块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响研究

(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

摘要：作为一种非均质材料，土石混合体的宏观力学性能与其内部块石细观结构密切相关。在外荷载作用下，土石混合体中存在块石骨架结构和非结构性土体两种荷载传递体系。该文从荷载传递路径和剪切路径发展两个角度，对块石的结构效应进行了分析，明确了块石长轴倾角这一细观因素对土石混合体抗剪强度的影响机理。将土石混合体视为由块石和土体基质组成的两相复合材料，采用椭圆形描述块石，建立土石混合体细观分析模型，并开展了300组双轴压缩试验。进而从主应力差值、内摩擦角及黏聚力三个角度，针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响规律进行了分析。结果表明：当块石长轴倾角在0°～90°变化时，土石混合体的主应力差值及强度参数均呈现出先减小后增大的趋势；当块石长轴倾角为45°+φ s /2时，主应力差值及强度参数均取得最小值；主应力差值及强度参数随块石长轴倾角的变化规律均可采用抛物线方程描述。

关键词：土石混合体；细观方法；宏观力学性能；块石结构效应；块石长轴倾角

土石混合体 [1―5] 是由具有一定尺寸、高弹性模量的岩块和低弹性模量的土体构成的极端不均匀松散岩土介质系统。在外荷载作用下，内部块石之间会形成块石结构，其随块石含量、尺寸、排列方向以及分布形式的不同而发生改变，从而对土石混合体的宏观力学性质和变形行为产生影响。

目前，在进行土石混合体宏观力学性能分析时，通常将块石视为球形或圆形，其忽略了块石排列方向这一细观因素的影响。然而，在实际地层中，块石呈定向性排列是一种普遍存在的现象，特别是对于因河流冲洪积作用及沉积作用形成的砂卵石地层。图1所示为北京西部地区典型的砂卵石地层，椭圆形或亚圆形的块石在地层中水平分布或与水平面呈一定夹角。对于建筑类工程，其纵向跨度相对较小，在建筑地基区域内，块石排列方向可视为不变。然而，对于隧道等长线型工程，在其纵向跨度范围内，块石排列方向将随着冲积方向和沉积作用程度的不同而发生变化。另一方面，对于同一种块石排列的地层，当隧道从不同的方向进行掘进时，围岩土体和衬砌结构的变形也将会存在显著差异。因此，需考虑块石的排列方向及其变化对土石混合体材料宏观力学性能产生的影响。

块石在地层中的排列方向通常采用块石长轴倾角来描述，其是指块石长轴与水平面之间的夹角。高明忠等 [6] 采用数值图像技术对卵石几何特性进行统计，结果表明，成都地铁1号线沿线，卵石长轴倾角平均值为32.72°，且卵石数目随长轴倾角增加呈近似指数下降。王振峰 [7] 对西安地铁2号线沿线卵石的统计也给出了相同的结论。牟迪 [8] 对成都地铁4号线沿线卵石进行了统计，表明卵石长轴倾角位于 30°～60°区间。通过对三峡库区土石混合体的块石结构进行统计，张抒和唐辉明 [9] 指出块石含量随块石长轴倾角的变化表现出均匀分布、正态分布、伽马分布三种形式。Xu等 [10] 研究表明，块石长轴倾角分布范围集中在 10°～40°与 130°～170°两个区间，块石数目随倾角的增加呈现出“M”形的变化规律。

由于在制备试样时块石长轴倾角难以控制与统计，考虑块石长轴倾角的室内试验及现场试验并不丰富。基于细观力学方法，部分学者初步分析了块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响。将卵石形状视为椭圆形，马辉等 [11] 、高明忠等 [6] 建立了卵石长轴倾角为 0°时砂卵石土弹性模量的计算公式。将块石采用三角形描述，油新华 [3] 开展了不同块石方位下的土石混合体单轴压缩数值试验，结果表明块石方位对其单轴剪切强度与初始弹性模量具有显著的影响。基于土石混合体细观结构随机生成系统，徐文杰等 [12] 开展了不同倾角、不同块石尺寸下土石混合体的双轴数值试验，研究表明：块石的定向性特征明显影响土石混合体的宏观力学性质。总体而言，关于块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能影响方面的研究仍很少，需对其影响机理、影响程度及规律等方面给出进一步的认识。

