含石率对土石混合体–基岩界面剪切力学特性的影响

杨忠平; 李进; 蒋源文; 胡元鑫; 赵亚龙

doi:10.11779/CJGE202108009

含石率对土石混合体–基岩界面剪切力学特性的影响 English Version

杨忠平^{1, 2, 3,},
李进^{1, 2, 3},
蒋源文^{1, 2, 3},
胡元鑫⁴,
赵亚龙^{1, 2, 3}

1.
重庆大学土木工程学院,重庆　400045
2.
重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆　400045
3.
库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心（重庆）,重庆400045
4.
渝武机场建设指挥部,重庆　401120

基金项目:

国家重点研发计划项目 2018YFC1504802

国家自然科学基金项目 41772306

中央高校基本科研业务费项目 2019CDXYTM0032

详细信息

作者简介:
杨忠平(1981— ),男,博士,教授,博士生导师,主要从事环境岩土与边坡稳定性方面的教学与研究工作。E-mail：yang-zhp@163.com

中图分类号: TU43
计量
- 文章访问数: 299
- HTML全文浏览量: 28
- PDF下载量: 263
出版历程
- 收稿日期: 2020-12-24
- 网络出版日期: 2022-12-02
- 刊出日期: 2021-07-31

Influences of stone content on shear mechanical properties of soil-rock mixture-bedrock interface

YANG Zhong-ping^{1, 2, 3,},
LI Jin^{1, 2, 3},
JIANG Yuan-wen^{1, 2, 3},
HU Yuan-xin⁴,
ZHAO Ya-long^{1, 2, 3}

1.
School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China
2.
State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400045, China
3.
National Joint Engineering Research Center for Prevention and Control of Environmental Geological Hazards in the TGR Area, Chongqing University, Chongqing 400045, China
4.
Headquarters of Chongqing Yuwu Airport, Chongqing 401120, China

摘要

摘要: 土石混合体与基岩接触界面是高填方体边坡和天然斜坡失稳不容忽视的潜在滑移面。通过室内大型直剪试验和离散元数值模拟探究了含石率对土石混合体—基岩界面剪切力学特性的影响及接触面剪切破坏机理。结果表明：土石混合体—基岩界面的剪应力–剪切位移曲线随法向压力的增大有由应变软化向应变硬化转变的趋势；剪应力–剪切位移曲线出现“V型跳跃”主要与颗粒破碎、转动和翻越有关；土石混合体—基岩界面抗剪强度和抗剪强度指标随含石率的增加先增大后减小,存在着最优含石率,但内摩擦角φ变化不大,在38°左右波动；剪切带的分布和形态受含石率和法向压力影响显著,法向压力和含石率越高,剪切带就越厚；剪切带内的块石破坏表现为表面研磨、局部破碎和完全破碎3种模式；法向压力和含石率都是影响相对破碎率B_r的主要原因,表现为随着含石率和法向压力的增加,块石相对破碎率不断增加。
- 土石混合体 /
- 含石率 /
- 基岩界面 /
- 剪切特性
Abstract: The contact interface between the soil-rock mixture and the bedrock is often a potential slip surface that cannot be ignored for the instability of highly-filled slopes and natural slopes. Through the large-scale direct shear tests in the laboratory and the numerical simulations using the discrete element software, the influences of stone content on the shear mechanical properties of the soil-rock mixture-bedrock interface and the shear failure mechanism of the contact surface are investigated. The results show that the shear stress-shear displacement curve of the soil-rock mixture-bedrock interface changes from strain softening to strain hardening with the increase of normal pressure. The "V-shaped jump" in the shear stress-shear displacement curve is mainly related to particle breakage, rotation and overturning. The shear strength and shear strength indexes of the soil-rock mixture-bedrock interface increase first and then decrease with the increase of rock content, and there is an optimal stone content to maximize the shear strength, but the internal friction angle φ does not change significantly and fluctuates around 38°. The distribution and morphology of the shear zone are significantly affected by the stone content and normal pressure. The higher the normal pressure and rock content, the thicker the shear zone. The failure of the block stones in the shear band can be divided into three modes: surface grinding, partial crushing and complete crushing. The normal pressure and stone content are the reasons that affect the relative crushing rate B_r. The specific performance is that with the increase of the stone content and normal pressure, the relative crushing rate of block stones increases continuously.
- soil-rock mixture /
- stone content /
- bedrock interface /
- shear characteristic

HTML全文

0. 引言

川藏铁路东起四川省成都市,西至西藏自治区拉萨市,是继青藏铁路后国内第二条进藏铁路。川藏铁路全线海拔升降显著,途经区域温差较大,山体地质灾害发生频繁^[1]。对于铁路沿线边坡岩体而言,昼夜温差及季节性气候变化引起的冻融循环对边坡岩体造成的损伤,以及冰川水、地下水及雨水等外部环境的变化引起岩体内水量的改变,间接影响着边坡的长期稳定性,由此给铁路工程带来了巨大隐患。而这种影响的根本原因建立在冻融循环作用及含水率变化下,岩体时效力学性能发生劣化。

近年来,众多国内外学者聚焦于岩石在冻融循环条件下的物理力学特性及损伤演化机制^[2-6],在试验分析、量化评价及工程实践方面取得了丰富的研究成果。针对于不同含水率岩石在冻融作用下的力学响应及劣化效应,相关研究基于波速测试、单轴与三轴压缩、剪切及拉伸试验等,分析了不同含水率与冻融循环次数对于岩石波速、变形、强度及破坏特征的影响^[7-11]。目前,冻融循环作用下岩石蠕变特性研究愈发引起人们的重视。相关学者通过对经历不同冻融循环次数的石英砂岩^[12]、炭质页岩^[13]、片麻岩^[14]及花岗岩^[15]等进行蠕变试验,探讨了冻融循环次数对岩石蠕变变形特征、长期力学性能及蠕变破坏形态的影响,并根据试验结果,提出冻融损伤元件与损伤演化方程,基此建立了冻融岩石蠕变损伤模型。研究指出,冻融循环作用对岩石蠕变具有显著影响,其导致了岩石长期力学性能弱化,蠕变变形软化,破坏形态向更破裂的方式演变。然而,目前的研究主要集中于冻融作用下饱和岩石的蠕变特性,对于不同含水率岩石在冻融作用下的时效性力学问题有待进一步提升。

岩石蠕变模型作为表征岩石蠕变特性的主要途径,其既以试验为基础,同时也是数值模拟的基本组成部分^[16-19]。鉴于此,本文以川藏线红砂岩为研究对象,通过对不同含水率红砂岩开展冻融后核磁共振检测及三轴蠕变试验,深入讨论红砂岩在不同含水率及冻融作用下的细观损伤特征及蠕变力学行为。基于试验研究结果,构建考虑冻融及含水劣化的西原模型,并运用FLAC^3D实现模型二次开发及仿真模拟。研究结果发现,含水率的变化深刻影响了冻融红砂岩的损伤演变规律及蠕变劣化特性。

1. 试验制备及方案

1.1 试样制备

试验所采用的红砂岩选自于川藏线雅安至巴塘路段,表面无明显节理。密封运回实验室后按照国际岩石力学学会（ISRM）试验规程将其制备成 $ϕ$ 50 mm×100 mm的标准岩样。加工完后选取完整性较好的岩石进行声波测量,根据试样的波速差异进一步筛选均一性较好的岩样进行试验。

1.2 试验方案

红砂岩试样的饱和含水率为4.63%,采用岩石质量控制法^[9]制备含水率为0%,1%,2%,3%及饱和等5种不同含水条件的红砂岩试样。

将制备好的不同含水率红砂岩试样放入全自动冻融测试箱内进行冻融循环试验,试验相关指标设计以文献[20]为参考。设定冻融温差为-20℃～40℃,冻融时长为冻结1 h,融化1 h,即每2 h为一次循环,冻融循环总次数为60次。当冻融时长达到30次冻融循环时取出第一批试样,达到60次冻融循环时取出第二批岩样,即对不同组别的红砂岩试样进行0次、30次与60次冻融循环处理。

