魏 婕，魏玉峰，黃 鑫

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

粗粒土作為一種顆粒狀無(wú)黏性土廣泛存在于自然界中，力學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜，其抗剪強(qiáng)度主要源于顆粒間的滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度和咬合摩擦強(qiáng)度兩部分，而顆粒形狀又影響著咬合摩擦強(qiáng)度，因此對(duì)粗粒土顆粒形狀的研究至關(guān)重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從顆粒級(jí)配、孔隙比、顆粒破碎等方面對(duì)粗粒土的抗剪強(qiáng)度、變形特性、滲流性能等角度取得了豐富的研究成果[1-8]，發(fā)現(xiàn)顆粒形狀是影響粗粒土密實(shí)度、力學(xué)與滲流等特性的主要因素之一[9-13]。楊貴等[10]采用水泥凈漿澆筑方法，制備了相同體積不同形狀的粗顆粒近似模擬堆石料顆粒，通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著顆粒球度的增大，人工模擬堆石料峰值強(qiáng)度增大，內(nèi)摩擦角增量隨著顆粒球度的增大而減小。何亮等[14]認(rèn)為粗粒土顆粒隨圓度減小，更易在顆粒邊界棱角處產(chǎn)生微裂紋使顆粒磨損，且同一類型顆粒法向應(yīng)力增大，達(dá)到損傷臨界狀態(tài)圓度損傷所需能量增大，圓度損傷因子減小。J.S.Dodds[15]、劉秉清等[16]的研究結(jié)果表明，顆粒形狀等微觀參數(shù)對(duì)砂土力學(xué)性質(zhì)的影響較大。史旦達(dá)[17]基于PFC2D離散元軟件，采用“clump”構(gòu)造了“橢圓團(tuán)顆粒”，研究了顆粒形狀對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度和變形特性的影響。孔亮等[18]用 PFC2D模擬顆粒堆積試驗(yàn)、雙軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，探討了顆粒形狀對(duì)類砂土材料宏觀力學(xué)特性的影響規(guī)律。張翀等[19]在研究中發(fā)現(xiàn)顆粒形狀對(duì)顆粒試樣的宏觀特性有較大的影響，異形顆粒由于顆粒形狀的特殊性，顯著地提高了顆粒試樣的剪切強(qiáng)度。任樹(shù)林等[20]發(fā)現(xiàn)異形顆粒間的咬合自鎖作用大于圓形顆粒，致使異形顆粒填充的斷層破碎帶摩擦強(qiáng)度高于圓形顆粒填充的斷層破碎帶摩擦強(qiáng)度。

本文通過(guò)PFC2D顆粒流程序?qū)Σ煌螤畹拇至Ｍ猎嚇舆M(jìn)行直剪數(shù)值模擬。選定特定狀態(tài)對(duì)試樣直剪過(guò)程中的宏細(xì)觀力學(xué)特性進(jìn)行分析，主要對(duì)不同顆粒形狀粗粒土試樣在剪切過(guò)程中的剪切帶厚度、顆粒旋轉(zhuǎn)量值、平均接觸數(shù)、孔隙率增量及接觸力系等宏細(xì)觀參量的演化規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而揭示出顆粒形狀對(duì)粗粒土剪切影響的深層內(nèi)在機(jī)理。

1 粗粒土直剪試驗(yàn)方案及結(jié)果

1.1 顆粒形狀參數(shù)與試樣參數(shù)的選定

按照孔亮等[18]提出的形狀系數(shù)法來(lái)量化顆粒形狀，其計(jì)算公式為：

式中：F-形狀系數(shù)；

F1-圓形度；

F2-凹凸度；

α、β-F1、F2的權(quán)重系數(shù)；

Af-顆粒面積；

Af'-顆粒最大內(nèi)接標(biāo)準(zhǔn)橢圓面積；

As-與顆粒周長(zhǎng)相同的圓面積。

取α=β=0.5，即形狀系數(shù)為二者的平均值。根據(jù)面積等效、質(zhì)量等效和質(zhì)心不變等原則[21]，采用clump單元，建立如圖1所示的4種試樣顆粒。初始構(gòu)建模型時(shí)，顆粒試樣的方位角范圍在0°～360°內(nèi)隨機(jī)分布，進(jìn)而分析顆粒形狀對(duì)粗粒土剪切力學(xué)特性的影響。依據(jù)公式（1）、（2）和（3），得到圖1四種不同形狀顆粒參數(shù)的F1，F(xiàn)2和F（表1）。

