¹同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海

²中电建路桥集团有限公司，北京

收稿日期：2022年2月15日；录用日期：2022年3月8日；发布日期：2022年3月16日

摘要

本文针对云南红土高原地区存在的特殊岩土混合体—类岩堆体，通过室内直剪试验研究了其抗剪强度，发现含石率为100%的类岩堆体呈现应变硬化的剪切特性。基于随机生成不规则块石理论，采用PFC数值模拟直剪试验过程，在保证级配、细观参数相同的情况下，研究不同孔隙率的类岩堆体抗剪强度，结果表明：开始剪切阶段，孔隙率越小，剪应力越大，不同孔隙率的试样剪应力差值较大，随着块石压密、剪碎、剪应力差值缩小，研究成果对红土高原地区隧道施工参数选取具有指导意义。

关键词

类岩堆体，直剪试验，数值模拟，含石率

Research on Shear Properties and Numerical Simulation of Talus-Like Rock Mass

Yinlian Yi¹, Shaoqiang Zhang², Zixin Zhang¹

¹Department of Geotechnical Engineering, School of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai

²POWERCHINA Roadbridge Group Co., Ltd., Beijing

Received: Feb. 15^th, 2022; accepted: Mar. 8^th, 2022; published: Mar. 16^th, 2022

ABSTRACT

In this study, the shear strength of the special soil-rock mixture-talus-like rock mass in the Laterite Plateau area of Yunnan was studied through direct shear test, and it was found that the talus-like rock mass with volume block porosity of 100% showed strain-hardened shear characteristics. Based on the theory of random generation of irregular blocks, the PFC simulation of the straight shear test process, under the condition of ensuring the same gradation and mesoscopic parameters, the shear strength of talus-like rock mass with different porosity is studied, and the results show that the smaller the porosity at the beginning of the shear stage, the greater the shear stress, the larger the shear stress difference of the specimens of different porosity, and the shear stress difference of the specimen is reduced with the compaction and shearing of the block. This study has guiding significance for the selection of tunnel construction parameters in the laterite plateau area.

Keywords:Talus-Like Rock Mass, Direct Shear Test, Numerical Simulation, Content Ratio of Rock

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1. 引言

岩堆体是指松散岩石堆积体，广泛分布于第四系坡积层、崩积层、残积层等地层中 [1]。在我国红土高原的云南地区存在一种岩土混合体，组成物质复杂，粒径跨度大，呈碎裂、松散状，节理、裂隙极其发育，自稳能力差，属于特殊软弱围岩体，为区别于一般岩堆体，将其命名为“类岩堆体”。类岩堆体既不属于岩体，也不属于土体，且不同的类岩堆体物理力学性质差异较大。现有研究多针对于普通土石混合体，对于类岩堆体这样特殊的岩土体材料深入研究较少。

在国内，油新华等 [2] 在对三峡库区蓄水边坡进行工程地质调查的基础上，提出了土石混合体的概念，并根据含石量、土体性质和颗粒级配对其进行了分类。对于土石混合体，国外常称“bimrocks”，最早由Medley [3] [4] 提出，他将其定义为“岩石的混合物，由具有良好质地的胶结基质内的岩土工程学上重要的块体组成”。表述中“岩土工程学上重要的块体”是指在块体与基质之间存在力学性质差异，并且块体的体积和大小会在工程尺度上影响岩体性质。

研究土石混合体，需明确土和石粒径界限，目前国内外主要存在3种土石阈值取值方法，常用的土石阈值为2 mm和5 mm [5]，除此之外，Medley [3] 对美国Franciscan地区分布的melange (bimrocks的一种)进行统计分析，发现其粒度分维曲线在 $0.05\sqrt{\text{A}}$ 处出现明显转折点，因而定义土石阈值为 $0.05\sqrt{\text{A}}$。针对土石混合体的力学性质，国内外学者开展了大量研究，Lindquist [6] 通过物理模型试验发现，在bimrocks变形模量相对于含石率的图中，几乎所有的数据点都落在基质的平均模量(下限)和基质、块体加权(根据体积比例)模量(上限)之间。Lin [7] 等对多组不同特征的高含石率(65%以上)胶结型bimrocks试件进行测试，结果显示动态弹性模量是含石率(VBP)和基质强度的函数。bimrocks的变形模量主要受基体变形模量的影响，强度受基体内聚力的影响更大 [8]。大量研究表明，控制bimrocks强度特性的参数有体积含石率(VBP)、基质和块体强度、块体形状和空间分布 [7] [8] [9] [10] [11]。使用不同方法的研究都表明，影响土石混合体物理力学性质最显著的参数是含石率，不同含石率下土石混合体受力之后的力学反应差别很大。

