粗粒土三轴试验力学与长期变形特性研究综述

2023-04-05吴国立李东升刘晓光冯思超

科技创新与应用 2023年8期

吴国立，李东升，刘晓光，冯思超

（华北水利水电大学，郑州 450046）

粗粒土具有众多良好的工程特性，在自然界分布广泛、储量丰富，在大坝、路基、桥墩、边坡及地基处理等实际工程中应用广泛[1]。然而其成分与结构复杂，具有强烈的不连续性、非均质性和各向异性，导致其力学特性较其他土体更为复杂。众多学者对各种组构类型的粗粒土进行了试验研究，对于粗粒土的力学特性有了一定的了解，但对于引起粗粒土力学特性的机理解释仅仅在围压、密实度等少数几个因素有着共同认知，对于较为复杂的因素众学者则有着不同甚至截然相反的见解，且尚存在较多因素目前研究较少或尚未进行试验研究。

粗粒土的物理力学性质介于土体与碎裂岩体之间，传统土力学和岩石力学的室内、室外试验及变形强度理论并不完全适用于粗粒土的研究。由于粗粒土粒径较大，且具有尺寸效应，国内外出现了大型接触面直剪仪、大型三轴试验仪、大型真三轴试验仪及大型空心圆柱扭剪仪等大型和超大型试验仪器，其中大型三轴试验仪因其应用范围广，测量参数多，沿最弱结构面而非固定结构面剪切破坏，操作简单又能真实地反映土的工程性质，因此被众学者认可。本文概述了粗粒土的定义和简要分类、大型三轴试验技术和粗粒土静力学特性的研究现状，并就其中一些问题进行了简要分析。

1 粗粒土的定义和简要分类

日本土质学会将粗粒料认为是由块石、碎石（或砾卵石）、石屑和石粉等粗颗粒组成的无黏性混合料及黏性土中含有大量粗颗粒的混合土[2]。事实上，国内外对于粗粒土的分类并没有统一的标准。美国材料协会将粒径大于0.075 mm 的颗粒质量百分含量大于50%的土称为粗粒土；我国GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》将大于0.075 mm 粒径颗粒的质量大于总质量50%的土称粗粒类土。目前关于粗粒土的定义并不明确统一，因此近年来一些学者提出了土石混合体的概念。油新华等[3]认为土石混合体是由砾石、块石、黏土或砂组成，以土夹碎石或碎块石、碎石或碎块石夹土等为主，结构杂乱、分选性差；是介于土体与岩体之间的一种特殊的地质体。按照粗粒土的定义，广义上的粗粒土甚至包括粗颗粒含量大于50%的土石混合体、碎石土、砾石土和砂石混合体等。

关于粗粒土中粗、细料的划分，国内学者习惯用5 mm 作为区分粒径[4-5]。刘开明等[6]主要依据小于0.1 mm 的细粒含量划分粗粒土：①无黏性粗粒土，细粒含量小于5%；②少黏性粗粒土，细粒含量5%～15%；③黏性粗粒土，细粒含量15%～50%。王仲锦等[7]则依据影响粗粒土工程性能的因素将粗粒土分为了砾石土和砂类土。粗粒土的分类方法多种多样，众学者一般根据粗细料含量、粗粒土性质或粗粒土的某个力学参数结合自己的研究需求对粗粒土进行分类。

2 粗粒土的抗剪强度和变形特性

对于粗粒土的众多工程特性，最主要的还是其抗剪强度问题。一般来说土体强度主要取决于有效法向应力、黏聚力和内摩擦角，对于无黏性土来说黏聚力为零，然而陈希哲[8]利用特制的大型三轴压缩仪做了大量试验发现无黏性粗粒土莫尔圆公切线与纵坐标的截距不为零，且莫尔圆公切线与横坐标的夹角也大于其内摩擦角，结合工程实践认为粗粒土的剪切面并非平面，其强度来源也非颗粒表面的内摩擦力，而是粗颗粒相互交错镶嵌形成一种咬合力，从而使粗粒土的强度大幅度提高。一般认为，影响粗粒土抗剪强度的因素有：密度、围压、颗粒级配、颗粒形状、颗粒本身强度、试样的含水量、高径比、试样尺寸、应力历史、加载方式和剪切速率等[9-11]。目前大多数学者认同：①当粗粒土试样的粗料含量小于30%时，其强度与工程性质主要取决于细料，粗料只起填充作用；当粗料含量大于70%时，其强度与工程性质主要取决于粗料；当粗料含量为30%～70%时，粗细料的性质同时有所反映，且随粗料含量的增加而不断向粗料一方转化。②粗粒土的抗剪强度与围压、密实度、颗粒本身强度及含石量呈正相关。姜景山等[12]认为围压一定时粗粒土的残余强度也相同；初始密度决定了初始结构性；围压形成应力诱导结构性；围压和密度共同决定应力应变曲线类型。陈铖等[13]认为当粗粒土有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时，粗粒土密实性将变差，强度降低；以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好，但压缩性大；级配良好且不均匀系数较大的粗粒土，颗粒的挤压效果更显著，力的传递和分配也更均匀。朱俊高等[14]研究了试样尺寸对粗粒土抗剪强度的影响，认为其他条件相同时试样尺寸越小其约束力越大，试样峰值强度也就越高。总之，众学者对于粗粒土抗剪强度各种影响因素的研究较多，其中围压和密实度等简单因素的影响众学者认识一致，而对于应力历史和颗粒级配等复杂因素众学者研究结果在规律和量值上略有不同但并无相悖。