为探究冻融循环次数及含水率对红砂岩细观结构的影响,对冻融后不同含水率红砂岩进行核磁共振检测,试验仪器采用MacroMR12-150H-Ⅰ核磁共振分析系统,该仪器通过CPMG脉冲序列进行横向弛豫时间（T₂）测试,试验采用共振频率为12.803 MHz,线圈探头直径为60 mm,主磁场强度为0.3±0.05T,磁体温度范围控制在32.00±0.01℃之间。

冻融循环试验结束后,将试样放入YSJ-01-00三轴流变仪^[12]中进行三轴蠕变试验。试验采用分级加载法对试样进行隔天加载,设定围压5 MPa,每级加载应力20.4 MPa,加载速率1 MPa/min,每级荷载加至预定值后稳定24 h,保证24 h后岩样的位移小于0.01 mm/h再进行下级加载。如此逐级施加直至试样破坏,在整个过程中连续记录试样的应力、应变及时间数据。

2. 细观结构损伤特征

2.1 核磁共振测试结果

在核磁共振测试中,磁共振信号强度代表被测样品中含氢流体的量,而磁共振信号强度随时间变化的快慢（弛豫时间）与流体中分子的赋存状态有关,分析饱水岩石中含氢流体的弛豫特征可全面反映岩石内部孔隙的分布规律。对于岩石中的含氢流体,其在射频脉冲作用后的横向弛豫时间 $T_{2}$ 为

$\frac{1}{T_{2}} = ρ (\frac{S}{V})$ ,

(1)

式中, $ρ$ 为横向表面弛豫强度,与岩石颗粒表面及胶结物的性质有关, $S / V$ 为岩石内孔隙的比表面积,与孔隙的形状有关,如球形孔隙取6/d（d为直径）。从取值意义来看,T₂与岩石孔隙大小具有一一对应的关系,故通过观测岩石T₂的分布特征可间接得到岩石内不同尺寸孔隙的分布规律。

图1给出了含水率为0%,1%,2%,3%及4.63%（饱和）的红砂岩在经历0次及60次冻融循环后的T₂谱分布曲线。从图中可看出,干燥红砂岩的T₂谱曲线由两个谱峰组成,而含水红砂岩T₂谱分布表现为3个谱峰,表明在饱水过程中水溶解了红砂岩中的可溶性矿物,使红砂岩内部分孔隙扩展贯通形成相对更大尺寸孔径的孔隙。在0～60次冻融循环过程中,红砂岩T₂谱曲线的每个谱峰对应的信号幅度均呈上升趋势,其中第一与第二谱峰的上升幅度最为明显,表明试样以中小尺寸孔径孔隙的快速发育为主。在无冻融循环条件下,试样的T₂谱曲线随含水率的增加无明显变化。在冻融60次后,含水率越高的红砂岩其T₂谱整体的上升幅度越大,其中又以第二谱峰的增长幅度最高。反映出含水率的增加促进了冻融循环过程中岩石内各尺寸孔隙的发育扩展,且各尺寸孔隙的发育程度为中孔>小孔>大孔。

图 1 冻融循环条件下不同含水率红砂岩T₂谱分布情况

Figure 1. T₂ distribution of red sandstone samples subjected to freeze-thaw cycles under different water contents

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 含水率控制下的冻融损伤机制分析

相关研究指出^[5],砂岩的冻融损伤是毛细管机制、结晶压机制、静水压机制及体积膨胀机制共同作用下的结果,而各损伤机制作用又与砂岩的孔隙分布特征密切相关。针对红砂岩的孔隙分布特征（以主干—旁枝型结构表示）,笔者认为毛细管及结晶压机制是红砂岩产生冻融损伤的主控因素,该损伤理论要求有充分的水在主干孔中结冰并生长至次级孔,在含水率低的情况下,大部分水通过未冻水膜迁移至主干孔中结冰,冰生长至一定体积后即停止,这时基于毛细管机制及结晶压机制的冻融损伤作用受到抑制,因此低含水率（如w=1%时）红砂岩冻融后T₂谱上升幅度受限。当含水率增加时,冰生长有足够的未冻水源补给,大部分水结冰生长至次级孔后挤压孔隙壁对岩石造成损伤,这时产生的有效冻融损伤程度较高,故高含水率（如w= 3%及w = 4.63%时）红砂岩冻融后T₂谱大幅上涨。静水压及体积膨胀机制同样在红砂岩冻融损伤中起一定作用,静水压是由于结冰驱动未动水渗流形成的损伤,而体积膨胀机制是结冰膨胀产生冰压力形成的损伤,该理论均以水作为主要的损伤诱发因子,因此,含水率的变化对该理论控制下的冻融损伤发展影响不言而喻。综上所述,含水率的增加（减少）增强（抑制）了岩石的冻融损伤程度,即含水率控制了砂岩在冻融过程中其细观孔隙结构的演变特征（图2）。

图 2 冻融损伤机制示意图

Figure 2. Freeze-thaw damage mechanism

下载: 全尺寸图片幻灯片

3. 三轴蠕变试验结果

3.1 蠕变特征

（1）蠕变变形

图3为冻融后不同含水率红砂岩的全过程蠕变曲线。对比图3（a）～（c）可知,当红砂岩处于相同含水率状态时,试样所承受的荷载等级随着冻融循环次数的增加而降低,而在每一级荷载作用下的蠕变量随之增加,该现象与之前的研究结果一致^[12],即试样的时效变形特征受冻融作用影响呈明显的软化趋势。随着含水率的增加：①经历相同冻融循环次数的试样所承受的荷载等级随之降低；②在非屈服应力下,相同冻融循环及偏应力下试样的蠕变量随之递增,且破坏前累计的变形量普遍随之增加；③在屈服应力下,经历冻融循环次数越多的红砂岩蠕变时间越长。

图 3 冻融后不同含水率红砂岩全过程蠕变曲线

Figure 3. Creep curves of red sandstone after freeze-thaw cycles under different water contents

下载: 全尺寸图片幻灯片

（2）蠕变速率及加速度

图4给出了冻融后不同含水率红砂岩的蠕变速率及加速度曲线。在非屈服应力条件下,红砂岩的蠕变速率曲线整体呈“L”型,由图4（a）可见,试样在加载初期变形速率达到最大,随着时间增加速率逐渐减小至近似为0,表明试样从衰减蠕变阶段过渡到稳态蠕变阶段。随着含水率的增加,冻融后红砂岩的蠕变速率随之增大,且速率跌落至稳定的时间点t_w向右偏移,表明试样在衰减蠕变阶段的变形持续时长随之递增。红砂岩的蠕变加速度曲线呈“ $Γ$ ”型,加速度随时间及含水率增加的变化规律与速率相似,除含水率为1%的试样在衰减蠕变初期的蠕变加速度绝对值最小,其余时刻试样蠕变加速度基本与含水率呈正相关。在屈服应力条件下,红砂岩在蠕变过程中历经三个蠕变阶段,如图4（b）所示。试样的蠕变速率及加速度在各蠕变阶段的演变规律为：①衰减蠕变阶段, $a < 0$ ,速率逐渐降低；②稳态蠕变阶段, $a = 0$ ,速率保持恒定；③加速蠕变阶段, $a > 0$ ,速率快速激增。加速度持续趋于0的时间极限为岩石失稳破坏的时间节点,冻融60次含水率为3%的红砂岩失稳节点明显晚于冻融30次含水率为2%的红砂岩,但前者整体的速率及加速度绝对值更大,屈服时的偏应力更低。

图 4 冻融后不同含水率红砂岩蠕变速率及加速度曲线

Figure 4. Creep rate and acceleration curves of red sandstone after freeze-thaw cycles under different water contents

