粗粒土三軸試驗力學與長期變形特性研究綜述

吳國立，李東升，劉曉光，馮思超

（華北水利水電大學，鄭州 450046）

粗粒土具有眾多良好的工程特性，在自然界分布廣泛、儲量豐富，在大壩、路基、橋墩、邊坡及地基處理等實際工程中應用廣泛[1]。然而其成分與結構復雜，具有強烈的不連續性、非均質性和各向異性，導致其力學特性較其他土體更為復雜。眾多學者對各種組構類型的粗粒土進行了試驗研究，對于粗粒土的力學特性有了一定的了解，但對于引起粗粒土力學特性的機理解釋僅僅在圍壓、密實度等少數幾個因素有著共同認知，對于較為復雜的因素眾學者則有著不同甚至截然相反的見解，且尚存在較多因素目前研究較少或尚未進行試驗研究。

粗粒土的物理力學性質介于土體與碎裂巖體之間，傳統土力學和巖石力學的室內、室外試驗及變形強度理論并不完全適用于粗粒土的研究。由于粗粒土粒徑較大，且具有尺寸效應，國內外出現了大型接觸面直剪儀、大型三軸試驗儀、大型真三軸試驗儀及大型空心圓柱扭剪儀等大型和超大型試驗儀器，其中大型三軸試驗儀因其應用范圍廣，測量參數多，沿最弱結構面而非固定結構面剪切破壞，操作簡單又能真實地反映土的工程性質，因此被眾學者認可。本文概述了粗粒土的定義和簡要分類、大型三軸試驗技術和粗粒土靜力學特性的研究現狀，并就其中一些問題進行了簡要分析。

1 粗粒土的定義和簡要分類

日本土質學會將粗粒料認為是由塊石、碎石（或礫卵石）、石屑和石粉等粗顆粒組成的無黏性混合料及黏性土中含有大量粗顆粒的混合土[2]。事實上，國內外對于粗粒土的分類并沒有統一的標準。美國材料協會將粒徑大于0.075 mm 的顆粒質量百分含量大于50%的土稱為粗粒土；我國GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》將大于0.075 mm 粒徑顆粒的質量大于總質量50%的土稱粗粒類土。目前關于粗粒土的定義并不明確統一，因此近年來一些學者提出了土石混合體的概念。油新華等[3]認為土石混合體是由礫石、塊石、黏土或砂組成，以土夾碎石或碎塊石、碎石或碎塊石夾土等為主，結構雜亂、分選性差；是介于土體與巖體之間的一種特殊的地質體。按照粗粒土的定義，廣義上的粗粒土甚至包括粗顆粒含量大于50%的土石混合體、碎石土、礫石土和砂石混合體等。

關于粗粒土中粗、細料的劃分，國內學者習慣用5 mm 作為區分粒徑[4-5]。劉開明等[6]主要依據小于0.1 mm 的細粒含量劃分粗粒土：①無黏性粗粒土，細粒含量小于5%；②少黏性粗粒土，細粒含量5%～15%；③黏性粗粒土，細粒含量15%～50%。王仲錦等[7]則依據影響粗粒土工程性能的因素將粗粒土分為了礫石土和砂類土。粗粒土的分類方法多種多樣，眾學者一般根據粗細料含量、粗粒土性質或粗粒土的某個力學參數結合自己的研究需求對粗粒土進行分類。

