范惠平 桂陽 張玉利 夏洪吉

摘 要：采用室內(nèi)試驗(yàn)和顆粒流模擬方法嘗試揭示夾層厚度對邊坡軟弱夾層破壞機(jī)理的影響。通過直剪試驗(yàn)明確夾層土體的力學(xué)參數(shù)，然后結(jié)合報(bào)道的宏細(xì)觀參數(shù)率定方法得出細(xì)觀模擬參數(shù)。在此基礎(chǔ)上開展不同夾層厚度下的夾層破壞機(jī)理對比分析。研究表明：相同條件下厚度的不同會(huì)造成顆粒細(xì)觀響應(yīng)的差異。厚度較小時(shí)，剪切破壞區(qū)域集中于交界面附近，呈層狀分布，細(xì)觀演化最為劇烈;厚度適中時(shí)，顆粒剪切的主要區(qū)域集中于中部層位和主對角線上，屬于穩(wěn)定的細(xì)觀演化;厚度較大時(shí)，剪切破壞集中于夾層中前端，且區(qū)域較小，為局部性破壞，剪切面未完全形成。

關(guān)鍵詞：邊坡;軟弱夾層;厚度;室內(nèi)試驗(yàn);顆粒流

中圖分類號(hào)：P642.2?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0153-09

Influence of interlayer thickness on failure mechanism of weak intercalation in slope

FAN Huiping，GUI Yang，ZHANG Yuli，XIA Hongji

（Sichuan Transportation Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Chengdu 610017， China）

Abstract：In this paper， laboratory tests and particle flow simulation are used to reveal the influence of interlayer thickness on the failure mechanism of weak interlayer. The mechanical parameters of sandwich soil are determined by direct shear test， and then the meso simulation parameters are obtained by combining with the previous macro meso parameter calibration method. On this basis， the failure mechanism of different interlayer thickness is compared and analyzed. The results show that the difference of thickness will cause the difference of meso response of particles under the same conditions. When the thickness is small， the shear failure area is concentrated near the interface and distributed in layers， and the meso evolution is the most intense; when the thickness is moderate， the main area of grain shear is concentrated in the middle layer and the main diagonal， which belongs to stable meso evolution; When the thickness is large， the shear failure is concentrated in the middle and front end of the interlayer， and the area is small， which is local failure， and the shear plane is not completely formed.

Key words：slope; weak interlayer; thickness; laboratory test; particle flow

軟弱夾層對邊坡的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性有較大的影響[1-3]，因此開展軟弱夾層的研究工作具有重要意義。軟弱夾層的力學(xué)性能是評(píng)判其工程適應(yīng)性的核心內(nèi)容，一直就是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。整體來看，影響軟弱夾層力學(xué)性能的因素可以分為自身因素和環(huán)境因素兩類，前者由礦物組成、顆粒級(jí)配[4]、組構(gòu)特征[5]、天然含水量[6]等構(gòu)成，后者則包括地應(yīng)力、地下水等，軟弱夾層的力學(xué)強(qiáng)度應(yīng)視為一個(gè)多變量的狀態(tài)函數(shù)，任意變量的改變都將影響其最終的表觀性能，目前該方向數(shù)值仿真方面的工作都是以基本試驗(yàn)為基礎(chǔ)，選取主要因素進(jìn)行模擬優(yōu)化的[7-10]，更加明確的體系分類研究和進(jìn)一步的本構(gòu)描述研究應(yīng)該加強(qiáng)。

當(dāng)軟弱夾層考慮時(shí)間因素后，其研究內(nèi)容就延展為流變特性，主要現(xiàn)象為松弛和蠕變兩種。在長期的研究工作中，人們的研究重點(diǎn)由最初的以試驗(yàn)為主逐步向軟弱夾層蠕變本構(gòu)模型建立和特征參數(shù)識(shí)別過渡，形成了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11]、元件組合模型[12]、積分形式模型[13-14]、損傷模型[15]四類流變模型。其中，元件組合模型以其具有概念直觀、簡單形象、物理意義明確、可以較全面反映巖土體各種流變特征等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。而相關(guān)理論的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理能力的飛速提高，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、并行云計(jì)算等人工智能技術(shù)的興起也為模型特征參數(shù)的優(yōu)化識(shí)別提供了支持。

