利用直剪试验测定土体抗剪强度在工程上一种经济简便的方法,但直剪盒内部材料在剪切过程中的微观破坏机制却不易观察到。对于直剪试验的数值模拟,国内外研究多集中在砂土和岩石类材料方面,对于具有较大粘结强度的粘土的直剪试验研究不多,由于粘土颗粒间由于存在物理-化学作用,从微观角度来讲需要考虑更多参数,因而在剪切过程中具有不同于砂土的宏观表现。本文以粘土颗粒介质为例,运用颗粒流理论从宏观和微观角度对粘结颗粒材料在直剪过程中剪切变形破坏机制进行了探究。本文首先对试验土样的基本物理性质进行了测定,并通过室内直剪试验确定了土样的抗剪强度指标。然后运用颗粒流理论建立起直剪试验离散元模型,并根据PFC接触本构关系建立BP神经网络宏-微观参数非线性反演系统。通过输入土体的宏观力学参数,确定了试样所对应的微观力学参数,进而与室内试验结果进行了对比分析,认为数值模型较好的反映了室内试验的情况。从模拟结果可以得到:1)通过颗粒的平移量和旋转量统计以及局部孔隙率的变化分析,认为试样中颗粒的运动特征和局部孔隙率的变化是剪切带形成和发展过程中的重要微观表现。2)根据各向异性参数演化规律曲线将各细观组构参数对宏观抗剪强度的贡献进行量化,其中法向接触力作为试样中承担荷载的主要载体,对抗剪强度贡献最大,法向接触力、切向接触力以及接触法向所占比例分别大约为60%,30%和10%,并且三者具有一致的演化规律。3)从综合各向异性参数与剪应力比发展来看,试样的宏观力学行为与微观组构的演化具有一致性,因此可以认为是微观组构耦合作用的结果。4)从剪切盒中测量圆的布设可得到不同测点的主应力偏转情况,剪切带上主应力方向角从初始大约90°沿水平面顺时针偏转了50°左右趋于稳定,且与各向异性主方向的变化规律一致,可以认为各向异性主方向的变化正是主应力平面旋转的微观层次的体现。5)对不同时刻的裂纹数量和空间位置进行统计监测可知,粘结键的断裂多分布于剪切带范围,并且整个试样中观察到张拉裂纹数量要大于剪切裂纹数,但不同竖向围压下试样破坏时裂纹数量均在同一量级,且总数相差不大,说明破坏模式没有本质区别,只是裂纹发展范围不同。从微观层面来讲,围压的大小对粘结键的破裂数量并无明显的影响。