2 粗粒土的抗剪強度和變形特性

對于粗粒土的眾多工程特性，最主要的還是其抗剪強度問題。一般來說土體強度主要取決于有效法向應力、黏聚力和內摩擦角，對于無黏性土來說黏聚力為零，然而陳希哲[8]利用特制的大型三軸壓縮儀做了大量試驗發現無黏性粗粒土莫爾圓公切線與縱坐標的截距不為零，且莫爾圓公切線與橫坐標的夾角也大于其內摩擦角，結合工程實踐認為粗粒土的剪切面并非平面，其強度來源也非顆粒表面的內摩擦力，而是粗顆粒相互交錯鑲嵌形成一種咬合力，從而使粗粒土的強度大幅度提高。一般認為，影響粗粒土抗剪強度的因素有：密度、圍壓、顆粒級配、顆粒形狀、顆粒本身強度、試樣的含水量、高徑比、試樣尺寸、應力歷史、加載方式和剪切速率等[9-11]。目前大多數學者認同：①當粗粒土試樣的粗料含量小于30%時，其強度與工程性質主要取決于細料，粗料只起填充作用；當粗料含量大于70%時，其強度與工程性質主要取決于粗料；當粗料含量為30%～70%時，粗細料的性質同時有所反映，且隨粗料含量的增加而不斷向粗料一方轉化。②粗粒土的抗剪強度與圍壓、密實度、顆粒本身強度及含石量呈正相關。姜景山等[12]認為圍壓一定時粗粒土的殘余強度也相同；初始密度決定了初始結構性；圍壓形成應力誘導結構性；圍壓和密度共同決定應力應變曲線類型。陳鋮等[13]認為當粗粒土有效粒徑與中值粒徑及限制粒徑的差距過大時，粗粒土密實性將變差，強度降低；以較大曲率系數與較大不均勻系數組合的粗粒土受力性能較好，但壓縮性大；級配良好且不均勻系數較大的粗粒土，顆粒的擠壓效果更顯著，力的傳遞和分配也更均勻。朱俊高等[14]研究了試樣尺寸對粗粒土抗剪強度的影響，認為其他條件相同時試樣尺寸越小其約束力越大，試樣峰值強度也就越高。總之，眾學者對于粗粒土抗剪強度各種影響因素的研究較多，其中圍壓和密實度等簡單因素的影響眾學者認識一致，而對于應力歷史和顆粒級配等復雜因素眾學者研究結果在規律和量值上略有不同但并無相悖。

粗粒土作為路基、地基和堆石壩的主要材料，除了強度問題外最重要的就是變形問題。多數學者以大量三軸剪切試驗資料為基礎，研究了粗粒土的應力應變關系，將粗粒土剪切形態變化分為應變軟化（剪脹）和應變硬化（剪縮）2 種。一般情況下，粗粒土表現為在低圍壓下剪脹、高圍壓下剪縮；大密度剪脹、小密度剪縮；高圍壓、大密度條件下顆粒破碎等特性。程展林等[15]認為粗粒土的變形具有非線性、彈塑性的特點，應力應變關系曲線與鄧肯模型的雙曲線假定基本吻合；粗粒土的剪切形態可能出現輕微的應變軟化現象，一般表現為應變硬化特征。周小軍等[16]將粗粒土的變形過程分為初始壓密階段、彈性變形階段和彈性向塑性變形過渡階段；認為其具有明顯的非線性特征，呈現出明顯的應變硬化現象。由于粗粒土變形表現為非線性、彈塑性等特點，其應力應變關系十分復雜，傳統的土力學經典模型等均不能直接應用于粗粒土，眾學者為此進行了各種改進[17-18]。然而，由于粗粒土組構關系的復雜性，導致其各種強度和變形特性較為復雜，目前大多數所建立的粗粒土本構模型只適用于自身所研究的某一種或極少數相類似的粗粒土，尚未建立具有普適性的經典本構模型。

