土石混合體塊石破碎影響因素的顆粒流數(shù)值研究*

雷曉丹 楊忠平 翟 航 胡元鑫

(①太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系， 太原 030032， 中國(guó))(②重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400045， 中國(guó))(③重慶大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400045， 中國(guó))(④重慶大學(xué)庫(kù)區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 重慶 400045， 中國(guó))(⑤中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100053， 中國(guó))(⑥渝武機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部， 重慶 401120， 中國(guó))

0 引 言

土石混合體，如自然原因形成的崩塌堆積物、洪積物、殘積物，及城市化建設(shè)進(jìn)程中形成的建筑廢棄土等在我國(guó)西南部山區(qū)分布廣泛(Cen et al.，2016)。在西南山地城市建設(shè)中，為合理利用自然資源并考慮挖填平衡、就地取材等原則，土石混合體成為主要的邊坡填方材料，如四川省九—黃機(jī)場(chǎng)建設(shè)最大填方高度為104 m，重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建最大填方高達(dá)130 m，在建武隆仙女山機(jī)場(chǎng)填方高度為100 m，都不同程度地采用土石混合填料。顆粒破碎是土石混合體的基本屬性(Marsal，1967)，高壓應(yīng)力下尤為突出。并且，張家銘等(2009)通過(guò)對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究表明，隨著圍壓增加，顆粒破碎對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響逐漸顯著。同時(shí)，顆粒破碎會(huì)改變顆粒級(jí)配并進(jìn)一步影響材料的密實(shí)程度，發(fā)生應(yīng)力重分布，使抗剪強(qiáng)度減小(趙光思等， 2008)，而剪切特性的變化將極大地影響土石混合體高填方邊坡的變形和穩(wěn)定性(薛亞?wèn)|等， 2014)。因此，開(kāi)展考慮顆粒破碎的土石混合填料物理力學(xué)特性的研究有重要的理論價(jià)值和工程意義，已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)(魏松等， 2006， 2009； Bagherzadeh et al.，2011； 徐永福等， 2018； 張斌等， 2020)。

已有研究表明，顆粒破碎后，土體顆粒級(jí)配曲線顯著變化，孔隙率和滲透性減小，變形特性也發(fā)生改變(Vesic et al.，1968)。粗粒土直剪試驗(yàn)也表明，顆粒破碎是土石混合體在較高垂直壓力作用下剪切曲線呈現(xiàn)非線性特征的根本原因(王光進(jìn)等， 2009)。顆粒破碎程度越高，粗粒土的剪脹變形越小，內(nèi)摩擦角越小，顆粒破碎試樣的強(qiáng)度包絡(luò)線為冪函數(shù)曲線，而冪函數(shù)的指數(shù)與顆粒破碎的分形維數(shù)有關(guān)(徐永福， 2018)。

土石混合體發(fā)生顆粒破碎的原因，一是巖土體材料強(qiáng)度較低，當(dāng)材料受力超出其承受能力時(shí)發(fā)生破碎； 二是強(qiáng)度較高的材料，若處于高應(yīng)力區(qū)，也容易發(fā)生破碎。土石混合體所處的圍壓狀態(tài)、應(yīng)力水平及路徑等環(huán)境因素，及顆粒級(jí)配、塊石粒徑、形狀、強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素都將直接影響顆粒破碎的程度(劉漢龍等， 2012)。

Indraratna et al.(2005)和Lackenby et al.(2007)等研究表明，顆粒破碎程度與荷載頻率有關(guān)，加載頻率越大，次數(shù)越多，顆粒破碎率越大。粗粒料三軸試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，受軟化系數(shù)影響，浸水將使粗粒料破碎現(xiàn)象更明顯(魏松等， 2006， 2009)。同時(shí)，粗粒土的母巖強(qiáng)度和粒度成分也是影響顆粒破碎的重要因素，母巖強(qiáng)度越低，細(xì)顆粒含量越少，粗顆粒棱角越明顯，顆粒破碎率將越大(傅華等， 2009)。粗粒土試樣顆粒級(jí)配隨著顆粒破碎的發(fā)生逐漸趨于良好(馮大闊等， 2012)。戴仁輝等(2020)發(fā)現(xiàn)，不同粒度石英砂粗粒的顆粒破碎量隨粒徑增大呈線性增大的趨勢(shì)。初始應(yīng)力狀態(tài)相同時(shí)，加載路徑的不同也會(huì)造成粗粒料顆粒破碎程度的差異(劉萌成等， 2020)。

