基于離散元方法的黏性土剪切特性細觀機理

摘要： 為了研究黏性土在剪切過程中的細觀剪切力學特性，結合室內試驗結果和離散元模擬方法對粉質黏土剪切力學性質進行了細觀機理分析。首先基于室內試驗的結果，通過建立符合黏性土剪切試驗特征的PFC2D模型，對剪切過程中黏性土和砂土的一些細觀參數進行比較分析；然后對黏性土在不同剪切階段細觀應力、細觀變形以及細觀位移進行分析，并從細觀角度分析了試樣的宏觀剪切力學特性。結果表明：黏性土中的剪切應力主要是由顆粒之間的力鏈提供的，黏性土的顆粒較小，力鏈較細，所提供的承載力也較小，黏性土力鏈最大承載力僅約為0.77 kN，而標準砂可以達到1.75 kN；超固結狀態(tài)下的黏性土在進行剪切時具有明顯的應變軟化現象，這一現象與顆粒的定向排列以及顆粒之間的強力鏈數量減少有關；在剪切過程中黏性土中部配位數減少了1.70，這是由于黏性土顆粒發(fā)生偏移，顆粒之間的接觸形成拱狀結構，也導致了孔隙率增大，使得黏性土的體積應變增大；黏性土在剪切過程中，顆粒位移等值線在模型的中部PFC2D模型形成近似菱形的區(qū)域，并且黏性土在剪切破壞時形成的剪切帶是一條相對位移基本一致的狹長條帶。

關鍵詞：黏性土；砂土；離散元；體積應變；孔隙率；剪切帶；PFC2D模型

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230116

中圖分類號：P59 文獻標志碼：A

收稿日期： 2023-05-08

作者簡介： 倪嘉楠（1998-），男，碩士研究生，主要從事土體剪切力學性質方面的研究，E-mail：1006074308@qq.com

通信作者： 洪勇（1970-），男，教授，博士生導師，主要從事巖土力學和地質災害方面的研究，E-mail：hongyong@qut.edu.cn

基金項目： 國家自然科學基金項目（41572259，41272341）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （41572259，41272341）

Mesoscopic Mechanism of Clay Shear Properties Based on Discrete Element Method

Ni Jianan， Hong Yong， Jiang Yichen， Yu Chao， He Keqiang， Li Liang

School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266525， Shandong， China

Abstract： In order to study the micro shear mechanical properties of clay during the shear process， a micro mechanism analysis of the shear mechanical properties of this silty clay was conducted using laboratory test results and discrete element simulation methods. Based on the results of experiments， a PFC2D model that conforms to the shear test characteristics of clay was established to compare and analyze some micro parameters of clay and sand during the shear process. Then micro stress， micro deformation， and micro displacement of clay at different shear stages were analyzed， and the macroscopic shear mechanical properties of the sample were analyzed from a micro perspective. The results show that the shear stress in clay is mainly provided by the force chain between particles. The particles in clay are smaller and the force chain is finer， resulting in a lower bearing capacity. The maximum bearing capacity of the force chain in clay is only about 0.77 kN， while standard sand can reach 1.75 kN. Under the condition of overconsolidation， clay exhibits significant strain softening during shearing， which is related to the directional arrangement of particles and the reduction in the number of strong chains between particles. During the shearing process， the middle coordination number of the clay decreased by 1.70， which is due to the displacement of the clay particles， and an arch like structure between the particles were formed to increase the porosity， which results in an increase in the volumetric strain of the clay. During the shearing process of clay， the contour lines of particle displacement form an approximately diamond shaped area in the middle region of the PFC2D model， and the shear band of clay is a narrow strip with relatively consistent displacement when sheared.

Key words： clay; sand；discrete elements; volumetric strain; porosity; shear band; PFC2D model

0 引言

黏性土作為一種在各項工程建設當中常見的土工材料，其剪切力學特性一直是巖土和工程地質領域的重要研究課題。目前相關研究主要是利用直剪試驗、三軸試驗、平面應變試驗等方法對黏性土的宏觀剪切力學特性進行分析，尚缺少對其剪切時土體細觀力學特性的研究。

相較于有限單元法、有限差分法、邊界元法等傳統(tǒng)的數值分析方法[1]，離散單元法將巖土體視為由球體（ball）組成，通過運用力-位移法則和牛頓第二定律來研究每一個球體的受力和運動，進而從細觀的層面來分析研究巖土體的力學性質變化。

