土石混合料是指由大粒径块石和作为填充成分的细粒土混合而成的岩土材料，具有就地取材的便利性，因而在水利水电、交通运输和房屋建筑等工程领域常用作填料进行各类回填^[1]。

目前，国内外学者通过原位试验和室内试验等对土石混合料进行了大量的研究。原位试验^[2]可以真实地获得土石混合料在天然环境的力学特性，但试验时间和经济成本高，且很难对各影响因素进行变水平研究。为了克服原位试验的局限性，学者们较多通过室内试验进行多种影响因素的研究^[3]。近年来随着计算机性能和仿真技术的进步，较多学者对土石混合料开展了数值试验，从而对原位试验和室内试验进行有效补充。数值试验方法主要包括有限元法、离散元法、边界元法、物质点法等，其中有限元法和离散元法在土石混合料数值试验中应用最为广泛。不少学者采用有限元法对土石混合料的物理力学性质进行了研究^[4-5]。但由于土石混合料非均质、非连续的细观结构特征，采用离散元法的数值试验能更准确地模拟土石混合料的力学特性，且更便于开展多因素影响分析^[6]。

在土石混合料的离散元建模中，数值模型的精度关键取决于块石形状的模拟。已有的块石形状模拟方法主要有基于程序内嵌圆盘或球颗粒生成法^[7-8]、基于数学模型或统计规律的生成法^{[6, 9]}、基于数字图像处理技术的生成法^[10-13]。基于程序内嵌圆盘或球颗粒生成法即采用离散元软件的特定程序生成球颗粒来模拟块石^[7-8]。此方法生成的块石形状及空间分布较单一，缺乏随机性。为了丰富数值模拟中块石形状及位置的多样性与随机性，基于数学模型或统计规律的块石生成法逐渐发展成型。这种先对块石几何特征进行统计，然后基于规则的几何体(球、长方体和椭球等)来生成不规则块石的方法虽然体现出了块石形状的凹凸性，使块石与土的区分更鲜明，也有较高的精度，但还是与真实块石的形状存在着一定的差距^{[6, 9]}。相较于此，基于数字图像处理技术的块石生成法能较好地反映真实块石的形状、准确地模拟块石的空间分布情况^[10-13]。这种方法中，首先获取块石的二维图像，然后通过特定程序将其转换为块石模型。其中，基于CT扫描的数字图像处理技术无损的优点使得其与土石混合料的研究适配程度较高，但一方面其价格昂贵，对设备、场地等要求高；另一方面，CT图像处理耗时、费力，若处理不当，后续的分析结果也会存在较大的误差^[11]。相较于CT扫描，三维激光扫描需要的成本和场地占用较少。但为了保证获取的块石形貌真实、准确，需要专门购置高精度的三维激光扫描仪器，存在一定的成本。以上三种建模方法精度、成本难以兼顾，所以有必要提出一种兼具成本低、建模精度高的新建模方法。

目前不少学者从块石含量、块石尺寸及块石方位三个方面对二维状态下土石混合料的力学性质进行研究。针对含石量，张振平等^[14]、贾朝军等^[15]采用离散元法对不同含石量的土石混合料进行了二维数值直剪试验，得出不同含石量下土石混合料的强度变化规律；针对块石尺寸，杨忠平等^[16]在室内试验基础上，构建了颗粒离散元二维数值模型，分析了块石尺寸等因素对土石混合料剪切特性的影响；ZHANG等^[17]探讨了土石混合料的剪切强度和变形性能，并分析了其随块石尺寸的变化规律。针对块石方位，王环玲等^[18]通过双轴数值试验研究了不同块石方位角对土石混合料力学特性的影响。这些研究成果加强了工程人员对土石混合料力学特性的认识，可为相应工程设计和施工提供指导。除了含石量、块石尺寸、块石方位等因素外，块石形状是影响土石混合料力学特性的另一重要且易被忽略的因素。GRAZIANI等^[19]对某大坝附近的土石混合料建立了二维直剪模型，分析了块石形状对土石混合料的宏观力学性质的影响规律，但未从细观作用机理方面揭示块石形状对土石混合料的影响规律。YAO等^[20]采用离散元法研究不同块石形状及含石量下土石混合料的力学特性，得出块石形状显著影响土石混合料的力学特性，且块石形状对土石混合料强度的影响大于含石量的结论。但这些研究主要是从二维角度开展数值试验，不能完全真实地模拟土石混合料的三维空间结构，所以有学者对土石混合料建立三维离散元模型，并对其力学性质进行研究，这类研究主要是对比规则形状的块石，未考虑到真实块石形状的不规则性。上述研究在一定程度上揭示了块石形状对土石混合料力学特性的影响机理，但是关于块石三维形状的影响研究较少，特别是块石三维形状定量指标的影响研究则更少。因此，有必要进一步开展更真实和深入的块石三维形状影响研究。