盡管顆粒破碎現(xiàn)象已被廣泛關(guān)注，但土石混合體結(jié)構(gòu)特殊、破碎機(jī)理復(fù)雜，影響顆粒破碎特性的因素仍待系統(tǒng)研究。數(shù)值試驗(yàn)技術(shù)因其具有成本低、高效和便于規(guī)律探索等優(yōu)勢(shì)而成為研究土石混合體力學(xué)特性的有效工具，已被廣泛認(rèn)可(Bagherzadeh et al.，2011； Cen et al.，2016)，其中顆粒離散元法在模擬土石混合體大變形及破裂過(guò)程時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)(徐文杰等， 2008； 徐佩華等， 2012； 徐永福， 2018)。

鑒于此，采用內(nèi)置FISH語(yǔ)言對(duì)顆粒離散元程序PFC2D進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，基于Monte Carlo法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)多邊形塊石模擬，采用Cluster顆粒簇真實(shí)體現(xiàn)塊石隨機(jī)破碎特征，通過(guò)系統(tǒng)的土石混合體數(shù)值剪切試驗(yàn)，探討塊石形狀與粒徑、顆粒級(jí)配、孔隙率等因素對(duì)顆粒破碎特征的影響，以期為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土石混合體工程力學(xué)特性提供參考。

1 土石混合體數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 PFC直剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

土石混合體試樣取自重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)第4期擴(kuò)建工程施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探槽試驗(yàn)不同形態(tài)塊石形態(tài)特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，隨機(jī)抽樣確定塊石形態(tài)相關(guān)參數(shù)?；贛onte Carlo基本理論，對(duì)PFC2D進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，生成多邊形塊石邊界，較好地體現(xiàn)了塊石復(fù)雜形態(tài)的隨機(jī)性(楊忠平等， 2017)。

PFC2D(Itasca Consulting Group.Inc.，1999)中，Cluster顆粒簇能較為真實(shí)地體現(xiàn)土石混合體剪切過(guò)程中的塊石破碎特征。將上述形成的塊石邊界內(nèi)所有Ball顆粒設(shè)置為一個(gè)顆粒簇，代表一個(gè)隨機(jī)多邊形塊石(圖1)。Ball顆粒通過(guò)平行黏結(jié)模型兩兩作用，當(dāng)作用力超過(guò)平行黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，相應(yīng)顆?；蝾w粒簇從原顆粒簇脫落，脫離的顆?；蝾w粒簇與原顆粒簇分別整體受力，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)塊石破碎形態(tài)隨機(jī)性的數(shù)值模擬。

圖1 利用Cluster顆粒簇生成塊石Fig.1 Forming rock block by cluster

剪切盒通過(guò)PFC墻單元構(gòu)建，尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備相同。在剪切盒兩側(cè)增設(shè)Wall7和Wall8，防止Ball顆粒在剪切盒錯(cuò)動(dòng)時(shí)被擠出。參考前人研究成果(丁秀麗等， 2010)，為平衡數(shù)值模擬精確性與計(jì)算機(jī)性能間的矛盾，設(shè)置顆粒半徑在1.5～3 mm之間，通過(guò)半徑擴(kuò)展法生成Ball顆粒，使土石混合體試樣的孔隙率達(dá)到天然孔隙率14.34%。

參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)，采用被眾多學(xué)者廣泛承認(rèn)的5 mm土石閾值(孔祥臣等， 2007； 劉新榮等， 2017)區(qū)分土顆粒和塊石顆粒，含石量P5定義為粒徑超過(guò)5 mm的塊石顆粒含量。根據(jù)前述基于Monte Carlo法的可破碎隨機(jī)多邊形塊石生成過(guò)程，按照?qǐng)龅赝潦旌象w樣本剔除粒徑大于60 mm的巨粒組后的篩分試驗(yàn)獲得的顆粒級(jí)配曲線(圖2)，生成粒徑大于5 mm的塊石顆粒，剩余Ball顆粒代表粒徑小于5 mm的細(xì)顆粒，含石量P5為59.29%，生成過(guò)程及結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4。參考前人研究(陳镠芬等， 2015)，本文僅考慮破碎概率較高的塊石顆粒的破碎情況，忽略細(xì)顆粒的破碎現(xiàn)象。