图1 北京西部地区的典型砂卵石地层
Fig.1 The typical sand gravel stratum in western Beijing

本文从细观角度出发，首先从荷载传递与变形发展两个角度，对块石的结构效应进行分析，明确块石长轴倾角这一细观因素对力学行为及变形发展的影响机理。其次，将土石混合体视为由椭圆形块石与土体基质组成的两相复合材料，建立双轴压缩细观分析模型，并开展300组数值试验，分析了主应力差值、内摩擦角、黏聚力随块石长轴倾角的变化规律，给出了描述主应力差值、内摩擦角、黏聚力与块石长轴倾角之间的公式。

1 土石混合体块石结构效应分析

在细观层面，土石混合体材料是由块石、土体基质及两者的界面组成的复合材料，其中块石分散于土体基质中。在二维情况下，块石呈圆形、亚圆形或具有棱角的多边形，不同块石之间呈现出接触与非接触两种状态。在外荷载作用下，块石与土体基质共同承担外荷载，且两者之间存在相互作用。

当外荷载作用时，土石混合体中存在着两种荷载承担与传递体系。根据“高刚多载”的原则 [13] ，荷载优先作用于刚度较大的部分，即块石结构上。因此，第一种传递体系为块石骨架结构，其由块石与结构性土体基质组成。此处，结构性土体基质是指在块石骨架荷载传递路径上连接不同块石的那部分土体基质，如图2所示，其体现了块石与土体基质间的相互作用。第二种传递体系为非结构性土体，也就是结构性土体除外的土体基质。块石骨架结构及结构性土体随块石尺寸、分布方向、形式以及加载方式的变化而不同，从而对土石混合体的宏观力学性能产生影响，表现出块石的结构效应。当块石含量较小时，块石悬浮在土体基质中，不能形成块石骨架结构。只有在含石量达到一定程度时，块石的结构效应才会体现。

对于各向同性的均匀土体基质，材料破坏服从最大剪应力比破坏准则，从而确定剪切破坏面与最大主应力作用面的夹角为45°+φ s /2，其中φ s 是土体基质的内摩擦角。对于土石混合体，块石的分布影响剪切路径的发展过程。对于土石混合体，由材料性质的初始不均匀，造成了材料受力的不均匀。根据细观组分间的变形协调性知，相对于非结构土体，块石骨架结构内块石与结构性土体中的应力较大。同时，由于结构性土体的抗剪强度比块石要小的多，则结构性土体为该类土的薄弱区域。在外荷载作用下，结构性土体的应力状态首先达到土体基质的抗剪强度，发生剪切破坏，多处出现剪切破裂，并沿45°+φ s /2的方向发展。当剪切路径遇到块石时，其发展受到阻碍，将沿块石与土体基质的界面发展，并最终在非结构性土体中贯通。

图2 块石的结构效应
Fig.2 Rock’s structure effect

在剪切路径沿界面发展时，当界面倾角为45°+φ s /2时，剪切路径的发展与在土体基质中无差异。此时，土石混合体的抗剪强度基本等于土体基质的抗剪强度。当界面倾角与45°+φ s /2呈现出一定夹角时，如图3中颗粒P所示，剪切路径将饶石发展，剪切发展路径增长。剪切路径的增长引起剪切过程中能量耗散增多，从而提高了土石混合体的抗剪强度。而且，界面倾角与45°+φ s /2方向的夹角越大，剪切路径增长越多，土石混合体强度的提高程度越明显。块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响，体现在界面中。通常而言，对于具有一定扁平度的块石，如椭圆形块石，块石长轴倾角的改变意味着界面方向的改变。因而，土石混合体的宏观力学性能发生改变。