下载: 全尺寸图片幻灯片

3.2 长期强度

岩石的长期强度是指使岩石不发生非稳定变形的最大长期荷载,当应力水平超过该值时,岩石将发生蠕变破坏。本文采用稳态蠕变速率法^[21]计算冻融后不同含水率红砂岩的长期强度,结果如表1所示。在含水率一定时,红砂岩的长期强度随着冻融循环次数的增加而降低,反映出其时效力学性能逐渐弱化。含水率的变化主要决定了冻融后红砂岩长期强度的下降幅度,如相比干燥无冻融红砂岩的长期强度,冻融60次后干燥红砂岩的强度下降了39.8%,而含水率为2%时下降幅度为56.8%,饱和时达到了77.3%。由此可见,较高含水率红砂岩经历冻融循环后,其抵御长期荷载能力大幅下降。

表 1 冻融后不同含水率红砂岩长期强度

Table 1. Long-term strengths of red sandstone after freeze-thaw cycles under different water contents

冻融循环次数	不同含水率红砂岩的长期强度/MPa
冻融循环次数	干燥	1%	2%	3%	饱和
0	124.69	124.03	104.81	102.48	101.32
30	113.90	89.73	85.11	65.51	66.02
60	75.02	55.71	53.87	48.67	28.32

下载: 导出CSV

| 显示表格

3.3 宏观破坏形态

图5给出了冻融60次后不同含水率红砂岩的蠕变破坏形态,由图5可知,当试样干燥时,试样破坏仅有一条贯穿整体的斜剪切面,剪切面两侧试样较为完整；在含水率为1%时,除了试样破坏呈现一斜剪切面外,断面下方发育有一条非贯穿式主裂纹,且附近有部分岩块剥落；在含水率为2%及3%时,试样表面有两组贯穿式主裂纹,为张拉劈裂型,且主裂纹附近伴随有许多次裂纹,含水率越高,次裂纹的延伸尺度越大；在含水率为饱和时,试样断面出现多组次裂纹贯通,主裂缝附近有大面积岩块脱落,试样破裂程度较为严重。根据主裂纹的类型,试样破坏可归纳为断面由单一斜剪切向张拉劈裂型逐渐演变至断面附近岩块崩解碎裂。

图 5 冻融后不同含水率红砂岩蠕变破坏形态

Figure 5. Creep failure modes of red sandstone after freeze-thaw cycles under different water contents

下载: 全尺寸图片幻灯片

4. 冻融含水劣化蠕变模型

4.1 冻融含水劣化系数及损伤演化方程

上述试验结果表明,冻融循环次数与含水率变化共同影响了红砂岩的蠕变力学特性,且影响深度涉及红砂岩在衰减、稳态及加速蠕变阶段的时效变形特征。从定性的角度分析,含水率及冻融循环对红砂岩蠕变特性的影响可描述为岩石在各蠕变阶段的变形特征随岩石在含水率控制下的冻融损伤程度而发生改变。从定量的角度评价,则可考虑描述岩石各蠕变阶段变形行为的力学元件具有随冻融循环次数及含水率变化的非定常性。

基于此,从损伤力学的观点出发,通过建立考虑冻融及含水劣化的岩石黏弹性特征参数表达式,并提出时效性损伤演化方程,为构建蠕变损伤模型作铺垫以进一步量化探讨红砂岩在冻融循环次数及含水率变化下的蠕变劣化性质。

首先,考虑描述岩石黏弹性变形的特征参数具有随冻融循环次数及含水率变化的非定常性,即

$E (N, ω) = D_{e} (N, ω) E_{o}$ ,

(2)

$η (N, ω) = D_{η} (N, ω) η_{o}$ 。

(3)

式中 E(N,w),η(N,w)分别为冻融含水状态下的弹性模型与黏性系数；E_o,η_o分别为无冻融干燥状态下的弹性模量与黏性系数；D_e(N,w),D_η(N,w)分别为弹性冻融含水劣化系数及黏性冻融含水劣化系数,均为关于冻融循环N及含水率w的二元函数。

其次,由于岩石是由不同矿物晶体所组成的固态集合体,内部结构有缺陷,在空间上呈现非均质性。因此,在长期受荷过程中,岩石微细观结构的改变（包含晶粒的位移,孔隙的发育及扩展等）具有基于时间效应的概率性,反映了微细观损伤的累计具有随时间变化的随机分布特征。考虑到损伤随时间的发展为一连续过程,定义岩石时效损伤的累计服从Weibull连续型概率分布,即

$y (t) = \frac{θ}{λ} {(\frac{t}{λ})}^{θ - 1} \exp [- {(\frac{t}{λ})}^{θ}]$ 。

(4)

式中 y (t)为时效损伤密度函数； $θ$ 与 $λ$ 为表征材料时效损伤演化规律的特征参数。损伤密度函数为时效损伤率在时间上的度量,因此时效损伤函数为

$Y (t) = \int_{0}^{t} y (t) d t = \int_{0}^{t} \frac{θ}{λ} {(\frac{t}{λ})}^{θ - 1} \exp [- {(\frac{t}{λ})}^{θ}] d t$ 。

(5)

试样在初始条件下无损伤,即t = 0时,Y = 0,故损伤函数可为

$Y (t) = \int_{0}^{t} y (t) d t = 1 - \exp {(- \frac{t}{λ})}^{θ}$ 。

(6)

许宏发^[22]指出,岩石的弹性模量具有随时间变化的非定性,随着时间的增加,弹性模型呈下降趋势,其实质为岩石内部结构损伤的结果。由此定义损伤变量：

$D (t) = 1 - \frac{E_{t}}{E_{c}}$ ,

(7)

式中, $E_{c}$ 为初始弹性模量, $E_{t}$ 为t时刻的弹性模量。

假设 $E_{t}$ 由初始弹性模量 $E_{c}$ 向长期弹性模量 $E_{\infty}$ 逐渐衰减,并根据时效损伤函数定义如下损伤演化方程：

$D_{t} = \frac{E_{c} - E_{\infty}}{E_{c}} (1 - \exp {(- \frac{t}{λ})}^{θ})$ 。

(8)

当 $D_{t} = 0$ 时,岩石处于无损态； $D_{t} \in (0, 1)$ 时,岩石处于损伤态； $D_{t} = 1$ 时,岩石处于完全损伤态。以各向同性损伤表征各蠕变特征参数的时效损伤演变规律,则任意时刻t的蠕变参数M为

$\begin{array}{l} M_{t} (N, ω, t) = M_{c} (N, ω) \times (1 - D_{t}) = \\ M_{c} (N, w) \times [\frac{E_{c} \exp (- {(t / λ)}^{θ}) + E_{\infty} (1 - \exp (- {(t / λ)}^{θ}))}{E_{c}}] \end{array}$ 。

(9)

4.2 考虑冻融及含水劣化的西原模型

传统的西原模型由Hooke体、Kelvin体与黏塑性体串联而成（图6）,其优点在于能较好地反映岩石蠕变变形中的弹黏塑性力学行为。其中,Kelvin体由Hooke体与理想黏性体并联而成,黏塑性体由理想塑性体与理想黏性体并联而成。以常规西原模型为基础,引入冻融含水率劣化系数及时效性损伤演化方程,建立一种考虑冻融及含水劣化的西原模型（FTWnishihara）,其蠕变方程为

$ε (t) = {\begin{cases} \frac{σ}{E_{h} (N, w, t)} + [1 - \exp (- \frac{E_{k} (N, w)}{η_{k} (N, w)} t)] \frac{σ}{E_{k} (N, w, t)} \\ (σ < σ_{s}) \\ \frac{σ}{E_{h} (N, w, t)} + [1 - \exp (- \frac{E_{k} (N, w)}{η_{k} (N, w)} t)] \frac{σ}{E_{k} (N, w, t)} + \\ \frac{σ - σ_{s}}{η_{p} (N, w, t)} t (σ \geq σ_{s}) 。 \end{cases}$

(10)

图 6 西原模型

Figure 6. Nishihara model

下载: 全尺寸图片幻灯片

式中 $σ$ ( $ε$ )为模型的总应力（应变）； $E_{h} (N, w, t)$ 为Hooke体的弹性模量； $E_{k} (N, w, t)$ 为Kelvin体中Hooke体的弹性模量, $η_{k} (N, w, t)$ 为Kelvin体中理想黏性体所对应的黏性系数； $η_{p} (N, w, t)$ 为黏塑性体中理想黏性体所对应的黏性系数, $σ_{s}$ 为蠕变屈服强度。