圖2 場(chǎng)地土石混合體樣本顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of S-RMs sample

圖3 土石混合體離散元模型構(gòu)建流程Fig.3 The construction process of discrete element model of S-RMs

圖4 土石混合體離散元數(shù)值模型Fig.4 The discrete element numerical model of S-RMs

1.2 參數(shù)標(biāo)定

數(shù)值模型的宏觀力學(xué)行為取決于細(xì)觀參數(shù)的設(shè)置，細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確選取將在很大程度上決定數(shù)值模擬結(jié)果的精確性。本文通過(guò)試錯(cuò)法不斷調(diào)整模型細(xì)觀參數(shù)，使室內(nèi)直剪試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

室內(nèi)直剪試驗(yàn)采用大型粗粒土壓縮直剪儀ZY50-2G，儀器主要由剛性框架、上下剪切盒、加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成(圖5)，上下剪切盒直徑和高度分別為500 mm和200 mm。按照?qǐng)D2的粒組成分、天然含水量9.2%、孔隙率14.34%制樣。

圖5 直剪儀Fig.5 Direct shear instrument

在法向應(yīng)力600 kPa伺服加載下，分別進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)和室內(nèi)直剪試驗(yàn)，固定上剪切盒，推動(dòng)下剪切盒進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切位移達(dá)到60 mm時(shí)終止加載。

為統(tǒng)計(jì)直剪試樣破壞后剪切面附近的塊石破碎情況，取剪切面上、 下各60 mm的土石混合體，烘干，通過(guò)室內(nèi)篩分試驗(yàn)測(cè)量剪切后的顆粒級(jí)配。篩分試驗(yàn)采用ZBSX 92A震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)(圖6)，篩分粒徑為0.075～60 mm共9個(gè)等級(jí)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)Fig.6 Standard test sieve shaker

經(jīng)過(guò)細(xì)觀參數(shù)的一系列調(diào)試，離散元數(shù)值試驗(yàn)與室內(nèi)直剪試驗(yàn)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，剪應(yīng)力-剪切位移曲線見(jiàn)圖7，粒度成分曲線見(jiàn)圖8，數(shù)值試驗(yàn)和室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果基本相同，故構(gòu)建的PFC數(shù)值模型能正確反映土石混合體的真實(shí)力學(xué)行為和顆粒破碎特征。

圖7 剪切曲線對(duì)比Fig.7 Shear curves comparison

圖8 粒度成分曲線對(duì)比Fig.8 Rock block size distribution curves

1.3 數(shù)值試驗(yàn)方案

為探討不同塊石粒徑試樣破碎程度的差別，設(shè)定含石量為場(chǎng)地含石量59.29%，選取4種不同的塊石粒徑，法向應(yīng)力為200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa，構(gòu)建16組數(shù)值模型進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試樣粒組含量如表1，數(shù)值模型如圖9。

表1 不同塊石粒徑數(shù)值模型粒組含量Table1 Grain group of numerical models with different block sizes

圖9 不同塊石粒徑試樣Fig.9 Samples with diverse block sizesa.D1試樣； b.D2試樣； c.D3試樣； d.D4試樣

為探討不同塊石形狀試樣破碎程度的差別，設(shè)置試樣含石量均為59.29%，塊石為正n邊形(圖10)，取法向應(yīng)力200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa，構(gòu)建16組數(shù)值模型進(jìn)行直剪試驗(yàn)。為直觀描述不同塊石形狀的差異，定義渾圓度R為式(1)，表征正n邊形面積與其相應(yīng)外接圓的面積比。塊石的渾圓度越好，R值越接近于1。取外接圓半徑為單位1，塊石渾圓度見(jiàn)表2，數(shù)值試樣見(jiàn)圖11。

圖10 不同形狀的塊石Fig.10 Blocks of different shapes

表2 不同塊石形狀試樣的渾圓度Table2 Roundness of samples with different block shapes

圖11 不同塊石形狀試樣Fig.11 Samples with diverse block shapesa.S1試樣； b.S2試樣； c.S3試樣； d.S4試樣