圖1 試樣顆粒Fig.1 Sample particle

表1 形狀參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistics of the shape coefficients

本文的數(shù)值試驗(yàn)采用ball 及clump 構(gòu)建4種不同形狀的粗粒土顆粒，黏聚力按零考慮，顆粒間接觸采用線性接觸剛度模型。數(shù)值試驗(yàn)剪切盒的尺寸為200 mm×200 mm，顆粒粒徑范圍為2～20 mm，本文不考慮級(jí)配的影響，因此異形顆粒的級(jí)配與初始純圓顆粒級(jí)配一致。主要細(xì)觀參數(shù)有顆粒間的接觸剛度、墻體的接觸剛度、粒間摩擦系數(shù)、初始孔隙率及密度等，根據(jù)J.Wang[22]及蔣明鏡等[23]所采用的數(shù)值試驗(yàn)參數(shù)并進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，具體取值情況見(jiàn)表2。顆粒試樣生成后，對(duì)顆粒間的接觸應(yīng)力進(jìn)行初始化，再對(duì)模型進(jìn)行伺服控制，固定下剪切盒，再保持法向應(yīng)力恒定的條件下，對(duì)上剪切盒施加一個(gè)水平向右的速度進(jìn)行剪切，顆粒a的初始數(shù)值模型如圖2所示。

表2 模型細(xì)觀參數(shù)Table2 Mesoscopic parameters of the model

圖2 顆粒a 初始模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the initial model of particle a

1.2 顆粒形狀對(duì)粗粒土剪切特性的影響分析

1.2.1 直剪試驗(yàn)參數(shù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值試驗(yàn)參數(shù)的可靠性，本文室內(nèi)物理試驗(yàn)選用a型顆粒與數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果作對(duì)比分析。試驗(yàn)儀器使用的是可視化中型直剪儀，主要由反力基座（可拆卸式外框架）、應(yīng)力加載系統(tǒng)、滑動(dòng)裝置、可觀測(cè)式剪切盒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，為滿足試驗(yàn)要求本文試驗(yàn)選用顆粒粒徑范圍在2～20 mm的圓形顆粒。剪切過(guò)程中分別施加100 kPa，200 kPa和300 kPa的法向應(yīng)力。

圖3為不同正應(yīng)力條件下顆粒a 物理試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移對(duì)比曲線。由圖3可知，數(shù)值試驗(yàn)與物理試驗(yàn)剪切過(guò)程中的剪應(yīng)力-剪切位移曲線的變化趨勢(shì)較為一致，剪切過(guò)程中表現(xiàn)為先增加后達(dá)到殘余強(qiáng)度。

圖3 顆粒a 室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of the numerical test and indoor test results of the particle a

1.2.2 顆粒形狀對(duì)粗粒土剪切特性的影響

考慮到粗粒土顆粒在高正應(yīng)力下可能發(fā)生破碎，本文以200 kPa 下的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析不同形狀顆粒在剪切過(guò)程中表現(xiàn)出的剪切特性的異同。圖4、圖5分別為200 kPa 法向應(yīng)力下四種顆粒的剪應(yīng)力-剪切位移曲線和剪位移-體應(yīng)變曲線（圖中體積應(yīng)變坐標(biāo)軸，體積壓縮為負(fù)，體積膨脹為正），圖中表明：在顆粒形狀的影響下，粗粒土試樣顆粒在正應(yīng)力一定條件下均表現(xiàn)出一定的應(yīng)變軟化和先輕微剪縮再大幅度剪脹特性。

由圖4可知，隨著形狀系數(shù)F減小，粗粒土峰值剪應(yīng)力增大，即在相同粒級(jí)、顆粒級(jí)配的情況下，顆粒輪廓形狀越復(fù)雜，顆粒之間的咬合及摩阻力也越大，其抗剪強(qiáng)度也就越高。由圖5可知，在加壓初期，F(xiàn)=0.720試樣產(chǎn)生體積剪縮效應(yīng)最明顯，而純圓顆粒的剪縮幅度最小。持續(xù)加壓時(shí)，4種顆粒均大幅剪脹，異形顆粒剪脹幅度明顯大于純圓顆粒。