盡管圍繞軟弱夾層特性開展的研究已有很多，也取得了不少成果，但距離人們完全解決軟弱夾層這一工程問題還有相當(dāng)距離，進(jìn)一步的工作仍需深化，尤其是軟弱夾層破壞機(jī)理?？紤]到工程邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算中常將軟化夾層視作零厚度的接觸面，因此明確夾層厚度對邊坡軟弱夾層破壞機(jī)理的影響具有較重要的工程意義。為此本文嘗試采用室內(nèi)試驗(yàn)和顆粒流模擬方法嘗試揭示夾層厚度對軟弱夾層破壞機(jī)理的影響。

1 夾層直剪試驗(yàn)參數(shù)反演

選取天然狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)行模擬試樣的細(xì)觀參數(shù)率定工作，從而達(dá)到夾層直剪反演的目的。后續(xù)不同夾層厚度、剪切速率和剪切位置情況下軟弱夾層的細(xì)觀直剪試驗(yàn)?zāi)M，均采用該組細(xì)觀參數(shù)。

1.1 室內(nèi)直剪試驗(yàn)及結(jié)果

通過直剪試驗(yàn)，獲得了天然狀態(tài)下軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如圖1所示。剪應(yīng)力位移曲線沒有明顯的峰值點(diǎn)，屬于硬化型，剪切位移超出2 mm后變化不大。五個(gè)壓力情況下的數(shù)據(jù)線性關(guān)系較好，符合定律。由擬合結(jié)果可知，天然狀態(tài)下軟弱夾層的強(qiáng)度c為17.9 kPa，φ值為21°。

1.2 細(xì)觀參數(shù)率定

依原試驗(yàn)條件，設(shè)模型長150 mm，總高度150 mm，其中上部與下部分別模擬混凝土塊，高度為 65 mm;中部為軟弱夾層，厚度為20 mm。由于墻體與混凝土塊相對于軟弱夾層，在直剪過程中要保持剛性，即此二者不能發(fā)生大的自身變形或者散體現(xiàn)象，取其細(xì)觀參數(shù)：①墻體法向剛度500 GPa;②模擬混凝土塊的顆粒粒徑為0.5～2.0 mm，孔隙率為0.2，以半徑擴(kuò)大法生成試樣;球體的兩向剛度為12 GPa;密度為2 650 kg/m3，其顆粒間摩擦系數(shù)取1，平行粘接法向和切向剛度均為20 GPa，平行粘接法向和切向強(qiáng)度均為200 MPa，平行半徑乘子取0.8。

邊坡軟弱夾層的細(xì)觀參數(shù)是重點(diǎn)率定對象，根據(jù)所測顆粒級(jí)配，特征粒徑d50約為0.5 mm，軟弱夾層模擬試樣的粒徑生成區(qū)間0.2～0.8 mm;孔隙率實(shí)測定0.24，以半徑擴(kuò)大法生成試樣;密度為2 270 kg/m3。尚需確定的細(xì)觀參數(shù)有邊坡軟弱夾層顆粒的法向剛度與切向剛度、粒間平行粘接法向剛度與切向剛度、粒間平行粘接法向強(qiáng)度與切向強(qiáng)度、平行半徑乘子和顆粒間摩擦系數(shù)共8個(gè)參數(shù)。

具體的率定過程參考了文獻(xiàn)[16]的研究成果。令剪切板速率為0.5 mm/s，由摩擦角φ，確定模擬軟弱夾層顆粒的剛度比KbnKbs大致區(qū)間為2.5～4.0;之后固定其比值為3，并初步取Kbs為1.0 GPa，調(diào)節(jié)不同的平行粘接參數(shù)進(jìn)行試算。評(píng)判指標(biāo)分為兩部分，首先是剪切曲線與試驗(yàn)曲線宏觀上的形態(tài)必須相似，這樣做主要是確保試樣的破壞形式與實(shí)際相符;其次為由庫侖曲線得到的模擬粘聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）值是否與試驗(yàn)值17.9 kPa和21°相近。通過上述的調(diào)參，可以大致獲得所需參數(shù)的可能區(qū)間（包括法向、切向剛度與強(qiáng)度的大致比值），從而再對KbnKbs進(jìn)行調(diào)整，并就顆粒間摩擦系數(shù)、平行半徑乘子等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)得到最終的軟弱夾層細(xì)觀參數(shù)組。分別取壓力為 200、400、600、800和1 000 kPa 5個(gè)壓力等級(jí)，經(jīng)過多次試算，最終得到了所需軟弱夾層的細(xì)觀參數(shù)組合，將其與前述墻體、混凝土塊的細(xì)觀參數(shù)一并匯總可以得到率定的細(xì)觀參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