(1)

式中：Rm為正n邊形面積；Rn為外接圓面積。

為探討不同顆粒級(jí)配試樣破碎程度的差別，設(shè)定含石量為場(chǎng)地含石量59.29%，以場(chǎng)地土石混合體樣本為對(duì)照組G1，改變各粒組質(zhì)量百分比，設(shè)置G2組以研究顆粒級(jí)配是否良好的影響，設(shè)置G3和G4組研究顆粒級(jí)配是否連續(xù)的影響。法向應(yīng)力取200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa，構(gòu)建16組數(shù)值模型進(jìn)行直剪試驗(yàn)，不同試樣粒組成分見(jiàn)表3。

表3 不同顆粒級(jí)配數(shù)值模型粒組成分Table3 Grain group of numerical models with different particle gradations

易知，不均勻系數(shù)Cu(G2)>Cu(G1)，故與G1對(duì)照組相比，G2試驗(yàn)組顆粒級(jí)配更為良好，而G3組和G4組則出現(xiàn)明顯的顆粒級(jí)配不連續(xù)現(xiàn)象。

為探討不同初始孔隙率試樣破碎程度的差別，取場(chǎng)地含石量59.29%且塊石顆粒粒組成分相同，設(shè)置初始孔隙率為10%， 12%， 14.34%， 16%，其中14.34%為天然孔隙率，法向應(yīng)力取200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa，共構(gòu)建16組數(shù)值模型進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試樣初始孔隙率及模型顆粒數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同孔隙率數(shù)值模型Table4 Numerical models with different porosity

2 結(jié)果分析

2.1 塊石破碎量化分析指標(biāo)

為開(kāi)展土石混合體塊石破碎影響因素的定量研究，基于Hardin(1985)提出的破碎勢(shì)概念，僅關(guān)注塊石顆粒的破碎特征，采用PFC2D中Extra函數(shù)統(tǒng)計(jì)顆粒粒徑并計(jì)算各粒組含量，定義初始破碎勢(shì)Bpi-5和最終破碎勢(shì)Bpf-5分別為數(shù)值試驗(yàn)前和剪切完成后顆粒級(jí)配曲線與粒徑為5 mm的直線所圍面積(圖12)，定義塊石相對(duì)破碎率Br-5為試驗(yàn)前后破碎勢(shì)差值Bt-5與初始破碎勢(shì)之比，如式(2)、式(3)：

圖12 塊石相對(duì)破碎率Br-5 示意圖Fig.12 Schematic diagram of Br-5

Bt-5=Bpi-5-Bpf-5

(2)

(3)

2.2 塊石粒徑對(duì)破碎特征的影響

剪切試驗(yàn)后，試樣D1～D4的粒組含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果及相應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線分別見(jiàn)表5和圖13。

表5 不同塊石粒徑試樣剪切后粒組含量Table5 Grain group of samples with different block sizes after shearing

圖13 不同塊石粒徑試樣剪切后顆粒級(jí)配曲線Fig.13 Grading curves of samples with different block sizes after shearinga.D1試樣； b.D2試樣； c.D3試樣； d.D4試樣

易見(jiàn)，剪切過(guò)程中產(chǎn)生較為普遍的塊石破碎現(xiàn)象，大致表現(xiàn)為粗顆粒成分減小，細(xì)顆粒成分增加。塊石破碎后形成較多相鄰粒徑范圍的塊石和部分粒徑相差較大的塊石，同時(shí)也形成較多粒徑小于5 mm的細(xì)顆粒。以D4試樣在法向應(yīng)力200 kPa作用時(shí)為例，粒徑40～60 mm粒組質(zhì)量百分?jǐn)?shù)減小10.99%，粒徑20～40 mm、10～20 mm、5～10 mm、<5 mm粒組質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別增加2.02%、1.83%、0.62%、6.52%。