式（10）为一维蠕变方程,而本次试验对岩石进行了三轴蠕变试验,为此,需引入弹塑性力学理论对上述方程进行三维扩展。在三维应力状态下,应力张量可分解为球形应力张量与偏斜应力张量；同理,物体的变形可分为两个部分,球形应力张量（各向相等的正应力）引起物体体积发生相对变形,而偏斜应力张量引起物体几何形状发生改变,前一种变形不包含畸变,而后一种变形不包括体积变形。对于Hooke体,根据广义Hooke定律可知其本构方程：

$ε_{i j}^{h} = \frac{1}{2 G_{h}} s_{i j} + \frac{1}{3 K} σ_{m} δ_{i j}$ 。

(11)

式中, $ε_{i j}^{h}$ 为Hooke体的应变； $s_{i j}$ 为偏斜应力张量； $σ_{m}$ 为球形应力张量； $δ_{i j}$ 为克罗内克函数； $G_{h}$ 与K分别为剪切模量和体积模量。假设岩石体积变化为弹性,蠕变性质体现在剪切变形方面,则Kelvin体的三维本构方程为

$ε_{i j}^{k} = \frac{1}{2 G_{k}} [1 - \exp (- \frac{G_{k}}{η_{k}} t)] s_{i j}$ ,

(12)

式中, $ε_{i j}^{k}$ 为Kelvin体的应变, $G_{k}$ 为黏弹性剪切模量。对于黏塑性体,根据广义塑性力学可知其三维本构关系为

$ε_{i j}^{vp} = \frac{1}{η_{p}} 〈 ψ (\frac{F}{F_{0}}) 〉 \frac{\partial g}{\partial σ_{i j}} t$ 。

(13)

式中 $ε_{i j}^{vp}$ 为黏塑性体的应变；F为岩石屈服函数；F₀为屈服参考值；g为塑性势函数； $〈 〉$ 为屈服条件判断函数,即

$〈 ψ (\frac{F}{F_{0}}) 〉 = {\begin{matrix} 0 & (F < 0) \\ ψ (\frac{F}{F_{0}}) & (F \geq 0) \end{matrix}$ ,

(14)

式中, $ψ$ 为幂函数形式,一般取幂指数为1。当 $F \geq 0$ 时,式（13）为

$ε_{i j}^{vp} = \frac{1}{η_{p}} 〈 \frac{F}{F_{0}} 〉 \frac{\partial g}{\partial σ_{i j}} t$ 。

(15)

本文以Mohr-Coulomb屈服准则描述岩石的塑性流动规律,在主向空间中有剪切及张拉屈服：

$f_{s} = σ_{1} - σ_{3} \frac{1 + \sin φ}{1 - \sin φ} + 2 c \sqrt{\frac{1 + \sin φ}{1 - \sin φ}}$ ,

(16)

$f_{t} = σ_{t} - σ_{3}$ 。

(17)

式中 $σ_{1}$ 与 $σ_{3}$ 分别为最大主应力与最小主应力；c为岩石的黏聚力； $φ$ 为岩石的内摩擦角； $σ_{t}$ 为抗拉强度。势函数g可表示为

$g_{s} = σ_{1} - σ_{3} (\frac{1+sin ϕ}{1 - sin ϕ})$ ,

(18)

$g_{t} = - σ_{3}$ 。

(19)

式中 $ϕ$ 为剪胀角； $g_{s}$ 为剪切塑性流动的势函数,符合不相关联的流动法则； $g_{t}$ 为张拉塑性流动的势函数,符合相关联流动法则。定义 $ε_{a}$ 为时效性损伤应变阈值,当 $ε_{e} = \sqrt{ε_{1}^{2} + ε_{2}^{2} + ε_{3}^{2}} \geq ε_{a}$ 时,岩石进入损伤态,各蠕变参数开始衰减。当F₀ = 1时,考虑冻融及含水率劣化的西原模型三维本构方程为

$\begin{array}{l} ε_{i j} (t) = \frac{1}{2 G_{h} (N, w)} s_{i j} + \frac{1}{3 K (N, w)} σ_{m} δ_{i j} + \frac{S_{i j}}{2 G_{k} (N, w)} \cdot \\ \begin{matrix} [1 - \exp (- \frac{G_{k} (N, w)}{η_{k} (N, w)} t)] & (F < 0, ε_{e} < ε_{a}) \end{matrix} \end{array}$ ,

(20a)

$\begin{array}{l} \frac{1}{2 G_{h} (N, w, t)} s_{i j} + \frac{1}{3 K (N, w, t)} σ_{m} δ_{i j} + \frac{S_{i j}}{2 G_{k} (N, w, t)} \cdot \\ \begin{matrix} [1 - \exp (- \frac{G_{k} (N, w)}{η_{k} (N, w)} t)] & (F < 0, ε_{e} \geq ε_{a}) \end{matrix} \end{array}$ ,

(20b)

$\begin{array}{l} \frac{1}{2 G_{h} (N, w, t)} s_{i j} + \frac{1}{3 K (N, w, t)} σ_{m} δ_{i j} + \frac{S_{i j}}{2 G_{k} (N, w, t)} \cdot \\ [1 - \exp (- \frac{G_{k} (N, w)}{η_{k} (N, w)} t)] + \frac{〈 F 〉}{η_{p} (N, ω, t)} \frac{\partial g}{\partial σ_{i j}} t (F \geq 0, ε_{e} \geq ε_{a}) 。 \end{array}$

(20c)

4.3 模型参数辨识及回归分析

依据冻融后不同含水率红砂岩三轴蠕变试验数据,采用1stOpt v8.0数学分析软件以通用全局优化(Universal Global Optimization)算法对考虑冻融及含水劣化的西原模型进行参数辨识,识别结果见表2,3。表中分别列出了非屈服应力（限于篇幅,仅显示偏应力为40.8MPa）及屈服应力（含加速蠕变）条件下模型辨识参数。

表 2 非屈服应力条件下（40.8 MPa）模型辨识参数

Table 2. Parameters identified by universal global algorithm under non-yield stress (40.8 MPa)

冻融循环次数/N	含水率/%	G_h/GPa	K/GPa	G_k/GPa	η_k/(GPa·h^-1)
0	0	43.36	37.16	13.42	2.41
	1	37.91	32.50	10.17	2.13
	2	36.63	31.39	9.09	1.86
	3	22.46	19.25	8.34	1.70
	4.63	18.98	16.27	7.28	1.30
30	0	13.67	11.72	6.63	1.21
	1	11.42	9.79	5.62	1.17
	2	8.31	7.13	5.11	1.04
	3	6.87	5.89	4.85	1.02
	4.63	6.43	5.51	4.52	0.83
60	0	8.10	6.94	5.42	0.98
	1	5.61	4.80	3.90	0.80
	2	4.32	3.70	3.30	0.65
	3	4.08	3.50	2.91	0.60
	4.63	3.99	3.42	2.74	0.43

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 3 屈服应力条件下模型辨识参数

Table 3. Parameters identified by universal global optimization algorithm under yield stress

G_h/GPa	K/GPa	G_k/GPa	η_k/(GPa·h^-1)	η_p/(GPa·h^-1)	θ	λ
4.73	4.65	13.31	3.46	4588.61	39.19	5.01
3.09	3.03	3.88	0.78	1429.21	108.35	9.45
注：冻融循环30次,含水率为2%,屈服应力为102.0 MPa；冻融循环60次,含水率为3%,屈服应力为61.2 MPa。

