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

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

徐文杰1，胡瑞林1，岳中琦2，张瑞3，王国良3

(1. 中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029；2. 大学土木工程系，；

3. 中国水电工程顾问集团公司昆明勘测设计研究院，云南昆明 650072)

摘要：随着现代岩土力学的发展及各类大规模工程建设的需要，土石混合体已经逐渐被作为一种有别于常规的土

体及岩石的特殊岩土材料受到国内外研究者的高度关注。土石混合体内部的块石含量及粒度组成很大程度上控制

了其相应的物理力学性质。基于现代数字图像处理技术，通过对土石混合体内部块石的形态分析，获取其相应的

粒度组成及块石含量，并将其作为土石混合体大尺度直剪试验的制备试样的基础，为这类岩土体的试验研究开辟

了新的思路。通过大尺度直剪试验的研究结果表明，土石混合体的内部块石含量特征在很大程度上控制了其变形

破坏机制，其剪应力–水平位移曲线及垂直位移–水平位移曲线均较常规的土体及岩石有很大的差别。土石混合

体的剪切带将随着块石含量的增加而变宽，其内摩擦角增量与块石含量(25%～70%)近似成线性增长的关系，黏聚

力较相应土体有很大程度的降低，但当块石含量大于30%时，其黏聚力随着块石含量的增加而缓慢降低。

关键词：岩土力学；土石混合体；土–石阈值；数字图像处理；可视粒径；直剪试验；抗剪强度

中图分类号：TU 44 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)05–0996–12 RESEARCH ON RELATIONSHIP BETWEEN ROCK BLOCK PROPORTION AND SHEAR STRENGTH OF SOIL-ROCK MIXTURES BASED ON DIGITAL IMAGE ANALYSIS AND LARGE DIRECT SHEAR

TEST

XU Wenjie1，HU Ruilin1，YUE Z Q2，ZHANG Rui3，WANG Guoliang3

(1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2. Department of Civil Engineering，University of Hong Kong，Hong Kong，China；3. Kunming Hydropower Investigation，Design and Research Institute，China Hydropower Engineering Consulting Group Co.，Kunming，Yunnan650072，China)

Abstract：With the development of geomechanics and the requirements of many large-scale engineering projects，soil-rock mixtures(SRM) have been regarded as a special type of soil and rock materials which are substantially different with the general soils and rocks in geotechnical engineering. In a large extent，the proportion and distribution of the rock block sizes control the physico-mechanical properties of SRM. Using digital image processing，rock block sizes in SRM samples are identified from the soil matrix. The proportion and distribution of the rock block sizes are then obtained quantitatively. Then the results are used for the sample preparation of the large scale direct shear tests，which cuts a new method for the test study of SRM. According to the results of the large scale direct shear tests，as a whole，the rock block size proportion controls the deformation and fracture mechanism of SRM. The shape of the shear stress versus the horizontal displacement curve and the vertical displacement versus the horizontal displacement curve of the remolded SRM samples are different from the

收稿日期：2007–11–01；修回日期：2008–02–02

作者简介：徐文杰(1978–)，男，2001年毕业于华东地质学院(现东华理工大学)水文地质工程地质专业，现为博士研究生，主要从事地质工程及岩土工程方面的研究工作。E-mail：xwjljh@126.com第27卷第5期徐文杰，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 • 997 •

general soils and rocks. With the increase of the rock block proportion，the shear band of SRM increased. When the rock block proportion lied in the range of 25% to 70%，the increment of the internal frication angle increased linearly with the increase of the rock block proportion. And the cohesion of the SRM decreased largely from the soil matrix. When the rock block proportion is large than 30%，however，there is only a little decrease in the cohesion with the increase of the rock block proportion.

Key words：rock and soil mechanics；soil-rock mixtures(SRM)；soil-rock threshold(SRT)；digital image processing(DIP)；maximal observed dimension(MOD)；direct shear test；shear strength

1 引言

土石混合体是一种非常复杂的不连续介质材料，是由具有一定尺寸且强度较高岩块、强度相对较软的土体充填成分及孔隙等组成的多相体系[1]。土石混合体作为一种常见的工程地质体在自然界中有着广泛的分布(如边坡、地基等)，土石混合体滑坡(SRML)也构成了近年来主要的地质灾害承载体。同时土石混合体也作为一种常见的岩土工程材料被广泛应用于水工(如土石坝)及道路工程(如路基填料)中。