圖4 不同形狀系數(shù)試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve of specimens with different shape coefficients

圖5 不同形狀系數(shù)試樣的體應(yīng)變-剪切位移曲線Fig.5 Volume strain-shear displacement curves of specimens with different shape coefficients

剪切過(guò)程中，顆粒實(shí)際上受到的合力方向是非水平的，若將實(shí)際合力當(dāng)作軸向應(yīng)力，將剪切盒的約束力當(dāng)作圍壓，剪切帶內(nèi)的顆粒受力情況與三軸試驗(yàn)的受力形式十分類似。在三軸試驗(yàn)中，圍壓的大小決定了試樣破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度，而圍壓就起到了限制試樣剪脹的作用，因此粗粒土的剪脹幅度是影響其抗剪強(qiáng)度的主要因素。

M.Oda 等[24]指出顆粒試樣的體積變化主要反映在剪切帶區(qū)域，且剪切帶內(nèi)力鏈的崩潰主要由滾動(dòng)引起。通過(guò)觀察剪切過(guò)程中剪切帶內(nèi)顆粒位置的變化情況，將剪切位移為10 mm時(shí)的4種顆粒剪切帶的形狀繪于同一圖中，根據(jù)剪切盒的尺寸計(jì)算得出各自的剪切帶寬度（圖6）。剪切時(shí)顆粒形狀變化對(duì)剪切帶厚度有一定影響，表現(xiàn)為變形的局部化發(fā)生在狹長(zhǎng)的剪切帶內(nèi)，且上下剪切盒內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)幅度不相同，上剪切盒位移較大。分析圖6，隨著F的減小，剪切帶厚度增大，當(dāng)F=1.000，0.820，0.780，0.722時(shí)，所對(duì)應(yīng)的剪切帶厚度分別為38.2 mm，41.8 mm，43.5 mm和44.7 mm，純圓顆粒剪切帶內(nèi)的剪脹幅度不如異形顆粒。

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試樣不同高度范圍內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖7所示旋轉(zhuǎn)角度與試樣高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。剪切帶內(nèi)顆粒平均旋轉(zhuǎn)量較大，向兩側(cè)逐漸減小。另外，純圓與異形顆粒的峰值旋轉(zhuǎn)角度相差較大，形狀系數(shù)F越小，顆粒平均旋轉(zhuǎn)量越小。純圓顆粒旋轉(zhuǎn)角度最大可達(dá)67.8°，且隨著F的減小，峰值旋轉(zhuǎn)角度減小。說(shuō)明在相同外力作用下，純圓顆粒試樣在剪切過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)幅度更大，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

圖6 剪切帶厚度Fig.6 Shear zone thickness

圖7 顆粒旋轉(zhuǎn)量值Fig.7 Particle rotation value

1.3 顆粒形狀對(duì)粗粒土剪切變形影響的力學(xué)機(jī)理

剪切過(guò)程中，顆粒主要以滑動(dòng)和滾動(dòng)兩種方式運(yùn)動(dòng)，粗粒土的抗剪強(qiáng)度主要由兩方面組成：顆粒間的滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度和咬合摩擦強(qiáng)度。在外力作用下，顆粒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致顆粒重新定向排列。試樣顆粒越光滑，其顆粒間的咬合嵌鎖作用越弱，咬合摩擦強(qiáng)度越小，其抗剪強(qiáng)度主要體現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度；而試樣顆粒表面若有起伏，顆粒間則存在較強(qiáng)的咬合嵌鎖作用，且顆粒表面越粗糙，其咬合嵌鎖作用越強(qiáng)。

圖8為考慮滾動(dòng)阻矩的圓形顆粒和形狀系數(shù)F=0.820、F=0.780的clump顆粒在平面上滾動(dòng)的示意圖。分別在兩種顆粒的質(zhì)心上作用水平力T來(lái)推動(dòng)顆粒滾動(dòng)，同時(shí)在質(zhì)心上作用一個(gè)垂直力Fn[25]。

圖8 異形顆粒等效滾動(dòng)示意圖[25]Fig.8 Schematic diagram showing equivalent rolling of irregularly shaped particles [25])