下载: 导出CSV

| 显示表格

当 $F < 0$ 且 $ε_{e} < ε_{a}$ 时,西原模型退化为广义Kelvin模型,需辨识参数包含剪切模量G_h、体积模量K、黏弹性剪切模量G_k及黏性系数 $η_{k}$ 。由表2可知,在相同含水率条件下,所有参数均随冻融循环次数的增加而减小,反映出冻融循环对于岩石时效力学性能的弱化作用；同样,当冻融循环次数一定时,弹性、黏弹性及黏性参数具有随含水率上升而普遍下降的趋势,体现出水对于试样的劣化作用。因此,试样的含水率越高且经历冻融循环次数越多,其时效变形特征量化反映为模型黏弹性参数值越低。当 $F \geq 0$ 且 $ε_{e} \geq ε_{a}$ 时,西原模型为塑性屈服及时效损伤态,表3中的蠕变参数为其进行时效衰减时的初始值。由于在上述试验中,仅含水率2%（冻融30次）与3%（冻融60次）的试样经历了加速蠕变（其余工况试样均在加载过程破坏）,因此仅使用该类试样的数据进行模型参数辨识。由表3可知,当冻融循环次数及含水率较高时,黏弹性力学参数呈下降趋势,而时效损伤特征参数显著上升。

将识别的模型参数代入式（2）,（3）,计算得到黏弹性冻融含水劣化系数,并建立劣化系数的回归曲线,如图7所示。其中,图7（a）为基于参数G_k建立的弹性冻融含水劣化系数曲线,而图7（b）为基于参数η_k建立的黏性冻融含水劣化系数曲线。从图中数据可知,劣化系数与含水率及冻融循环次数呈负相关。从回归曲线可见,弹性劣化系数与含水率呈非线性负指数相关,黏性劣化系数与含水率呈线性相关,但在相同冻融循环次数下,随着含水率的增加,弹性及黏性劣化系数曲线的整体下降幅度一致,故其区别仅在于曲线的下降变化过程。

图 7 黏弹性冻融含水劣化系数回归曲线

Figure 7. Regression curves of viscoelastic freeze-thaw deterioration coefficient considering water content

下载: 全尺寸图片幻灯片

4.4 模型二次开发及三维计算效果

本文通过FLAC^3D进行二次开发,为方便FTWnishihara模型程序化,下面推导本构方程的三维中心差分形式。模型的偏量关系有

$\begin{matrix} {\dot{e}}_{i j} = {\dot{e}}_{i j}^{h} + {\dot{e}}_{i j}^{k} + {\dot{e}}_{i j}^{vp} & (总偏应变率) \end{matrix}$ ,

(21)

$\begin{matrix} {\dot{S}}_{i j} = 2 G_{h} {\dot{e}}_{i j}^{h} & (H o o k e 体) \end{matrix}$ ,

(22)

$\begin{matrix} S_{i j} = 2 G_{k} e_{i j}^{k} + 2 η_{k} {\dot{e}}_{i j}^{k} & (K e l v i n 体) \end{matrix}$ ,

(23)

$\begin{matrix} {\dot{e}}_{i j}^{vp} = \frac{〈 F 〉}{η_{p}} \frac{\partial g}{\partial σ_{i j}} - \frac{1}{3} {\dot{e}}_{vol}^{vp} δ_{i j} & (黏塑性体) \end{matrix}$ 。

(24)

式（21）的增量形式为

$Δ e_{i j} = Δ e_{i j}^{h} + Δ e_{i j}^{k} + Δ e_{i j}^{vp}$ 。

(25)

采用中心差分形式,式（22）为

$Δ S_{i j} = 2 G_{h} Δ e_{i j}^{h}$ 。

(26)

式（23）为

$\bar{S_{i j}} Δ t = 2 G_{k} \bar{e_{i j}^{k}} Δ t + 2 η_{k} Δ e_{i j}^{k}$ ,

(27)

$\bar{S_{i j}} = \frac{S_{i j}^{O} + S_{i j}^{N}}{2}$ ,

(28)

$\bar{e_{i j}} = \frac{e_{i j}^{O} + e_{i j}^{N}}{2}$ 。

(29)

式中 $S_{i j}^{O}$ 与 $S_{i j}^{N}$ 分别为一个时间步内旧的偏应力及新的偏应力； $e_{i j}^{O}$ 与 $e_{i j}^{N}$ 分别为一个时间步内旧的应变偏量及新的应变偏量。将式（28）,（29）代入式（27）可得到Kelvin体的应变偏量：

$e_{i j}^{K,N} = \frac{1}{A} [B e_{i j}^{K,O} + \frac{Δ t}{4 η_{k}} (S_{i j}^{O} + S_{i j}^{N})]$ ,

(30)

$A = 1 + \frac{G_{k} Δ t}{2 η_{k}} B = 1 - \frac{G_{k} Δ t}{2 η_{k}}$ 。

(31)

将式（26）,（30）代入式（25）,得到更新后的偏应力：

$S_{i j}^{N} = \frac{1}{a} [Δ e_{i j} - Δ e_{i j}^{vp} + b S_{i j}^{O} - (\frac{B}{A} - 1) e_{i j}^{K,O}]$ ,

(32)

$\begin{matrix} a = \frac{1}{2 G_{h}} + \frac{Δ t}{4 A η_{k}} & b = \frac{1}{2 G_{h}} - \frac{Δ t}{4 A η_{k}} \end{matrix}$ 。

(33)

因球应力不产生塑性变形,故整个模型的球应力为

$σ_{0}^{N} = σ_{0}^{O} + K (Δ ε_{vol} - Δ ε_{vol}^{vp})$ 。

(34)

综上所述,式（32）,（34）为编译程序时运用的FTWnishihara模型应力应变关系形式。此外,关于 $ε_{e}$ 是否超过了应变阈值,以及岩石是否发生时效性损伤,即各蠕变参数以式（9）的形式进行衰减均可通过FLAC^3D内置FISH语言进行编写实现。

根据FTWnishihara本构方程的中心差分形式及FLAC^3D提供的自定义本构模型接口,借助VC开发环境编译生成FTWnishihara.dll文件,并加载到FLAC^3D之中。以冻融30次含水率2%的红砂岩及冻融60次含水率3%的红砂岩三轴蠕变试验作为数值算例,采用FTWnishihara模型对红砂岩蠕变试验进行数值验证,同时将FLAC^3D内置Burgers模型作为模拟效果对比。模拟试件与前述试验所采用的岩样尺寸一致,试件共划分660个单元体,876个节点；强度参数通过常规三轴试验获取,蠕变参数以UGO算法识别的参数（表3）为基准；在边界条件的设定中,与真实试验一致固定住模型底端。荷载设定环向均匀应力5 MPa为围压,顶部施加均匀轴向荷载,计算过程中记录轴向位移云图及位移时间曲线。

图8为模型曲线与试验数据对比,同时也将时效损伤曲线绘制其中。可见,Burgers模型曲线与试验数据具有一定偏差,且模型无法反映岩石非线性加速蠕变特征。本文构建的FTWnishihara模型曲线与试验曲线吻合较好,且模型能较为完整地描述冻融后不同含水率红砂岩在衰减、稳态及加速蠕变阶段的变形特征。从损伤曲线可知,红砂岩在衰减及稳态蠕变阶段的损伤发展较为平稳,进入加速蠕变后损伤量 $D_{t}$ 开始急剧增长,在加速蠕变后期岩石呈完全损伤态。

图 8 理论计算及模拟监测曲线与试验数据对比

Figure 8. Comparison among theoretical calculation, numerical simulation curve and experimental data

下载: 全尺寸图片幻灯片

5. 结论

（1）冻融循环作用促进了红砂岩内孔隙的发育扩展,其中试样以中小孔的快速发育为主；含水率越高,冻融后试样内孔隙的发育程度越大,各尺寸孔隙的发育程度为中孔>小孔>大孔。

（2）冻融循环次数及含水率与红砂岩在相同偏应力下的蠕变量、蠕变速率及蠕变时长呈正相关,与屈服应力及长期强度呈负相关。随着含水率的增加,冻融后试样断面由剪切向张拉劈裂型逐渐演变。

（3）依据岩石在含水率控制下的冻融损伤及时效性损伤效应,构建FTWnishihara模型。结合试验对模型进行参数识别,得出黏弹性参数及冻融含水劣化系数与冻融循环次数及含水率呈负相关。通过FLAC^3D蠕变试验模拟,验证模型能较好地描述冻融后不同含水率红砂岩在各蠕变阶段的变形特征。