3 粗粒土的損傷劣化

由于粗粒土天然存在的空洞和孔隙等缺陷，在經歷地下水位和庫水位升降等干濕循環作用、反復加卸荷作用、凍融循環作用或其他損傷劣化作用后，粗粒土中的細料隨水流移動、裂隙擴展或粗粒破碎，其強度和變形參數隨之變化，性能逐漸劣化，該劣化過程的本質是土體在各種作用下“天然缺陷”的加劇，其損傷是不可逆的。穆彥虎等[19]認為粗粒土應力應變曲線隨著凍融循環次數的增加由應變軟化過渡為應變硬化狀態，同時剪切強度呈指數形式下降趨勢，在5～9 次凍融循環后趨于穩定；凍融循環作用對土樣黏聚力的影響比較顯著。王海俊等[20]模擬日曬雨淋引起的堆石料干濕循環作用，認為干濕循環作用引起的堆石料變形是不可忽視的，其隨循環次數的增加呈非線性發展，并與圍壓呈正比。冉武平等[21]認為隨著干濕循環次數的增加，粗粒土的回彈模量整體呈衰減趨勢，且在干濕循環次數N=1、2 時衰減幅度最大，當N＞4 時回彈模量趨于穩定。張新民[22]認為隨圍壓增大及干濕循環次數增多，剪切作用及水體干濕循環作用加劇了粗粒土顆粒破碎。由于粗粒土結構組分的復雜性其力學特性研究尚不清晰，目前損傷劣化特性的研究更不完備，是當前粗粒土研究的熱點問題之一。

4 三軸試驗的技術方法

由于粗粒土試樣體積較大，制作困難，三軸試驗需要耗費巨大的物力和人力，且試樣的體積變化難以測量等原因，眾學者對試驗的技術方法和設備等作出了很多改進。楊建華[23]和李遠賢等[24]提出并論證了粗粒土多級加載三軸試驗的可行性，該方法能夠節省約四分之三的時間和物力人力。為提高試樣體積變化的測量精度不少學者采用了大量的試驗手段和計算方法，如采用雙壓力室、激光掃描、位移傳感器、直接量測空氣和水的變化、用二氧化碳或氮氣置換試樣中的空氣、抽真空飽和及反壓飽和等方法。橡皮膜嵌入量會影響剪切體積變化，從而導致測量不準確的問題最早是由Newland 等[25]提出來的。王昆耀[26]和徐衛衛等[27]分析了橡皮膜的嵌入量對三軸試樣體積變化的影響，在此基礎上提出了一個修正公式，并建議采用大直徑試樣進行試驗以減小橡皮膜嵌入量的影響。陸曉平等[28]研究了試樣端部約束對粗粒土三軸試驗的影響，認為潤滑試樣帽在低圍壓下對粗粒土試樣的端部約束具有減摩效果。蔡陽等[29]綜合運用攝影測量原理、光線追蹤和最小二乘優化技術，開發出了能夠計算試樣絕對體積變化及相關測量結果后處理的配套軟件GeoTri3D。左永振等[30]利用醫學CT 機實現了三軸試驗過程中對粗粒土試樣的CT 切片，研究了粗粒土組構信息的實時變化情況。隨著科技的進步和各個學科的飛速發展，粗粒土三軸試驗借助更加先進的設備和計算機軟件等實現了快速發展，使得三軸試驗制樣更加標準化，體積測量更加準確，節約了大量的物力人力和時間，還使得從更多復雜因素和細觀微觀方面對粗粒土力學特性的研究成為可能。

5 結論

1）目前關于粗粒土的定義和分類并不明確和統一，甚至相差很大，廣義上的粗粒土涵蓋范圍非常廣泛。

2）一般情況下，粗粒土的抗剪強度與圍壓和密度呈正比，其他各因素對其影響較為復雜；粗粒土在受到剪切作用時一般先體縮再體脹，其應力應變關系具有明顯的非線性特點；由于粗粒土的復雜性，目前尚未建立典型的粗粒土本構模型。

3）對于粗粒土的損傷劣化研究目前較少，普遍認為隨著各種損傷作用次數的增加其各種參數逐漸趨于穩定。

4）隨著科技的發展，各種學科的交叉融合，三軸試驗的技術方法也有了很大進展，節省了大量的物力人力和時間，還使得從更多復雜因素和細觀微觀方面對粗粒土的研究成為可能。