随着现代岩土力学及各类大规模工程建设尤其是大规模水电工程建设的发展，土石混合体作为一种特殊的岩土介质受到国内外众多研究者的关注。有关研究[2～4]通过室内直剪试验对含有块石的饱和黏性土的抗剪强度特征进行了研究。E. S. Lindquist 等[5～7]通过室内三轴试验对含有块石的混杂岩土体抗剪强度与块石含量的关系进行了大量的试验研究。S. M. Springman等[8]通过现场人工降雨试验、现场直剪试验、室内大型三轴试验对Gruben(瑞典)某冰水堆积体饱和非饱和物理力学特征进行了研究，并探讨了这类堆积体在降雨条件下的失稳机制。油新华等[9～13]通过野外及室内试验对三峡库区广泛分布的土石混合体的抗剪强度特征进行了研究。徐文杰等[14～16]对金沙江虎跳峡地区分布的土石混合体在天然及饱和状态下的抗剪强度特征进行了相应的野外大尺度水平推剪试验研究。侯红林等[17]对兰州地区分布的黄河二级阶地洪积成因的土石混合体的剪胀性特征进行了相应的原位直剪试验研究。

纵观前人研究，块石含量、粒度组成及细粒物质组成等特征在很大程度上影响着土石混合体物理力学性质，尤其是抗剪强度特征。现场大尺度原位试验保证了其块石含量和块石分布等内部结构特征的原始性，但是由于土石混合体内部块石分布的随机性分布，致使试验结果在很大程度上具有一定的随机性。因此，基于土石混合体重塑样的力学参数试验研究，对于获取其强度特征并探索相应的规律建立全面的土石混合体研究理论体系是必要的。为了使得试验结果能够较为满意地符合所研究的工程岩土体，以提供合理的强度指标，必须首先确定其内部块石含量及相应的粒度组成特征。

由于自然界中存在的土石混合体内部块石粒径通常较大，采用传统的筛分试验获取其块石含量较为困难，而且难以满足工程需要。数字图像处理技术作为今年来兴起的一门新技术，被广泛应用于航空、材料、医学及岩土工程等领域。尤其在岩土工程领域，数字图像处理技术发挥了极大的优势，并取得了很好的成果，为岩土工程的发展提供了可靠的技术支持[18～24]。

在前人研究的基础上，本文提出了一种基于数字图像分析的大尺度直剪试验方法。利用数字图像处理技术土石混合体原状样的块石含量及粒度组成特征进行分析，以此基础制备相应的重塑样，用于大尺度直剪试验研究，以对其抗剪强度及变形破坏特征进行研究。

2 研究区概况

研究区位于金沙江中游河段右岸某堆积体，根据现场勘探及钻孔、平洞揭露，构成堆积体的主要物质为两大部分，即前缘的厚层具有层理状结构的胶结、半胶结河流相冲积层及后部冰水成因的土石混合体层(如图1所示)，其中后者为构成该堆积体的主要组成物质。由于构成该土石混合体的内部块石粒径大小不一，据平洞显示最大粒径超过3 m，若采用现场原位试验将难于成样。

为了获取土石混合体合理的强度特征参数，以为工程建设提供可靠的依据，并进一步探索类似地质体的力学强度获取方法，本文在研究过程中拟采用如图2所示的技术研究路线。首先利用现场获取的研究土石混合体断面照片，并基于数字图像处理

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图1 勘探平洞揭露构成堆积体的主要物质——土石混合体

Fig.1 Main material of the study area prospected by

prospecting tunnel —SRM

图2 土石混合体试验研究流程

Fig.2 Technical flowchart for study on the tests of SRM

技术得到其内部块石含量及粒度分布特征；在此基础上制备代表所研究土石混合体的重塑样，以用于大尺度直剪试验(60 cm ×60 cm ，剪切盒高度为40 cm)研究，为这类岩土介质的重塑样试验研究开拓了新的思路。

3 土石混合体粒度特征分析

3.1 土–石阈值

如前所述，土石混合体是由土体及粒径相对较大且强度较高的块石构成，块石的含量影响着土石

混合体的物理力学性质。如何划分土石混合体中的土及石，即如何确定土石混合体的土石阈值的取值是土石混合体研究的一个重要内容，它对于合理确定土石混合体的块石含量并合理评价其物理力学性质具有重要的理论及实践意义。