图 1 台阶式放坡方案示意图

Figure 1. Schematic diagram of stepped grading

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 ZJ50-2G大型粗粒土压缩直剪仪示意图

Figure 2. ZJ50-2G large coarse soil compression direct shear apparatus

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 样本筛分结果

Figure 3. Sieving results of sample

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 加工后的基岩试样

Figure 4. Processed bedrock sample

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 不同含石率试样的级配曲线

Figure 5. Grain-siz distribution curves of samples with different stone contents

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 剪应力–剪切位移曲线

Figure 6. Shear stress-shear displacement curves

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 块石运动示意图

Figure 7. Schematic diagram of block movement

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 土石混合体–基岩界面抗剪强度包络线

Figure 8. Shear strength envelopes of soil-rock mixture-bedrock interface

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 抗剪强度指标和含石率的关系

Figure 9. Relationship between shear strength index and stone content

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 不同含石率试样细观结构示意图

Figure 10. Schematic diagram of microstructure of samples with different stone contents

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 模型示意图

Figure 11. Model

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 数值模拟与室内试验的剪应力–剪切位移曲线

Figure 12. Shear stress-shear displacement curves of numerical simulations and laboratory tests

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 不同含石率和法向压力下的裂隙图

Figure 13. Fractures under different stone contents and normal pressures

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 14 剪切带对比图

Figure 14. Comparison of shear bands

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 15 块石破碎示意图

Figure 15. Schematic diagram of broken stone

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 16 块石相对破碎与含石率关系

Figure 16. Relationship between relative fragmentation of stone and stone content

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 室内大型直剪试验方案

Table 1 Schemes for large direct shear tests in laboratory

试验编号	含石率/%	含水率/%	法向压力/kPa	加载速度/(mm·min^-1)
1	35	9.32	200,400,600,800	0.8
2	55	9.32	200,400,600,800	0.8
3	75	9.32	200,400,600,800	0.8

下载: 导出CSV

表 2 细观参数表

Table 2 Meso-parameters

细观参数	接触类型
细观参数	块石内部	土颗粒间	块石与土颗粒间
接触黏结变形模量/Pa	—	5.0×10⁶	5.0×10⁶
接触黏结抗拉强度/Pa	—	1.5×10³	1.0×10²
接触黏结剪切强度/Pa	—	6.0×10³	1.0×10²
平行黏结变形模量/Pa	6.0××10⁷	—	—
平行黏结抗拉强度/Pa	3.5×10⁵	—	—
平行黏结黏聚力/Pa	2.5×10⁵	—	—
平行黏结摩擦角/(°)	25.0	—	—

下载: 导出CSV

参考文献(42)