粗粒土作为路基、地基和堆石坝的主要材料，除了强度问题外最重要的就是变形问题。多数学者以大量三轴剪切试验资料为基础，研究了粗粒土的应力应变关系，将粗粒土剪切形态变化分为应变软化（剪胀）和应变硬化（剪缩）2 种。一般情况下，粗粒土表现为在低围压下剪胀、高围压下剪缩；大密度剪胀、小密度剪缩；高围压、大密度条件下颗粒破碎等特性。程展林等[15]认为粗粒土的变形具有非线性、弹塑性的特点，应力应变关系曲线与邓肯模型的双曲线假定基本吻合；粗粒土的剪切形态可能出现轻微的应变软化现象，一般表现为应变硬化特征。周小军等[16]将粗粒土的变形过程分为初始压密阶段、弹性变形阶段和弹性向塑性变形过渡阶段；认为其具有明显的非线性特征，呈现出明显的应变硬化现象。由于粗粒土变形表现为非线性、弹塑性等特点，其应力应变关系十分复杂，传统的土力学经典模型等均不能直接应用于粗粒土，众学者为此进行了各种改进[17-18]。然而，由于粗粒土组构关系的复杂性，导致其各种强度和变形特性较为复杂，目前大多数所建立的粗粒土本构模型只适用于自身所研究的某一种或极少数相类似的粗粒土，尚未建立具有普适性的经典本构模型。

3 粗粒土的损伤劣化

由于粗粒土天然存在的空洞和孔隙等缺陷，在经历地下水位和库水位升降等干湿循环作用、反复加卸荷作用、冻融循环作用或其他损伤劣化作用后，粗粒土中的细料随水流移动、裂隙扩展或粗粒破碎，其强度和变形参数随之变化，性能逐渐劣化，该劣化过程的本质是土体在各种作用下“天然缺陷”的加剧，其损伤是不可逆的。穆彦虎等[19]认为粗粒土应力应变曲线随着冻融循环次数的增加由应变软化过渡为应变硬化状态，同时剪切强度呈指数形式下降趋势，在5～9 次冻融循环后趋于稳定；冻融循环作用对土样黏聚力的影响比较显著。王海俊等[20]模拟日晒雨淋引起的堆石料干湿循环作用，认为干湿循环作用引起的堆石料变形是不可忽视的，其随循环次数的增加呈非线性发展，并与围压呈正比。冉武平等[21]认为随着干湿循环次数的增加，粗粒土的回弹模量整体呈衰减趋势，且在干湿循环次数N=1、2 时衰减幅度最大，当N＞4 时回弹模量趋于稳定。张新民[22]认为随围压增大及干湿循环次数增多，剪切作用及水体干湿循环作用加剧了粗粒土颗粒破碎。由于粗粒土结构组分的复杂性其力学特性研究尚不清晰，目前损伤劣化特性的研究更不完备，是当前粗粒土研究的热点问题之一。

4 三轴试验的技术方法

由于粗粒土试样体积较大，制作困难，三轴试验需要耗费巨大的物力和人力，且试样的体积变化难以测量等原因，众学者对试验的技术方法和设备等作出了很多改进。杨建华[23]和李远贤等[24]提出并论证了粗粒土多级加载三轴试验的可行性，该方法能够节省约四分之三的时间和物力人力。为提高试样体积变化的测量精度不少学者采用了大量的试验手段和计算方法，如采用双压力室、激光扫描、位移传感器、直接量测空气和水的变化、用二氧化碳或氮气置换试样中的空气、抽真空饱和及反压饱和等方法。橡皮膜嵌入量会影响剪切体积变化，从而导致测量不准确的问题最早是由Newland 等[25]提出来的。王昆耀[26]和徐卫卫等[27]分析了橡皮膜的嵌入量对三轴试样体积变化的影响，在此基础上提出了一个修正公式，并建议采用大直径试样进行试验以减小橡皮膜嵌入量的影响。陆晓平等[28]研究了试样端部约束对粗粒土三轴试验的影响，认为润滑试样帽在低围压下对粗粒土试样的端部约束具有减摩效果。蔡阳等[29]综合运用摄影测量原理、光线追踪和最小二乘优化技术，开发出了能够计算试样绝对体积变化及相关测量结果后处理的配套软件GeoTri3D。左永振等[30]利用医学CT 机实现了三轴试验过程中对粗粒土试样的CT 切片，研究了粗粒土组构信息的实时变化情况。随着科技的进步和各个学科的飞速发展，粗粒土三轴试验借助更加先进的设备和计算机软件等实现了快速发展，使得三轴试验制样更加标准化，体积测量更加准确，节约了大量的物力人力和时间，还使得从更多复杂因素和细观微观方面对粗粒土力学特性的研究成为可能。