综上所述，为了更精准地分析块石形状对土石混合料力学特性的影响，首先提出一种仅靠常规数码相机和数字图像处理技术就能实现的块石三维离散元精细化建模方法；然后分别建立由不同球形度块石组成的土石混合料数值模型；最后通过数值直剪试验分析块石形状对土石混合料的宏、细观剪切力学特性和破坏特征的影响。

1   土石混合料的离散元精细化建模

1.1   土石混合料细观结构逆向重构方法的提出

为了建立土石混合料三维细观结构的离散元精细化数值模型，本文提出了一种仅靠常规数码相机和数字图像处理技术即可实现的逆向重构方法。该方法的主要步骤如下：

1)获取块石二维图像。随机选取一个块石置于匀速转动的转台上，并对准块石固定数码相机机位、视角和焦距。首先，以接近水平0°视角连拍围绕块石旋转360°的第一组照片，不少于10张，每张间隔不超过36°。然后，将相机视角换至向下45°左右，同样的方法拍摄第二组照片，如图1所示。接着将块石翻转180°左右后重复上述步骤，从而获取该块石全方位的四组照片。值得一提的是，拍摄的照片组数和张数越多，建立的块石模型精度越高。随后采用蒙版对照片中的背景等无关信息进行屏蔽，得到块石遮罩图。获取单个块石二维图像所花费的总时间约10 min~20 min。

2)生成块石三维网格。将四组块石遮罩图导入数字图像处理软件中进行对齐。然后，利用逆向重构功能生成块石的三维密集点云，再划分得到块石网格模型，网格模型的节点数在500~4000内，如表1所示。单个块石生成三维网格所花费的时间约8 min~15 min。

图  1  块石二维图像示意图

Figure  1.  Obtain a 2D image schematic of a rock block

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表  1  块石离散元模型对比

Table  1.  Comparison of discrete element models of rock blocks

粒径/mm	块石实物图	网格模型图	PFC模型图
100~150
60~100
40~60
20~40
10~20
5~10

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3)建立块石离散元模型数据库。将块石网格模型导入离散元软件PFC3D中，然后基于颗粒簇Clump功能在网格模型内填充球颗粒，从而生成块石离散元模型，distance为光滑度，取值范围为0~180，d越小模型越粗糙，ratio为填充球体中最小与最大球的半径之比，取值范围为0~1，r越小模型精度越高。在d=130，r=0.2时，单个块石生成时间在10 s以内，颗粒填充数由几十到几百不等。由于土石混合料中块石形状不一，为了提高土石混合料离散元建模的真实性，随机选取块石共210个，建立一个块石模型数据库。该数据库包含5 mm~10 mm、10 mm~20 mm、20 mm~40 mm、40 mm~60 mm、60 mm~100 mm、100 mm~150 mm六个粒组，分别有60个、50个、40个、30个、20个和10个块石，代表性块石模型如表1所示。通过游标卡尺和排水法测量得到所有块石实物的三轴长、体积，其与模型的对比见图2和图3。由图可知，逆向重构的块石轴长、体积与真实块石的近似一致，其三轴长的相对误差平均值为0.41%，体积的相对误差平均值为0.54%，证明该建模方法精度较高，较大程度上能够代表室内试验所用块石的形状。