2 不同厚度軟弱夾層直剪模擬

以2 cm厚度軟弱夾層的直剪試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果為基準(zhǔn)，分別進(jìn)行厚度為1 cm和3 cm情況下試樣的數(shù)值模擬。在夾層里設(shè)置9個(gè)測量圓，分別位于夾層左上、左中、左下、中上、中中、中下、右上、右中、右下位置，監(jiān)測這些位置處的孔隙率和應(yīng)力的變化。

軟弱夾層的模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看到，剪切曲線形態(tài)與直剪試驗(yàn)結(jié)果十分相似，基本在剪切位移2.5 mm處達(dá)到最大值，并基本保持穩(wěn)定;同時(shí)模擬所得到的c值為17.5 kPa，φ值為21.1°，均與試驗(yàn)值相差很小。說明該組細(xì)觀參數(shù)組合可以較好地反映軟弱夾層在直剪過程中的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)。

2.1 不同厚度下模擬宏觀現(xiàn)象

不同厚度、不同壓力下的模擬宏觀現(xiàn)象如圖3所示。

由圖3可以看到，1 cm厚度的軟弱夾層在直剪過程中，宏觀現(xiàn)象基本與2 cm時(shí)相同，但又體現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。具體為200 kPa時(shí)，由于厚度的降低，試樣中力鏈的發(fā)育有所增大，上、下部之間聯(lián)系較2 cm時(shí)更為緊密，并且在400～800 kPa時(shí)中后部錯(cuò)動(dòng)更為明顯，特別是大顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)和咬合占主導(dǎo)作用;而當(dāng)壓力達(dá)到1 000 kPa時(shí)，夾層前部也發(fā)生了較為明顯的錯(cuò)動(dòng)，說明壓力的增大會(huì)使主變形區(qū)向前發(fā)展。當(dāng)軟弱夾層厚度為3 cm時(shí)，由于厚度的增加，導(dǎo)致低壓力時(shí)力鏈的發(fā)育集中于上部混凝土塊，夾層體以及下部混凝土塊中幾乎未受剪切作用影響。隨著壓力的增大，其變形與2 cm厚度的軟弱夾層相似，但變形自上而下體現(xiàn)出明顯的分層性，且主要集中于夾層上部1 cm空間范圍內(nèi);同時(shí)在1 000 kPa時(shí)，夾層中前部表現(xiàn)出明顯的擠壓態(tài)勢。另外，在上述模擬過程中夾層體前部均有一定的拖拽效應(yīng)，中后部則呈斜向下的剪切發(fā)展。

總體而言，較小的夾層厚度加強(qiáng)了上、下巖土交界面的力學(xué)聯(lián)系，使各個(gè)位置處的剪切響應(yīng)趨于一致，大顆粒的作用占主導(dǎo);而較大的夾層厚度則弱化了上、下巖土交界面的力學(xué)聯(lián)系，使力學(xué)傳導(dǎo)層次差異更為明顯，加強(qiáng)了不同位置處顆粒力學(xué)響應(yīng)的時(shí)滯性。

2.2 不同厚度下細(xì)觀參數(shù)演化

不同厚度、不同壓力下夾層不同部位的孔隙率和水平應(yīng)力演化圖表與數(shù)據(jù)眾多，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)繪圖加以分析。