从细观结构力学上来讲，在特定研究尺度内单颗粒粒径大小对土石混合体宏观力学性质不起控制作用的那部分颗粒成分可将其划分为土，相反对其宏观力学性质及变形破坏模式具有重要影响的那部分颗粒划分为石。因此，土石混合体内部的土或石是一个相对的概念(见图3)[1]。

(a) 土石混合体整体结构模型

(b) 土石混合体不同尺寸下的概化模型

图3 土石混合体内部结构与工程尺度的关系[1] Fig.3 Relationship of the SRM ′s internal structure and

engineering scale [1]

只有在确定的地质条件及研究尺度条件下，土石混合体细观结构或土–石阈值才能惟一确定[1]。即在某一小研究尺度范围内对其宏观力学性质其控制作用的颗粒(或称为块石)；当研究尺度放大后该粒径的颗粒将对研究范围的宏观力学性质不再起控制作用，此时将可视为土体。关于对土石混合体内部土–石阈值问题，徐文杰等[1

，5～7]

对此进行了详

细的研究，并提出了相应的土、块石判据为

thr thr R ()S ()

d d f d d ⎧⎪=⎨⎪⎩≥＜ (1)

其中，

I

II III

I

II

III

第27卷 第5期 徐文杰，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 • 999 •

c thr 05.0L

d = (2)

式中：S ，R 分别表示土、块石；d 为量测块体的粒径；thr d 为土–石阈值；c L 为土石混合体的工程特征尺寸，对于平面研究区域其值等于研究面积的平方根，对于隧道等结构物其值等于其直径，对于边坡而言其值等于坡高。

根据本文采用的大尺度直剪试验尺寸，则其工程特征尺寸为剪切盒高度，即L c = 40 cm ，根据式(2)可求土–石阈值为d thr = 0.05×40 cm = 2 cm 。 3.2 基于数字图像处理的土石混合体粒度分析

数字图像处理技术在岩土材料的内部结构分析中得到了广泛的应用，徐文杰等[1，

24，

25]利用数字图像处理技术对土石混合体内部细观结构特征进行了详细的研究。在此基础上，本文对研究区土石混合

体内部块石粒度组成及块石含量特征进行了分析研究，为下一步进行大尺度直剪试验分析提供依据。 3.2.1 块石粒径

由于现有技术条件的，难于获取天然土石混合体的在三维空间中的断面图像序列，即难于通过现有技术手段获取原位土石混合体的三维结构特征(或内部块石的三维几何特征参数)，从而难于得到其真实块石含量特征。为了简化起见，本文在研究过程中利用土石混合体的二维断面照片获取其二维横断面上的块石含量。

众所周知，由于块石在三维空间上分布的不确定性，通过二维断面获取的块石粒径并不一定为其在三维空间的真实粒径，称之为可视粒径(MOD)，即二维断面上块体的最大可视尺寸，如图4所示。由于土石混合体在形成过程中内部块石分布的随机性，从统计意义上看通过这种二维断面获取的块石的可视粒径分布特征可以近似地来反映块石在三维方向上真实的粒度分布特征[1]。

图4 土石混合体内部块石可视粒径(MOD)与拍摄断面

关系

Fig.4 Relationship of the maximal observed dimension of

internal rock blocks of SRM and the cross-section

3.2.2 土石混合体结构断面图像获取

为了获取研究区的土石混合体断面图像，根据需要选取已有断面或开挖出新的断面，并清除表面杂物，以供拍照使用。

本文选取研究区的一个勘探平洞作为图像获取点，沿平洞由外到内连续拍摄，并在拍摄范围内放置标尺用于以像素为单位的数字图像与实际尺寸之间的比例转换，从而得到块石实际的几何尺寸(见图1)。

3.2.3 数字图像处理

由于外界各种因素(如光照、断面的平整度、块体与周围填充土体的色彩差异性等)的影响，利用照相机(或摄像机)获取的土石混合体的断面照片通常存在大量的图像噪音，为了能过准确获取相应的内部结构特征需在对其进行数字图像分析前用已有图像处理软件(如Photoshop 等)对原始图像进行相应的去噪处理。

经去噪处理后的土石混合体照片，输入数字图像处理系统并进行相应的二值化处理，从而将土石混合体内部的块石形态提取出来，以用于下一步的块体粒径获取。图5显示了图1所示的土石混合体体断面图像经去噪及二值化处理后生成的数字图像，图中黑色部分为土石混合体内部的块石。