图  2  块石实物三轴长与模型三轴长对比图

Figure  2.  Comparison chart of rock block lengths between real rock blocks and models

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图  3  块石实物体积与模型体积对比图

Figure  3.  Comparison chart of rock block volume between real rock blocks and models

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1.2   土石混合料直剪试验数值模型的建立

室内直剪试验是研究土石混合料力学特性的常用方法之一，课题组对土石混合料开展了室内大型直剪试验研究^[21]。为此，将开发的土石混合料三维细观结构精细化建模方法应用于该大型直剪试验的数值模拟中，并通过改变块石球形度研究块石形状的影响。

室内大型直剪试验所用设备为四川大学华西岩土研究所研制的ZY50-2G大型粗粒土直剪试验机，剪切盒为直径504.6 mm、高400 mm的圆柱体，如图4(a)所示。因此，利用6种墙体组合，建立与室内剪切盒尺寸、边界条件和加载方式相同的数值模型，如图4(b)所示。图中，#1、#2、#3组成上剪切盒，#4、#5、#6组成下剪切盒，其中#3、#4是为了防止软件中颗粒逸散而施加的墙体。在离散元数值试验中，通过对墙体施加速度来达到对其施加荷载的目的。法向压力通过竖向移动#1墙体施加，并且采用伺服原理控制法向压力稳定在目标压力，即当施加的法向压力小于设计的目标压力时，向下移动#1墙体至目标压力，反之则向上移动；水平剪切力则通过给组成上剪切盒的墙体#1、#2、#3施加水平向右的速度来模拟。在数值模型的剪切过程中，对结果全程实施监测与记录。

图  4  室内大型直剪试验的模拟　/mm

Figure  4.  Simulation of indoor large-scale direct shear test

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室内大型直剪试验所用土石混合料级配如图5所示。土石阈值是区分块石和土颗粒的界限粒径，MEDLEY等^[22]研究认为土石阈值应取0.05L_c，其中L_c为土石混合料工程的特征尺寸，对于本直剪试验的L_c即剪切盒高度h为400 mm，因此，土石阈值可近似取20 mm。按照图5中与室内直剪试验一致的土石混合料的粒组级配，依次调用块石模型数据库中相应粒径块石，并投放至墙体内，从而生成与实际土石混合料的级配一致的块石模型，如图6(a)所示。然后采用球颗粒填充至块石间的空隙内以模拟土颗粒，从而建立与室内直剪试验尺寸、边界条件和加载方式相同的土石混合料直剪试验模型，如图6(b)。颗粒数量十分庞大，若仍采用1∶1尺度的颗粒进行模拟，会导致单元数量巨大而使计算机无法运算。因此，采用目前离散元数值计算中普遍采用的简化方法，用粒径稍大的球颗粒模拟土颗粒^{[3, 9]}。

图  5  土石混合料级配直方图

Figure  5.  Grading histogram of soil-rock mixture

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图  6  土石混合料直剪试验离散元模型图

Figure  6.  A discrete element model of soil-rock mixture direct shear test

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PFC3D模拟土石混合料力学特性的精度很大程度上与颗粒间施加的接触本构和细观参数有关。PFC3D中，线性刚度模型主要模拟两个颗粒之间的压缩或摩擦行为，因而适用于块石与块石之间的接触模型；平行粘结模型在线刚度模型基础上提供了粘结接触，适用于模拟土颗粒-土颗粒、土颗粒-块石之间的接触模型^[23]。因此，将这两种接触本构用于土石混合料的模拟中。在数值试验中，土石混合料的细观参数与宏观参数并非一一对应，因而无法直接通过室内试验确定细观参数，需要对细观参数进行标定。当前应用较多且较成熟的标定方法是“试错法”^[9]，即通过成百上千次试算获得细观参数和宏观参数的对应关系，然后根据对应关系不断微调细观参数，直至土石混合料数值试验结果与室内试验结果相接近。此时的细观参数能够准确描述土石混合料的细观特征，能够用于土石混合料的离散元数值试验。采用“试错法”标定得到图6(b)中的土石混合料模型的一组细观参数，如表2所示。