2.2.1 夾層厚2 cm

當(dāng)軟弱夾層厚度為2 cm時(shí)，主要的細(xì)觀參數(shù)演化結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)夾層厚2 cm時(shí)，選取600 kPa為壓力值，分別對上層、中層和下層位的孔隙率演化進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖4（a）～圖4（c）所示。橫向比較，上部層位的軟弱夾層前端發(fā)生擴(kuò)容，這是由于剪切拖拽引起的，中間位置顆粒由于持續(xù)運(yùn)動(dòng)，孔隙率相對穩(wěn)定，夾層右端處則先發(fā)生擠壓，達(dá)到一定程度后破壞。中部層位孔隙率發(fā)展較為穩(wěn)定，基本以0.17為中心小幅波動(dòng)。底部層位，夾層的左端和中部孔隙率基本水平不變，只有右端發(fā)生擴(kuò)容、壓縮的現(xiàn)象。上述數(shù)據(jù)的變化幅度均較1 cm厚度時(shí)有所降低，說明隨著厚度的增加，夾層內(nèi)本身顆粒的力學(xué)響應(yīng)趨于主導(dǎo)，規(guī)律性和時(shí)滯性進(jìn)一步增強(qiáng)?？v向比較，左側(cè)上層位顆粒擴(kuò)容明顯，中、下層位變化不大。中側(cè)則為上部、中部層位孔隙率同步變化，且互為反向，底部的孔隙率相對穩(wěn)定。左側(cè)數(shù)據(jù)除剪切面附近的孔隙率先減小后增大外，其余兩條曲線基本一致。整體的分布特性與1 cm厚度時(shí)差異明顯。

當(dāng)夾層厚2 cm時(shí)，選取600 kPa為壓力值，分別對上層、中層和下層位的水平應(yīng)力演化進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖4（d）～圖4（f）所示。橫向比較，3個(gè)層位的水平應(yīng)力逐步由上而下減小，同時(shí)各層位左、中、右處的應(yīng)力變化趨勢趨于同步，僅在最下層界面附近表現(xiàn)出明顯的差異性;這表明厚度增加后，夾層內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整和顆粒變形更為充分。縱向比較，左側(cè)上部應(yīng)力最大，波動(dòng)下降，而左側(cè)中下部在0.4～0.5 MPa變化;中間、側(cè)上、中下3位置處的水平應(yīng)力基本穩(wěn)定，變化區(qū)間為0.5～1.2 MPa，依然是上層剪切部位最大，說明此處應(yīng)力集中明顯，處于剪切演化階段;而對右側(cè)，上部與中部點(diǎn)應(yīng)力基本同步，下部則相對增大，但總體區(qū)間為0.2～0.8 MPa，細(xì)觀演化程度比中間側(cè)輕。過程中沒有1 cm厚度時(shí)波峰相錯(cuò)現(xiàn)象出現(xiàn)。

對2 cm厚軟弱夾層的直剪試驗(yàn)，選取200、600與1 000 kPa壓力下中心層位3處的孔隙率演變[圖4（g）～圖4（i）]和水平應(yīng)力演變[圖4（j）～圖4（l）]分析。3個(gè)壓力等級(jí)下，孔隙率均為窄幅變化，并且夾層中部均為最大，說明中部剪切破壞最為明顯。隨著壓力的增大，右部夾層孔隙率由相對穩(wěn)定逐漸向擴(kuò)容發(fā)展，而前端有逐漸轉(zhuǎn)為壓縮的趨勢，說明壓力的提升使顆粒的演化變化向后部、向深層轉(zhuǎn)移。水平應(yīng)力角度，各個(gè)壓力等級(jí)下記錄曲線的形態(tài)相似，均為夾層中部最大，右部次之，左部最小。

3.2.2 夾層厚1 cm

當(dāng)夾層厚1 cm時(shí)，選取600 kPa為壓力值，分別對上層、中層和下層位的孔隙率演化進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖5（a）～圖5（c）所示。橫向比較，由孔隙率的層位變化可知，上部層位即剪切面附近，顆粒間的力學(xué)響應(yīng)具有較好的一致性，夾層前部、中部和后部變化趨勢基本相同，均是隨直剪進(jìn)程逐步增大，孔隙率在0.2附近變動(dòng)。而在中部層位，夾層左端的孔隙率呈擴(kuò)容趨勢，中心處的顆粒先擠壓后擴(kuò)容，夾層右部孔隙率相對穩(wěn)定;但孔隙率緩慢下降，總體孔隙