目前，顆粒流（PFC）已經成為研究土體細觀特性最常用的方法之一，并廣泛應用于砂土、黏性土和巖石等的細觀性質研究當中。國內外學者通過顆粒流軟件對土的力學性質進行了一系列的研究，其中：周健等[2]使用顆粒流軟件模擬了砂土的雙軸試驗，基本再現了砂土室內雙軸試驗的應力-應變關系曲線的特征；羅勇[3]首次嘗試用PFC模擬基坑開挖的動態(tài)過程，模擬研究了顆粒排列成不同空間結構的力學性狀和三軸砂土的應力-應變關系曲線；劉紅帥等[4]采用抗轉動線性接觸模型模擬砂土三軸壓縮試驗，并使用正交-響應面法對其進行了細觀參數標定；周博等[5]借助顆粒流軟件對黏性土類樣本開展了大量平面雙軸壓縮試驗；高彥斌等[6]通過對黏性土模擬提出了土體內各向異性的存在；程升等[7]對南海軟黏土進行了剪切變形離散元模擬，探究了土體發(fā)生破壞時剪切帶內的應變；Chen等[8]通過對不同顆粒形狀的砂土直接剪切性能的離散元模擬，研究了砂粒球形度對砂土剪切性質的影響；Thornton[9]利用PFC對砂土進行了模擬，闡明了顆粒間摩擦對宏觀和微觀力學行為的影響；陳建鋒等[10]采用接觸黏結模型并依據顆粒流中的bond原理對黏性土雙軸試驗進行了模擬，通過宏細觀關系，得到了上海第②層褐黃色粉質黏土細觀參數。

上述研究雖對揭示土體細觀力學特性具有積極的推動作用，但是對于黏性土在剪切過程中剪切力學特性細觀機理的研究尚少。目前在基坑開挖及地下工程建設中發(fā)生的邊坡失穩(wěn)、滑坡等不良地質現象常伴隨著黏性土體的剪切變形破壞，因此研究黏性土剪切力學性質的細觀機理具有十分重要的研究意義。

本文在國內外對于砂土、土石混合體以及巖石等剪切力學性質研究的基礎上，主要針對顆粒間具有黏結作用的黏性土剪切力學特性進行顆粒流數值模擬研究。首先通過PFC2D建立黏性土的直剪試驗數值模型，然后結合室內試驗的數據，通過對黏性土和砂土模擬結果進行比較分析，對黏性土在不同剪切過程中的剪切力學特性及其力鏈、配位數、孔隙率和顆粒位移等細觀參數進行研究，以期從細觀角度揭示其宏觀力學特性的本質。

1 數值模擬

1.1 試樣選取及室內試驗

本項研究所用土樣取自長春市內伊通河西部洪積波狀平原，取樣深度距地表約7 m。土體礦物成分以石英、伊利石、蒙脫石為主，宏觀結構呈緊密塊狀結構。天然土體內孔隙發(fā)育，具有較好的透水性。土體粒組成分中，粒徑為0.007 5～0.05 mm的粉質顆粒質量分數約80.79%，粒徑＜0.007 5 mm的黏粒質量分數約17.50%，平均粒徑為0.02 mm。其物理性質指標見表1。根據《土的工程分類標準》（GB/T 50145—2007）[11]，該類土屬于粉質黏土。為了更好地分析黏性土的剪切力學特性，本文也對標準砂試樣進行了模擬，并與黏性土數值模擬的結果進行了比較分析。標準砂數值模擬試驗的對象為中國ISO標準砂，由篩分法測得其級配曲線如圖1所示，通過級配曲線及室內試驗可知其物理性質如表2所示。

本項研究按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）[12]對所取試樣進行了剪切試驗。本次試驗采用重塑土，為了探究黏性土在剪切過程中出現的應變軟化現象，需要使土樣處于超固結狀態(tài)，具體試驗步驟如下：首先對取回的試樣用烘箱以105 ℃的溫度進行24 h以上的烘干碾碎，完全干燥后碾碎并過2 mm篩；然后加水拌和均勻，密封放置使其充分飽和，將試樣調配成飽和土樣。

