中国寒区粗粒土力学研究现状与进展

屈永龙， 倪万魁， 牛富俊， 穆彦虎， 张猛， 金鑫

(1.西安工业大学建筑工程学院， 西安 710021； 2.长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054； 3.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室， 兰州 730000)

随着川藏铁路、川藏高速、青藏高速以及墨脱水电站等国家大型基础设施的兴建，中国西部高海拔寒冷地区将迎来土木、交通和水利等工程建设的新热潮，对加快西部区域经济发展和提高人民生活水平具有重要意义[1-2]。

粗粒土通常是指粒径大于0.075 mm的粗颗粒含量超过50%的混合土，是路基、土石坝等基础设施建设工程的主要材料[3]。在寒冷地区，一般认为粗粒土的颗粒粗、孔隙大、储水性差，其颗粒表面极少存在薄膜水，冬季冻结时几乎不产生水分正向迁移，属弱冻胀土[4]。然而，近年来哈大线等寒区高铁的建设和运营中，人们发现粗粒土路基会产生明显的不均匀冻胀变形，是这些地区高铁工程的安全隐患[5]。强烈的寒冻风化作用使高寒山区广泛分布着粗粒土斜坡，其具有海拔高、自稳性差、复发性强、突发性高等特点，一旦失稳可演化成大规模地质灾害，给区域基础设施和人民生命财产造成严重损失[6]。如2010年3月发生的四川赵玛山高速滑坡，沿沟谷形成长1.9 km的堆积体，掩埋公路、形成堰塞湖；2013年3月的西藏甲玛特大型滑坡，形成长3.0 km的堆积体，掩埋83名工人和大量房屋等[7]。因此，寒区粗粒土的力学性质和理论逐渐成为岩土力学与灾害防治领域的研究热点。

为了更好地了解目前寒区粗粒土力学的研究现状，在对中外相关文献调研的基础上，对采用室内大型试验、数值模拟和理论分析等手段，建立考虑粗粒土特殊性的本构关系，探索粗粒土的物理力学特性，揭示粗粒土的界面问题等方面的研究进展进行详细综述，并结合笔者已有探索成果对寒区粗粒土力学性质和理论研究的发展进行探讨。

1 粗粒土的本构关系

本构关系是材料应力-应变关系的数学表达，是现代土力学的重要基础理论，常受土性、温度、湿度以及时间等因素影响[8-9]。文献[3]通过大量试验对土石坝粗粒土开展长期研究，指出粗粒土的应力-应变关系比细粒土更复杂，具有剪胀性、颗粒破碎和应变软化性等特殊性。文献[10]将邓肯-张模型、沈珠江双屈服面模型(南水模型)等应用于粗粒土力学研究中，这些模型虽使用广泛，但仍存在局限性，如邓肯-张模型无法合理反映粗粒土的剪胀性，沈珠江模型在高围压或较大剪应变条件下容易高估粗粒土的剪胀性等[11]。鉴于此，中外学者基于大型三轴试验[3,12]和数值模拟[13]等手段对粗粒土的本构关系进行深入研究，建立了考虑粗粒土不同特性的本构模型。

1.1 考虑剪胀性的模型

为考虑粗粒土的剪胀性，人们引入临界状态理论，将粗粒土峰值应力比和剪胀比作为状态参数，提出了考虑应变软化和剪胀性的弹塑性模型，以描述较大密度和压力范围内粗粒土的剪胀性和应变软化性[14]。在邓肯-张模型的基础上，程展林等[15]将不同应力状态下的剪胀方程参数Kf近似为常数，提出了非线性剪胀模型，来表征颗粒材料的体变过程。对于因颗粒和排列差异造成粗粒土的剪胀各向异性，塑性体应变和剪应变耦合的硬化参数被提出，建立了初始各向异性的弹塑性模型[16]，能较好地反映粗粒土在初始及后续各向异性状态下的剪胀性。基于理想弹塑性和光滑迟滞特性的理论，Tasiopoulou等[17]提出了反映砂土的循环移动、静态液化、致密化等复杂特征的本构模型，并通过试验证实了模型的适用性。

1.2 考虑颗粒破碎的模型

对于粗粒土的颗粒破碎性，学者们通过引入了热力学理论、临界状态理论及均匀化理论等，对粗粒土本构关系开展研究。对于无黏性粗粒土，初始状态参量被用于描述其内部状态，从而建立考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀模型[18]，该模型可较好模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土的颗粒破碎影响规律。孙海忠等[19]提出了颗粒破碎修正的硬化准则和剪胀方程，并基于有效塑性功的概念，建立了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性模型，能较好描述低围压和相对中高围压下的强度和变形特性。基于热力学和微极理论，刘恩龙等[20]引入颗粒破碎准则，采用均匀化理论建立了颗粒尺度的应力-应变关系，提出了考虑颗粒破碎的微观力学模型。该模型可反映粗粒土颗粒破碎前后的应力增减特征，但由于实际颗粒的随机排列和粒径变化等，其应用仍具有局限性。

