粗粒土三軸試驗(yàn)力學(xué)與長(zhǎng)期變形特性研究綜述

吳國(guó)立，李東升，劉曉光，馮思超

（華北水利水電大學(xué)，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(chǔ)量豐富，在大壩、路基、橋墩、邊坡及地基處理等實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛[1]。然而其成分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有強(qiáng)烈的不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性，導(dǎo)致其力學(xué)特性較其他土體更為復(fù)雜。眾多學(xué)者對(duì)各種組構(gòu)類型的粗粒土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)于粗粒土的力學(xué)特性有了一定的了解，但對(duì)于引起粗粒土力學(xué)特性的機(jī)理解釋僅僅在圍壓、密實(shí)度等少數(shù)幾個(gè)因素有著共同認(rèn)知，對(duì)于較為復(fù)雜的因素眾學(xué)者則有著不同甚至截然相反的見(jiàn)解，且尚存在較多因素目前研究較少或尚未進(jìn)行試驗(yàn)研究。

粗粒土的物理力學(xué)性質(zhì)介于土體與碎裂巖體之間，傳統(tǒng)土力學(xué)和巖石力學(xué)的室內(nèi)、室外試驗(yàn)及變形強(qiáng)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(yīng)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大型接觸面直剪儀、大型三軸試驗(yàn)儀、大型真三軸試驗(yàn)儀及大型空心圓柱扭剪儀等大型和超大型試驗(yàn)儀器，其中大型三軸試驗(yàn)儀因其應(yīng)用范圍廣，測(cè)量參數(shù)多，沿最弱結(jié)構(gòu)面而非固定結(jié)構(gòu)面剪切破壞，操作簡(jiǎn)單又能真實(shí)地反映土的工程性質(zhì)，因此被眾學(xué)者認(rèn)可。本文概述了粗粒土的定義和簡(jiǎn)要分類、大型三軸試驗(yàn)技術(shù)和粗粒土靜力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀，并就其中一些問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1 粗粒土的定義和簡(jiǎn)要分類

日本土質(zhì)學(xué)會(huì)將粗粒料認(rèn)為是由塊石、碎石（或礫卵石）、石屑和石粉等粗顆粒組成的無(wú)黏性混合料及黏性土中含有大量粗顆粒的混合土[2]。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外對(duì)于粗粒土的分類并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)材料協(xié)會(huì)將粒徑大于0.075 mm 的顆粒質(zhì)量百分含量大于50%的土稱為粗粒土；我國(guó)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》將大于0.075 mm 粒徑顆粒的質(zhì)量大于總質(zhì)量50%的土稱粗粒類土。目前關(guān)于粗粒土的定義并不明確統(tǒng)一，因此近年來(lái)一些學(xué)者提出了土石混合體的概念。油新華等[3]認(rèn)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(jié)構(gòu)雜亂、分選性差；是介于土體與巖體之間的一種特殊的地質(zhì)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(guān)于粗粒土中粗、細(xì)料的劃分，國(guó)內(nèi)學(xué)者習(xí)慣用5 mm 作為區(qū)分粒徑[4-5]。劉開(kāi)明等[6]主要依據(jù)小于0.1 mm 的細(xì)粒含量劃分粗粒土：①無(wú)黏性粗粒土，細(xì)粒含量小于5%；②少黏性粗粒土，細(xì)粒含量5%～15%；③黏性粗粒土，細(xì)粒含量15%～50%。王仲錦等[7]則依據(jù)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(xué)者一般根據(jù)粗細(xì)料含量、粗粒土性質(zhì)或粗粒土的某個(gè)力學(xué)參數(shù)結(jié)合自己的研究需求對(duì)粗粒土進(jìn)行分類。