表  2  土石混合料的细观参数标定结果

Table  2.  The results of parameters calibration for soil-rock mixture

细观参数	土-土	土-石	石-石
颗粒粘结模型	平行粘结	平行粘结	线性刚度
颗粒半径R/mm	3.6~6	−	−
有效模量E*/MPa	10	100	200
刚度比$\kappa^ *$	6.0	8.0	6.0
平行粘结有效模量$\overline E ^{\text{*} }$/MPa	10	100	−
平行粘结刚度比$\overline k^ *$	6.0	8.0	−
摩擦系数μ	0.5	0.5	0.5
平行粘结法向强度$\overline {{\sigma _{\text{c}}}}$/kPa	650	580	−
平行粘结粘聚力$\overline c$/kPa	65	58	−
平行粘结摩擦角$\overline \varphi$/(°)	15	25	−
半径乘子$\overline \lambda$	1.0	1.0	−

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将这组细观参数代入数值模型中，计算得到土石混合料在400 kPa法向压力下的剪应力-剪切位移曲线，将其与室内试验曲线对比，如图7所示。由图可知，数值试验得到的剪应力-剪切位移曲线和室内试验的吻合较好，证明采用该组细观参数模拟土石混合料的力学特性是可行的。

图  7  数值试验与室内试验的剪应力-剪切位移曲线对比

Figure  7.  Comparison of shear stress-shear displacement curves obtained from numerical test and laboratory test

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1.3   不同形状块石的土石混合料数值模型建立

目前块石形状可以用三个尺度的参数来描述，分别是球形度、棱角度和粗糙度，它们对土石混合料的力学特性均有重要影响。球形度S表示颗粒形状与球形的接近程度，定义为与颗粒相同体积的球体的表面积与颗粒的实际表面积的比值，如式(1)所示^[24-26]。球形度S可用于描述颗粒的整体形状，是三种参数中尺度最大和最稳定的指标，因而应用最为广泛。因此，本文选用球形度S来描述块石的形貌特征^[26]：

式中：V为颗粒体积；A为颗粒表面积，V、A均由软件测定。球形度S反映了颗粒接近球形的程度，数值越接近1，形状越接近球形，其最大值为1，即恰好为球体。

为了研究块石球形度对土石混合料力学特性的影响，保持土石混合料的级配、细观参数、墙体等都不变，采用块石等体积替换法仅改变块石形状，分别建立由正六面体、正八面体、球体和实际形状块石组成的土石混合料数值试验模型，其中每个模型的球颗粒(土颗粒)粒径在3.6 mm~6.0 mm间，球颗粒数在80 000左右，Clump (块石)数在1000左右，如图8所示。然后，对这些模型开展剪切试验。通过计算，得到不同形状的块石模型球形度，如表3所示，其中真实块石的球形度平均值为0.90。

图  8  不同块石形状的土石混合料数值模型

Figure  8.  Models of soil-rock mixture with different block shapes

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表  3  不同形状的块石模型球形度

Table  3.  The sphericity of block models of different shapes

球形度	六面体形状块石	八面体形状块石	真实块石	球形块石
S	0.81	0.85	0.90	1.00

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2   块石形状对土石混合料细观剪切力学特性的影响

2.1   块石形状对块石转动的影响

图9为不同球形度下土石混合料的块石转角分布图，图中蓝色块石表示顺时针转动角度大于平均转动角度(${\omega ^ + } > \overline \omega$)，灰色块石表示顺时针转动角度小于平均转动角度(${\omega ^ + } < \overline \omega$)，红色块石表示逆时针转动角度大于平均转动角度(${\omega ^ - } > \overline \omega$)，黑灰色代表逆时针转动角度小于平均转动角度(${\omega ^ - } < \overline \omega$)。图10为土石混合料的块石转角分组占比图。由图9和图10可发现如下规律：