1.3 考虑非线性的模型

粗粒土的应力-应变关系非常复杂，在密实度、围压等因素影响下可呈现应变硬化和应变软化两种非线性特征[3,21]。Cameron等[22]提出了允许屈服前的非线弹性变形和屈服后的非相关的塑性变形的本构模型，以表征粗粒土的膨胀、摩擦强度等特性。对于土石坝粗粒土特性，Brito等[23]通过考虑允许屈服面上出现塑性应变，建立了实现弹-塑性平滑转换的本构模型来反映Odelouca大坝中不同粗颗粒含量的土石混合料的力学行为。对于低密度粗粒土的应变硬化性，徐明等[24]基于堆石料的强度、刚度和体变等随应力水平的变化规律，提出了考虑粗粒土剪切特征的应变硬化模型。同时，刘萌成等[25]通过堆石料大型试验，提出了更适合粗粒土小变形的指数模型，其精度比传统邓肯-张模型更高。

鉴于本构模型研究中多采用的常规大型三轴试验无法考虑中主应力的影响，曾晟等[26]借鉴统一强度理论与扰动状态概念，建立了同时考虑中间主应力和扰动影响的粗粒土本构模型，并通过试验进行验证。施维成等[27]采用真三轴试验研究了球应力p和偏应力q对堆石坝粗粒土本构关系的影响，并探讨了体积应变和偏应变的变化规律，为构建本构模型提供有益依据。同时，与传统弹塑性理论不同，亚塑性理论被引入粗粒土本构关系研究，建立了张量表示的粗粒土亚塑性损伤模型[28]。该模型可较好反映粗粒土的非线性特征以及低压剪胀、高压剪缩等体变特性，但实用性仍有待检验和改进。

1.4 考虑冻融效应的模型

对于多年冻土区粗粒土的力学理论，Zhang等[29]基于Lade-Duncan模型提出了考虑温度和粗粒含量的强度准则，以反映不同围压下冻结粗粒土的强度规律。罗飞等[30]将冻结砂土视为复合颗粒材料，忽略冰的压融，考虑内摩擦角随应力状态的变化，建立了可反映颗粒破碎的冻结砂土非线性模型。为考虑受荷冻土的时间效应和损伤特性，硬化和损伤变量被引入低温冻土蠕变试验研究，Hou等[31]提出了基于改进西原模型的蠕变模型，来表征冻结粗粒土的蠕变特性。张德等[32]通过修正Mohr-Coulomb屈服准则来描述冻土微元强度破坏准则，假设损伤服从Weibull随机分布，建立了冻结砂土的受荷损伤本构模型。

在季节性冻土区，反复冻融下冰水相变与迁移是影响岩土应力-应变关系的重要环境因素，但相应的本构模型研究并不多。对此，常丹等[33]引入模量残余比和冻融循环次数等参数，建立了冻融粉砂土的双屈服面本构模型，以预测不同围压及冻融循环下的应力-应变关系以及冻融循环对粉砂土的力学性质的影响。Qu等[34]试验发现一定含水率w和干密度ρd条件下，循环冻融作用使黏质粗粒土的应力-应变(σ-ε)关系的应变软化性减弱，甚至在接近饱和时由弱应变软化型向硬化型过渡，如图1[34]所示。

综上可见，寒区粗粒土的本构关系研究取得长足发展，但客观地讲，这些模型仍以描述粗粒土某单个特征为主，多适用于特定土性和试验条件下，在全面表征其特殊性方面还存在困难，尤其是准确反映冻结-融化作用对粗粒土应力-应变关系的影响特征的本构模型尚未建立，还需进一步研究。

图1 冻融粗粒土的应力应变关系曲线[34]Fig.1 Stress-strain relationship of coarse-grained soil under different freeze-thaw cycles[34]