根據(jù)Iwashita 等[26]的研究，采用Mr來(lái)定義抗?jié)L動(dòng)模型中的滾動(dòng)阻矩，其表達(dá)式為：

式中：kr-滾動(dòng)剛度，Iwashita 等[26]建議其取值為

ks-顆粒切向剛度；

ur-滾動(dòng)摩擦系數(shù)；

fn-顆粒間法向接觸力；

Rr-兩顆粒的共有半徑，

滾動(dòng)摩擦系數(shù)的取值可根據(jù)Estrada N[27]提出的方法確定。周倫倫[25]根據(jù)圖8得到了對(duì)于考慮滾動(dòng)阻矩的圓形顆粒和F=0.820、F=0.780的顆粒在水平推力T的作用下平面上滾動(dòng)一周所做的功，再令等效顆粒滾動(dòng)一周所做的功相等，即Wa=Wb=Wc，這樣就可以得到形狀系數(shù)F=0.820、F=0.780的clump顆粒的等效滾動(dòng)摩擦系數(shù)ur,b和ur,c，根據(jù)顆粒面積等效原則，式（5）、式（6）可換算成關(guān)于 δ的表達(dá)式：

式中：δ-組元顆粒的間距。

δ增大，等效滾動(dòng)摩擦系數(shù)增大，故ur,b＜ur,c，即F=0.820 受到的摩擦阻力要小于F=0.780的顆粒。在實(shí)際剪切過(guò)程中，異形顆粒之間有咬合作用，比在平面上滾動(dòng)受到的阻力大，ur,b′＞ur,b，ur,c′＞ur,c，且ur,b'＜ur,c'，F(xiàn)=0.780的顆粒滾動(dòng)摩擦系數(shù)比F=0.820顆粒增大的多，滾動(dòng)時(shí)更困難。故形狀系數(shù)F越小，顆粒間咬合摩擦作用更強(qiáng)烈，其咬合摩擦強(qiáng)度也越高，在宏觀上反映為抗剪強(qiáng)度更高。

2 顆粒形狀對(duì)粗粒土細(xì)觀參數(shù)的影響

在法向應(yīng)力作用下，粗粒土顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，致使試樣重新排列，以適應(yīng)法向應(yīng)力變化引起的應(yīng)力狀態(tài)的改變。剪切過(guò)程中，粗粒土所表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)特征都是細(xì)觀結(jié)構(gòu)不斷演化的結(jié)果。因此，對(duì)粗粒土試樣剪切過(guò)程中細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的特點(diǎn)及其演化規(guī)律的分析，有助于進(jìn)一步揭示顆粒形狀與粗粒土剪切特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 顆粒形狀對(duì)接觸狀態(tài)的影響

Oda[28]研究了平均接觸數(shù)與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，研究表明，對(duì)于同一形狀試樣，抗剪強(qiáng)度在宏觀上取決于初始密度和圍壓，在細(xì)觀上取決于粒間的平均接觸數(shù)。平均接觸數(shù)越大，顆粒間的接觸越充分，顆粒骨架體系能承擔(dān)更大的外力。而剪脹現(xiàn)象的本質(zhì)是顆粒體系在外荷載作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)和重新排列的結(jié)果，這一系列變化直接影響平均接觸數(shù)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)4種試樣接觸數(shù)的變化情況，得到剪切過(guò)程中不同形狀顆粒試樣的平均接觸數(shù)Cn的演變規(guī)律（圖9）。由圖9可知：當(dāng)F=1.000，0.820，0.780，0.722時(shí)，初始平均接觸數(shù)分別為3.67，3.99，4.15，4.31。平均接觸數(shù)整體呈現(xiàn)先小幅增大，再大幅減小，最后趨于穩(wěn)定。荷載的施加使得試樣發(fā)生擠密，接觸數(shù)有一定增加，當(dāng)剪切繼續(xù)時(shí)，顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，試樣在外荷載作用下發(fā)生重排列，試樣體應(yīng)變?cè)龃?，發(fā)生剪脹，平均接觸數(shù)逐漸減小。形狀系數(shù)F的減小使得Cn的峰值及穩(wěn)定后的值越大。

圖9 剪切過(guò)程中平均接觸數(shù)Cn的演變規(guī)律Fig.9 Evolution law of the average coordination number cn in the shear process

