最终的剪胀量也越大。当法向应力升高时（200 kPa），高应力促使细颗粒填充了混合体结构孔隙，并且抑制了混合体中块石的运动，崩积混合体变形以剪缩为主。

4 细观仿真试验

细观仿真试验采用PFC2D颗粒流离散元程序，剪切盒尺寸与室内直剪试验一致，按照预先设定的孔隙率和颗粒半径与级配计算颗粒的数目，再采用粒径放大和分层欠压的方法[22]分层生成颗粒，以保颗粒的均匀和密实。保持上剪切盒不动，推动下剪切盒，使用伺服加载机制保持设定的正应力恒定，设置墙体的刚度远大于颗粒的刚度，以防止颗粒出现“穿墙而过”的现象。试验流程与室内试验保持一致。根据现场土体和现场块石的室内试验结果，不断调整PFC2D模型各微观参数，对试验结果进行逼近。模型中土体和块石的微观参数以及标定结果与实际直剪试验对比见表1、2。

表1 PFC2D 仿真试验中土体及块石模拟的微观参数Table 1 The micro-parameters of soil and rock in PFC-2D

表2 PFC2D 仿真试验与室内试验宏观结果对比Table 2 Comparison of the numerical simulation and laboratory test

由标定结果可以看出，仿真试验与室内试验结果较为一致，可以通过分析颗粒流动变化特征和接触力分布规律来揭示崩积混合体在剪切过程中的细观性态。图6为法向应力100 kPa 下不同含石量的混合体试样不同剪应变阶段对应的速度场和接触力分布。由图可见：

（1）均质土体在应变ε=1.33%时，速度场开始出现明显的不均匀，上盒左上角出现45°左右的速度区分带（裂隙），剪切盒右上角和左下角的颗粒受到挤压，应力集中明显，说明试样内部出现迅速的颗粒重排列，此时剪切带并未形成；ε=4.00%时，剪切带形成，剪切带下方的颗粒向着剪切方向运动，剪切带上方的颗粒在下盒颗粒的挤压和移动下向左上方运动，剪切带不均匀；ε=6.67%时，剪切带趋于平缓，剪切盒右上角与左下角区域挤压严重，接触力非常大，产生一些局部的裂隙，颗粒发生重新分布，而左上角与右下角的颗粒几乎没有接触，孔隙率较大。

（2）含石量40%的崩积混合体剪切过程与均质土体较为相似，ε=1.33%时，左上角出现明显的速度区分带（裂隙），速度区分带不规律，且以大颗粒作为边界；ε=4.00%时，应力接近最大值，开始出现剪切带。剪切带右边区域上盒颗粒仍在下盒颗粒的带动下向剪切方向运动；ε=6.67%时，剪切带上部的颗粒在下部颗粒的挤压带动下继续向上运动。剪切试验过程中试件的孔隙率分布不均匀，右下角与左上角颗粒明显呈疏松状。

图6 不同含石量崩积混合体在不同剪应变时的速度场和接触力分布Fig.6 The velocity field and contact force of different shearing strains with different rock particle contents

（3）含石量为80%的混合体，剪切过程中下剪切盒的移动对上盒影响非常大，ε=1.33%时，试样左边的颗粒以斜向上约30°的角度运动，而右边的颗粒基本保持不动。试件内部接触力分布极不均匀；ε=4.00%时，应力达到最大值，并未出现明显剪切带；ε=6.67%时，仍未出现明显剪切带。根据已有研究成果[23]，本试验模型的高度还不足以形成剪切带，说明崩积混合体中大颗粒的尺寸效应十分明显。从接触力分布可以看出，接触力主要分布在以下盒左墙和上盒右墙形成的平行四边形区域。接触方式以大颗粒之间的接触为主，说明该含石量下大颗粒已形成骨架结构。

由图6 中还可以看出，随着含石量的增加，崩积混合体经历了“小颗粒受力-小颗粒与大颗粒共同受力-大颗粒力单独受力”的过程。含石量40%以下时崩积混合体主体结构由土体构成，其变形强度特性主要由内部土体控制，含石量超过80%以后块石形成骨架，仅有少量孔隙由土体充填，力学性质由块石控制，与室内试验中得到的结论一致。

5 结论

（1）崩积混合体的应变硬化效应随着含石量的增加而表现得愈加明显。

（2）低法向应力条件下，崩积混合体表现为剪胀，而高法向应力时则表现为剪缩。

（3）含石量在40%～80%区间时为崩积混合体力学性质的过渡阶段；含石量40%以下时，崩积混合体变形强度特性主要由内部土体控制；含石量超过80%以后，其力学性质由块石控制。

[1]MEDLEY E.The engineering characterization of mélanges and similar block-in-matrix rocks(bimrocks)[ph.D].California:Department of Civil Engineering,University of California,1994.