2 粗粒土的物理特性

2.1 基本物理特性

在粗粒土的物理特性中，压实性是工程领域最关注的性质之一，相应研究多集中在颗粒级配、含水率、密度、压实功能等因素的影响规律及其内部机制[3,21]。对于颗粒级配的影响，Chang等[35]认为细粒土含量是决定砂-粉土混合料密实性的主因，并指出其最大孔隙比emax和最小孔隙比emin存在线性关系。基于大型击实试验，朱宏祥等[36]和杜俊等[37]研究发现，粗粒含量对粗粒土最大干密度的影响显著，提出70%是临界粗粒含量，认为最优含水率随粗粒增多而减小。对于压实试验参数的影响，杨志浩等[38]通过表面振动压实试验研究了激振频率对粗粒土压实性的影响，发现小于卓越频率时，干密度随频率增加而增大，大于时相反；朱俊高等[39]进一步指出激振时间和压重的增加可提高粗粒土的干密度和相对密度，但增幅逐渐减小。此外，与细粒土不同，粗粒土在压实过程中存在显著的颗粒破碎现象[18-19]。对此，Patakiewicz等[40]研究发现不同硬度的颗粒具有不同的压实破碎率；反复压实很难改变更新世河砂与海砂的均匀系数和最大干密度，但能有效提高全新世河砂以及冰川中砂和砾石的压实性。杜俊等[37]研究表明粗粒土颗粒破碎后的粒径分布具有分形特征，分形维数随含水率的增加而增大，但破碎率受粗粒含量的影响更显著。

2.2 水理特性

水理性是土石坝粗粒土填料研究领域的关注重点，是影响工程质量和安全的物理特性。基于粗粒土渗透试验。Indrawan等[41]研究发现，粗粒含量的增加能提高残积粗粒土的渗透率，降低收缩系数。Choo等[42]指出粗粒土的渗透系数K由孔隙度和颗粒粒径决定；而地层因子F(或电导率)主要由孔隙度影响。邵建伟等[43]基于渗透试验对粗粒土的渗透性受密度、粒径、级配以及孔隙比等因素的影响规律开展了一系列研究工作，发现砂土的渗透系数随干容重的增加而减小，随均值粒径的增加而快速增大。朱崇辉等[44]指出粗粒土的渗透系数分别与不均匀系数和曲率系数有较强相关性，提出了太沙基修正公式来表征反映二者关系。此外，三维颗粒流数值模拟也被广泛用于粗粒土渗透性的研究。黄海均等[45]通过模拟分析了堤(坝)基粗粒土渗透变形的颗粒运移规律，证实了细颗粒会在粗颗粒孔隙间移动、流失，从而造成堤(坝)基沉降变形甚至破坏。

2.3 热物理特性

在寒冷地区，正负环境温度变化下往往伴随着岩土体内部热量传导、应力变化的过程，是寒区粗粒土工程和人工冻结工程设计和研究的重要依据，逐渐受到中外学者的关注。对于粗粒土的导热性，庄迎春等[46]通过热学试验指出水泥-砂-水混合料的导热性能明显优于膨润土-水混合料；并且，混合料的导热系数随水灰比的增加而不断减小，随粗粒含量增加而显著增大。通过非稳态法热物理试验，孙银娟[47]研究发现，细砂的导热系数随含水率的增加而增大，即热阻系数随含水量的增大而减小，但接近饱和时趋于常数；热阻系数随干密度和粒径的增加而减小，传热效率与渗流速度呈正相关关系。

2.4 电学特性

电阻率等电学特性在间接反映岩土整体结构特征和力学特性等方面具有显著优势，电阻率层析成像和高密度电阻率法等已成为应用地球物理领域的研究热点[48]。近年来，电阻率法在寒区环境与资源研究中崭露头角，引起中外学者的关注。Seo等[49]和Kang等[50]研究发现，混合土的电阻率在冻结时增加、融化时减小，随冻融循环周期的增加而增大，一致认为电阻率可反映冻融土的结构特征。付伟等[51]证实了利用电阻率研究冻融土变形的可行性，指出冻融作用下冻土电阻率呈指数减小，而融土呈指数增长；并且循环冻融使试样的变形量减小、干密度增加，5次循环后趋于稳定。通过二极法测试，Qu等[52]研究表明，黏质粗粒土的电阻率ρ随干密度ρd和含水率w的增加而快速减小，随冻融循环次数C增加而非线性增长，7～9次循环后趋于稳定，并提出了冻融后电阻率ρ和冻融前电阻率ρ0比值(ρ/ρ0)与冻融后单轴强度qu和冻融前强度qu0比值(qu/qu0)之间的线性关系，如图2[52]、图3[52]所示，以评价冻融粗粒土的力学特性。

目前，对粗粒土干密度、密实度及渗透性等工程特性的研究较多，主要考虑影响因素及其规律等方面以解决工程实践问题。与其相比，粗粒土热学和电学特性的研究不多，尤其是低温冻结和反复冻融方面，缺乏冻融作用与电学特性的定量关系和数学模型，有必要进一步开展冻融粗粒土的电学研究，为寒区岩土力学特性评价与灾害机理揭示提供新的方法。

C为冻融循环次数图2 粗粒土电阻率与冻融循环次数的关系[52]Fig.2 Relation of electrical resistivity of coarse-grained soils and freeze-thaw cycles[52]