[1]	熊炜. 秦巴山区软弱变质岩浅表层滑坡成因机理研究[D]. 西安: 长安大学, 2012. XIONG Wei. Study on the Cause Mechanism of Shallow Landslide of Weak Metamorphic Rock in the Qin-ba Mountainous Region[D]. Xi'an: Changan University, 2012. (in Chinese)
[2]	李鹏, 苏生瑞, 马驰, 等. 堆积层-基岩接触面滑坡的形成机理：以祖师庙滑坡为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(5): 1471-1479. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CCDZ201705011.htm LI Peng, SU Sheng-rui, MA Chi, et al. Formation mechanism of landslides with accumulation layer-bedrock contact surface: taking Zushimiao landslide as an example[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2017, 47(5): 1471-1479. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CCDZ201705011.htm
[3]	常德龙, 王孔伟, 李春波, 等. 宜昌城区魏家湾滑坡发育特征及稳定性评价[J]. 人民长江, 2016, 47(17): 48-52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE201617010.htm CHANG De-long, WANG Kong-wei, LI Chun-bo, et al. Development characteristics and stability evaluation of Weijiawan Landslide in Yichang urban area[J]. Yangtze River, 2016, 47(17): 48-52. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE201617010.htm
[4]	余绍维, 黄经秋. 攀枝花民用机场场区高填方边坡稳定性研究[J]. 有色矿山, 1999, 28(5): 45-49. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKS199905013.htm YU Shao-wei, HUANG Jing-qiu. Research on stability of high fill slope of Panzhihua airport[J]. Nonferrous Mines, 1999, 28(5): 45-49. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKS199905013.htm
[5]	乌云飞. 秦巴山区土石混合体滑坡变形破坏机理研究：以紫阳县滑坡为例[D]. 西安: 长安大学, 2012. WU Yun-fei. Study on Deformation and Failure Mechanism of landslide of the Soil-Rock Mixture in the Qin-Ba Mountain Region —A Case Study of Landslide in Ziyang County[D]. Xi'an: Changan University, 2012. (in Chinese)
[6]	沈明荣, 张清照. 规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(4): 713-719. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201004011.htm SHEN Ming-rong, ZHANG Qing-zhao. Experimental study of shear deformation characteristics of rock mass discontinuities[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(4): 713-719. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201004011.htm
[7]	周辉, 孟凡震, 张传庆, 等. 结构面剪切破坏特性及其在滑移型岩爆研究中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(9): 1729-1738. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201509002.htm ZHOU Hui, MENG Fan-zhen, ZHANG Chuan-qing, et al. Characterics of shear failure of structural plane and slip rockbust[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(9): 1729-1738. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201509002.htm
[8]	BABANOURI N, KARIMI NASAB S. Modeling spatial structure of rock fracture surfaces before and after shear test: a method for estimating morphology of damaged zones[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2015, 48(3): 1051-1065.
[9]	KANA D D, FOX D J, HSIUNG S M. Interlock/friction model for dynamic shear response in natural jointed rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1996, 33(4): 371-386. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ShoppingCartURL&_method=add&_eid=1-s2.0-0148906295000739&originContentFamily=serial&_origin=article&_ts=1416317132&md5=e0ef291d70d98e0fde6ea44ce9a974c1
[10]	徐鼎平, 冯夏庭, 崔玉军, 等. 白鹤滩水电站层间错动带的剪切特性[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(增刊1): 2692-2703. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2012S1012.htm XU Ding-ping, FENG Xia-ting, CUI Yu-jun, et al. Shear behaviors of interlayer staggered zone at Baihetan hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(S1): 2692-2703. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2012S1012.htm
[11]	杨忠平, 蒋源文, 李诗琪, 等. 土石混合体-基岩界面剪切力学特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(10): 1947-1954. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202010027.htm YANG Zhong-ping, JIANG Yuan-wen, LI Shi-qi, et al. Experimental study on shear mechanical properties of soil-rock mixture-bedrock interface[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(10): 1947-1954. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202010027.htm
[12]	艾英钵, 徐阳阳, 邱维邦. 土石混合料与岩石接触面强度特性模拟试验研究[J]. 工程地质学报, 2020, 28(3): 450-458. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ202003003.htm AI Ying-bo, XU Yang-yang, QIU Wei-bang. Experimental study of strength behavior of gravel and rock interface[J]. Journal of Engineering Geology, 2020, 28(3): 450-458. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ202003003.htm
[13]	董云. 土石混合料强度特性的试验研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(6): 1269-1274. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.06.040 DONG Yun. Experimental study on intensity character of rock-soil aggregate mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(6): 1269-1274. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2007.06.040
[14]	舒志乐. 土石混合体微结构分析及物理力学特性研究[D]. 成都: 西华大学, 2007. SHU Zhi-le. Study on Microstructure and Mechanical Characteristics of the Earth-Rock Aggregate[D]. Chengdu: Xihua University, 2007. (in Chinese)
[15]	薛亚东, 岳磊, 李硕标. 含水率对土石混合体力学特性影响的试验研究[J]. 工程地质学报, 2015, 23(1): 21-29. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ201501005.htm XUE Ya-dong, YUE Lei, LI Shuo-biao. Experimental study on mechanical properties of soilrock mixture containing water[J]. Journal of Engineering Geology, 2015, 23(1): 21-29. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ201501005.htm
[16]	刘新荣, 涂义亮, 王鹏, 等. 基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(8): 1425-1434. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201708013.htm LIU Xin-rong, TU Yi-liang, WANG Peng, et al. Particle breakage of soil-rock aggregate based on large-scale direct shear tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(8): 1425-1434. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201708013.htm
[17]	欧阳振华, 李世海, 戴志胜. 块石对土石混合体力学性能的影响研究[J]. 实验力学, 2010, 25(1): 61-67. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYLX201001009.htm OUYANG Zhen-hua, LI Shi-hai, DAI Zhi-sheng. On the influence factors of mechanical properties for soil-rock mixture[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2010, 25(1): 61-67. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYLX201001009.htm
[18]	张强, 汪小刚, 赵宇飞, 等. 土石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(1): 60-69. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201901009.htm ZHANG Qiang, WANG Xiao-gang, ZHAO Yu-fei, et al. 3D random reconstruction of meso-structure for soil-rock mixture and numerical simulation of its mechanical characteristics by particle flow code[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(1): 60-69. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201901009.htm
[19]	胡峰, 李志清, 胡瑞林, 等. 基于大型直剪试验的土石混合体剪切带变形特征试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(3): 766-778. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201803025.htm HU Feng, LI Zhi-qing, HU Rui-lin, et al. Research on the deformation characteristics of shear band of soil-rock mixture based on large scale direct shear test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(3): 766-778. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201803025.htm
[20]	杨忠平, 雷晓丹, 王雷, 等. 含石量对土石混合体剪切特性影响的颗粒离散元数值研究[J]. 工程地质学报, 2017, 25(4): 1035-1045. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ201704018.htm YANG Zhong-ping, LEI Xiao-dan, WANG Lei, et al. Impact of stone content to shear properties of soil-rock mixture using particle flow code simulation[J]. Journal of Engineering Geology, 2017, 25(4): 1035-1045. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ201704018.htm
[21]	CEN D F, HUANG D, REN F. Shear deformation and strength of the interphase between the soil-rock mixture and the benched bedrock slope surface[J]. Acta Geotechnica, 2017, 12(2): 391-413.
[22]	水电水利工程粗粒土试验规程：DL/T 5356—2006[S]. 2006. Code for Coarse -Graied Soil Tests for Hydropower and Water Conservancy Engineering: DL/T 5356—2006[S]. 2006. (in Chinese)
[23]	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, 70. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG200904014.htm XU Wen-jie, HU Rui-lin. Conception, classification and significations of soil-rock mixture[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2009, 36(4): 50-56, 70. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG200904014.htm
[24]	MEDLEY E, LINDQUIST E S. The engineeringsignificance of the scale-independence of some Franciscan melanges in California, USA[M]//DAEMEN J K, SCHULTZ R A ed. Proceeding of the 35th US Rock Mechanics Symposium. Rotterdam: A A Balkema, 1995: 907-914.
[25]	魏厚振, 汪稔, 胡明鉴, 等. 蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征[J]. 岩土力学, 2008, 29(1): 48-51, 57. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200801011.htm WEI Hou-zhen, WANG Ren, HU Ming-jian, et al. Strength behaviour of gravelly soil with different coarse-grained contents in Jiangjiagou Ravine[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(1): 48-51, 57. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200801011.htm
[26]	唐建一, 徐东升, 刘华北. 含石量对土石混合体剪切特性的影响[J]. 岩土力学, 2018, 39(1): 93-102. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201801013.htm TANG Jian-yi, XU Dong-sheng, LIU Hua-bei. Effect of gravel content on shear behavior of sand-gravel mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(1): 93-102. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201801013.htm
[27]	徐文杰, 胡瑞林, 岳中琦, 等. 基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(5): 996-1007. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200805019.htm XU Wen-jie, HU Rui-lin, YUE Zhong-qi, et al. Research on relationship between rock block proportion and shear strength of soil-rock mixtures based on digital image analysis and large direct shear test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(5): 996-1007. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200805019.htm
[28]	董云, 柴贺军, 杨慧丽. 土石混填路基原位直剪与室内大型直剪试验比较[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(2): 235-238. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC20050200O.htm DONG Yun, CHAI He-jun, YANG Hui-li. Comparison of shear test in site and lab large-scale shear test for rock-soil aggregate of roadbed[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(2): 235-238. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC20050200O.htm
[29]	邓华锋, 原先凡, 李建林, 等. 土石混合体直剪试验的破坏特征及抗剪强度取值方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(增刊2): 4065-4072. DENG Hua-feng, YUAN Xian-fan, LI Jian-lin, et al. Research on failure characteristics and determination method for shear strength of earth-rock aggregate in direct shear tests[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(S2): 4065-4072. (in Chinese)
[30]	杨忠平, 田鑫, 雷晓丹, 等. 土石混合料剪切特性影响因素的离散元数值研究[J]. 工程地质学报, 2020, 28(1): 39-50. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ202001005.htm YANG Zhong-ping, TIAN Xin, LEI Xiao-dan, et al. Particle discrete element numerical study on factors of shear strength characteristics for soil-rock mixture[J]. Journal of Engineering Geology, 2020, 28(1): 39-50. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ202001005.htm
[31]	CHO N, MARTIN C D, SEGO D C. A clumped particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2007, 44(7): 997-1010.
[32]	Itasca Consulting Group Inc. Particle Flow Code in 2 Dimensions (PFC2D) Version 5.0[CP]. Minneapolis: Itasca Consulting Inc, 2018.
[33]	ZHANG S R, SUN B, WANG C, et al. Influence of intermediate principal stress on failure mechanism of hard rock with a pre-existing circular opening[J]. Journal of Central South University, 2014, 21(4): 1571-1582.
[34]	CAI M, KAISER P K, MORIOKA H, et al. FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007, 44(4): 550-564.
[35]	张社荣, 孙博, 王超, 等. 双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(增刊2): 3083-3091. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2013S2014.htm ZHANG She-rong, SUN Bo, WANG Chao, et al. Discrete element analysis of crack propagation in rocks under biaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(S2): 3083-3091. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2013S2014.htm
[36]	贾学明, 柴贺军, 郑颖人. 土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(9): 2695-2703. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201009003.htm JIA Xue-ming, CHAI He-jun, ZHENG Ying-ren. Mesomechanics research of large direct shear test on soil and rock aggregate mixture with particle flow code simulation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(9): 2695-2703. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201009003.htm
[37]	刘新荣, 涂义亮, 王林枫, 等. 土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(9): 2260-2274. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201709020.htm LIU Xin-rong, TU Yi-liang, WANG Lin-feng, et al. Fractal characteristics of shear failure surface and mechanism of strength generation of soil-rock aggregate[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36(9): 2260-2274. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201709020.htm
[38]	董云, 柴贺军. 土石混合料剪切面分形特征试验研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(5): 1015-1020. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200705031.htm DONG Yun, CHAI He-jun. Experimental study on fractal character of shear surface of rock-soil aggregate mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(5): 1015-1020. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200705031.htm
[39]	涂义亮, 刘新荣, 任青阳, 等. 含石量和颗粒破碎对土石混合料强度的影响研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 3919-3928. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX202012011.htm TU Yi-liang, LIU Xin-rong, REN Qing-yang, et al. Effects of rock contents and particle breakage on strength characteristics of soil-rock aggregate[J]. Rock and Soil Mechanics, 2020, 41(12): 3919-3928. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX202012011.htm
[40]	HARDIN B O. Crushing of soil particles[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1985, 111(10): 1177-1192.
[41]	雷晓丹. 土石混合料剪切特性及块石破碎特征研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2018. LEI Xiao-dan. Study on Shear Properties and Rock Block Breakage Characteristics of Soil-Rock Mixtures[D]. Chongqing: Chongqing University, 2018. (in Chinese)
[42]	刘汉龙, 孙逸飞, 杨贵, 等. 粗粒料颗粒破碎特性研究述评[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2012, 40(4): 361-369. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HHDX201204002.htm LIU Han-long, SUN Yi-fei, YANG Gui, et al. A review of particle breakage characteristics of coarse aggregates[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2012, 40(4): 361-369. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HHDX201204002.htm

施引文献(35)