2 粗粒土的抗剪強(qiáng)度和變形特性

對(duì)于粗粒土的眾多工程特性，最主要的還是其抗剪強(qiáng)度問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)土體強(qiáng)度主要取決于有效法向應(yīng)力、黏聚力和內(nèi)摩擦角，對(duì)于無(wú)黏性土來(lái)說(shuō)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(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)黏性粗粒土莫爾圓公切線與縱坐標(biāo)的截距不為零，且莫爾圓公切線與橫坐標(biāo)的夾角也大于其內(nèi)摩擦角，結(jié)合工程實(shí)踐認(rèn)為粗粒土的剪切面并非平面，其強(qiáng)度來(lái)源也非顆粒表面的內(nèi)摩擦力，而是粗顆粒相互交錯(cuò)鑲嵌形成一種咬合力，從而使粗粒土的強(qiáng)度大幅度提高。一般認(rèn)為，影響粗粒土抗剪強(qiáng)度的因素有：密度、圍壓、顆粒級(jí)配、顆粒形狀、顆粒本身強(qiáng)度、試樣的含水量、高徑比、試樣尺寸、應(yīng)力歷史、加載方式和剪切速率等[9-11]。目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同：①當(dāng)粗粒土試樣的粗料含量小于30%時(shí)，其強(qiáng)度與工程性質(zhì)主要取決于細(xì)料，粗料只起填充作用；當(dāng)粗料含量大于70%時(shí)，其強(qiáng)度與工程性質(zhì)主要取決于粗料；當(dāng)粗料含量為30%～70%時(shí)，粗細(xì)料的性質(zhì)同時(shí)有所反映，且隨粗料含量的增加而不斷向粗料一方轉(zhuǎn)化。②粗粒土的抗剪強(qiáng)度與圍壓、密實(shí)度、顆粒本身強(qiáng)度及含石量呈正相關(guān)。姜景山等[12]認(rèn)為圍壓一定時(shí)粗粒土的殘余強(qiáng)度也相同；初始密度決定了初始結(jié)構(gòu)性；圍壓形成應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)性；圍壓和密度共同決定應(yīng)力應(yīng)變曲線類型。陳鋮等[13]認(rèn)為當(dāng)粗粒土有效粒徑與中值粒徑及限制粒徑的差距過(guò)大時(shí)，粗粒土密實(shí)性將變差，強(qiáng)度降低；以較大曲率系數(shù)與較大不均勻系數(shù)組合的粗粒土受力性能較好，但壓縮性大；級(jí)配良好且不均勻系數(shù)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(duì)粗粒土抗剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為其他條件相同時(shí)試樣尺寸越小其約束力越大，試樣峰值強(qiáng)度也就越高?？傊妼W(xué)者對(duì)于粗粒土抗剪強(qiáng)度各種影響因素的研究較多，其中圍壓和密實(shí)度等簡(jiǎn)單因素的影響眾學(xué)者認(rèn)識(shí)一致，而對(duì)于應(yīng)力歷史和顆粒級(jí)配等復(fù)雜因素眾學(xué)者研究結(jié)果在規(guī)律和量值上略有不同但并無(wú)相悖。

粗粒土作為路基、地基和堆石壩的主要材料，除了強(qiáng)度問(wèn)題外最重要的就是變形問(wèn)題。多數(shù)學(xué)者以大量三軸剪切試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，研究了粗粒土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，將粗粒土剪切形態(tài)變化分為應(yīng)變軟化（剪脹）和應(yīng)變硬化（剪縮）2 種。一般情況下，粗粒土表現(xiàn)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(rèn)為粗粒土的變形具有非線性、彈塑性的特點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(tài)可能出現(xiàn)輕微的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，一般表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。周小軍等[16]將粗粒土的變形過(guò)程分為初始?jí)好茈A段、彈性變形階段和彈性向塑性變形過(guò)渡階段；認(rèn)為其具有明顯的非線性特征，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。由于粗粒土變形表現(xiàn)為非線性、彈塑性等特點(diǎn)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的土力學(xué)經(jīng)典模型等均不能直接應(yīng)用于粗粒土，眾學(xué)者為此進(jìn)行了各種改進(jìn)[17-18]。然而，由于粗粒土組構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，導(dǎo)致其各種強(qiáng)度和變形特性較為復(fù)雜，目前大多數(shù)所建立的粗粒土本構(gòu)模型只適用于自身所研究的某一種或極少數(shù)相類似的粗粒土，尚未建立具有普適性的經(jīng)典本構(gòu)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(jīng)歷地下水位和庫(kù)水位升降等干濕循環(huán)作用、反復(fù)加卸荷作用、凍融循環(huán)作用或其他損傷劣化作用后，粗粒土中的細(xì)料隨水流移動(dòng)、裂隙擴(kuò)展或粗粒破碎，其強(qiáng)度和變形參數(shù)隨之變化，性能逐漸劣化，該劣化過(guò)程的本質(zhì)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(rèn)為粗粒土應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加由應(yīng)變軟化過(guò)渡為應(yīng)變硬化狀態(tài)，同時(shí)剪切強(qiáng)度呈指數(shù)形式下降趨勢(shì)，在5～9 次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定；凍融循環(huán)作用對(duì)土樣黏聚力的影響比較顯著。王?？〉萚20]模擬日曬雨淋引起的堆石料干濕循環(huán)作用，認(rèn)為干濕循環(huán)作用引起的堆石料變形是不可忽視的，其隨循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性發(fā)展，并與圍壓呈正比。冉武平等[21]認(rèn)為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粗粒土的回彈模量整體呈衰減趨勢(shì)，且在干濕循環(huán)次數(shù)N=1、2 時(shí)衰減幅度最大，當(dāng)N＞4 時(shí)回彈模量趨于穩(wěn)定。張新民[22]認(rèn)為隨圍壓增大及干濕循環(huán)次數(shù)增多，剪切作用及水體干濕循環(huán)作用加劇了粗粒土顆粒破碎。由于粗粒土結(jié)構(gòu)組分的復(fù)雜性其力學(xué)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(dāng)前粗粒土研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