图3 剪切路径发展
Fig.3 The development of shear path

2 土石混合体细观分析模型

土石混合体是由块石、土体基质及两者间的界面等组成的多相复合材料，其宏观力学行为及变形破坏与各组分细观结构密切相关。为方便表征块石长轴倾角，块石均采用椭圆形形状描述。椭圆形块石的细观构成要素包括长轴长度、扁平度(长轴与短轴长度的比值)以及长轴倾角 [1,7] 。为避免细观因素间的耦合影响，在探讨块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响时，将块石扁平度及长轴长度等因素设为定值。

考虑到计算量的限制，数值计算仅限于二维模型。采用Monte-Carlo法，基于“取-放”(take and place)思想 [14―15] ，建立土石混合体的双轴压缩细观分析模型。图4(a)为该试验的物理模型图，试样尺寸为101 mm×200 mm。

文献[6―7, 9―11, 16]统计结果表明，椭圆形块石的扁平度通常位于1.0～2.5区间，平均值为1.5。因此，在探讨块石长轴倾角的影响规律时，采用的扁平度为 1.5。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123―1999) [17] 规定，当试样直径大于100 mm时，允许最大粒径为试样直径的1/5。同时，根据文献[6―7, 9, 11]知，块石长轴长度集中在 10 mm～120 mm。因此，选取块石长轴长度为15 mm，则短轴长度为10 mm。

试样上下端部设置位移边界条件，剪切过程中试样上端部约束完全光滑。在进行数值试验时，试样的围压分别为 200 kPa、400 kPa和 800 kPa，试验过程分两步进行，第一步施加等向固结压力；第二步进行应变控制加载，当位移达到试件高度的15%时认为试样破坏。

由于块石拉/压强度较大，假定其在加载过程中不发生破坏，将其视为弹性体。对于土体，采用经典的Mohr-Coulomb弹塑性分析模型来描述其力学行为。对于土和块石，分别赋予其独立的物理和力学参数，细观组分的材料参数如表1所示。土石界面采用完全黏结方式。

研究 [3,18] 表明，当含石量小于 30%时，土石混合体的力学行为取决于土体的性质，块石的结构效应不明显；当含石量大于70%时，取决于块石的性质；当含石量在 30%～70%时，土石混合体的力学性模型的生成效率，选取3种含石量进行数值试验，分别为35%、40.24%、45%。块石长轴倾角θ定义为块石长轴方向与水平面间的夹角，对于本文双轴压缩试验，其就是块石长轴方向与大主应力作用面间的夹角。计算中采用θ的变化范围为[0°，90°]，以 10°为单位变化。在同一个试样中，所有的块石采用同一个长轴倾角，如图4(c)所示。

图4 土石混合体细观分析模型
Fig.4 Meso-scale analysis model of soil-rock-mixture

表1 土石混合体细观组分材料参数 [19]
Table1 Material parameters of soil and rock [19]

注：“*”参数为已知，其他参数为反复试算值。

结合中型三轴试验 [20] ，杜修力等 [19] 已验证该土石混合体细观分析方法的合理性和适用性，详细的验证过程请参考文献[19]。

3 数值试验结果及分析

根据数值试验结果，分析土石混合体试样的剪切发展过程及宏观应力-应变关系曲线。由《土工试验方法标准》(GB/T 50123―1999) [17] 知，当主应力差无峰值时，取15%轴向应变的主应力差值作为破坏点。

3.1 变形过程分析

土石混合体试样竖向应变ε 22 及剪切路径发展过程如图5(a)～图5(f)所示，其中试样所采用含石量为40.24%，块石长轴倾角为70°。

在加载初始阶段，块石与块石以及连接块石的结构性土体形成块石骨架结构，如图5(a)所示。在外荷载作用下，结构性土体的应力状态首先达到，形成剪切微裂缝，如图5(b)及局部图所示。随着施加荷载的增加，剪切微裂缝在结构性土体中沿着45°+φ s /2方向发展，如图 5(c)及局部图。在剪切路径遇到块石时，剪切路径沿着块石与土体基质的界面发展，如图5(d)及局部图，并在非结构性土体中贯穿，形成贯通的主剪切带及多处分散的应变局部化区域，如图5(e)～图5(f)所示。

