随着国家在重大基础设施上加大投入,越来越多的超级工程将投入到建设和使用。砂土作为一种散体材料,被广泛应用到道路、土石坝、港口工程等地基基础中。由于颗粒形状不规则,在沉积过程中必然产生各向异性,砂土的力学性质也会不同。在特殊条件或高应力下砂土会出现颗粒破碎的特征,威胁到建筑物的安全。国内外学者对砂土可破碎的力学性质早已得到认识,并展开了实验室试验、数值模拟、微观结构与本构模型关系层面来研究颗粒破碎机理,然而目前的研究在关于各向异性与颗粒破碎耦合作用来探讨两者对砂土宏观力学性质的文献较少。由于离散元数值试验可同时提供宏观和微观两个尺度的详细数据,能够定量研究砂土的力学特性,成为颗粒材料多尺度研究的有力工具,所以本文在研究时采用实验室试验与离散元试验结合对比的方法。本文通过光弹颗粒按照横排、竖排规则和交错排列几种摆放方式实现颗粒的各向异性与颗粒破碎耦合作用,并与离散元软件模拟结果进行对比,得到以下结论:在各向异性“砂土”中,横排交错排列比起其他的排列方式更容易出现颗粒破碎,这是由于这种排列方式下,单个颗粒更多的受到剪应力的作用,而光弹颗粒的抗剪强度低于其抗压、抗拉强度;另外各向异性“砂土”中,试样的颗粒的配位数值越大,体系越稳定变形较小。通过查阅砂土室内直剪试验相关文献,得到高应力下砂土的抗剪强度,研究表明颗粒破碎并非是随着竖向压力增加线性增长,而是随着竖向应力的增加分阶段性的增长。通过离散元软件制备出与室内试验相同特征数值试样,将得到的数值试样参数赋值到另外级配的数值试样中。将数值试样按级配良好、级配集中、级配缺失、粒径单一四种不同类型进行制备,通过伺服施加不同竖向荷载进行直接剪切试验,比较剪切前后的试样的宏微观参数特征:(1)在相同的级配条件下,竖向压力越大,试样的应力-位移曲线逐渐表现出应力软化的特征;粒径单一试样,随着竖向力增加应力软化现象更加明显。(2)在相同的竖向压力下,级配良好试样对应的体积应变小于其他级配试样,不同的级配所对应的体变-位移曲线的特征不同;相同的级配试样,竖向应力越大,剪切过程中的体积应变越小。(3)接触力的大小与颗粒粒径的分布有关,在相同竖向压力下,试样中大粒径颗粒所占比例越高,强力链所占比例也越多。(4)当颗粒模型为不可破碎的模型时,随着竖向压力的增大,对其位移云图影响较小;当考虑颗粒破碎后,模型的力学特性更接近于室内直剪试验,细小颗粒填充空隙,云图中位移曲线弯曲度较小,砂土的抗剪强度指标变低,与室内直剪试验结论相符。(5)在不同级配相同竖向压力条件下,级配良好的C组试样在剪切作用下接触法向主方向θ~c偏转最小,这是由于级配良好的颗粒之间较为密实,抵抗变形能力较大。(6)在剪切过程中,当竖向应力较小时,法向接触力的各向异性度有所增加,但当竖向应力较大时,配位数增加,颗粒接触力分布更为均匀,法向接触力各向异性度反而有所减小。