图  9  土石混合料的块石转角分布图

Figure  9.  Block corner distribution map of soil-rock mixture

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图  10  土石混合料的块石转角分组占比图

Figure  10.  Proportion of block corner grouping of soil-rock mixture

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1)剪切时，绝大多数块石沿着顺时针方向发生转动，即顺着剪切方法转动，产生了明显的“齿轮效应”，这是块石间咬合和重分布的结果，符合直剪试验的普遍规律。

2)剪切带附近的块石转角最大，而远离剪切带的块石转角显著减小，说明剪切带上的“齿轮效应”最剧烈，而远离剪切带的块石转动主要是因为剪切带上块石转动后向外“传动”引起的。

3)随着球形度的增大，顺时针转动角度大于平均转角的块石占比逐渐减小，而逆时针转动角度大于平均转角的块石占比逐渐增加。说明球形度小的块石因为棱角突出，块石间的咬合作用更强烈，与王蕴嘉等^[27]的研究结论相符，从而更容易发生定向的顺时针转动。而球形度较大的块石还能发生非定向的逆时针转动，说明高球形度块石的位置更容易重分布，块石间的咬合能力更弱，即容易出现“齿轮失效”现象。

2.2   块石形状对颗粒接触力链的影响

图11为土石混合料的力链分布图。由图可知：1)紧靠上剪切盒左侧和下剪切盒右侧的土石混合料中的颗粒接触力较大，且力链大部分集中分布在左上角至右下角的对角区域，说明在剪切过程中主要由这部分颗粒承受外部荷载；2)力链总体数量随着球形度的增加而增加，说明块石形状与球越接近，颗粒间相互接触点增多，可以生成更多力链。

图  11  土石混合料的力链分布图

Figure  11.  Force chain diagram of soil-rock mixture

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图12为土石混合料的强力链空间分布图。其中强力链指承担、传递的力大小大于颗粒间的平均接触力的力链。从图中可以得出：1)随着球形度增加，土石混合料内部的强接触力链数量逐渐减小。因为块石形状越接近球体，棱角性越不突出，块石间的咬合作用越弱，更易发生“齿轮失效”现象，因而颗粒接触力较小。2)土石混合料内部的强力链具有显著的定向性，主要沿着逆时针方向发生旋转，即发生了主应力旋转现象，旋转角度达45°左右。结合图9，随着球形度的减小，强力链旋转角度逐渐增加，这是由于块石棱角性随着球形度减小而增强，使得块石间的咬合作用和齿轮效应越强，造成剪切过程中块石更容易沿着相同方向发生转动以抵抗剪切作用，其结构整体性和稳定性更强，因而能够承受更大的主应力偏转，从而可以得知，低球形度块石的土石混合料具有更稳定的结构状态。

图  12  土石混合料的强力链空间分布图

Figure  12.  Spatial distribution of strong chains of soil-rock mixture

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2.3   块石形状对剪切带的影响

图13为土石混合料的剪切带分布图。图中，h为剪切盒高度。图中箭头标注范围内的区域表示球颗粒之间的粘结脱离，即完全形成剪切带。左下角至右上角的区域为受到剪切或张拉破坏的球颗粒的分布区域，左上角和右下角的区域表示球颗粒之间的粘结完好，即未发生破坏^[23]。

从图13可以得出：块石球形度越大，剪切带厚度越窄。正六面体块石的土石混合料的剪切带厚度最大，这是因为正六面体块石各个面都为正方形且面与面两两正交，其倾角较正八面体更易呈现为0°或90°，块石间的“齿轮效应”很强、且“传动”影响区域更大，从而剪切带厚度更大。球体块石剪切带厚度最窄，这是由于球体块石表面光滑，在剪切过程中更易发生“齿轮失效”，从而更易沿着预设剪切面破坏。