率較上部層位低，在0.15附近變動(dòng)。下部層位的孔隙率變化受直剪的影響較小，整體穩(wěn)定。模擬結(jié)果說明軟弱夾層剪切破壞的演化進(jìn)程是以一種成層狀的過渡形式存在的?？v向比較，左中和左上部孔隙率同步增大，左下相對穩(wěn)定，說明夾層前部主要受到剪切拖拽作用而變形，中上和中下部孔隙率相對保持變化一致性;而中中部孔隙率不斷減小，且接近極限后發(fā)生擴(kuò)容，說明此時(shí)中上部夾層顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，夾層剪切程度進(jìn)一步加深。右部除右上發(fā)生擴(kuò)容外，右中右下部均呈剪切壓密狀態(tài)。

當(dāng)夾層厚1 cm時(shí)，選取600 kPa為壓力值，分別對上層、中層和下層位的水平應(yīng)力演化進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖5（d）～圖5（f）所示。橫向比較：上部層位應(yīng)力處于500～2 000 kPa，波峰較少，上部3處應(yīng)力有一定的協(xié)同性，說明剪切面附近處由于顆粒最先破壞，其水平應(yīng)力處于動(dòng)態(tài)的調(diào)整過程中，變形最大且連續(xù)。中部層位應(yīng)力處于500～2 700 kPa，波峰十分明顯，且各個(gè)波峰的出現(xiàn)時(shí)間不同;這說明該層位在直剪過程中不同位置處發(fā)生了應(yīng)力集中，顆粒經(jīng)歷了剪切壓縮破壞擴(kuò)容的過程。下部層位應(yīng)力則處于200～1 800 kPa，總體上水平應(yīng)力不斷聚集，緩慢上升;但尚未達(dá)到破壞臨界值。縱向比較：左部處水平應(yīng)力基本同步變化，但局部最大值均發(fā)生在中部層位，變化區(qū)間為0～2.6 MPa。夾層豎向中部水平應(yīng)力趨于平穩(wěn)， 曲線形態(tài)上為先減小后增大的寬U型，變化區(qū)間為0～1.4 MPa。右部水平應(yīng)力變化特點(diǎn)與左部相同，但波動(dòng)幅度明顯增大，其變化區(qū)間為0～2.6 MPa。所監(jiān)測得到的水平應(yīng)力多數(shù)處于1.4 MPa以內(nèi)，超出部分即表現(xiàn)為顯著的波峰，說明此時(shí)顆粒發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)從絕對值的角度，左部水平應(yīng)力最大，右部次之，中部最小且相對穩(wěn)定，這說明夾層前部在剪切過程中由于拖拽變形，對中部顆粒施加推力，加之不同部位夾層變形的相對差異，故在局部點(diǎn)形成應(yīng)力集中;而中部顆粒因?yàn)橄鄬Ψ忾]，顆粒之間連續(xù)接觸，其在剪切過程中進(jìn)一步壓密，并較好地將應(yīng)力傳遞給了夾層后部，從而形成了縱向兩邊大，中間小的水平應(yīng)力分布格局。

選取200、600與1 000 kPa壓力中層位置的孔隙率數(shù)據(jù)如圖5（g）～圖5（i）所示和水平應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖5（j）～圖5（l）所示對直剪試驗(yàn)進(jìn)行分析，可以看到低壓力200 kPa條件下，夾層左端的孔隙率增大;而水平應(yīng)力同步減小，中右部位置有明顯的壓密現(xiàn)象。隨著壓力的增大，中部與右部位置處的孔隙率逐漸趨同，都是先減小后增大，前端位置則依然表現(xiàn)為擴(kuò)容。水平應(yīng)力方面，各個(gè)位置處應(yīng)力開始寬幅波動(dòng)，并且峰值出現(xiàn)時(shí)間不同，但基本均是夾層上部最先破壞。其反映了高壓力條件下，夾層不同位置處響應(yīng)狀態(tài)的差異，從縱向的角度看，依然服從兩邊大、中間小的規(guī)律。