图3 冻融粗粒土强度比qu/qu0与电阻率比ρ/ρ0的关系[52]Fig.3 Relation of strength ratio qu/qu0 and electrical resistivity ratio ρ/ρ0[52]

3 粗粒土的力学特性

粗粒土力学特性研究主要关注其强度和变形规律，是高速铁(公)路路基、土石坝以及地质灾害等工程设计和评价的理论基础[2]。鉴于粗粒土的颗粒粗、孔隙大、成分复杂以及粒径差异大等特征，大型力学试验是研究粗粒土力学特性较理想的方法[3,12]。

3.1 大型直剪试验

大型直剪试验具有构造简单、受力明确和操作简便等优势，较早被成功研制并广泛应用于中外的各类工程和科研单位，如表1[53-54]所示。

Simoni等[55]探索了砂砾混合土抗剪强度与粒度特性的关系，发现砾石含量较少或处于悬浮状态时，混合土的强度和剪胀性仍高于砂土，并建立了预测抗剪强度公式。胡万雨等[56]研究了不同条件下粗粒土的剪切颗粒破碎特征，认为粗粒土的颗粒破碎率随法向应力和粒径的增大而增高，指出颗粒破碎后形成次一级粒径，抗剪强度因级配改变而影响显著。徐肖峰等[57]和史乃伟等[58]研究了粗粒含量、初始相对密实度及初始正应力等因素对粗粒土对剪应力-剪位移关系、抗剪强度和剪切变形特性的影响规律，并基于离散元模拟结果指出粗粒含量的影响本质是颗粒间刚度增加和颗粒咬合作用使摩擦系数增大。然而，传统直剪试验中剪切面应力应变不均匀，边界上存在应力集中等不足。鉴于此，张茜等[59]采用含有叠环的改进大型直剪仪对斜坡粗粒土进行试验研究，发现垂压的增加可增大峰值剪应力和剪位移，提高抗剪强度，甚至使粗粒土由应变硬化变形向软化过渡。

表1 中外粗粒土大型直剪试验统计[53-54]Table 1 Statistics of large-scale direct shear tests of coarse-grained soil at home and abroad[53-54]

3.2 大型三轴试验

与直剪试验相比，三轴压缩试验具有完整反映试样受力变形直到破坏的全过程、试样应力应变相对均匀、破坏面非人为固定以及实现复杂应力路径和控制排水条件等优势。因此，研制大型三轴试验仪及其应用逐渐成为中外粗粒土力学特性研究的热点，如表2[3,53]所示。

表2 中外粗粒土大型三轴试验统计[3,53]Table 2 Statistics of large-scale triaxial tests of coarse-grained soil at home and abroad[3,53]

基于大型三轴不固结试验，闫玉兴[60]指出，路基粗粒土的抗剪强度随围压的增加而增大，且在高密实度(≥95%)、饱水状态下呈现较强的黏聚力。对于弃渣场粗粒土，张家铭等[61]通过大型三轴固结排水试验，发现饱和土的应变软化不明显，围压使其从剪胀变形过渡为剪缩，认为当围压较低时可采用经典莫尔-库伦模型，但围压较高时应建立非线性强度模型。这些大型试验研究成果为粗粒土工程设计提供了重要依据，推动了粗粒土力学特性的研究。然而，对于高土石坝等工程中粒径高达几十厘米甚至更大的粗粒料，大型试验仪器往往难以满足尺寸要求而不得不采取剔除法、等量替换法和相似级配法等进行超粒径处理，从而使粗粒土的真实强度因级配改变而出现偏差[3]。同时，粗粒土强度特性还受颗粒形状、矿物成分等内部因素和应力水平、路径等外部条件影响，尤其是加载过程中颗粒破碎，进一步加剧了粗粒土力学特性的复杂性[53]。

3.3 数值仿真试验

近年来，随着计算技术的快速发展，数值仿真试验正成为弥补粗粒土土工试验不足的新方法[13,57-58]。目前，针对粗粒土的数值方法主要为有限单元法FEM(finite element method)和离散单元法DEM(discrete element method)两大类[53]。其中，前者具有前处理方便快捷且与岩土本构模型配合良好等特点。Yue等[62]和Xu等[63]通过数字图像技术对土石混合体进行细观结构矢量化建模，再利用有限元法对均质土和非均质土进行大型仿真直剪试验，指出该方法对混合土的剪切强度研究的适应性较好，发现应力场和破坏模式受块石的影响显著。然而，后者在模拟不连续变形、细观力学特性及颗粒破碎等方面更有优势[57-58]。