4 三軸試驗(yàn)的技術(shù)方法

由于粗粒土試樣體積較大，制作困難，三軸試驗(yàn)需要耗費(fèi)巨大的物力和人力，且試樣的體積變化難以測(cè)量等原因，眾學(xué)者對(duì)試驗(yàn)的技術(shù)方法和設(shè)備等作出了很多改進(jìn)。楊建華[23]和李遠(yuǎn)賢等[24]提出并論證了粗粒土多級(jí)加載三軸試驗(yàn)的可行性，該方法能夠節(jié)省約四分之三的時(shí)間和物力人力。為提高試樣體積變化的測(cè)量精度不少學(xué)者采用了大量的試驗(yàn)手段和計(jì)算方法，如采用雙壓力室、激光掃描、位移傳感器、直接量測(cè)空氣和水的變化、用二氧化碳或氮?dú)庵脫Q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(huì)影響剪切體積變化，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題最早是由Newland 等[25]提出來(lái)的。王昆耀[26]和徐衛(wèi)衛(wèi)等[27]分析了橡皮膜的嵌入量對(duì)三軸試樣體積變化的影響，在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)修正公式，并建議采用大直徑試樣進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)粗粒土三軸試驗(yàn)的影響，認(rèn)為潤(rùn)滑試樣帽在低圍壓下對(duì)粗粒土試樣的端部約束具有減摩效果。蔡陽(yáng)等[29]綜合運(yùn)用攝影測(cè)量原理、光線追蹤和最小二乘優(yōu)化技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了能夠計(jì)算試樣絕對(duì)體積變化及相關(guān)測(cè)量結(jié)果后處理的配套軟件GeoTri3D。左永振等[30]利用醫(yī)學(xué)CT 機(jī)實(shí)現(xiàn)了三軸試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)粗粒土試樣的CT 切片，研究了粗粒土組構(gòu)信息的實(shí)時(shí)變化情況。隨著科技的進(jìn)步和各個(gè)學(xué)科的飛速發(fā)展，粗粒土三軸試驗(yàn)借助更加先進(jìn)的設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟件等實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，使得三軸試驗(yàn)制樣更加標(biāo)準(zhǔn)化，體積測(cè)量更加準(zhǔn)確，節(jié)約了大量的物力人力和時(shí)間，還使得從更多復(fù)雜因素和細(xì)觀微觀方面對(duì)粗粒土力學(xué)特性的研究成為可能。

5 結(jié)論

1）目前關(guān)于粗粒土的定義和分類并不明確和統(tǒng)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(qiáng)度與圍壓和密度呈正比，其他各因素對(duì)其影響較為復(fù)雜；粗粒土在受到剪切作用時(shí)一般先體縮再體脹，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性特點(diǎn)；由于粗粒土的復(fù)雜性，目前尚未建立典型的粗粒土本構(gòu)模型。

3）對(duì)于粗粒土的損傷劣化研究目前較少，普遍認(rèn)為隨著各種損傷作用次數(shù)的增加其各種參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

4）隨著科技的發(fā)展，各種學(xué)科的交叉融合，三軸試驗(yàn)的技術(shù)方法也有了很大進(jìn)展，節(jié)省了大量的物力人力和時(shí)間，還使得從更多復(fù)雜因素和細(xì)觀微觀方面對(duì)粗粒土的研究成為可能。