根據(jù)顆粒直剪試驗(yàn)所獲得的內(nèi)摩擦角，得到初始平均接觸數(shù)與顆粒形狀系數(shù)F、內(nèi)摩擦角φ與顆粒形狀系數(shù)F的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖10）。顆粒形狀系數(shù)影響著試樣的初始平均接觸數(shù)，且試樣的抗剪強(qiáng)度受顆粒形狀及其初始平均接觸數(shù)的影響。其規(guī)律為：在同一初始孔隙率條件下，顆粒形狀系數(shù)F減小，試樣的初始平均接觸數(shù)增加，內(nèi)摩擦角φ增大，即抗剪強(qiáng)度增大。表明在相同孔隙率條件下，異形顆粒試樣能與更多顆粒互相接觸，即顆粒間接觸更加緊密，試樣整體結(jié)構(gòu)會(huì)更加穩(wěn)定，在宏觀尺度上表現(xiàn)為異形顆?？辜魪?qiáng)度更高。

圖10 C0-F，φ-F 關(guān)系Fig.10 Relationship between C0 -F and φ-F

與接觸數(shù)一樣，孔隙率用于反映粒間接觸的密實(shí)程度。以剪切帶作為分界線，將試樣分為剪切帶、剪切帶上側(cè)及剪切帶下側(cè)3個(gè)條帶，圖11為F=1.000時(shí)孔隙率增量的演化過(guò)程?？梢钥闯?，剪切帶內(nèi)孔隙率均明顯增大，說(shuō)明剪切帶內(nèi)發(fā)生大幅度剪脹，導(dǎo)致試樣整體的剪脹；剪切帶外發(fā)生輕微剪脹或剪縮，對(duì)試樣整體剪脹影響較小。

由圖11可知，試樣的大幅度剪脹發(fā)生在剪切帶內(nèi)，是影響整個(gè)試樣剪脹幅度的關(guān)鍵。因此，對(duì)形狀系數(shù)不同的另外3組試樣剪切帶內(nèi)孔隙率增量的演化過(guò)程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖12所示。幾種顆粒的孔隙率演化均符合隨著剪切位移逐漸增大的規(guī)律，且顆粒形狀系數(shù)越小，孔隙率增量越大。在相同法向應(yīng)力作用下，純圓顆粒的剪脹率最小，形狀系數(shù)F越小，剪脹幅度越大。

圖11 F=1.000時(shí)孔隙率的演化Fig.11 Evolution of porosity when F=1.000

圖12 不同顆粒形狀粗粒土剪切帶內(nèi)孔隙率的演化Fig.12 Evolution of porosity in the shear zone of coarse-grained soils with different particle shapes

2.2 顆粒形狀對(duì)粗粒土力鏈變化的影響

當(dāng)試樣被施加外荷載時(shí)，相鄰顆粒會(huì)相互接觸，形成許多強(qiáng)度不同的力鏈，非均勻地分布在顆粒體系中。力鏈網(wǎng)絡(luò)是宏觀上用來(lái)表征土骨架體系上粒間接觸力的形式，是顆粒體系受外荷載作用時(shí)受力響應(yīng)機(jī)制的反應(yīng)[29-30]。圖13為4種顆粒試樣在200 kPa法向力作用下同一時(shí)刻剪切帶內(nèi)的力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。相較于初始時(shí)期，力鏈網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)弱力鏈區(qū)分愈加明顯，主要表現(xiàn)為強(qiáng)力鏈聚集并起骨架作用，且沿剪切盒對(duì)角線分布。

將F=1.000時(shí)的力鏈長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并得到其力鏈長(zhǎng)度的概率分布（圖14）。力鏈長(zhǎng)度的分布概率隨著力鏈的長(zhǎng)度增大而減小，長(zhǎng)度n=3的力鏈占比最高，n＞15的力鏈長(zhǎng)度數(shù)目?jī)H占3.39%。力鏈越長(zhǎng)，引起其變化的因素就越多。對(duì)于過(guò)長(zhǎng)的力鏈，在微小擾動(dòng)下就會(huì)使長(zhǎng)力鏈發(fā)生變化，甚至斷裂成穩(wěn)定的較短力鏈。統(tǒng)計(jì)4種試樣的力鏈長(zhǎng)度各自所占百分比并繪于圖15，可見(jiàn)整體上表現(xiàn)出在力鏈長(zhǎng)度0～5 范圍內(nèi)所占百分比最高。隨著形狀系數(shù)F的減小，力鏈長(zhǎng)度在0～5所占百分比呈增大趨勢(shì)。