為了使土樣達到超固結狀態(tài)，首先需要讓土樣在給定的前期固結壓力（PCP）下固結穩(wěn)定，本次試驗的前期固結壓力設為350 kPa，該固結壓力由試驗儀器的加載能力來設定。待土體固結完成之后，卸載其法向應力使其小于前期固結壓力而達到超固結狀態(tài)。根據其前期固結壓力將其正應力設為200、100、50 kPa。當土體在卸載后法向應力的作用下穩(wěn)定之后，對在不同固結壓力下的試樣分別進行剪切速率為1 mm/s的不排水剪切試驗，待剪切位移到達5 mm時停止試驗，試驗結果見圖2。

1.2 數值模型建立

本文在室內試驗的基礎上，利用顆粒流數值模擬軟件（PFC2D）建立黏性土直剪試驗數值模擬模型。模型建立步驟為：1）創(chuàng)建與室內剪切試驗相似的剪切盒，在剪切盒內生成顆粒，然后對顆粒和邊界賦予相應的參數，如摩擦系數、黏結力、剛度比、彈性模量等參數。2）借助PFC程序中的FISH函數對試樣施加豎向荷載，并對試樣進行伺服控制。在此過程中通過不斷調用伺服函數來模擬室內試樣中施加的豎向荷載。3）保持豎向荷載不變，在剪切盒下盒沿ｘ方向按一定速率施加恒定剪切力進行剪切試驗模擬。

模擬過程中黏性土試樣尺寸參照實際直剪試驗中試樣的尺寸來確定。室內試驗采用的粉質黏土主要由黏粒和粉粒組成。由于其粒徑非常小，如果在數值模擬時使用實際尺寸的話將會導致整個模型中顆粒的數量非常多，這會極大降低計算效率。已有研究[13]表明，在顆粒流模擬中，相比于顆粒間的接觸黏結強度及摩擦系數而言，顆粒的尺寸對土體宏觀特性的影響要小很多。Jensen等[14]曾在砂土結構面相互作用模擬時提出，當L/d≥30時（其中，L為數值試樣外觀尺寸，d為顆粒的平均粒徑），可以忽略尺寸效應的影響。在建立模型的過程中，孔隙率也是一個關鍵的因素，它可以直接影響土體的力學性能。在PFC3D中，可以直接使用在室內試驗中測得的孔隙率，但是二維的面積孔隙率完全不同于三維的體積孔隙率，本文采用Wang等[15]提出的拋物線方程來進行三維到二維的孔隙率轉換，方程如下：

n2D=0.42n2Lab+0.25nLab。

式中：n2D為二維孔隙率；nLab為室內孔隙率。

綜上，在綜合計算效率和計算誤差的基礎上，本次直剪試驗數值模擬最終選擇粒徑在0.15～0.30 mm之間以0.16的孔隙率隨機分布的顆粒，共包含9 380個顆粒。數值模擬試驗的剪切速率取與室內試驗相同的1 mm/s。

本項研究中的接觸模型選擇線性接觸黏結模型（linear contact bond model）。線性接觸黏結模型通過接觸鍵使顆粒和顆粒、顆粒和邊界相結合。接觸鍵是一對彈性彈簧，其具有恒定的法向剛度和剪切剛度，并且給定法向黏結力和切向黏結力。如果法向力超過法向黏結力，則黏結斷裂，法向力和剪切力均為0；如果剪切力超過切向黏結力，則黏結斷裂，但接觸力不變[16]。

1.3 黏性土細觀參數選取

黏性土細觀參數標定是模擬研究中的重要步驟，但是目前對于黏性土宏觀參數與細觀參數之間的關系不太明確，因此多數學者還是通過試錯法來確定模型土的細觀參數[17-19]。本文通過不斷地改變黏性土模型的有效模量、剛度比、法向切向黏結強度和摩擦系數，比較數值模擬試驗與室內試驗的剪應力和剪切位移曲線之間區(qū)別，直到黏性土的應力應變曲線與室內試驗相吻合為止。本項研究按試錯法最終選擇的細觀參數如表3所示。

圖2為數值模擬與室內試驗得到的黏性土剪應力-剪切位移關系曲線。如圖2所示：在50、100、200 kPa法向應力的作用下，數值模擬和室內試驗的剪切應力-剪切位移曲線的趨勢基本相同，在達到峰值之后都出現了軟化現象；在相同法向應力作用下，黏性土的峰值強度及殘余強度大小基本一致。從整體上看，本文采用的離散元數值試驗模型可以模擬室內試驗，能夠反映實際黏性土的力學性質，可以用來模擬黏性土的細觀力學性質。