2.2.3 夾層厚3 cm

軟弱夾層厚度為3 cm時(shí)，主要的細(xì)觀參數(shù)演化結(jié)果如圖6所示。

當(dāng)夾層厚3 cm時(shí)，選取600 kPa為壓力值，分別對上層、中層和下層位的孔隙率演化進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖6（a）～圖6（c）所示。橫向分析，在夾層上部層位，由于其接近剪切面，故左中右處的孔隙率基本變化趨勢相同，但中部擴(kuò)容更加明顯，即顆粒錯(cuò)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)最大。在中心層位，夾層左端和中部相對穩(wěn)定，右部發(fā)生局部破壞，隨后又轉(zhuǎn)向壓密。在最底層位置，3處孔隙率曲線相互之間的距離拉大，表現(xiàn)出了分區(qū)特性，即左端擴(kuò)容，中右端壓密。上述現(xiàn)象其實(shí)在2 cm厚度軟弱夾層的模擬中已有所體現(xiàn)，但厚度增大后，顆粒之間相互聯(lián)系性下降，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了孔隙率曲線的辨識(shí)度?？v向分析，左上部層位顆粒處于擴(kuò)容調(diào)整壓密的演化階段，顆粒間錯(cuò)動(dòng)明顯，而左中和左下部層位表現(xiàn)同步的緩慢擴(kuò)容特征，這是由于剪切拖拽引起的。中間部位上部孔隙率逐漸增大，而中中和中下部平穩(wěn)幾乎不變，說明大厚度情況下，夾層中部變形連續(xù)，相對穩(wěn)定。右上部孔隙率增大，右下部孔隙率減小，右中部孔隙率波動(dòng)性較大，但整體處于二者之間，為一過渡狀態(tài)。

當(dāng)夾層厚3 cm時(shí)，選取600 kPa為壓力值，分別對上層、中層和下層位的水平應(yīng)力演化進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖6（d）～圖6（f）所示。橫向分析，所有層位水平應(yīng)力都基本穩(wěn)定，并自上而下依次減小，層次性顯著;在夾層左部應(yīng)力最大處為左上處，中部應(yīng)力最大處為中中處，右部應(yīng)力最大處為右下處。這一點(diǎn)不同于2 cm試樣，說明厚度的增加使水平應(yīng)力的分布發(fā)生較大變化，從應(yīng)力調(diào)整的角度，即空間的增大使應(yīng)力調(diào)整更為緩慢，底部顆粒的強(qiáng)度無法被充分發(fā)揮?？v向分析，由夾層左端向右應(yīng)力逐漸減小，最大應(yīng)力斜向下發(fā)展，這一現(xiàn)象在2 cm模擬中同樣存在;但水平應(yīng)力絕對值較2 cm時(shí)下降約30%～40%，說明厚度的增加并沒有改變夾層演化的趨勢，僅是對剪切作用的程度進(jìn)行了弱化（從夾層整體的角度）。

選200、600與1 000 kPa壓力下中心層位孔隙率圖6（g）～圖6（i）和水平應(yīng)力圖6（j）～圖6（l）的數(shù)據(jù)對3 cm厚軟弱夾層的直剪試驗(yàn)進(jìn)行分析。當(dāng)壓力為200 kPa時(shí)，由于法向應(yīng)力較低，夾層又較厚，其中心層位左、中、右端的顆粒相對聯(lián)系較弱，反映到孔隙上即為圖中3條曲線相對距離較大并基本穩(wěn)定。當(dāng)壓力增大至600 kPa時(shí)，其內(nèi)部聯(lián)系有所加強(qiáng)，但依然達(dá)不到同步變化，右部存在擴(kuò)容突變現(xiàn)象。進(jìn)一步將壓力提至1 000 kPa，可以看到三者變化區(qū)間和趨勢逐漸一致。上述過程中，夾層中部對剪切變化最為敏感，并在水平應(yīng)力中處于最大，這與2 cm厚度夾層模擬情況相同，但由于空間的增大，使得右部應(yīng)力水平在3個(gè)測圓中最小。這說明壓力的改變主要是通過影響顆粒的局部結(jié)構(gòu)而對軟弱夾層的力學(xué)強(qiáng)度造成影響。