图5 二值化后土石混合体结构数字图像 Fig.5 Binary image of the SRM ′s internal structure after

digital image processing

对二值化后的图像进行分析、检测，获取各块体的可视粒径(MOD)及块体断面面积。但是通过该数字图像直接获得的块体可视粒径的单位为像素(面积单位：像素×像素)，为了得到其实际的尺寸大小，需要对其进行一定的比例转换，及将像素表示的块体几何尺寸转换为实际的几何尺寸(单位：cm

拍摄方向

• 1000 • 岩石力学与工程学报 2008年

或m)，其转换比例为

ab

ab

N L S =

(3) 式中：S 为数字图像中每个像素单位对应的实际尺寸；ab L 为图像上a ，

b 两点所对应的实际尺寸；ab N 为图像上a ，b 两点对应的像素点数。

通过比例转换将以像素为单位的块体可视粒径转换为相应的实际尺寸(面积的转换比例应为2S )，并根据上述土–石阈值大小(=thr d 2 cm)排除可视粒径小于thr d 的块体，剩余的大于thr d 块体即为研究土石混合体内部的块石。根据构成土石混合体的块石密度(R ρ)及土体密度(S ρ)，求得构成土石混合体

内部块石粒度累积分布曲线：

S

S R R R ρρA A A P r

r +=

(4)

式中：r P 为小于某一粒径r 的块石质量百分含量，R A 为测量区域内块石所占面积，S A 为测量区域内

土体所占面积，r A R 为测量区域内小于某一粒径r 的块石面积。

本文研究区土石混合体内部块石成分主要为灰岩，经现场测定天然密度为2 700 kg/m 3；土体密度为1 950 kg/m 3

。

3.3 研究区土石混合体块石粒度分布特征

根据上述技术路线，并满足统计分析的需求以便使测量结果更为符合实际情况，本文在研究过程中分别对选取的7处土石混合体断面图像进行了大面积的粒度统计分析，累计总分析面积约为26 m 2。并获取了各试验点土石混合体的粒度累积分布曲线，如图6所示。

从图6(a)中可以看出，研究区土石混合体内部块石含量(即可视粒径大于2 cm 的块石质量百分含量)分布极其不均匀，其大致范围分布为33%～75%，这也反应了这类复杂岩土介质的高度不均质性这一典型结构特征。为了便于研究，根据图6(a)所示各试样粒度分布曲线可以得到相应的综合平均分布曲线(见图6(b))，从中可以看出各试样内部块石含量平均值约为52%。此外，从构成研究区土石混合体的内部块石粒组频率分布图(见图7)上可以看出，粒组频率分布具有多峰性，且内部块石粒径较大，其中在统计范围内可视粒径大于30 cm 的块体约占总块石质量57.57%，大于50 cm 的块体约占36.3%。

(a) 各试样粒度累积分布曲线

(b) 综合粒度分布曲线

图6 基于数字图像处理的研究区土石混合体粒度分析成果

Fig.6 Digital image processing results of the rock size

analysis of the SRM in study area

图7 研究区土石混合体内部块石粒组频率分布

Fig.7 Frequency distribution of the rock of SRM in the

study area

3.4 土石混合体试样内部块石粒度选取

基于重塑样的土石混合体大尺度室内试验(直

剪试验、三轴试验等)，存在两大难题：(1) 块石的最大粒径的选取；(2) 超粒径块石的处理方法。对于超粒径块石的处理方法，目前通常有“剔除法”、

粒组/mm

频率/%

2～4

4～6

6～10

10～15

15～20

20～25

25～30

30～35

35～40

40～45

45～50

＞50

可视粒径/mm 小于某粒径的质量百分含量/%

可视粒径/cm

小于某粒径的质量百分含量/%

第27卷 第5期 徐文杰，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 • 1001 •

“等量代替法”及“相似级配法”[26]等。

为了能够使试样粒径尽量与实际相符，同时考虑到试验尺寸的，本文在研究过程中采用的土石混合体内部块石粒径范围为

05.0(R =D ～0.75)c L (5)

式中：R D 为土石混合体试样内部块石粒径。

当为直剪试验时c L 取试样单个剪切盒高度；当为三轴试验时c L 取试样直径。本文采用的试样剪切盒高度为40 cm ，由式(5)可知R D 的取值范围应为2～30 cm 。对于超粒径料(粒径大于0.75c L ，即30 cm 的块石)，采用25～30 cm 的块石来进行等质量代替。根据图7所示研究区土石混合体各粒组频率分布特征，对超粒径部分进行粒径替代得到本文大尺度直剪试验所采用的土石混合体试样内部的块石频率分布，见图8。