Hosseininia等[64]采用离散元法建立了二维多边形颗粒破碎模型，通过双轴剪切仿真试验研究不同围压下粗粒土的力学行为，发现围压增加可降低强度、减小剪胀性，造成颗粒破碎增多，这与实际试验结果基本一致，证实了该方法的可靠性。随着离散元计算的发展，逐渐形成了以颗粒圆盘或颗粒球体为基本单元的颗粒流离散元法(如PFC软件)[65]和以块体单元为基本单元的块体离散元法(如DDA软件)[66]两大类，其中，以PFC颗粒流的应用最广。徐肖峰等[57]和蒋明镜等[65]开展了粗粒土二维直剪PFC仿真试验研究，确定了粗粒土的宏观剪切强度和变形特征，并从颗粒平动、转动等微观颗粒运动角度进行探讨。与二维相比，三维仿真试验更立体、更直观，还能考虑更复杂的加载条件和内部颗粒特征。罗勇等[67]基于三维颗粒流理论，在PFC3D中引入极限状态下允许粒间滑动的接触模型，对砂土的宏观力学特性和剪切带形成和发展进行了深入分析。马刚等[68]基于随机模拟技术建立了三维随机颗粒模型，如图4[68]所示，发现该模型能较好反映堆石体粗粒土的三轴强度和变形规律，并从能量角度分析了颗粒变形、摩擦、破碎损伤和运动对力学行为的贡献。

Bagherzadeh-Khalkhali等[69]通过对比直剪试验和离散元模拟结果，发现基于剔除法的粗粒土试验强度高于椭圆颗粒组合的离散元模拟强度，探讨了颗粒组合的微观力学特性和应力水平的影响，建议工程中选用直剪试验强度。可见，数值仿真试验推动了粗粒土力学的研究，但也存在需将颗粒实际形状、尺寸及数量等进行特殊处理，以及微观颗粒模型与宏观本构关系不协调等不足，而不得不通过土工试验来与数值模拟结果相互印证[3,58]。

图4 粗粒土的三维颗粒模型[68]Fig.4 Stochastic granule model of coarse-grained soils[68]

3.4 冻融粗粒土强度特性

上述粗粒土强度研究仅针对正温状态，尚未考虑寒区负温下冰水相变产生的影响。研究表明，负温条件下粗粒土中不含冰的“寒土”和含水量很低而颗粒未被冰胶结的“松散冻土”，其物理力学特性与一般融土并无差别，说明水分含量与分布是寒区土体产生冻融效应的首要条件[70]。同时，细粒含量、密实度、应力水平等因素的影响也不容忽视[71]。

对于冻结粗粒土，Christ等[72]通过低温单轴抗压、抗拉和直剪试验，发现冻结砂土和橡胶-砂混合土的强度均显著高于融土；并且，强度随温度降低而增大，随橡胶含量增加而减小，说明低温和橡胶掺量对砂土力学性质影响明显。对于高铁路基粗粒土，王青志等[73]通过大型低温直剪试验，指出粗粒土冻结强度由冻结冰、粒间黏聚力和咬合力以及粗细粒本身强度共同发挥，发现垂压使冻土剪应力-剪位移曲线从应变软化向硬化过渡；含水率增加和温度降低可使抗剪强度和黏聚力增大，但内摩擦角减小。这是由于负温下粗粒土孔隙水相变为冰，起到胶结颗粒的作用，进而提高了抗剪强度；但由于冰的摩擦力几乎为零，且高压和剪切摩擦时会融化，土体摩擦力因水膜润滑增强与颗粒胶结减弱而不断降低[70-71]。

对于反复冻融下土体强度特征，中外研究尚未达成统一共识[71]。考虑冻融劣化影响，卜建清等[74]试验研究发现，循环冻融使高铁路基粗粒土的强度呈先减小后趋于稳定的非线性变化；同时，细粒土可改变冻融粗粒土的应力-应变关系，降低抗剪强度，进而提出5%为合理细粒含量，6 次为临界冻融周期。通过冻融单轴试验，张涛等[75]研究发现，冻融作用下胶结粗粒土的强度不断减小，20次循环后趋于稳定；并且，胶凝掺量越多，冻融强度损失率越小，说明胶凝有利于粗粒土的抗冻性。文献[34,52]通过试验发现冻融循环次数C增加使斜坡黏质粗粒土的单轴峰值强度qu呈非线性衰减规律如图5所示，该冻融劣化效果还受干密度ρd、含水率w的交互影响。

然而，与上述冻融劣化作用不同，Beier等[76]试验发现循环冻融提高了饱和尾矿料的不排水剪切强度和表面稳定性，指出5次冻融后尾矿料的抗剪强度由不可测提高至10 kPa，冻融过程中试样显著脱水使含水率减少了约50%。此外，对于一维冻融作用，张莎莎等[77]研究发现，随着冻融周期的增加，粗粒土冷端侧粗粒土的黏聚力增大、内摩擦角先减小后增大；暖端侧抗剪强度不断减小；指出9次冻融后暖端侧摩擦角有一定增大，而氯化物、硫酸盐粗粒土的强度变化很小。