2.3 不同厚度下所得庫倫強(qiáng)度分析

當(dāng)厚度2 cm時(shí)，將壓力為 200、400、600、800和1 000 kPa 5個(gè)等級(jí)時(shí)的剪切曲線對應(yīng)的強(qiáng)度結(jié)果如圖7所示，并且用一次函數(shù)擬合這些強(qiáng)度點(diǎn)。同樣的，在厚度為1 cm和3 cm情況下也進(jìn)行繪點(diǎn)擬合，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，與2 cm厚的情況進(jìn)行對比，1 cm厚時(shí)整體強(qiáng)度大幅增加，c值為5.18 kPa，φ值為 32.62°。只有低壓情況200 kPa時(shí)的強(qiáng)度與2 cm試樣基本相同，其他4個(gè)壓力情況下強(qiáng)度均顯著提高;說明中高壓力的施加會(huì)增強(qiáng)軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，c、φ值的變化原因應(yīng)當(dāng)是由于厚度的減小，使上、下土巖界面之間的力學(xué)聯(lián)系加大，從而在一定程度上反映了混凝土顆粒的力學(xué)響應(yīng)特性。

與2 cm厚度情況進(jìn)行對比，3 cm厚時(shí)c值降低為-28.7 kPa，而φ值增大至23.44°。造成這一現(xiàn)象的原因在于軟弱夾層厚度的增大，使得不同壓力情況下顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異。從應(yīng)力調(diào)整的角度分析，厚度的增大使上下土巖界面之間的力學(xué)聯(lián)系減小，混凝土顆粒的力學(xué)響應(yīng)特性被減弱，而模擬夾層的顆粒由于錯(cuò)動(dòng)的不斷積累，出現(xiàn)類塑性的變形，改變了宏觀夾層結(jié)構(gòu)，造成了c、φ值的非常態(tài)變化。這也再一次說明，應(yīng)用PFC進(jìn)行模擬的前提是宏觀破壞形式的符合。

由此可以看出，在相同細(xì)觀參數(shù)組下，夾層中低壓力的直剪強(qiáng)度隨厚度的增加逐步減小，其原因在于剛性上、下界面的影響程度和剪切面是否完全形成所致。

3 結(jié)語

本文以直剪試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合已經(jīng)得到的邊坡軟弱夾層宏細(xì)觀參數(shù)率定關(guān)系，對天然狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行率定，并模擬不同厚度情況下的軟弱夾層的直剪破壞過程，研究軟弱夾層不同厚度下的直剪細(xì)觀響應(yīng)特性，進(jìn)一步揭示其不同厚度下的破壞機(jī)理。所得主要結(jié)論：

（1）軟弱夾層細(xì)觀參數(shù)率定時(shí)，宜以先φ后c的思路進(jìn)行，并且首要原則是確保曲線形態(tài)與實(shí)際試驗(yàn)情況或經(jīng)驗(yàn)一致，這樣做可以確保顆粒破壞模式的相似性;

（2）相同條件下厚度的不同會(huì)造成顆粒細(xì)觀響應(yīng)的差異。厚度較小時(shí)，剪切破壞區(qū)域集中于交界面附近，呈層狀分布，細(xì)觀演化最為劇烈;厚度適中時(shí)，顆粒剪切的主要區(qū)域集中于中部層位和主對角線上，屬于穩(wěn)定的細(xì)觀演化;厚度較大時(shí)，剪切破壞集中于夾層中前端，且區(qū)域較小，為局部性破壞，剪切面未完全形成。夾層中低壓力的直剪強(qiáng)度隨厚度的增加逐步減小;

（3）夾層孔隙率代表的是夾層局部點(diǎn)的結(jié)構(gòu)緊密程度，水平應(yīng)力代表了變形荷載的水平，二者的狀態(tài)并不隨演化進(jìn)程表現(xiàn)出一致性;而是存在一定的時(shí)滯，這是結(jié)構(gòu)性屬于巖土體本質(zhì)屬性的體現(xiàn)。

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