3.2 主应力差 (σ 1 -σ 3 )

Shi等 [21] 研究表明，土石混合体的宏观力学行为与内部块石分布形式相关。杜修力等 [22] 也在混凝土材料细观分析中得到相同的结论。因此，在开展宏观力学性能分析时，应考虑不同块石分布形式的影响。在同一块石长轴倾角下，分别开展 10组块石空间分布的双轴压缩试验，其包含块石规则分布和随机分布两类分布形式。统计得到不同块石分布形式时土石混合体抗剪强度的平均值，继而，从平均值的角度对其宏观力学性能开展分析。

图6为不同块石含量时，主应力差值 (σ 1 -σ 3 )随块石长轴倾角的变化趋势图。其中，每一个散点值代表着一种块石分布形式的主应力差值；平均值为不同分布形式散点值的平均。从图中可以看出，主应力差值(σ 1 - σ 3 )随块石长轴倾角的变化存在以下规律：① 当块石长轴倾角θ从0°向90°变化时，主应力差值(σ 1 - σ 3 )呈现出先减小后增大的变化规律；② (σ 1 - σ 3 )在块石长轴倾角位于 50°～60°时，取得最小值，且最小值不受含石量变化的影响。以块石长轴倾角60°为例，在3种含石量下，(σ 1 - σ 3 )分别为 260.24 kPa、263.89 kPa、262.67 kPa，几乎未发生变化；③ 当块石长轴倾角θ位于[0°，50°)与(60°，90°]时，(σ 1 - σ 3 )受含石量变化的影响，其值随含石量的增加而增长。

在块石长轴倾角较小时，破坏应力的离散性较大，一方面说明块石空间分布对土石混合体的宏观力学性能存在一定影响。另一方面，该离散性源于采用的块石尺寸较大。尽管建立的模型符合《土工试验方法标准》(GB/T 50123―1999)中16.3.1节关于粒径尺寸的规定，但加载时形成的块石骨架结构使块石表现较大的“有效尺寸”，特别是对于块石倾角为0°及90°的情况，块石尺寸在应力作用方向的投影达到最大，破坏应力的离散性会更加显著。

图5 竖向应变发展过程
Fig.5 The development of vertical strain

图6 主应力差值 (σ 1 -σ 3 )随块石长轴倾角θ的变化规律
Fig.6 The variation of principal stress difference ( σ 1 -σ 3 )with orientation angle of rock long axisθ

3.3 抗剪强度参数

抗剪强度参数，即内摩擦角和黏聚力，是表征土体抗剪强度的主要指标，也是工程技术人员对土体力学性质进行判断的重要依据。

图 7为不同含石量时，内摩擦角随块石主轴倾角的变化规律图。从图中可以看出，内摩擦角随块石主轴倾角的变化存在以下规律：1)当块石长轴倾角θ从0°向90°变化时，内摩擦角表现出先减小后增加的规律；2)在块石长轴倾角位于[50°，60°]时，内摩擦角存在最小值，最小值等于土体基质的内摩擦角φ s ，且不受含石量变化的影响。由块石结构效应及变形过程分析可知，内摩擦角取得最小值时，卵石长轴倾角应为45+φ s /2；③当块石长轴倾角为其他角度时，内摩擦角受含石量变化的影响，且随含石量的增加而增长。

图7 内摩擦角随块石长轴倾角θ的变化规律
Fig.7 The variation of internal friction angle with orientation angle of rock long axisθ