[2]IRFAN T Y,TANG K Y.Effect of the coarse fraction on the shear strength of colluvium in Hong Kong[M].Hong Kong:Hong Kong Geotechnical Engineering Office,1993.

[3]董家钧,杨贤德.崩基层之分类与工程特性研究[J].水土保持研究,2001,8(1):37－41.DONG Jia-jun,YANG Xian-de.The categorization and engineering characteristics of colluvial deposit[J].Research of Soil and Water Conservation,2001,8(1):37－41.

[4]油新华.土石混合体的随机结构模型及其应用研究[博士学位论文D].北京:北方交通大学,2001.

[5]LI X,LIAO Q L,HE J M.In-situ tests and a stochastic structural model of rock and soil aggregate in the Three Gorges Reservoir area[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(3):494－494.

[6]徐文杰,胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义[J].水文地质工程地质,2009,36(4):50－56.XU Wen-jie,HU Rui-lin.Conception,classification and significations of soil-rock mixture[J].Hydrogeology &Engineering Geology,2009,36(4):50－56.

[7]张辉.岩堆边坡破坏机理及其稳定性试验研究[博士学位论文D].上海:同济大学,2008.

[8]谢孟修.崩积层之类并构岩材料力学行为与模式-以梨山地滑区为例[硕士学位论文D].台湾:台湾交通大学,2007.

[9]MILLER E A,SOWERS G F.The strength characteristics of soil-aggregate mixtures[J].Highway Research Board Bulletin,1957,183:16–23.

[10]徐文杰,胡瑞林.循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究[J].工程地质学报,2008,16(1):63－69.XU Wen-jie,HU Rui-lin.Field horizontal push shear test for mechanical property of soil-rock mixtures under cyclic[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(1):63－69.

[11]XU W J,YUE Z Q,HU R L.Study on the mesostructure and mesomechanical characteristics of soil-rock mixture using digital image processing based finite element method[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(5):749－749.

[12]李晓,廖秋林,赫建明,等.土石混合体力学特性的原位试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12)：2377－2384.LI Xiao,LIAO Qiu-lin,HE Jian-ming,et al.Study on in-situ tests of mechanical characteristics on soil–rock aggregate[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(12):2377－2384.

[13]赫建明.三峡库区土石混合体的变形与破坏机理研究[博士学位论文D].北京:中国矿业大学(北京校区),2004.

[14]徐文杰,胡瑞林,王艳萍.基于数字图像的非均质岩土材料细观结构PFC2D模型[J].煤炭学报,2007,32(4):358－362.XU Wen-jie,HU Rui-lin,WANG Yan-ping.PFC2Dmodel for mesostructure of inhomogeneous geomaterial based on digital image processing[J].Journal of China Coal Society,2007,32(4):358－362.

[15]丁秀丽,李耀旭,王新.基于数字图像的土石混合体力学性质的颗粒流模拟[J].岩石力学与工程学报,2010,29(3):477－484.DING Xiu-li,LI Yao-xu,WANG Xin.Particle flow modeling mechanical properties of soil and rock mixtures based on digital image[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(3):477－484.

[16]丁秀丽,张宏明,黄书岭,等.基于细观数值试验的非饱和土石混合体力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(8):1553－1566.DING Xiu-li,ZHANG Hong-ming,HUANG Shou-ling,et al.Research on mechanical characteristics of unsaturated soil-rock mixture based on numerical experiments of mesostructure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(8):1553－1566.

[17]刘忠强,薛亚东,吴坚,等.崩积体剪切性能试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2349－2358.LIU Zhong-qiang,XUE Ya-dong,WU Jian,et al.Experimental research on shear behavior of colluvium[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(8):2349－2358.

[18]郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州:黄河水利出版社,1998.

[19]董云,柴贺军.土石混合料的工程综合分类法研究[J].岩土力学,2007,28(1):179－184.DONG Yun,CHAI He-jun.Study on engineering synthetical classification of rock soil aggregate mixture[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(1):179－184.

[20]吴坚.岩堆体力学特性试验及其颗粒流离散元模拟研究[硕士学位论文D].上海:同济大学,2011.

[21]南京水利科学研究院.SL237－1999 土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[22]JIANG M J,KONRAD J M,LEROUEIL S.An efficient technique for generating homogeneous specimens for DEM studies[J].Computers and Geotechnics,2003,30(7):579–597.

[23]SCARPELLI G,WOOD D M.Experimental observations of shear band pattern in direct shear band pattern in direct shear tests[C]//Proceedings of IUTAM Conference on Deformation and Materials.Rotterdam:BALKEMA A A,1982:77–94.