在土石混合体的剪切特性方面，景宏君等 [12] 对土石混合比为3:7的土石混合填料进行大型三轴剪切试验，发现在低围压下，应力应变曲线为应变硬化型，在高围压下，试样表现为弱应变软化。江强强等 [13] 开展了不同含石量条件下的土石混合体剪切变形特性试验研究，结果表明：在低含石率下，试样呈应变硬化特性；在高含石率下，试样呈应变软化特性。金磊等 [14] 对含石量为50%的土石混合体三维离散元模型进行三轴试验数值模拟，发现试样微裂纹最初在土–石界面处产生，随后绕过块石在土体中扩展，最后联通形成剪切带。胡瑞林等 [15] 对土石混合体细观损伤开裂过程进行研究，发现在低含石率下(30%以下)，土体强度是决定抗压强度最主要因素，界面强度对其影响不大；在高含石量下，界面胶结强度增大会使块石间的接触咬合变强，从而造成试样的抗压强度有所提高。严颖等 [16] 采用离散元模型对土石混合体的直剪过程进行了数值模拟，结果表明，在低含石量下，土石混合体的抗剪强度随含石量增加而增加；在中含石量下，抗剪强度波动性较大；在高含石量下，抗剪强度显著增强。无论是直剪试验还是数值模拟，都表明土石混合体剪切特性受含石率影响较大，在剪切过程中裂纹产生有明显的绕石效应。

前述研究对象为土石混合体，而类岩堆体作为红土高原地区特有的地质材料，其剪切力学特性尚未被研究过，综上所述，参照土石混合体的研究，对于类岩堆体，含石率对其影响较大。研究不同含石率的类岩堆体物理力学特性，对于指导实际工程施工具有重要意义。本文通过直剪试验，研究了含石率为100%的类岩堆体在竖向压力为200 kPa下的抗剪强度，并应用PFC对其进行数值仿真模拟，以期为红土高原地区隧道开挖过程中参数的合理选取提供一定参考。

2. 类岩堆体直剪试验

2.1 试验设备

试验设备采用同济大学自主研制的大型接触面剪切仪，如图1所示。该设备由上下剪切盒、油压控制系统、计算机控制系统组成。剪切盒净空尺寸为600 mm × 400 mm × 200 mm (长 × 宽 × 高)。水平和竖向荷载均通过油压控制，最大可达100 kN，试验过程中，上剪切盒固定，切向最大位移达75 mm。

测定材料级配采用新标准方孔试验筛(JGJ52-2006)和顶击式标准振筛机(ZBSX-92A型)，如图2所示。振筛机震幅为8 mm，震击次数为147次/分。

2.2试验材料

试验材料取自云南建(个)元高速公路他依隧道左洞Z5K64+575.4桩号附近。考虑试验筛孔径，选取5 mm作为土石阈值，同时，为了消除尺寸效应，根据剪切盒尺寸以及材料装填高度确定材料最大粒径，一般取(1/6) H，(1/7~1/5) H和(1/8~1/4) H等(H为剪切盒的高度) [5]。本试验所用设备的剪切盒净空高度为200 mm，根据上述标准，考虑试验筛孔径，选定31.5 mm (约(1/6.35) H)为本试验材料的最大粒径。利用振筛机将类岩堆体按照粒径大小筛分成5~10 mm，10~16 mm，16~20 mm，20~25 mm，25~31.5 mm共5个粒组，部分粒组如图3所示，试样级配如图4所示。

图1. 大型接触面剪切仪图

图2. 顶击式标准振筛机和新标准方孔试验筛

2.3试验方案

根据试验方案设计，试验基本过程与操作步骤如下所述：

1、配料：试验材料质量恒定为76.2 kg，根据设定的级配曲线计算出不同粒径颗粒的质量，称重之后将准备好的粗集料混合搅拌均匀；

2、装填：为使试验材料分布相对均匀，采用分层装样的方法，分4层进行装样，每层高度控制在50 mm左右，将材料摊铺均匀，静置20分钟，使其在重力作用下沉降；

3、剪切：装样后检查平整度和密实度，随后进行竖向加载固结，在达到预定竖向压力后，持续加压20 min。达到预定压力200 kPa后，持续加压20分钟，然后以1.6 mm/min的速度开始剪切，达到70~90 mm的剪切位移后停止剪切进行卸载；