图8所示在不同含石量下，黏聚力随块石长轴倾角的变化规律。从图中可以看出，黏聚力随块石长轴倾角的变化规律与内摩擦角相同。

4 变化规律的数学描述

由3.2节～3.3节分析可知，在双轴压缩条件下，当块石长轴倾角在[0°，90°]时，主应力差值、内摩擦角、黏聚力随块石长轴倾角的增加均呈现出先减小后增加的趋势，且符合抛物线型的变化形式。以主应力差值为例，说明数学描述公式的确定方法。

4.1 数学描述公式的确定

主应力差值 (σ 1 -σ 3 )平均值随块石长轴倾角的变化符合抛物线型的变化形式，采用下式描述：

式中：θ为块石长轴倾角，采用角度(°)表征；f为主应力差值 (σ 1 -σ 3 )；参数A、B为与土石混合体细观组分相关的参数，当细观组分的力学性质及细观结构确定时，其仅与含石量有关；参数C为块石长轴倾角为 0°时土石混合体的主应力差值(σ 1 - σ 3 )。

图8 黏聚力随块石长轴倾角θ的变化规律
Fig.8 The variation of cohesion with orientation angle of rock long axisθ

4.2 参数确定及参数关系分析

由块石的结构效应分析可知，当块石长轴倾角为45°+φ s /2时，主应力差值取得最小值，且与土体基质的主应力差值基本相等。将式(1)进行转换，得：

当θ-B 2 A =45 ° +φ s 2时，f(θ)取得最小值，从而得到参数A与B之间的关系为：

式中：仅存在两个线性无关的参数A与 (σ 1 - σ 3 ) s 。因此，只要给出土体基质及任一块石长轴倾角下的主应力差值，则主应力差值随块石长轴倾角的具体变化形式就可以采用式(6)给出。

4.3 参数关系的验证

结合块石的结构效应分析，得到参数A、B、C间的关系，可采用文中细观数值试验的结果对其进行验证。在进行细观数值试验时，采用的土体基质内摩擦角φ s =20°，根据式(3)，得：

将细观计算得到的主应力差平均值采用抛物线型公式进行拟合，得到对应于式(1)中的系数，如表2所示。由表2可以看出，不同含石量下，A与B均满足式(7)描述的数学关系。另一方面，随着含石量的增加，参数A、B也逐渐增大。

表2 拟合公式中的参数及其比值
Table2 Parameters in the fitting formulas and their ratio

对于内摩擦角、黏聚力指标，其变化规律均可采用抛物线型公式描述，因分析指标不同，参数A、B、C也将会不同。

5 结论

基于块石结构效应分析，针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响，本文开展了不同块石长轴倾角下的土石混合体双轴压缩细观数值试验，给出了描述主应力差值、内摩擦角、黏聚力与块石长轴倾角关系的公式，主要结论如下：

(1)在外荷载作用下，土石混合体存在着两种荷载传递体系：块石骨架结构与非结构性土体，且两者随块石细观结构的变化而变化。

(2)明确了土石混合体剪切路径的发展过程，剪切破坏始于结构性土体并沿着 45°+φ s /2方向发展，在遇到块石时，会沿着块石与土体基质的界面发展，最终在非结构性土体中贯通。

(3)土石混合体主应力差值、内摩擦角、黏聚力与块石长轴倾角间的关系可采用抛物线方程描述。

块石的细观构成要素包括长轴长度、长轴倾角以及扁平度，本文仅针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响方面展开了分析。另一方面，本文将土石混合体视为由块石和土体组成的两相介质，忽略了土石界面作用的影响。这些将在后续工作中进一步完善。

[1]Lindquist E.The strength and deformation properties of mélange [D]. Berkeley: Department of Civil Engineering, University of California, 1994.

[2]Medley E.The engineering characterization of melanges and similar block-in-matrix rocks (bimrocks)[D].Berkley: University of California, 1994.