图  13  土石混合料的剪切带分布图

Figure  13.  Shear band distribution of the soil-rock mixture

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3   块石形状对土石混合料宏观剪切力学特性的影响

3.1   块石形状对剪应力-剪切位移曲线的影响

图14为不同球形度下土石混合料的剪应力-剪切位移关系曲线。由图14可知，法向压力对剪应力-剪切位移关系曲线形状影响较大，特别是对土石混合料的破坏模式，这符合土石混合料直剪试验的普遍规律^[9]。在低法向压力(200 kPa和400 kPa)下，不同球形度块石的剪应力-剪切位移曲线主要经历应变硬化、峰值强度、应变软化和残余变形4个阶段，存在明显峰值剪切强度与残余强度，在剪切位移达到0.01 m~0.02 m时达到峰值强度，此时的土石混合料表现为应变软化破坏模式。在高法向压力下(600 kPa和800 kPa)下，不同球形度块石的剪应力-剪切位移曲线主要经历应变硬化和残余变形2个阶段，没有明显的峰值强度与应变软化过程，破坏模式近似塑性破坏。

图  14  不同球形度下土石混合料的剪应力-剪切位移曲线

Figure  14.  Shear stress-shear displacement curves of soil-rock mixture under different sphericity

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球形度对土石混合料的剪应力-剪切位移关系曲线形状影响较小，对其破坏模式则基本无影响。随着块石球形度的降低，剪应力-剪切位移关系曲线的发展趋势不变，但是曲线的波动幅度逐渐增大。这可通过细观力链变化规律进行解释，由图11和图12可知，球形度低的块石间的接触力链不均匀、且强力链数量更多，造成剪切过程中只要土石混合料内部结构发生调整，均会造成一次较大幅度的剪应力波动。

3.2   块石形状对法向位移-剪切位移曲线的影响

图15为不同球形度下土石混合料的法向位移-剪切位移曲线，图中纵坐标为正时，法向位移向上时，土石混合料发生剪胀。由图可知，土石混合料在低法向压力时呈显著的剪胀破坏，而在高法向压力时，土石混合料的剪胀性逐渐减弱，甚至呈剪缩破坏，如图15(d)。这符合土石混合料直剪试验的普遍规律^[3]。

图  15  不同球形度下土石混合料的法向位移-剪切位移曲线

Figure  15.  Normal displacement-shear displacement curves of soil-rock mixture with different sphericity

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随着球形度的增大，剪切过程中土石混合料的法向位移逐渐减小，即剪胀性逐渐减弱。从细观力链分析，即由图11和图12可知，球形度低的块石容易发生“齿轮失效”，块石间的“传动”作用较小，因而更难沿法向向上传递。此外，从细观的剪切带厚度来分析，由图13可知，块石球形度越高的土石混合料剪切带厚度越小，代表其剪胀性减弱，与此处法向位移减小的现象相符。

通过以上分析可知，对于土石混合料填方工程而言，采用高球形度块石时，填方工程更容易发生沉降变形，特别是在高应力条件下。因此，应优先选用球形度低的块石组成土石混合料。

3.3   块石形状对抗剪强度特性的影响

1)块石球形度对抗剪强度的影响规律

取图14中剪应力-剪切位移曲线的最大值，得到土石混合料的抗剪强度，如图16所示。由图可知：抗剪强度随着法向压力的增大而增大，且呈线性增长关系，说明其符合摩尔-库伦强度准则；抗剪强度随着块石球形度的增大而减小，可与细观模拟结果呼应，球形度增加会使颗粒间的咬合作用减弱，“齿轮失效”更易发生，从而剪切带厚度减小，导致高球形度块石的土石混合料抗剪强度降低。

图  16  土石混合料的强度参数拟合曲线

Figure  16.  Fitting curves of strength parameters of soil-rock mixture

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2)块石球形度对抗剪强度指标的影响规律

根据摩尔-库伦强度准则对图16中的抗剪强度进行拟合，得到不同球形度块石的土石混合料的内摩擦角和粘聚力的拟合曲线图，如图17所示。

图  17  球形度与内摩擦角、粘聚力的关系

Figure  17.  The relationship between sphericity and internal friction angle and cohesion

