粗粒土剪胀特性研究现状与趋势

褚福永 朱俊高

（1.丽水学院 土木工程学系，浙江 丽水 323000；2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；3.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

粗粒土通常是指块石、碎石（或砾卵石）、石屑、石粉等粗颗粒组成的无粘性土混合料以及粘土中含有大量粗颗粒的混合土.因其具有压实性能好、透水性强、抗剪强度高、填筑密度大、沉陷变形小和承载力高等特点［1］，如今在土木、水利、交通等工程中得到广泛应用（如土石坝、防波堤、复合地基中的碎石桩、铁路路基等等）.研究表明，除具有变形的非线性、压硬性和应力路径相关性外，粗粒土的剪胀性也是描述粗粒土特性的关键因素，剪胀性描述得当与否对本构模型的建立具有决定性作用.

目前，粗粒土剪胀理论的研究仍建立在颗粒滑移变形的基础上，大部分的相关研究还是以Rowe剪胀理论为基础［2］.然而，现有应力剪胀理论忽略了材料内部参量，对粗粒土进行模拟时，将不同密度的同一种材料作为不同材料，分别采用多种模型参数模拟，费时费力，且不科学.因此，粗粒土的状态相关剪胀理论近年来成为岩土工程学者潜心研究的一个热点问题.

近年来，国内外学者基于临界状态针对砂土剪胀的状态相关性质进行了大量研究，并取得一定成果，然而，目前对粗粒土的相关研究还很少.值得强调的是，尽管粗粒土与砂土有着相似的工程特性，但粗粒土比砂的粒径大、易破碎，二者的工程特性还是有差别的，对砂土状态相关的研究不能照搬到粗粒土中来.为此，本文概述和总结了国内外学者就粗粒土剪胀性的影响因素、机理、剪胀方程及本构模型的研究进展，并就粗粒土状态相关剪胀理论有待进一步研究的问题进行了讨论.

1 影响因素

粗粒土的剪胀性受到很多因素的影响.其中，密度和围压是影响粗粒土剪胀性的两个最为重要因素.已有多组粗粒土常规三轴试验成果表明［3－10］:粗粒土在低围压下，表现出明显的剪胀趋势，随着围压的增加，逐渐由剪胀向剪缩过渡，直至剪胀消失；相同围压下，随着密度的增大，粗粒土的剪胀性逐渐增强.值得注意的是，相变点处的应力状态对剪胀性有一定的影响，随着围压的增大，相变点处的应力水平增大［3］.除受密度和围压的影响外，粗粒土的剪胀性还受到颗粒级配、颗粒破碎、母岩性质、应力路径等因素的影响.

司洪洋［4］通过对相同密度下粗、细两种颗粒的砂卵石的大三轴排水剪切试验结果分析发现，细颗粒粗粒料的剪胀性强于粗颗粒.翁厚洋［5］通过对双江口筑坝堆石料采用不同缩尺方法，进行固结排水剪大三轴试验，发现采用不同的缩尺方法下，试样所表现出的剪胀性的差异性也反映了颗粒级配对剪胀的影响.等量替代法下的级配试样，制样密度较小，颗粒间孔隙较大，剪切时一些小颗粒容易被充填到临近颗粒间孔隙中，表现为剪缩变形；相似级配法下的试样细粒较多，通常表现为剪胀变形；剔除法和混合法下的试样的剪胀性介于两者之间.

粗粒料在外力荷载的作用下易于发生颗粒破碎，颗粒破碎引起土料的颗粒级配、相对密度发生变化，进而影响到粗粒土的剪胀性.Miura［6］等在研究粗粒土的强度和变形特性时发现，颗粒破碎会削弱土体的剪胀性.郭灵熙［7］等通过对三峡花岗岩风化石渣进行三轴试验和平面应变试验，发现颗粒破碎对粗粒土剪胀性的影响程度，与破碎率的大小有关.

母岩性质对剪胀性的影响，学者们从母岩的矿物成分、湿化的影响及泥岩含量等几个方面进行了探讨.多棱角的砾石料同表面圆滑的砂卵石相比，由于破碎性强，剪胀性较后者弱［4］.魏松［8］通过对粗粒料进行湿化大三轴试验，发现粗粒土湿化后母岩发生软化，颗粒破碎的发生增多，剪胀性减弱.秦红玉［9］对两组不同泥岩含量的筑坝堆石料进行大型三轴固结排水试验，发现泥岩的含量不同对粗粒土的剪胀性的影响不明显.

不同应力路径下粗粒土的剪胀性存在明显差异，褚福永［10］对3种不同相对密度粗粒土分别进行了等压固结条件和K0固结条件下大三轴排水剪切试验，发现K0固结条件下试样的剪胀性较为明显.刘萌成［11］通过对堆石料进行了常规、等平均主应力和等应力比大三轴试验，发现随着应力比的增大，试样的剪胀性逐渐减弱.

2 剪胀机理

早在1962年，魏汝龙［12］就对土体的剪胀机理进行了详细的探讨，认为颗粒材料的剪胀是颗粒的咬合作用的结果，土颗粒在剪切过程中翻越相邻颗粒或有翻越相邻颗粒的趋势是土体剪胀的主要原因，且认为颗粒材料的剪胀大多发生的是塑性变形.以往的研究也通常认为剪胀是塑性的.但近年来的研究表明，土体的剪胀实际上包括了两个部分:一部分是不可恢复性剪胀，土颗粒翻越了相邻颗粒，发生了塑性变形；另一部分是可恢复性剪胀，土颗粒尚未翻越相邻颗粒，发生了弹性变形.