期刊类型引用(24)

1.	夏晶晶，贺姣姣. 基于直剪试验土石混合体路基的稳定性问题研究. 山西建筑. 2025(01): 125-128+172 . 百度学术
2.	郜力君，郝捷. 含石率及坡度对土石混合路堑边坡稳定性的影响分析. 交通世界. 2025(Z2): 154-156 . 百度学术
3.	邹弈，朱碧堂，吴颖彪，周宇航. 断层破碎带黏性夹泥岩体与基岩接触界面大型直剪试验研究. 华东交通大学学报. 2025(01): 45-51 . 百度学术
4.	李利萍，余泓浩，李秋雨，潘一山. 砂岩不同含水特性对超低摩擦效应影响试验研究. 力学学报. 2025(03): 687-700 . 百度学术
5.	程虎，李重情，穆朝民. 冻结温度对不同粒径冻土石混合体劈裂特性的影响. 煤矿安全. 2024(01): 160-166 . 百度学术
6.	代兴先，宋杨，张志彬，齐子怡，刘棋瑞. 土石混合料力学特性和颗粒破碎研究. 河北水利电力学院学报. 2024(01): 1-8 . 百度学术
7.	李慎刚，石云方，刘晋宁，蒋琛. 碎石土路基填料压实及渗透特性. 工程科学学报. 2024(05): 918-926 . 百度学术
8.	SHI Yunfang，LI Shengang，JIANG Chen，LIU Jinning. Gravel hardness effect on compaction characteristics of gravelly soil. Journal of Mountain Science. 2024(04): 1432-1443 . 必应学术
9.	谢周州，赵炼恒，李亮，黄栋梁，张子健，周靖. 基于振动台试验的不同含石率土-石混合体边坡地震动响应差异性研究. 岩土力学. 2024(08): 2324-2337 . 百度学术
10.	王楠楠，高霞，张吉哲，张保勇，吴强. 基于平行黏结模型的含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质研究. 煤炭学报. 2024(S1): 314-326 . 百度学术
11.	魏东旭，彭雄志，张佳，范帅，冯瑨. 石灰岩碎石土大型直剪试验研究. 勘察科学技术. 2024(04): 1-5+43 . 百度学术
12.	李刚，尹小涛. 基于数字化施工的山区公路土石混合弃渣工程尺度参数测定方法研究. 水利与建筑工程学报. 2024(06): 76-82 . 百度学术
13.	陈小翔. 碎石土路基填料压实及渗透特性研究. 江西建材. 2024(10): 52-54 . 百度学术
14.	杨忠平，李进，刘浩宇，张益铭，刘新荣. 土石混合体-基岩界面剪切力学特性块石尺寸效应. 岩土力学. 2023(04): 965-974 . 百度学术
15.	刘建平，周花玉，何天奎，余镜南，张坤，潘玉丛，刘泉声. 含根量对根–土石复合体的抗剪强度影响试验初探——以垂丝海棠为例. 岩石力学与工程学报. 2023(S1): 3618-3628 . 百度学术
16.	刘飞禹，孔剑捷，姚嘉敏. 含石量和压实度对格栅-土石混合体界面剪切特性的影响. 岩土工程学报. 2023(05): 903-911 . 本站查看
17.	韩志洋，曹志翔，黄开放. 基于离散元模拟的土石混合体剪切与变形特性研究. 中国农村水利水电. 2023(05): 238-244 . 百度学术
18.	唐丽云，黄涛，汪卫兵，金龙，孙强，李国玉，罗滔. 冻融循环下土石混合体-混凝土界面剪切特性及孔隙结构演化特征试验研究. 中南大学学报(自然科学版). 2023(05): 1954-1969 . 百度学术
19.	张俊云，张乐，高福洲，唐永吉，何卓岭，王鹰. 干湿循环下红层土石混合料强度及变形特性的试验研究. 西南交通大学学报. 2023(06): 1394-1404 . 百度学术
20.	程晓颖，乔婷，秦建敏，季顺迎. 复杂形态碎石颗粒的三维离散元模拟及试验验证. 计算机辅助工程. 2023(04): 40-47 . 百度学术
21.	YANG Zhong-ping，LI Shi-qi，TIAN Xin，HU Yuan-xin，LI Wan-kun. Cumulative damage effect on debris slopes under frequent microseisms. Journal of Mountain Science. 2022(03): 781-797 . 必应学术
22.	崔熙灿，张凌凯，王建祥. 高堆石坝砂砾石料的细观参数反演及三轴试验模拟. 农业工程学报. 2022(04): 113-122 . 百度学术
23.	宋颖能. 朱家涧水库大坝土石方及渗控工程实施探讨. 内蒙古煤炭经济. 2022(08): 160-162 . 百度学术
24.	覃国强. 不同含石率及坡度条件下土石混合体路堑高边坡失稳机制分析. 福建交通科技. 2022(06): 21-25 . 百度学术

其他类型引用(11)

资源附件(0)

图(16) / 表(2)

计量

文章访问数: 299
HTML全文浏览量: 28
PDF下载量: 263
被引次数: 35

0. 引言
1. 试验制备及方案
1.1 试样制备
1.2 试验方案
2. 细观结构损伤特征
2.1 核磁共振测试结果
2.2 含水率控制下的冻融损伤机制分析
3. 三轴蠕变试验结果
3.1 蠕变特征
3.2 长期强度
3.3 宏观破坏形态
4. 冻融含水劣化蠕变模型
4.1 冻融含水劣化系数及损伤演化方程
4.2 考虑冻融及含水劣化的西原模型
4.3 模型参数辨识及回归分析
4.4 模型二次开发及三维计算效果
5. 结论

0. 引言
1. 试验制备及方案
1.1 试样制备
1.2 试验方案
2. 细观结构损伤特征
2.1 核磁共振测试结果
2.2 含水率控制下的冻融损伤机制分析
3. 三轴蠕变试验结果
3.1 蠕变特征
3.2 长期强度
3.3 宏观破坏形态
4. 冻融含水劣化蠕变模型
4.1 冻融含水劣化系数及损伤演化方程
4.2 考虑冻融及含水劣化的西原模型
4.3 模型参数辨识及回归分析
4.4 模型二次开发及三维计算效果
5. 结论

参考文献(42)

施引文献(35)

资源附件(0)

含石率对土石混合体–基岩界面剪切力学特性的影响 English Version

作者简介: 杨忠平(1981— ),男,博士,教授,博士生导师,主要从事环境岩土与边坡稳定性方面的教学与研究工作。E-mail：yang-zhp@163.com

计量

出版历程

Influences of stone content on shear mechanical properties of soil-rock mixture-bedrock interface

0. 引言

1. 试验制备及方案

1.1 试样制备

1.2 试验方案

2. 细观结构损伤特征

2.1 核磁共振测试结果

2.2 含水率控制下的冻融损伤机制分析

3. 三轴蠕变试验结果

3.1 蠕变特征

3.2 长期强度

3.3 宏观破坏形态

4. 冻融含水劣化蠕变模型

4.1 冻融含水劣化系数及损伤演化方程

4.2 考虑冻融及含水劣化的西原模型

4.3 模型参数辨识及回归分析

4.4 模型二次开发及三维计算效果

5. 结论

期刊类型引用(24)

其他类型引用(11)

计量

出版历程

目录

0. 引言

1. 试验制备及方案

1.1 试样制备

1.2 试验方案

2. 细观结构损伤特征

2.1 核磁共振测试结果

2.2 含水率控制下的冻融损伤机制分析

3. 三轴蠕变试验结果

3.1 蠕变特征

3.2 长期强度

3.3 宏观破坏形态

4. 冻融含水劣化蠕变模型

4.1 冻融含水劣化系数及损伤演化方程

4.2 考虑冻融及含水劣化的西原模型

4.3 模型参数辨识及回归分析

4.4 模型二次开发及三维计算效果

5. 结论

作者简介:
杨忠平(1981— ),男,博士,教授,博士生导师,主要从事环境岩土与边坡稳定性方面的教学与研究工作。E-mail：yang-zhp@163.com