4、筛分：剪切完成后，将材料小心取出，再次通过标准筛进行筛分，记录各粒径颗粒质量，获得剪切后材料的级配曲线。

图3. 类岩堆体部分粒组

图4. 试样级配曲线

3. 试验结果及分析

通过室内直剪试验得到的类岩堆体剪应力-位移曲线如图5所示。由图5可知，试样在200 kPa下随着剪切位移的增大，剪应力不断增大，表现为应变硬化，达到塑性屈服移后，应力基本保持不变，应力位移曲线趋势与文献 [17] 基本一致。整个曲线可划分为三个阶段：① 剪密段，类岩堆体内部空隙被挤压，材料逐渐密实，剪应力快速增加，曲线近似为线性；② 硬化段，随着剪切位移的增加，剪应力增长速率逐渐变小，慢慢达到峰值强度，材料继续被压密，同时伴随材料内部块石翻转、摩擦等作用导致曲线出现明显的波动；③ 塑性流动段，剪应力达到峰值强度后，曲线基本保持平稳状态，材料内部出现明显剪切破坏面。

4. 数值模拟

4.1数值模型

为了观察块石破碎情况，本文选用离散元软件PFC2D作为数值模拟工具。采用PFC2D中的Wall单元作为剪切盒边界，参照直剪试验条件，剪切盒尺寸设置为600 mm × 200 mm (长 × 高)。在PFC2D中用重力沉降法生成均匀颗粒体系，颗粒半径为0.6~0.9 mm，采用文献 [18] 中所述方法在CAD中生成随机不规则多边形，导入PFC2D中，对ball进行分组，生成cluster，数值模型如图6所示，颗粒密度为2900 kg/m³。块石之间采用线性模型，块石内部颗粒之间则采用平行黏结模型，相比于线性模型，平行黏结模型可以传递力矩，一旦应力超过设定的黏结强度，颗粒之间的黏结会破坏，因而可以模拟块石的破碎情况。

4.2模拟参数分析

宏观参数与细观参数之间缺乏相互转换的成熟理论，一般通过试错尽量使模拟结果接近真实试验结果，本文通过多次尝试得到颗粒细观参数如表1所示。由图7数值模拟和直剪试验的对比结果可知，数值试验获得的剪应力–剪切位移曲线与室内试验的吻合度较好。

图5. 类岩堆体剪应力–位移曲线

图6. 模型示意图

含石率为100%的类岩堆体内部充满较大的空隙，块石相互搭接形成骨架，在剪切过程中骨架承担传力的作用，一般来说，孔隙率越小，形成的骨架越稳定。在保证级配、细观参数相同的情况下，比较孔隙率为0.17、0.2的数值模型获得的剪应力–位移曲线，如图8所示，曲线整体趋势一致，开始剪切阶段，孔隙率越小，剪应力越大，随着块石破碎、压密，剪应力得到强化，两者剪应力差值缩小。

表1. 细观参数表

图7. 数值模拟与直剪试验的剪应力–位移曲线

图8. 不同孔隙率的类岩堆体剪应力–位移曲线

5. 结论

本文以红土高原的云南地区存在的特殊岩土混合体–类岩堆体为研究对象，通过大型室内直剪试验和数值模拟，研究类岩堆体的剪切特性，得到如下结论：

1) 含石率为100%的类岩堆体在200 kPa竖向压力下剪切时呈现应变硬化特性，整个应力位移曲线可划分为剪密段、硬化段和塑性流动段；

2) 通过PFC离散元软件建立起数值模型，采用cluster模拟块石破碎特性，多次尝试确定了类岩堆体中块石的细观参数；

3) 在保证级配、含石率、细观参数相同的情况下，比较不同孔隙率的类岩堆体数值模型获得的剪应力–位移曲线，揭示了孔隙率对类岩堆体剪切强度的影响。

文章引用

易银莲,张少强,张子新. 类岩堆体剪切力学特性试验及数值模拟研究
Research on Shear Properties and Numerical Simulation of Talus-Like Rock Mass[J]. 地球科学前沿, 2022, 12(03): 254-261. https://doi.org/10.12677/AG.2022.123026

参考文献