(a) 频率分布

(b) 质量百分含量累积曲线

图8 试验用土石混合体内部块石粒组分布 Fig.8 Distribution of rock size used for the large scale

direct shear tests of SRM

为了研究土石混合体抗剪强度特征与其块石含量的关系，本文分别对0%，30%，50%及70%四组不同块石含量的土石混合体试样进行了大尺度直剪试验研究。对不同块石含量的试样在制样过程中保证其内部块石各粒组频率分布保持不变，根据图8(a)可求得不同块石含量下的土石混合体试样内部块石质量百分含量累积曲线，见图8(b)。

此外，在试样配置过程中为了尽量使得试样内部土体成分(如组成、粒度分布等)及块石特征(如岩性、形态等)与土石混合体原状样保持一致，本文选取的土体来源于研究区土石混合体并通过2 cm 圆孔筛筛分获取，各块石粒组来源于构成研究区土石混合体的内部块石。

4 试验步骤

常规的直剪试验通常在试验室内进行，考虑到本文涉及的大尺度直剪试验的需要大量的试样材料及现场交通条件的，本文采取在现场进行土石混合体的人工重塑样大尺度直剪试验研究。

(1) 预置试验台

首先在选择的试验场地开挖一深为20 cm 左右的坑槽，宽度等于或略大于试样宽度，长度根据试验设备(千斤顶长度)、试样长度等来确定。

待坑槽开挖完毕后，用碎石充填并夯实，并灌注水泥砂浆，形成现场直剪试验台的基础。然后根据试样尺寸(60 cm ×60 cm)，预制如图9所示的下部直剪盒及千斤顶后座反力台。其中下部剪切盒两侧为开口，用做试验观察窗，在试验时用有机玻璃板予以固定。

图9 野外大尺度直剪试验台断面图(单位：cm)

Fig.9 Section diagram of laboratory test of large scale direct

shear tests in field(unit ：cm)

(2) 制作上剪切盒

由于现场试验条件的，本文使用的上部剪切盒采用木板加工制作而成。为了保证剪切盒的具有一定的刚度不发生变形，用料选取30 mm 厚的坚硬木板，用钢钉按预定尺寸(60 cm ×60 cm ×40 cm(长×宽×高))予以定制。定制完毕后，用钢绞线及预紧螺栓捆绑，确保在试验过程中不发生变形，

粒组/mm 2～4

4～6

6～10

10～15

15～20

20～25

25～30

频率/%

可视粒径/cm

小于某粒径的质量百分含量/%

以满足试验规范要求(见图10)。

图10 现场制作的木制剪切盒(60 cm×60 cm×40 cm)

Fig.10 Shear box used for the direct shear tests(60 cm×

60 cm×40 cm)

(3) 安装反压系统

直剪试验中通常采用的反压装置有侧壁摩擦反压、地锚反压及堆载反压等，可以根据现场条件及工程需求选用相应的反压施加方法。本文在试验过程中采用的反压系统为堆载反压法。

(4) 制作试验用料

根据土石混合体原状样内部土体含水量，配置试验用土料；根据试验用块石粒度特征配置试验用块石成分。

为保证重塑样制作过程中填料的均匀性，将上述两种组分进行成分搅拌混合，且配置后的总量约为实际用料的两倍。

(5) 装样

在下部剪切盒两侧分别用1.5 cm厚的有机玻璃板封装，并予以固定确保不发生侧向变形，用于观测土石混合体在试验过程中的剪切带发展及变形破坏机制等。并将步骤(4)配置的土石混合体试样分层(每层15 cm左右)放置于剪切盒中，予以夯实。

为尽量保证各分层填筑用料的均匀性，并尽量防止土石分离现象，在装料时用尺寸大于最大粒径1.5倍的铁铲随机铲取。此外，为确保相邻两层间接触良好不会有层理现象，每一层夯实完毕后将夯实层面挖松5 cm左右，然后放置下一层。待下部剪切盒装满至剩余10 cm左右时，放置上部剪切盒，并使得上、下两剪切盒间留有6 cm左右的开缝。而后将上部剪切盒固定，并继续装样。为了满足上下两个剪切盒间试样的连续性，此时装入试样厚度约25 cm，予以夯实。此后，按下剪切盒装样方式继续装样，直到装满剪切盒为止。