根據(jù)式(2)、式(3)進(jìn)行塊石相對(duì)破碎率Br-5計(jì)算，并將影響曲線繪制于圖14。塊石粒徑對(duì)塊石破碎程度影響顯著，隨著塊石粒徑增大，破碎率Br-5逐漸增大。一方面，根據(jù)Hardin(1985)等人的理論，塊石粒徑越大，內(nèi)部缺陷越多，破碎勢(shì)越大； 另一方面，粗顆粒間常為點(diǎn)接觸(日本土質(zhì)學(xué)會(huì)， 1999)，P5=59.29%時(shí)，塊石已形成明顯骨架(王光進(jìn)等， 2009)，含石量恒定時(shí)，塊石粒徑越大，其數(shù)量更少，顆粒間接觸受力點(diǎn)個(gè)數(shù)減少，使應(yīng)力集中更明顯，塊石更易破碎。法向應(yīng)力增大時(shí)，試樣孔隙率逐漸減小，塊石的翻轉(zhuǎn)滾動(dòng)嚴(yán)重缺乏空間，更易出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，因此塊石相對(duì)破碎率的差別更顯著。

圖14 塊石粒徑對(duì)Br-5 的影響Fig.14 The effect of block size on Br-5

2.3 塊石形狀對(duì)破碎特征的影響

剪切試驗(yàn)后，試樣S1～S4粒組含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果及相應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線分別見(jiàn)表6和圖15。易見(jiàn)，顆粒級(jí)配相同的S1～S4試樣在相同法向應(yīng)力下破碎程度存在明顯差別，塊石渾圓度越接近于1，剪切后形成的大粒徑塊石越多，小粒徑塊石及土顆粒越少，法向應(yīng)力越大時(shí)此趨勢(shì)更為顯著。塊石的渾圓度恒定時(shí)，法向應(yīng)力越大，塊石破碎現(xiàn)象越明顯，較大粒徑塊石減少，小粒徑塊石及土顆粒增加。

圖15 不同塊石形狀試樣剪切后顆粒級(jí)配曲線Fig.15 Grading curves of samples with different block shapes after shearinga.S1試樣； b.S2試樣； c.S3試樣； d.S4試樣

表6 不同塊石形狀試樣剪切后粒組含量Table6 Grain group of samples with different block shapes after shearing

塊石破碎機(jī)理復(fù)雜，是多種因素共同作用的結(jié)果，因此試驗(yàn)存在一定離散性，且破碎形式也具有隨機(jī)性，可以是表面研磨、局部破碎、完全破裂、完全破碎等形式(雷曉丹等， 2018)，這就導(dǎo)致破碎后的粒組成分有正常波動(dòng)，顆粒級(jí)配曲線在符合整體趨勢(shì)的同時(shí)也存在一些交叉現(xiàn)象。

根據(jù)式(2)、式(3)進(jìn)行塊石相對(duì)破碎率Br-5計(jì)算，并將影響曲線繪制于圖16，破碎率與法向應(yīng)力和塊石形狀密切相關(guān)。法向應(yīng)力增大時(shí)，塊石接觸點(diǎn)應(yīng)力增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)塊石本身的強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破碎以分散應(yīng)力。渾圓度較小時(shí)，塊石棱角明顯，單個(gè)塊石的接觸受力點(diǎn)較少，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為普遍，塊石相對(duì)破碎率較大，法向應(yīng)力越大差異越顯著。

圖16 塊石形狀對(duì)Br-5 的影響Fig.16 The influence of block shape on Br-5

2.4 顆粒級(jí)配對(duì)破碎特征的影響

數(shù)值剪切試驗(yàn)完成后，不同顆粒級(jí)配試樣G1～G4粒組成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果及相應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線分別見(jiàn)表7和圖17。試樣剪切后，粗顆粒含量減小，細(xì)顆粒含量增多，由于粗顆粒的破碎造成中間粒徑顆粒增多，而其本身也發(fā)生破碎現(xiàn)象，使中間粒徑顆粒含量波動(dòng)變化。級(jí)配不連續(xù)的G3和G4試樣由于塊石破碎現(xiàn)象的發(fā)生，顆粒級(jí)配逐漸連續(xù)。

圖17 不同顆粒級(jí)配試樣剪切后顆粒級(jí)配曲線Fig.17 Grading curves of samples with different grain size distributions after shearinga.G1試樣； b.G2試樣； c.G3試樣； d.G4試樣

表7 不同顆粒級(jí)配試樣剪切后粒組含量Table7 Grain group of samples with different grain size distributions after shearing