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图17中内摩擦角与球形度的拟合公式为数学关系式(2)，关系式的拟合相关系数R²=0.98819，拟合效果良好：

式中：$\varphi$为内摩擦角；${\varphi _0}$为初始内摩擦角；k为土石混合料的内摩擦角随着球形度S的增加而减小速度，其中${\varphi _0}$=46.76°，k=23.52。

从图17及式(2)可以得出：随着球形度的增加，内摩擦角线性减小。内摩擦力主要由咬合摩擦力和滑动摩擦力组成。一方面，由于块石球形度越大，块石形状越接近光滑的球体，块石间的咬合作用越弱，易发生“齿轮失效”，且土石混合料的细观结构更容易发生重分布，细观结构不稳定，难以形成稳定的强力链，力链多以微小力链存在，因而导致咬合摩擦减小。另一方面，高球形度块石的土石混合料形成的剪切带更小，导致上、下剪切盒内的土石混合料沿着剪切带更易发生相对滑动，滑动摩擦力越小。因此，造成土石混合料的内摩擦角随着块石球形度增大而逐渐减小的现象。

图17中粘聚力与球形度的拟合公式为数学关系式(3)，关系式的拟合相关系数R²=0.95797，拟合效果良好：

式中：c为粘聚力；a、b、d均为拟合参数，其中a=0.02，b=0.81，d=74.84。

从图17及式(3)可以得出：随着球形度S的增加，粘聚力总体呈减小趋势。粘聚力主要由粘性土真实粘聚力和因颗粒间咬合产生的表观粘聚力两部分组成。由于不同球形度块石的土石混合料的级配、细粒土含量和细观参数都相同，因此，细粒土中的真实粘聚力相同。但是，由图11、图12可得球形度越高，强力链越少，由图13、图15可得高球形度块石的咬合作用更弱，导致其表观粘聚力更小，剪胀性减弱，剪切带变薄。因此，综合宏细观规律分析得知，土石混合料的粘聚力随着块石球形度的增大而减小。

综上，采用土石混合料填筑工程时，同等条件下低球形度块石组成的土石混合料具有更高的强度特性，其填方工程具有更高的安全系数，在高应力条件下球形度低的块石更具优势，应优先选用球形度低的块石组成土石混合料。

4   结论

本文通过拍照及图像处理技术对块石进行逆向重构，建立了块石模型数据库，并进行了土石混合料数值直剪实验，研究了不同球形度下土石混合料的宏细观力学性质。其主要结论如下：

(1)提出了一种仅靠常规数码相机和数字图像处理技术即可实现的真实块石逆向重构方法；建立了一个由6个粒组共210个块石模型组成的数据库，并验证了块石模型数据库的精确性；提出了一种土石混合料三维细观结构的精细化建模方法，通过与室内试验结果对比，发现该方法模拟结果较精确。

(2)土石混合料在直剪试验中，绝大多数块石顺着剪切方向转动，其中位于剪切带的块石转角最大，产生了明显的“齿轮效应”和“传动作用”；强接触力链沿逆时针旋转，产生了主应力旋转；土石混合料在低法向压力时呈现应变软化破坏模式，高法向压力时近似塑性破坏。

(3)块石球形度对土石混合料的细观力学特性影响较大。随着块石球形度的增大，块石间的咬合作用减弱，错动现象增多，块石位置的重分布状况更易出现，导致“齿轮失效”现象出现的概率增加，强力链数量和旋转角度随之减小，剪切带厚度变薄。

(4)块石球形度对土石混合料的宏观力学特性影响显著。随着块石球形度的增大，土石混合料的剪胀性、抗剪强度、内摩擦角和粘聚力都降低，其中内摩擦角呈现线性减小趋势，粘聚力呈现指数型减小规律，所以填方工程中，应优先选用球形度小的块石组成土石混合料。