2 數值模擬結果與分析

2.1 細觀應力分析

為了更好地分析黏性土剪切特性的細觀機理，本文歸納了前人所做的標準砂直剪試驗數值模擬[20]，并與黏性土數值模擬的結果進行比較分析。圖3為法向應力為300 kPa時的剪切應力-剪切位移曲線。從圖3中我們可以看出：標準砂的抗剪強度要明顯大于黏性土；黏性土在剪切過程中到達峰值之后出現明顯的應變軟化現象，最后剪切應力保持在殘余強度。下面我們將從細觀的角度來分析黏性土和標準砂剪切應力曲線的差異。

力鏈是反映顆粒間接觸的連線，利用力鏈可以用來定性描述顆粒間的接觸力大小。力鏈數量可以反映顆粒間接觸的密集程度，力鏈的寬度可以反映顆粒間承載力的大小。力鏈越粗表示顆粒間的接觸力越大，越細則越小。圖4為黏性土與標準砂在不同剪切階段的顆粒間力鏈分布。

通過對比標準砂和黏性土剪切應力在達到峰值強度時產生的力鏈發(fā)現：黏性土的力鏈間距小（圖4a），力鏈主要聚集在右上到左下的范圍內，密集程度較高，黏性土形成了更多的力鏈，但是產生的力鏈比較細，力鏈提供的最大承載力約為0.77 kN，在剪切帶內的力鏈最大承載力僅為0.65 kN；而標準砂力鏈的間距大（圖4c），數量少，力鏈的密集程度較低，但是力鏈承載力大，最大承載力為1.75 kN，遠大于黏性土力鏈的承載力。上述模擬結果表明：標準砂顆粒間力鏈數量少，主力鏈寬度和承受的剪切力高于黏性土；黏性土顆粒間力鏈數量多，力鏈所能承受的剪切力比較小，所能承受黏性土的剪切應力要比標準砂小。此外，觀察發(fā)現黏性土剪切過程中剪切帶范圍內的接觸力大部分處在0.40～0.65 kN的范圍內，而剪切帶外的接觸力明顯小于這個范圍，這表明土的抗剪強度主要是由剪切帶內顆粒之間的接觸力提供。

圖4b為黏性土在達到殘余強度時的力鏈分布。

與圖4a相比，圖4b黏性土粗力鏈的數量明顯減少，力鏈所能承受的最大承載力也只為0.55 kN左右，模型中的力鏈多數為細力鏈。這些力鏈只承受較小的接觸力，使得黏性土在殘余階段的剪切應力小于峰值階段。產生這一現象的原因在于，在殘余剪切階段土體中產生一個貫通的連續(xù)剪切面[21]，此時殘余強度主要由接觸面之間的滑動摩擦力以及顆粒間的咬合力提供[22]。

圖5為黏性土在剪切過程中不同剪切位移下土體力鏈分布圖。剪切開始時（圖5a），力鏈在法向均勻分布；隨著剪切的進行（圖5b），強弱力鏈在法向的分布越來越不均勻，其中，從右上到左下力鏈數量增多，表明顆粒間的接觸非常密集；隨著剪切位移的繼續(xù)增大（圖5c），從右上到左下部分的力鏈數量繼續(xù)增加，表明接觸力主要集中在這一區(qū)域。隨著剪切的進行，可以看到接觸網絡中出現了拱狀結構（圖5b，c）；這是由于剪切過程中，顆粒之間的黏結發(fā)生斷裂，模型中的顆粒重新排列，顆粒之間的位置發(fā)生偏移，導致不同顆粒之間形成新的接觸，進而力鏈在模型的內部形成了拱狀結構，又被稱為應力拱[23]。此類拱狀結構的形成，也會導致土顆粒之間的接觸減少。

2.2 細觀變形分析

2.2.1 體積應變

在剪切過程中，顆粒在邊界加載的剪切力作用下處于運動狀態(tài)，從而使原本排列整齊的顆粒發(fā)生相對位移，在宏觀上表現為體積應變。在室內試驗時無法測得試樣的體積應變，但是數值模擬可以很好地解決這一問題。

圖6為剪切過程中的黏性土和標準砂體積應變變化曲線。其中：黏性土的體積應變隨著剪切位移的增大而逐漸增大，體積應變最高到達約0.7%；在到達峰值之后黏性土的體積應變曲線出現明顯的回落，最后保持在0.4%左右。而標準砂的體積應變隨著剪切的進行一直增大，體積應變最終高達3.86%。經過對比可知，黏性土的體積應變明顯小于標準砂，并且黏性土的體積應變曲線在到達峰值后有一段明顯的回落。