根據(jù)式(2)、式(3)進(jìn)行塊石相對(duì)破碎率Br-5計(jì)算，并將影響曲線繪制于圖18。G2試樣塊石破碎率略大于G1試樣，原因是：G2試樣顆粒級(jí)配較好，塊石骨架間孔隙被細(xì)顆粒填充，塊石接觸受力面積更大，應(yīng)力集中程度較弱，破碎率更?。?另一方面，由于G2試樣大粒徑顆粒含量大， 40～60 mm粒組含量為14.82%，超過(guò)G1同粒組5.69%，粗顆粒破碎更嚴(yán)重，使其最終破碎率較大。顆粒級(jí)配不連續(xù)的試樣，孔隙率大，塊石間接觸不完全，應(yīng)力集中作用較強(qiáng)，破碎程度更大，G3試樣由于缺乏大粒徑塊石，最終破碎率較小，而G4試樣由于級(jí)配不連續(xù)且大粒徑顆粒含量高，破碎率明顯高于G1試樣。

圖18 顆粒級(jí)配對(duì)Br-5 的影響Fig.18 The influence of grain size distributions on Br-5

2.5 初始孔隙率對(duì)破碎特征的影響

數(shù)值剪切試驗(yàn)完成后，不同初始孔隙率試樣P1～P4粒組成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果及相應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線分別見(jiàn)表8和圖19。法向應(yīng)力相同時(shí)，P1～P4試樣剪切后粒組含量區(qū)別較小，變化規(guī)律不明顯。

圖19 不同孔隙率試樣剪切后顆粒級(jí)配曲線Fig.19 Grading curves of samples with different initial porosity values after shearinga.P1試樣； b.P2試樣； c.P3試樣； d.P4試樣

表8 不同孔隙率試樣剪切后粒組含量Table8 Grain group of samples with different initial porosity after shearing

根據(jù)式(2)、式(3)進(jìn)行塊石相對(duì)破碎率Br-5計(jì)算，并將影響曲線繪制于圖20。較小法向應(yīng)力作用時(shí)，隨試樣初始孔隙率增大，破碎率呈現(xiàn)輕微增大趨勢(shì)，法向應(yīng)力越大，破碎率增加趨勢(shì)越顯著。原因是孔隙率越大，試樣密實(shí)狀態(tài)越差，塊石骨架間的接觸受力點(diǎn)越少，而法向應(yīng)力水平相同，接觸點(diǎn)應(yīng)力將增大，使應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，接觸點(diǎn)應(yīng)力更容易超過(guò)塊石強(qiáng)度而發(fā)生破碎。法向應(yīng)力越大，接觸點(diǎn)的應(yīng)力差別越顯著，破碎率差別越大。

圖20 初始孔隙率對(duì)Br-5 的影響Fig.20 The influence of initial porosity on Br-5

3 結(jié) 論

基于Monte Carlo思想構(gòu)建了能夠真實(shí)反映塊石形態(tài)統(tǒng)計(jì)特征及塊石破碎過(guò)程的土石混合體顆粒離散元模型，采用數(shù)值直剪試驗(yàn)系統(tǒng)分析了塊石破碎特性的影響因素及基本規(guī)律。

(1)土石混合體剪切過(guò)程中產(chǎn)生較為普遍的破碎現(xiàn)象以分散應(yīng)力，塊石破碎后形成較多粒徑與原塊石相近的碎塊石及粒徑小于5 mm的細(xì)顆粒，而與原塊石粒徑相差較大的碎塊石較少。

(2)塊石粒徑對(duì)塊石破碎程度影響顯著，粒徑越大，破碎勢(shì)越大，塊石越容易碎裂，且法向應(yīng)力越大，塊石相對(duì)破碎率的區(qū)別越顯著。

(3)塊石渾圓度較小時(shí)，棱角突出明顯，塊石骨架受力接觸點(diǎn)較少，應(yīng)力集中更顯著，塊石碎裂更易發(fā)生。

(4)顆粒級(jí)配連續(xù)、良好時(shí)，試樣密實(shí)狀態(tài)較好，塊石間咬合緊密接觸完全，受力面積較大，接觸點(diǎn)應(yīng)力不易超過(guò)塊石強(qiáng)度，破碎率較小。

(5)試樣初始孔隙率對(duì)破碎率影響較小，相同法向應(yīng)力下，隨著孔隙率增大，塊石破碎程度呈增大趨勢(shì)。