图5 冻融作用下粗粒土单轴强度变化规律[34,52]Fig.5 Variation of unconfined compressive strength of coarse-grained soil under cyclic freeze-d thawing[34,52]

对于这些土体冻融强度特性的差异性，齐吉琳等[70]和张泽等[78]认为这与冻融作用下土的结构(结构形态、颗粒连接与级配等)的改变有关，还和土的初始状态(含水、密实状态等)和试验条件等差异性以及人为因素等影响密切相关。

3.5 冻融粗粒土变形特性

冻胀和融沉是寒区岩土变形的显著特征，是引起工程冻害与冻融灾害的主要原因[4-6]。以往研究多针对黏土、粉土等冻融敏感性细粒土，对粗粒土的研究很少，这与工程粗粒土多选用弱冻胀性土有关[74]。然而，寒区高铁路基粗粒土不均匀冻胀现象的发现，使人们开始关注粗粒土的冻融变形问题[5]。

对于粗粒土的冻胀变形，中外学者较早开展了路基填料冻胀分类与防冻层研究，有效指导了寒区路基工程发展[79]。然而，与普通道路相比，高速铁路对路基变形极为敏感，毫米级变形都可能威胁列车安全[80]。对此，以中国第一条严寒地区高速铁路——哈大客运专线为重点，学者们开展了大量路基冻胀研究工作[4-5]。基于试验段路基冻胀监测，文献[5,81-82]分析了路基温度场、水分场以及分层冻胀变形特征，指出70%的冻胀量集中在路基表层。这些发现在随后建设的兰新高铁路基中被进一步证实[83]。根据运营期路基监测数据，石刚强等[84-85]及王春雷等[86]探讨了寒区高铁粗粒土路基冻胀规律、变形机理和影响因素等，发现最大冻胀量高达25 mm，提出了高铁路基冻胀综合防治技术。Tai等[87]建立了路基粗粒土水热耦合微分方程，计算了3种不同结构路基冻胀变形，给出了推荐路基结构形式。

基于一维冻胀试验和数值模拟，Li等[4]研究发现，高铁路基粗粒土的冻胀总量与补水量成正比，且随细粒增多呈线性增长，提出细颗粒和水分补给是粗粒土冻胀的关键条件。王天亮等[88]、Wang等[89]研究发现，路基粗粒土冻胀量随干密度增加而先增大后减小，提出9%作为临界细粒含量。Wang等[90]进一步研究了冷却温度、细粒含量、含水率及密实度等因素对路基粗粒土冻胀的影响规律，指出含水率的影响最大，建议控制在5%以下。张以晨等[91]也证实了含水率对不同粗粒土(由粉砂至细砾)冻胀变形的影响最大，含泥量次之。同时，为克服一维冻胀研究向多维扩展的难题，Zheng等[92]提出了一种多维空间冻胀率分配方法，并通过室内冻胀试验和大型现场冻胀测试验证了该方法的有效性，为冻胀研究提供了新思路。

与冻胀研究相比，关于粗粒土融沉变形的研究较少[79-80]。通过寒区高铁路基长期监测，石刚强等[84]和王春雷等[86]发现一个融沉周期可使75%～90%的冻胀变形完全回落，但部分区段在融沉完成后仍有一定的残余冻胀量。孙宝臣等[93]指出，浅层路基粗粒土在春融期发生双向融化，冻融和动荷载可导致粗粒土融沉压缩变形。通过现场监测和数值模拟，张玉芝等[94-95]进一步发现季冻区高铁路桥过渡段路基融沉变形约在1个月内完成，指出水分重分布导致路基土冻胀、融沉系数的变化是影响寒区高铁路基变形稳定性的主要原因。

对于冻融粗粒土的加载变形特性，常丹等[33]通过冻融三轴压缩试验，发现循环冻融作用下粉砂土的应力-应变关系呈应变硬化型，体变呈剪缩性，剪切模量先减小后增大，但比未冻融粉砂降低了约36%。通过冻融单轴压缩试验，Qu等[34,52]研究发现，斜坡粗粒土的峰前变形模量和峰后软化模量随冻融循环呈非线性衰减，7次循环后趋于稳定，但高含水率、低密度条件下的冻融劣化效应不明显。陈忠达等[96]试验发现路基粗粒土回弹模量随冻融次数增加而非线性衰减，随含水率增加呈线性减小，首次冻融的劣化效应随含水率增加而提高。