[3]油新华.土石混合体的随机结构模型及其应用研究[D].北京: 北京交通大学, 2001.You Xinhua.Stochastic structural model of the earth-rock aggregate and its application [D].Beijing:Northern Jiaotong University, 2001.(in Chinese)

[4]王宇, 李晓, 赫建明, 等.土石混合体细观特性研究现状及展望[J].工程地质学报, 2014, 22(1): 112―123.Wang Yu, Li Xiao, Hao Jianming, et al.Research status and prospect of rock and soil aggregate [J].Journal of Engineering Geology, 2014, 22(1): 112―123.(in Chinese)

[5]孙华飞, 鞠杨, 王晓斐, 等.土石混合体变形破坏及细观机理研究的进展[J].中国科学: 技术科学, 2014,44(2): 172―181.Sun Huafei, Ju Yang, Wang Xiaofei, et al.Review of the study on deformation, failure and the mesomechanisms of rock-soil mixture [J].Science China Technological Sciences, 2014, 44(2): 172―181.(in Chinese)

[6]Gao M Z, Zhao J, Li S W, et al.Theoretical model of the equivalent elastic modulus of a cobblestone-soil matrix for TBM tunneling [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, 54: 117―122.

[7]王振峰.卵石地层中地铁隧道盾构施工引起的地表沉降研究[D].西安: 西安科技大学, 2012.Wang Zhenfeng.Study on ground surface settlement due to metro shield tunneling in sand cobble stratum [D].Xi’an: Xi’an University of Technology, 2012.(in Chinese)

[8]牟迪.成都地铁四号线砂卵石层分布规律及工程特性研究[D].成都: 西南交通大学, 2015.Mou Di.Research on distribution law and engineering properties in sand and gravel strata [D].Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2015.(in Chinese)

[9]张抒, 唐辉明.基于细观统计规律的土石混合体随机模型研究[J].人民长江, 2015, 46(16): 48―52, 79.Zhang Shu, Tang Huiming.Research on soil-rock mixture stochastic model based on meso-structural statistical characteristics [J].Yangtze River, 2015,46(16): 48―52, 79.(in Chinese)

[10]Xu W J, Yue Z Q, Hu R L.Study on the meso-structure and meso-mechanical characteristics of the soil-rock mixture using digital image processing based finite element method [J].International journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45: 749―762.

[11]马辉, 高明忠, 张建康, 等.卵石土等效弹性模量理论预测模型初探[J].岩土力学, 2011, 32(12): 3642―3646.Ma Hui, Gao Mingzhong, Zhang Jiankang, et al.Theoretical model developed for equivalent elastic modulus estimation of cobblestone-soil matrix [J].Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(12): 3642―3646.(in Chinese)

[12]徐文杰, 胡瑞林, 岳中琦.土-石混合体随机结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究 [J].岩石力学与工程学报, 2009, 28(8): 1652―1665.Xu Wenjie, Hu Ruilin, Yue Zhongqi.Development of random meso-structure generating system of soil-rock mixture and study of its mesostructural mechanics based on numerical test [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(8): 1652―1665.(in Chinese)

[13]陈立平, 张顶立, 房倩, 等.基于细观统计的各向异性砂土摩擦特性与破坏机制研究[J].岩石力学与工程学报: 2014, 33(增刊1): 3291―3298.Chen Liping, Zhang Dingli, Fang Qian, et al.Research on friction characteristics and failure mechanism of anisotropic sand based on micro-statistics [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(Suppl1): 3291―3298.(in Chinese)

[14]Uuger J F, Eckardt S.Multiscale modeling of concrete[J].Archives of Computational Methods in Engineering,2011, 18(3): 341―393.

[15]Du X L, Jin L, Ma G W.Meso-element equivalent method for the simulation of macro-mechanical properties of concrete [J].International Journal of Damage Mechanics, 2013, 22(5): 617―642.

[16]Erdogan S T, Quiroga P N, Fowler D W, et al.Three-dimensional shape analysis of coarse aggregates:New techniques for and preliminary results on several different coarse aggregates and reference rocks [J].Cement and Concrete Research, 2006, 36(9): 1619―1627.