为便于研究土石混合体在剪切过程中剪切带的扩展机制，本文在下部剪切盒靠近侧面有机玻璃板处每隔5 cm垂直放置面条作为变形标识(见图11)。

(a) 现场试验照片

1—千斤顶；2—垫枕；3—百分表；4—剪切盒；5—滑动钢板；

6—反压载荷；7—枕木

(b) 大尺度直剪试验装置断面图

图11 野外土石混合体大尺度重塑样直剪试验装置Fig.11 Experimental unit of large-scale direct shear test of SRM in field

(6) 安装试验装置

待装样完毕后，依次在试样顶部放置滑动钢板及千斤顶(千斤顶的中轴线应与试样中轴线一致，且千斤顶应垂直于试样顶面以满足千斤顶垂直施加法向应力)，并确保试样在剪切过程中滑动钢板的滚珠排及上部钢板不会与剪切盒接触。

在试样的水平顶推面分别放置垫枕及千斤顶，并调整好千斤顶的垂直高度、放平，使得千斤顶中轴线位于试样的中轴面内，确保剪切力正确施加。待法向及水平千斤顶放置完毕后，安装相应的测试设备：与千斤顶配套的压力传感器及数字显示器(精度5‰)，用于测量水平位移及垂直位移的百分表。

撤除装样时用于固定上部剪切盒的固定装置，最终试验装置安装完毕后如图11所示。

(7) 固结

根据预定施加的法向应力，分级施加。每一级

荷载施加完毕，待压力表稳定后记录压力表及百分表读数，继续施加压力。逐级施加直到达到相应的预定荷载，并保持稳定1～2 h 。

(8) 剪切

待试样固结完毕后，开始缓慢摇动千斤顶进行分级施加水平剪力，控制加荷速率使变形速率每15～20 s 内的水平位移在2 mm 左右。每级水平剪力作用下观察法向千斤顶读数，若发生偏移则进行适当调整以使其维持在预定载荷处。当每级荷载施加完毕并保持稳定后，分别记录千斤顶压力传感器及百分表读数(垂直及水平)，并透过剪切盒处的有机玻璃板观测其相应的变形破坏迹象，拍照。继续施加下一级压力，……，直到试验完毕。

(9) 拆卸试验设备，记录最终的剪切带状态及有机玻璃板内存的标识面条形态、拍照，以用于土石混合体变形机制的研究分析。

(10) 试验成果整理、分析，并绘制水平剪应力–水平位移及垂直位移–水平位移曲线。

5 试验成果分析

5.1 剪切试验曲线特征

根据现场试验结果，绘制土石混合体不同块石含量及不同法向应力条件下大尺度直剪试验获取的剪应力–水平位移及垂直位移–水平位移发展变化曲线，如图12所示。从图12可以看出：

(a) 块石含量0% (b) 块石含量

30%

(c) 块石含量50% (d) 块石含量70%

图12 不同块石含量时土石混合体直剪试验曲线成果图

Fig.12 Result curves of direct shear tests under different rock block proportions

水平位移/mm

剪应力/k P a

垂直位移/m m

水平位移/mm

剪应力/k P a

垂直位移/m m

水平位移/mm

剪应力/k P a

垂直位移/m m

水平位移/mm

剪应力/k P a

垂直位移/m m

(1) 随着法向应力的增加土石混合体的抗剪强度逐渐增加；土石混合体块石含量在很大程度上影响着其抗剪强度，在相同的法向应力条件下其抗剪强度随着块石含量的增加而增加。

(2) 从土石混合体的剪应力–水平位移曲线上可以看出，在弹性变形阶段之后达到峰值强度之前有一个平缓曲线段(初始屈服阶段)，且该曲线段随着块石含量及法向荷载的增加而变得更加明显。该阶段土石混合体内部的细粒部分首先破损，在剪切带部位可能出现局部的开裂。随着剪切位移的继续增加至初始屈服阶段的后期由于土石混合体内部粒径较大的块石相互咬合(见图13)，使得剪应力再次开始升高，直到发挥出其最大的抗剪强度，此时块石与块石间的咬合力达到最大(见图13(c))。当剪切位移继续增加时，由于土石混合体内部块石间的咬合力作用使得其不断地发生移动、旋转，以调整其在土石混合体内部的排列状态，甚至会越过剪切面另一侧的块石(见图13(d))，这一个过程将伴随着剪应力的降低，并到达相应的残余强度。

(a)

(b)

(c)

(d)

(A ，B 为预剪面；箭头表示块体运动方向；虚线表示实际剪切带)