4 粗粒土的界面特性

在岩土工程中，如土-结构(隧道、挡土墙、基础及土石坝等)等不同属性材料间交界面以及相同岩土层中的冻融界面等普遍存在[97]。鉴于界面两侧材料的物性差异，界面处存在应力集中、应变局部化等非连续变形特征，使其成为工程薄弱部位[98]。因此，界面问题正逐渐成为国内外学者的研究热点。

4.1 粗粒土-结构界面特性

对于粗粒土-结构界面的剪切特性，直剪试验是理想的研究方法。当前，中外学者以混凝土板或钢板来近似模拟结构物，进而探索粗粒土-结构界面的影响因素、剪切规律以及变化机理等。

Al-Mhaidib[99]基于界面直剪试验探索了剪切速率对粗粒土-钢板界面剪切特性的影响，发现增加剪切速率可有效提高界面摩擦角，且两者成半对数线性相关性。彭凯等[100]研究了混合土泥皮对粗粒土-混凝土界面剪切特性的影响，发现界面剪切呈显著软化变形，抗剪强度和内摩擦角随界面水泥增多而提高，剪位移随法向应力和水泥含量的增加而增大。针对土石坝中粗粒土-心墙结构界面，刘平等[101]研究发现一次剪切循环时，界面抗剪强度与法向应力呈线性关系；与静载破坏相比，动载破坏的界面剪应变偏小；剪切位移随剪切循环先增大后减小并趋于稳定。对于粗粒土改良工程中存在的粗粒土-土工织物界面问题，Mehrjardi等[102]和王家全等[103]指出土工格栅对粗粒土的改良效果显著，发现界面抗剪强度是素粗粒土强度的2倍，表现为界面黏聚力增大，内摩擦角减小，土颗粒最大位移量降低；颗粒粒径和相对密度的增加以及土工格栅对颗粒移动的限制可有效提高界面强度和稳定性。

在粗粒土-结构界面剪切过程中，往往伴随着颗粒破碎和剪胀性等产生，对界面强度和变形影响显著。对此，Zeghal等[104]研究指出，界面剪应力-剪位移关系受颗粒破碎影响显著，而颗粒破碎与剪切过程中塑性能耗相关。Zhang等[105]研究发现，剪切颗粒破碎影响界面应力-应变关系，界面剪强度与正应力成正比，压缩性随正应力增加而降低。对于界面剪胀变形，张嘎等[106]提出了界面剪胀体应变由可逆和不可逆应变组成，其中，前者具有相变点和剪切异向性，而后者反映了界面颗粒破碎和剪切压密特性。为揭示粗粒土-结构界面的相互作用，陆勇等[107]提出了“结构约束”概念，建立了剪切界面的软化和剪胀方程，对界面本构规律进行了分类。

4.2 粗粒土冻-融界面特性

在寒区冻结和融化过程中，总是存在一个冻土与融土的交界面。该界面温度多处于水的结冰点附近，是冰水激烈相变和动态共存的过渡带，具有比冻土、融土更复杂的性质[98]。然而，目前关于冻融界面的研究较少，这与其在室内不易实现和控制等有关。

为开展土体冻融界面试验研究，Cheng等[108]和葛琪等[109]基于盐水和纯水的冰点差异性制成了特殊冻-融界面，并通过大型剪切试验发现冻融循环和含水率均可降低界面抗剪强度和边坡稳定性，且含水率的不利影响更显著。对于多年冻土区富冰地层存在的土-冰界面问题，高樯等[110]通过小型直剪试验，发现随着含水率的增加，黏土-冰、粉土-冰界面的黏聚力大幅降低，而砂-冰界面的内摩擦角略微减小。对于冻-融界面的形成机制，赵刚等[111-112]通过水分迁移试验，指出原状、重塑粉质黏土在冻融过程中存在明显的冻-融界面，土中水分迁移导致界面处富集水，并且初始含水率越大，水分迁移量越高且界面富水越多。

鉴于冻-融界面物质成分的复杂性和剪切行为的特殊性，学者们探讨了界面问题对斜坡稳定性的影响。程永春等[113]和Ge等[114]通过冻融试验，指出季节冻土区春融期浅层滑坡的滑动面临界深度受冻-融界面影响，提出界面效应的修正系数为0.946。进一步地，高樯等[110]通过土-冰界面直剪试验，发现粉土斜坡易在界面以上土体内发生滑动，黏土斜坡则沿土-冰界面产生滑塌破坏。杨让宏等[115]结合现场监测和温度场模拟计算，建立了冻融界面位置形态与斜坡稳定性的关系，指出冻融界面在外界水热条件下动态变化特性决定了斜坡的稳定性。除了以上细粒土冻-融界面的研究成果，而关于粗粒土冻-融界面的研究鲜有报道。唐丽云等[98]借鉴Cheng等[108]和葛琪等[109]关于冻-融界面的特制方法，对多年冻土区土石混合体冻-融界面进行直剪试验，定量化分析了含水率和碎石含量对界面强度的影响规律。Qu等[116]通过一维控温大型直剪仪对斜坡粗粒土冻-融界面进行了试验研究，探讨了垂压、干密度和含水率对界面剪切行为的影响特征，发现冻-融界面剪切变形以硬化为主，抗剪强度随干密度和法向应力的增加而增大，随含水率的增加而减小，探讨了界面剪切机制与颗粒运动和水分迁移的相关性。