[17]GB/T 50123―1999, 土工试验方法标准[S].北京: 中国计划出版社, 1999.GB/T 50123―1999, Standard for soil test method [S].Beijing: China Planning Press, 1999.(in Chinese)

[18]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―57, 70.Xu Wenjie, Hu Ruilin.Conception, classification and significations of soil-rock mixture [J].Hydrogeology and Engineering Geology, 2009, 36(4): 50―57, 70.(in Chinese)

[19]杜修力, 张佩, 金浏.土石混合体宏观力学性能分析的细观等效方法[J].工程力学, 2017, 34(10): 44―52.Du Xiuli, Zhang Pei, Jin Liu.A mesosopic equivalent analysis method for the study on macro-mechanical properties of soil-rock-mixture [J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(10): 44―52.(in Chinese)

[20]范建斌, 洪宝宁, 刘顺青, 等.块石尺寸对土石混合体强度特性的影响研究[J].科学技术与工程: 2014, 14(27): 268―272.Fan Jianbin, Hong Baoning, Liu Shunqing, et al.Study on the effect of rock size on strength characteristics of soil-rock mixture [J].Science Technology and Engineering, 2014, 14(27): 268―272.(in Chinese)

[21]Shi C, Chen K H, Wang S N, et al.Research on micro-structure statistical model of soil-rock mixture [J].Applied Mechanics and Materials, 2013, 353/354/355/356: 28―33.

[22]杜修力, 韩亚强, 金浏, 等.骨料空间分布对混凝土压缩强度及软化曲线影响统计分析[J].水利学报, 2015,46(6): 631―639.Du Xiuli, Han Yaqiang, Jin Liu, et al.Statistical investigation on effects of aggregate distribution on concrete compression strength and the descending part of stress-strain curve [J].Journal of Hydraulic Engineering,2015, 46(6): 631―639.(in Chinese)

STUDY ON THE ORIENTATION ANGLE OF ROCK LONG AXIS ON THE MACROMECHANICAL PROPERTIES OF SOIL-ROCK-MIXTURE

(Key Lab of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: As a typical heterogeneous soil, the macro-mechanical behavior of soil-rock-mixture is related with rock meso-structure closely.Under applied loads, two kinds of load transfer mechanism, i.e., rock structure system and non-structural soil matrix system, were developed.From load transfer path and shear path, the structure effect of rocks were analyzed.Then, the influence of rock long axis angle on the shear strength is identified.By treating the soil-rock-mixture as a two-phase composite composing by rock block and soil, biaxial compression mesoscopic analysis models were established and validated.Then a series of numerical tests with different orientation angles of rock long axis were carried out.The influence of orientation angle of rock long axis on the macro-mechanical properties of soil-rock-mixture were discussed, including the deviator stress, internal friction angle, cohension.The analysis results indicate that with the increment of orientation angle of rock long axis from 0° to 90°, the deviator stress and strength parameters all decrease initially and then increase.The relationship between deviator stress and orientation angel of rock long axis can be described as a parabolic curve.

Key words: soil-rock-mixture; meso-scale method; macro-mechanical properties; stone structure effect;orientation angle of rock long axis

龚秋明(1977―)，男，湖南人，教授，博士，主要从事岩土工程勘察及监测领域研究(E-mail: zgongqiuming@bjut.edu.cn).

金浏(1985―)，男，江苏人，教授，博士，主要从事混凝土及混凝土结构理论研究(E-mail: zkinglew2007@163.com);

路德春(1977―)，男，黑龙江人，教授，博士，主要从事强度理论与土的本构模型领域研究(E-mail: zdechun@bjut.edu.cn);

张佩(1988―)，女，山东人，博士生，主要从事隧道与地下工程领域研究(E-mail: zhangpei068@163.com);

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51538001)；北京市自然科学基金重点项目(8161001)

通讯作者：杜修力(1962―)，男，四川人，教授，博士，博导，主要从事地震工程领域研究(E-mail: duxiuli@bjut.edu.cn).