一个基于细观物理机制的土石混合料抗剪强度理论模型

摘要

土石混合料是由多粒组矿物颗粒集成的多相天然地质材料,具有显著的跨尺度层次物质群体自然特征。为考虑不同粒组颗粒对土石混合料抗剪强度的影响,根据土石混合料变形时不同粒组颗粒的细观运动特征,将其划分为基体和块石两相复合材料。基于剪应力绕流效应和Eshelby-Mori-Tanaka等效夹杂平均应力原理建立考虑块石转动位移的土石混合料细观抗剪强度理论模型。制备不同块石含量的土石混合料工程原位试样进行3组现场大型直剪试验,分析块石含量对土石混合料抗剪强度的影响规律并确定模型参数。试验结果和理论研究均表明:块石显著影响土石混合料的变形特征且土石混合料的抗剪强度随块石含量的增加而增加。基体的剪应力绕流效应诱发块石产生转动抗力和基体出现应力集中而导致土石混合料在变形时比纯基体材料储存或释放更多的能量,是块石对土石混合料抗剪强度增益的细观物理机制。基于细观物理机制的土石混合料剪应力-剪切位移计算公式,初步验证了理论预测与试验结果的一致性。