2.2.2 孔隙率

為了分析黏性土模型內部不同部位土體在剪切過程中體積的細觀變化，本文通過PFC自帶的監(jiān)測圓監(jiān)測模擬時模型內部孔隙率的變化情況。

將模型按照寬度分成上中下三部分，每部分細分成三個區(qū)域分別布置測量圓（圖7a）。圖7b，c，d為黏性土在不同剪切階段各部分孔隙率的分布情況。

圖7b為剪切開始時模型的孔隙率。在初始孔隙率為0.16的條件下，經過預壓，模型中間大部分區(qū)域的孔隙率處于0.147～0.150的范圍內，孔隙率分布較為均勻，模型上下邊緣的孔隙率最大可以達到0.164。

圖7c為達到峰值強度時模型內部孔隙率的分布。從圖7c可見：在剪切過程中模型內部孔隙率與剪切開始時相比明顯增大，并且在剪切帶附近形成多個峰值點，孔隙率最大可以達到0.196；在模擬過程中剪切帶主要位于模型中部，隨著剪切的進行模型內部孔隙不斷增大。這表明剪切過程中發(fā)生體積應變的區(qū)域主要集中在剪切帶附近，并且體積應變與模型內部孔隙率變化有關，孔隙率的增大導致了模型的體積變化。

圖7d為達到殘余強度時黏性土模型內部孔隙率的分布。從圖7d可以看出：孔隙率比峰值強度時減小，但仍比剪切開始時要大；在剪切面附近形成多個峰值點，孔隙率最大可以達到0.192，最大值仍出現于模型的中部區(qū)域；在剪切過程中孔隙率先增大后減小，但是剪切完成時的孔隙率仍大于初始孔隙率，孔隙率在剪切過程中的變化大致呈現出先變大然后基本趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

2.2.3 配位數

配位數是反映土顆粒排列是否緊密、粒間接觸數量多少的指標。配位數的變化可以反映土顆粒在剪切過程中重新排列的過程和緊密程度，配位數和粒間接觸數量有關。配位數變小，表明土的內部結構在剪切過程中受到破壞，顆粒之間的接觸減少，模型變得更加松散。

圖8是標準砂和黏性土的配位數變化對比圖。從圖8可以看出：在剪切未開始時黏性土的中部配位數明顯多于標準砂，這說明黏性土模型的顆粒更小，顆粒之間形成的接觸更加充分；隨著剪切的進行，兩種土的配位數都出現了減少，這與體積應變率的變化結果一致。在剪切過程中，配位數降低說明顆粒之間的粒間接觸被破壞，顆粒之間的接觸減少。這也可以與之前力鏈的分析結果聯(lián)系起來，說明在剪切過程中出現了拱狀結構式的接觸，這導致了粒間接觸減少，以及體積應變率的增加。[HJ3mm]

為了研究模型不同部位的配位數變化情況，本文分別對模型不同部位的配位數進行了分析。圖9為黏性土模型在剪切過程中不同部位配位數的變化。由圖9可知：剪切開始時，上部和下部的配位數基本一致，而中部的配位數大于上部和下部，這說明模型土體中部的粒間接觸更多，顆粒更加緊密；隨著剪切的進行，各部分的配位數都在不斷減小，尤其是中部配位數值的減少量遠大于上部和下部。表4是黏性土和標準砂中各部位配位數的減少量。

從表4可知：在剪切的過程中，黏性土上部和下部的配位數減少量比標準砂要少，這是由于黏性土模型的顆粒較小，不同顆粒的粒徑大小相差不大；而且黏性土顆粒之間有黏結力的作用，從而導致顆粒之間產生的錯動很小，所以黏性土配位數的減少量比標準砂要小；而黏性土和標準砂中部配位數減少量都很大，且明顯高于上部和下部的配位數減少量，這是由于模型中部的顆粒運動最劇烈，二者的中部區(qū)域在運動過程中原結構破壞最嚴重，粒間接觸破壞最多，并且模型的剪切帶產生在土體中部區(qū)域。

綜上所述，黏性土模型在剪切的過程中，顆粒進行了重新排列，在重新排列的過程中導致了粒間接觸被破壞。由于顆粒位置發(fā)生偏移，不同顆粒間接觸形成拱狀結構，導致了內部配位數減小，使得孔隙率增大，從宏觀上表現出來就是體積應變的增大。