图13 土石混合体剪切带发育及内部块体运动示意图 Fig.13 Sketch map of the development of SRM ′s shear band

and the movement of the internal rock block

由于土石混合体内部的块石含量及排列方式的影响，使得其剪应力–水平位移曲线上可能会表现

出多次由“缓和”到“陡”的转变过程(即屈服、应变硬化过程的相互转变过程)。

(3) 从垂直位移–水平位移曲线上可以看出：① 在低法向应力作用下土体(块石含量0%)及土石混合体均表现出剪胀现象，最终达到相应的稳定状态，且达到稳定时的剪胀量随着块石含量的增加而增加。② 当法向应力增高时土体首先要经历相对较长的一段剪胀阶段，而后随着剪切变形的发展由剪胀状态逐渐转化为剪缩并达到某一稳定值；而对于土石混合体在剪切开始仅表现很短的一段剪胀状态，随后逐渐进入相应的剪缩阶段，但是随着剪切的继续进行，将再次进入剪胀阶段，且这种现象随着块石含量的增加而变得更加明显。

土石混合体在剪切过程(或剪切带的形成过程)中由于内部块石间的相互咬合及摩擦作用，使得块石不但发生相对水平位移及旋转运动，而且在垂直于剪切带的方向也会发生相应的垂直位移，从而使得土石混合体在试验过程中垂直位移由剪缩状态转变为剪胀状态。这种状态的转变将伴随着剪应力的升高(应变硬化)，在剪应力–垂直位移曲线上表现为由初始屈服阶段(即缓和曲线段)向峰值强度的发展(见图12)。

(4) 从图12还可以看出，土石混合体剪应力–水平位移曲线及垂直位移–水平位移曲线上有不同程度的跳跃现象，而且同一试验的两条曲线的跳跃点有良好的对应关系：当剪应力急剧降低时，其垂

直位移将急剧升高；当剪应力急剧升高时，其垂直位移将急剧降低：① 剪切过程中原本处于咬合状态的某些块石由于相互错动、逾越而使得相互间因咬合而储存的应变能急剧释放，导致剪应力的急剧降低而后又逐渐回到原来的应力状态(在剪应力–水平位移曲线上表现为“V ”字形跳跃)。与此同时由

于这些块石的空间状态相互调整而变得更加稳定并在土石混合体试样的宏观上表现为压密(剪缩)，在垂直位移–水平位移曲线上表现为向上跳跃现象。② 若剪切带上的某些大粒径块石较为密集，在剪切变形过程中由于块石间咬合力的急剧上升，将导致剪应力–水平位移曲线上的初始屈服阶段急剧向峰值强度发展(即应变硬化阶段曲线将较陡)，剪应力急剧上升呈现跳跃现象。此时由于块石的咬合作用，而且剪切位移继续进行，势必导致块石的垂直方向的位移及急剧的旋转变形调整，以满足新的应力状态。在垂直位移–水平位移曲线上将表现为剪胀现

象，呈现向下跳跃现象。这种现象在试验过程中仅在块石含量及法向应力较高的情况下才能出现(见图12(d)，法向应力35.5 kPa)。 5.2 剪切带发育特征

为了进一步研究土石混合体的剪切带发育与其块石含量之间的关系，本文对下剪切盒两侧采用有机玻璃板固定，并放置面条进行标识，以观测其变形破坏及剪切带的发展过程。

图14显示了不同块石含量下土石混合体大尺度直剪试验的剪切带发育图示(法向应力为近似值)。从图14可以看出，当块石含量为0%(即试样全部为土体)时，剪切带位于预剪面附近并与剪切方向平行呈带状分布。随着块石含量的增加，其剪切带逐渐变宽，甚至还会伴随有多组裂纹产生，如图14(c)所示。

(a) 块石含量0%，法向应力

32.0 kPa

(b) 块石含量30%，法向应力

37.2 kPa

(c) 块石含量50%，法向应力

37.2 kPa

(d) 块石含量70%，法向应力35.5 kPa

图14 不同块石含量土石混合体直剪试验剪切带发育 Fig.14 Development of the shear band during the direct shear

tests under different rock block proportions

随着块石含量的增加，剪切过程中块石之间的接触及相互咬合的概率将增加，由此引起的块石的旋转、位移等将增加(见图13)，最终导致了剪切带的扩展及多裂纹的产生。 5.3 抗剪强度特征