李广信［13］认为，土体的剪胀实质是土颗粒从低能状态向高能状态的变化过程，处于不稳定状态，荷载解除时，很大部分的剪胀会恢复.即土体的卸载体缩的主要原因可归于可恢复性剪胀.刘元雪［14］则认为土体的可恢复性剪胀可部分归因于土的各向异性引起的弹性剪胀.

朱俊高等［15］在多组粗粒土卸载－再加载试验成果的基础上，研究了不同围压下，回弹模量随应力水平的变化规律，发现粗粒料的回弹模量在不同围压下均表现出随应力水平的增大呈现驼峰状曲线，回弹模量近似在应力水平为0.7时最大.朱俊高把造成这一现象的原因归于粗粒土的可恢复性剪胀，即:低应力水平下，土颗粒未完全翻越相邻颗粒，卸载后可回落到原位，发生了可恢复性剪胀，属于弹性变形.高应力水平时，试样被进一步压实.此时，低围压下，部分颗粒已翻越相邻颗粒获得稳定，发生了不可恢复性剪胀，而高围压主要以颗粒破碎为主，均为塑性变形.

张建民［16］通过试验验证了剪胀的可逆性，认为砂土的可逆性剪胀与剪切过程中相对滑移机制以及颗粒转动引起的砂粒集合平均定向率的可逆变化有关，砂土的不可逆剪胀可能是剪切过程中颗粒破碎、平均孔隙率减少及大孔隙消失的结果.

此外，一些学者还从微观力学的角度建立了颗粒材料的力学模型，试图对颗粒材料的剪胀机理从微观的角度进行探讨，解释一些现象［17－18］.如钟晓雄［17］研究了颗粒材料的剪切变形机制，建立了颗粒体在变形过程中应力与组构量的相互关系，论证了剪胀的微观组构条件，推导出各向异性组构颗粒体剪胀方程.迟明杰［18］从细观角度对砂土剪胀机理进行了研究，提出了一个剪胀方程，该模型与已有的剪胀机理相结合能够解释砂土的一些变形特性.

3 剪胀方程与本构模型

近30多年来，土体本构模型的研究一直是土力学的一个前沿研究热点.对粗粒土，合理的剪胀方程是模型建立的关键.目前，用于粗粒土本构模型中的的剪胀方程还是建立在应力剪胀理论的基础上，大都是对Rowe剪胀方程的修正，甚至直接照搬.如张丙印［19］曾将Rowe剪胀方程改进用于改进沈珠江的南水模型.

Indraratna和Salim［20］在粗粒土大三轴试验的基础上，提出了一个破碎耗能因子的概念，且发现破碎耗能因子与围压成线性关系，并进一步把耗能因子引入到Rowe剪胀方程中对其进行修正.然而，经典的应力剪胀方程没有考虑材料内部状态的影响，在利用其对颗粒材料进行模拟时往往出现困难.为解决这一问题，近年来，学者们将临界状态理论引入到土体剪胀性的研究中，但目前相关的研究大多是针对粘土和砂土［21－23］，借用砂土的临界状态方程模拟粗粒土的变形性质也偶有出现［24－25］.对粗粒土的剪胀性描述也多借用砂土的研究成果，针对粗粒土的研究很少.因此，深入研究粗粒土的基本性质，建立粗粒土自己的临界状态方程以及剪胀方程对描述粗粒土的应力应变、强度等性质非常重要.另一方面，目前在岩土工程的数值分析中，非线性弹性模型和弹塑性模型应用最为广泛.其中，非线性弹性模型很多，常用的有邓肯E－B、E－ν模型，其特点是结构简单，易被工程界所接受，但此模型不能反映剪胀剪缩性以及土体压缩和剪切的交叉影响.

弹塑性模型一般结构较复杂，所反映的土体变形性质也比非线性模型更全面，目前，国内应用较广的有沈珠江提出的南水模型［26］和殷宗泽提出的椭圆－抛物双屈服面模型［27］.其中，椭圆－抛物双屈服面模型在修正剑桥模型的基础上，引入了邓肯模型的一些概念，能较好地反映土体的剪胀性和应力路径的影响.该模型是一个较实用的弹塑性模型，已在岩土工程计算中得到较广泛应用.但这些模型都基于粘土或砂的常规三轴试验，且对粗粒土的适应性还需验证.近年来，基于损伤理论［28］或亚塑性理论［29］等建立的本构模型也多是针对粘土或砂土等提出的.

近年来，对粗粒土的本构模型研究得到重视，提出了一些适用于粗粒土的模型，取得了丰富的成果.如相彪［30］等基于等应力比的大三轴试验，初步验证了三模量非线性弹性模型对粗粒土的适用性.刘萌成等［31］基于堆石料普通大型三轴试验成果，建立了一个可反映堆石料工程特性的弹塑性本构模型.张嘎等［24］基于亚塑性理论的基本框架，引入临界状态参数，建立了一个新的粗粒土亚塑性模型.施维成［33］根据大量粗粒土真三轴试验成果，提出了一个双屈服面弹塑性模型.然而，这些研究仅仅是初步的.因此，粗粒土的剪胀理论及其本构模型的研究还需进一步的深入，基于状态相关的粗粒土剪胀理论及本构模型的研究也必然是一个重要趋势.

4 结 语

影响粗粒土剪胀性的因素很多，研究范围很广，在回顾和分析了粗粒土的剪胀性在影响因素、机理、剪胀方程与本构模型等几个方面的研究进展后，笔者认为今后有待加强和深入研究的几个方向是:1）进行大量试验，重点研究临界状态的存在性、定量表述.2）在考虑颗粒破碎等因素对粗粒土剪胀性影响的基础上，深入研究粗粒土剪胀性的状态相关性质.3）确定合理的状态参数，建立适用于粗粒土的剪胀方程.4）基于粗粒土剪胀方程，建立有效可靠的粗粒土本构模型.

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