土石混合料细观力学特性与工程应用：基于变石料含量的变形机制研究

针对土石混合料(SRM)细观变形机制不清的问题，研究人员通过6组变石料含量的三轴试验模型，结合离散元(DEM)数值模拟，揭示了石料含量对接触力链空间分布和抗滑移能力的调控机制，建立了石料含量-细观结构-宏观性能的关联模型，为高土石坝防渗心墙的碾压施工工艺优化提供了理论支撑。

　　

在岩土工程领域，土石混合料(Soil-Rock Mixtures, SRM)作为一种介于细粒土与碎裂岩之间的特殊地质介质，因其优异的强度和稳定性被广泛应用于边坡支护、地基处理和土石坝建设等工程场景。然而，这种材料内部复杂的"土-石"二元结构使其表现出显著的非均质性、不连续性和各向异性特征，传统实验室小尺度试样的测试方法难以全面捕捉其真实的力学行为。尤其当石料含量变化时，SRM会形成填充结构、镶嵌结构和骨架结构等不同细观构造，这些微观结构的演化如何影响宏观力学性能，成为制约高土石坝等重大工程安全设计的关键科学问题。

针对这一挑战，西安理工大学的研究团队在《Simulation Modelling Practice and Theory》发表研究，创新性地采用离散元法(Discrete Element Method, DEM)构建了6组不同石料含量(0%-90%)的三轴试验数值模型。通过三维细观结构张量分析和二维组构张量分析，系统揭示了石料含量对SRM细观力学行为的调控机制，并将基础研究成果成功应用于314米级高坝防渗心墙的碾压施工模拟。

研究团队主要运用三项关键技术：首先基于Medley准则确定土石阈值d_S/RT=0.05L_C，建立考虑颗粒破碎的DEM接触模型；其次采用多尺度组构张量量化接触力链的空间分布特征；最后通过振动碾压模型模拟心墙施工过程，分析石料含量对协调数、沉降速率和孔隙率的影响规律。

【宏观变形机制分析】部分显示，随着石料含量从0%增至90%，偏应力-轴向应变曲线呈现由应变硬化向应变软化转变的趋势。在1600kPa围压下，90%石料含量试样的峰值应力较纯土试样提升达3.8倍，证实石料骨架对承载力的决定性作用。

【三维组构分析】通过构建接触法向概率密度函数发现，高石料含量(75%-90%)试样在加载过程中形成明显的力链网络，其法向接触力幅值比低含量试样高2-3个数量级。特别值得注意的是，当石料含量超过50%时，切向接触力与法向接触力的比值下降40%，说明高石料含量能有效抑制颗粒间滑动。

【心墙坝三维模型】的施工模拟表明，采用分层掺砾工艺(每层掺入25%-50%砾石)可使心墙沉降速率降低22%，孔隙率控制在18%以下。对比试验证实，石料含量通过改变颗粒间协调数(Coordination Number)来调控结构稳定性，当含量达75%时协调数出现峰值。

该研究创新性地建立了石料含量-细观结构-宏观性能的定量关系模型，揭示出三个重要机制：一是石料含量超过50%时形成连续骨架结构，使抗剪强度产生阶跃式提升；二是颗粒破碎主要发生在高围压(>1200kPa)和高石料含量条件下，破碎率与体积应变呈线性相关；三是心墙施工中采用梯度掺砾策略(底部50%渐变为顶部25%)可兼顾变形控制与施工效率。这些发现为高土石坝的抗震设计和施工质量控制提供了理论依据，推动SRM从经验性材料向可设计性材料的转变。正如研究团队在结论部分强调的，这项跨尺度研究成果不仅深化了对SRM细观变形机制的认识，更开创了基于DEM的土石结构数字化施工模拟新范式。