根据直剪试验成果，可以获取不同块石含量

(0%，30%，50%及70%)下土石混合体的抗剪强度参数(c ，ϕ)，见图15。为了进一步研究土石混合体的抗剪强度参数与块石含量关系，图16显示了土石混合体的内摩擦角增量及黏聚力随块石含量的变化曲线。

图15 不同块石含量下土石混合体抗剪强度–法向应力关系 Fig.15 Shear strength-normal stress of SRM under different

rock block proportions

(a) 内摩擦角增量与块石含量关系

(b) 黏聚力与块石含量关系

图16 土石混合体抗剪强度与块石含量关系 Fig.16 Relationship between shear strength of SRM and rock

block proportion

法向应力/kPa

剪切应力/k P a

块石含量0%(τ = 4.31+0.48σ，c = 4.31 kPa ，ϕ = 25.°)块石含量30%(τ = 1.15+0.66σ，c = 1.15 kPa ，ϕ = 33.42°)块石含量50%(τ = 1.12+0.79σ，c = 1.12 kPa ，ϕ = 38.31°)块石含量70%(τ = 0.82+0.95σ，c = 0.82 kPa ，ϕ = 43.53°)

块石含量/% 黏聚力/k P a

块石含量/% 内摩擦角增量/(°)

E. S. Lindquist [6]

T. Y . Irfan 和K. Y . Tang [27] E. W. Medley [28] 本文试验

由图16(a)可以看出，试验土石混合体的内摩擦角较试验土体内摩擦角的增量与块石含量近似成线性关系，并根据前人研究[6

，27，28]

有

R

R R R 70R 0 (25%)

5.10.33 (25%70%) (70%)

P P P P P ϕϕ⎧⎪⎪

Δ=−+⎨⎪Δ⎪⎩≤＜≤＜ (6) 式中：R P ϕΔ为当块石含量为R P 时土石混合体内摩擦角较相应土体内摩擦角的增量，R P 为土石混合体块石含量(%)，70ϕΔ为块石含量为70%时土石混合体内摩擦角较相应土体内摩擦角的增量。

根据式(6)可知，当块石含量小于25%时，土石混合体的内摩擦角随块石含量的变化不大近似等于相应土体的内摩擦角；当块石含量位于25%～70%时内摩擦角增加与块石含量变化近似呈线性关系；当块石含量增大到超过70%时，其内摩擦角将基本不发生变化。

图16(b)显示了土石混合体的黏聚力随着块石含量的变化关系。从图16可以看出，土石混合体的黏聚力较相应土体的黏聚力有很大程度的降低；当块石含量在30%～70%变化范围内时虽然其黏聚力随着块石含量的增加而稍有降低，但是其变化量很小(根据本文试验成果，块石含量由30%增大到70%，黏聚力仅降低0.33 kPa)。

6 结 论

土石混合体的块石含量及粒度组成很大程度上影响着其抗剪强度特征，由于土石混合体内部块石尺寸通常较大难于通过现有的筛分手段来获取其内部块体的粒度特征。本文基于数字图像处理技术，提出了利用数字图像处理的方法来获取土石混合体内部的块石含量及块石的粒度组成，进而将其应用于土石混合体重塑样的大尺度直剪试验中，为这类岩土介质的进一步研究开辟了新的思路：

(1) 试验区土石混合体内部块石粒组分布曲线具有多峰性。

(2) 土石混合体受剪达到峰值强度前，会经历一屈服阶段(甚至会有多次由屈服阶段与应变硬化阶段的相互转换过程)，该过程随着块石含量及法向应力的增加而变得更为明显。

(3) 土石混合体垂直位移–水平位移曲线，较土体有所不同，在经历一段剪缩状态后，随着剪切位移的不断增大将由剪缩状态转变为剪胀状态。

(4) 土石混合体的剪应力–水平位移曲线及垂直位移–水平位移曲线会呈现不同程度的跳跃现象，这与土石混合体内部块石的相互作用有密切的关系。

(5) 土石混合体的剪切带发育特征与其内部块石含量有着密切的关系，随着块石含量的增加其剪切带逐渐变宽，并会出现多裂纹扩展现象。

(6) 当块石含量为25%～70%时，土石混合体的内摩擦角增量(较相应土体内摩擦角)与块石含量呈线性递增关系。土石混合体的黏聚力较相应土体有很大程度的降低，但当块石含量大于30%左右时其黏聚力随着块石含量的增加变化较为缓慢。 参考文献(References)：

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