2.3 細觀位移分析

圖10為標準砂和黏性土剪切過程中顆粒的位移云圖，不同顏色表示不同的顆粒位移，不同顏色之間的交界線即為其顆粒位移等值線。

圖10中標準砂模型剪切完成之后剪切帶內出現了多條顏色不同的條帶（圖10a），而圖10c中黏性土剪切完成之后，剪切帶主要以綠色的區(qū)域為主；這表明標準砂剪切帶內不同區(qū)域顆粒的相對位移不一致，而黏性土剪切帶內的顆粒位移較為一致。由圖10a和圖10c對比可知：在剪切完成時，標準砂剪切作用對于顆粒位移的影響范圍比黏性土要大；黏性土模型剪切帶內形成了相對位移基本一致的狹長條帶，而標準砂模型的中上部分顆粒的相對位移等值線在向上部發(fā)展，使得剪切帶向外延伸并形成了一個副剪切帶，副剪切帶內的顆粒同樣提供了一定的抗剪強度[24]。

由圖10b可知：黏性土在剪切過程中各個部分的顆粒會產生不同程度的位移。在剪切剛開始時，隨著下部剪切盒向右運動，下部的顆粒有向右的位移，上部顆粒保持靜止；隨著剪切的進行，顆粒位移等值線逐漸向模型中部區(qū)域集中，形成一個類似菱形的區(qū)域，在這個區(qū)域中顆粒的相對位移大于區(qū)域外，并且越靠近中部顆粒的相對位移越大。由圖10c可知：在剪切完成時，模型在中間區(qū)域形成了顆粒位移較為一致的條帶，并且剪切作用對于顆粒位移的影響范圍比標準砂要小，這也是黏性土體積應變較小的原因。相較于圖10b，圖10c中的菱形區(qū)域逐漸變小，并且向模型中部發(fā)展，直到貫穿整個試樣；在剪切結束時黏性土模型中部區(qū)域形成了一條相對位移基本一致的狹長條帶區(qū)域，這一區(qū)域就是黏性土在剪切結束后最終形成的剪切帶。

綜上所述，與標準砂相比，在剪切完成時剪切作用對黏性土顆粒運動的影響范圍較小。黏性土在剪切過程中顆粒位移等值線在模型中部形成了一個類似菱形的區(qū)域；在剪切完成時模型中部區(qū)域形成了相對位移基本一致的狹長剪切帶。而標準砂在剪切結束后形成的剪切帶內的顆粒相對位移不一致，在剪切帶上部區(qū)域形成了一個副剪切帶，并且提供了一定抗剪強度，這也是標準砂抗剪強度大于黏性土的原因之一。

3 結論

1）黏性土的抗剪強度低于砂土，其細觀機理為砂土顆粒之間力鏈間距大，力鏈多為強力鏈，提供的承載力較強；黏性土的力鏈分布密集，力鏈比較細，這些力鏈提供的承載力比較小。故黏性土的剪切應力比較小，并且強力鏈主要集中在剪切帶附近。

2）與砂土相比，超固結狀態(tài)下的粉質黏土在剪切過程中出現應變軟化現象，這一現象與顆粒的定向排列有關。隨著剪切的進行，黏性土中的強力鏈數量越來越少，這也導致了剪切應力下降。

3）黏性土顆粒之間的接觸在剪切過程中被破壞，顆粒發(fā)生重新排列，顆粒之間的接觸形成拱狀結構，導致顆粒之間的配位數降低，這種情況在剪切帶內最明顯。拱狀結構的形成也導致了顆粒之間的孔隙率變大，實際上土體的體積應變與土體的孔隙率有關，土體的孔隙率越大，那么土體的體積應變就越大，黏性土孔隙率最大的地方是在剪切帶處，這也是剪切過程中顆粒運動最劇烈的地方。

4）黏性土在剪切過程中顆粒位移影響的區(qū)域較小，所以其體積應變較小；黏性土在剪切過程中顆粒位移等值線會呈現一個近似菱形的區(qū)域，并且在破壞時剪切帶是一條相對位移基本一致的狹長條帶。而砂土在剪切結束后形成的剪切帶內的顆粒相對位移不一致，在剪切帶上部區(qū)域形成了一個副剪切帶，并且提供一定抗剪強度。

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