5 结论及展望

纵观中外研究现状，多采取大型土工试验、数值模拟及理论分析等研究方法，在粗粒土本构关系、物理性质、强度和变形特性以及界面问题等方面取得一系列研究成果，推动了寒区粗粒土力学理论和工程应用的进步。然而，随着新时期西部地区基础设施建设的快速发展，当前寒区粗粒土力学理论研究已无法满足工程实践的迫切需求，应进一步开展深入研究，得出如下结论及展望。

(1)在本构关系中，引入热力学理论、临界状态理论、均匀化理论以及亚塑性理论等，建立考虑粗粒土剪胀性、颗粒破碎性和非线性等方面的本构模型。但客观地讲，这些模型以描述粗粒土某单一特征为主，适用于正温条件下特定土性和试验条件，在全面表征粗粒土特殊性质方面还存在困难。并且考虑粗粒土冻融效应的本构模型尚未建立，针对性研究较少。建议重点关注寒区环境下粗粒土结构损伤对其应力-应变关系的影响，尤其是循环冻融下粗粒土颗粒和孔隙等内部组构的改变，引入新的理论和方法，建立冻融粗粒的土本构模型。

(2)对粗粒土物理特性开展了不同颗粒级配、含水率、干密度以及压实参数等因素水平下压实性和渗透性等方面的研究，为满足土石坝、路基等工程需求提供理论依据。然而，对热学和电学等物理特性的研究不多，制约了寒区粗粒土工程设计、冻融灾变机理的揭示以及地球物理技术的应用，建议加强和重视相应方向的研究，尤其是开展寒区冻融环境下粗粒土电学影响因素、导电机制及其理论模型的研究，为电阻率层析成像和高密度电阻率法等新技术发展提供理论支撑。

(3)在研究方法方面，多基于大型直剪和三轴压缩试验，开展了不同因素条件下粗粒土的强度和变形破坏等力学特性研究。结合数值仿真试验，从微观角度探索粗粒土宏观力学行为内部机理，形成了粗粒土力学特性较系统认识。然而，大型试验和数值仿真仍存在诸多不足，建议开展考虑冻融作用和复杂应力状态的大型真三轴试验仪等，结合CT扫描三维成像等手段对冻融粗粒土真实颗粒与孔隙特征进行三维重建，建立符合真实结构特征的数值模型，关注微观颗粒模型与宏观本构关系的协调一致性。

(4)对冻结状态和循环冻融下粗粒土的剪切强度规律、影响因素以及强度机制进行了有益探索；通过现场监测、室内变形试验等手段，对粗粒土的冻胀和融沉变形进行了较系统研究。但是，这些研究多以路基级配粗粒土为对象，对成分更复杂、均质性更差的天然斜坡粗粒土的研究很少；对粗粒土冻胀特性的关注较多，缺乏对复杂应力与循环冻融耦合作用下粗粒土变形特性的关注。建议进一步开展寒区冻融和极端气候环境下粗粒土的力学行为研究，尤其是斜坡粗粒土强度特性的因素敏感性和影响机制，开展寒区粗粒土的宏微观力学行为与结构损伤研究。

(5)对于粗粒土的界面问题，基于大型直剪试验研究了粗粒土-结构界面剪切特性，对界面强度和剪胀变形等有了较深地认识，但以常温状态为主，很少考虑寒区冻融环境下冰水相变的影响。对土体冻-融界面的剪切强度及其对斜坡稳定性的影响规律进行了有益尝试，仅以细粒土为主，对粗粒土冻-融界面的研究鲜有报道。建议开展寒区复杂冻融作用和融雪补给条件下粗粒土-结构界面与冻-融界面的剪切行为研究，揭示冻-融界面的形成机制、强度发挥机理，尤其是界面形成过程中水分、基质迁移规律及其影响因素，界面剪切过程的颗粒运动与破碎特征，建立适合粗粒土冻-融界面的本构模型，进一步探索粗粒土冻融损伤和冻-融界面效应对斜坡稳定性的影响机制，为揭示寒区涉及粗粒土的冻融工程病害和地质灾害提供理论依据。