圖13 剪切過(guò)程中的力鏈網(wǎng)絡(luò)Fig.13 Force chain network in the shear process

圖14 力鏈長(zhǎng)度分布概率Fig.14 Probability of the force chain length distribution

圖15 不同形狀系數(shù)試樣的力鏈長(zhǎng)度分布Fig.15 Force chain length distribution ofspecimens with different shape coefficients

為了進(jìn)一步定量分析剪切過(guò)程中不同顆粒形狀粗粒土粒間作用力的變化規(guī)律，本文研究中以200 kPa作為強(qiáng)弱力鏈的分界值，大于200 kPa的為強(qiáng)力鏈，小于200 kPa的為弱力鏈。利用Image Pro Plus 圖像處理分析軟件，分別統(tǒng)計(jì)了4種顆粒形狀粗粒土剪切過(guò)程中，不同時(shí)刻剪切帶內(nèi)土體中不同力鏈的面積。用強(qiáng)力鏈的面積占被測(cè)區(qū)力鏈總面積的百分比，作為強(qiáng)力鏈的百分含量（圖16）。

圖16 不同顆粒形狀試樣剪切過(guò)程中剪切帶內(nèi)強(qiáng)力鏈含量百分比Fig.16 Evolution of the strength chain content percentage in the shear process of specimens with different particle shapes

圖16中4種形狀的粗粒土試樣剪切帶內(nèi)強(qiáng)力鏈含量百分比所表現(xiàn)出的趨勢(shì)較為一致。在剪切位移為零時(shí)，由于正應(yīng)力的施加，顆粒間會(huì)發(fā)生擠密，產(chǎn)生一部分強(qiáng)力鏈；當(dāng)剪切進(jìn)行時(shí)，隨著剪切位移的增加，剪切帶內(nèi)強(qiáng)力鏈逐漸匯集，且在剪切峰值時(shí)強(qiáng)力鏈的含量達(dá)到最大；越過(guò)峰值后，剪切帶開(kāi)始發(fā)生破壞，強(qiáng)力鏈也隨之減少并逐漸趨于穩(wěn)定。另外，峰值時(shí)，4種顆粒強(qiáng)力鏈占比在30%～35%之間，且隨著形狀系數(shù)F的減小，剪切帶內(nèi)強(qiáng)力鏈含量百分比呈增大趨勢(shì)。

顆粒個(gè)體是互相離散的，顆粒體系的宏觀變形和強(qiáng)度特性等主要取決于顆粒個(gè)體的空間排列及相互作用力。剪切過(guò)程中粗粒土顆粒間相互作用力的大小與土體宏觀剪切應(yīng)力的大小具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：剪切過(guò)程中土體顆粒間的相互作用力越大，土體的宏觀剪切應(yīng)力也越大。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)剪切時(shí)顆粒剪切特性的分析，可知試樣的應(yīng)變主要表現(xiàn)在顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈、剪脹幅度較大的剪切帶內(nèi)，剪切帶外發(fā)生輕微剪脹或剪縮，對(duì)試樣整體剪脹影響較小，說(shuō)明剪切帶的變化是影響整個(gè)試樣變形的關(guān)鍵。

（2）剪切過(guò)程中，試樣在外荷載作用下顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，試樣剪切帶厚度、平均接觸數(shù)、孔隙率等宏細(xì)觀參量發(fā)生變化，這些宏細(xì)觀參量的變化也反映了剪切帶內(nèi)的剪脹現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)試樣的接觸力系的分析：顆粒形狀的不規(guī)則，導(dǎo)致剪切帶內(nèi)強(qiáng)力鏈的數(shù)目隨著形狀系數(shù)的減小而增加；另外，隨著形狀系數(shù)的減小，力鏈長(zhǎng)度在0～5 范圍內(nèi)所占百分比呈增大趨勢(shì)。

（3）異形顆粒間的咬合自鎖作用大于純圓顆粒，剪脹幅度隨形狀系數(shù)的減小而增大，對(duì)應(yīng)的試樣的抗剪強(qiáng)度隨形狀系數(shù)的減小而增大。