褚福永 朱俊高

（1.麗水學(xué)院 土木工程學(xué)系，浙江 麗水 323000；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

粗粒土通常是指塊石、碎石（或礫卵石）、石屑、石粉等粗顆粒組成的無(wú)粘性土混合料以及粘土中含有大量粗顆粒的混合土.因其具有壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、填筑密度大、沉陷變形小和承載力高等特點(diǎn)［1］，如今在土木、水利、交通等工程中得到廣泛應(yīng)用（如土石壩、防波堤、復(fù)合地基中的碎石樁、鐵路路基等等）.研究表明，除具有變形的非線性、壓硬性和應(yīng)力路徑相關(guān)性外，粗粒土的剪脹性也是描述粗粒土特性的關(guān)鍵因素，剪脹性描述得當(dāng)與否對(duì)本構(gòu)模型的建立具有決定性作用.

目前，粗粒土剪脹理論的研究仍建立在顆?；谱冃蔚幕A(chǔ)上，大部分的相關(guān)研究還是以Rowe剪脹理論為基礎(chǔ)［2］.然而，現(xiàn)有應(yīng)力剪脹理論忽略了材料內(nèi)部參量，對(duì)粗粒土進(jìn)行模擬時(shí)，將不同密度的同一種材料作為不同材料，分別采用多種模型參數(shù)模擬，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不科學(xué).因此，粗粒土的狀態(tài)相關(guān)剪脹理論近年來(lái)成為巖土工程學(xué)者潛心研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于臨界狀態(tài)針對(duì)砂土剪脹的狀態(tài)相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了大量研究，并取得一定成果，然而，目前對(duì)粗粒土的相關(guān)研究還很少.值得強(qiáng)調(diào)的是，盡管粗粒土與砂土有著相似的工程特性，但粗粒土比砂的粒徑大、易破碎，二者的工程特性還是有差別的，對(duì)砂土狀態(tài)相關(guān)的研究不能照搬到粗粒土中來(lái).為此，本文概述和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者就粗粒土剪脹性的影響因素、機(jī)理、剪脹方程及本構(gòu)模型的研究進(jìn)展，并就粗粒土狀態(tài)相關(guān)剪脹理論有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題進(jìn)行了討論.

1 影響因素

粗粒土的剪脹性受到很多因素的影響.其中，密度和圍壓是影響粗粒土剪脹性的兩個(gè)最為重要因素.已有多組粗粒土常規(guī)三軸試驗(yàn)成果表明［3－10］:粗粒土在低圍壓下，表現(xiàn)出明顯的剪脹趨勢(shì)，隨著圍壓的增加，逐漸由剪脹向剪縮過(guò)渡，直至剪脹消失；相同圍壓下，隨著密度的增大，粗粒土的剪脹性逐漸增強(qiáng).值得注意的是，相變點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)剪脹性有一定的影響，隨著圍壓的增大，相變點(diǎn)處的應(yīng)力水平增大［3］.除受密度和圍壓的影響外，粗粒土的剪脹性還受到顆粒級(jí)配、顆粒破碎、母巖性質(zhì)、應(yīng)力路徑等因素的影響.

司洪洋［4］通過(guò)對(duì)相同密度下粗、細(xì)兩種顆粒的砂卵石的大三軸排水剪切試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒粗粒料的剪脹性強(qiáng)于粗顆粒.翁厚洋［5］通過(guò)對(duì)雙江口筑壩堆石料采用不同縮尺方法，進(jìn)行固結(jié)排水剪大三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用不同的縮尺方法下，試樣所表現(xiàn)出的剪脹性的差異性也反映了顆粒級(jí)配對(duì)剪脹的影響.等量替代法下的級(jí)配試樣，制樣密度較小，顆粒間孔隙較大，剪切時(shí)一些小顆粒容易被充填到臨近顆粒間孔隙中，表現(xiàn)為剪縮變形；相似級(jí)配法下的試樣細(xì)粒較多，通常表現(xiàn)為剪脹變形；剔除法和混合法下的試樣的剪脹性介于兩者之間.

粗粒料在外力荷載的作用下易于發(fā)生顆粒破碎，顆粒破碎引起土料的顆粒級(jí)配、相對(duì)密度發(fā)生變化，進(jìn)而影響到粗粒土的剪脹性.Miura［6］等在研究粗粒土的強(qiáng)度和變形特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒破碎會(huì)削弱土體的剪脹性.郭靈熙［7］等通過(guò)對(duì)三峽花崗巖風(fēng)化石渣進(jìn)行三軸試驗(yàn)和平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)顆粒破碎對(duì)粗粒土剪脹性的影響程度，與破碎率的大小有關(guān).

母巖性質(zhì)對(duì)剪脹性的影響，學(xué)者們從母巖的礦物成分、濕化的影響及泥巖含量等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討.多棱角的礫石料同表面圓滑的砂卵石相比，由于破碎性強(qiáng)，剪脹性較后者弱［4］.魏松［8］通過(guò)對(duì)粗粒料進(jìn)行濕化大三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗粒土濕化后母巖發(fā)生軟化，顆粒破碎的發(fā)生增多，剪脹性減弱.秦紅玉［9］對(duì)兩組不同泥巖含量的筑壩堆石料進(jìn)行大型三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥巖的含量不同對(duì)粗粒土的剪脹性的影響不明顯.

不同應(yīng)力路徑下粗粒土的剪脹性存在明顯差異，褚福永［10］對(duì)3種不同相對(duì)密度粗粒土分別進(jìn)行了等壓固結(jié)條件和K0固結(jié)條件下大三軸排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)K0固結(jié)條件下試樣的剪脹性較為明顯.劉萌成［11］通過(guò)對(duì)堆石料進(jìn)行了常規(guī)、等平均主應(yīng)力和等應(yīng)力比大三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力比的增大，試樣的剪脹性逐漸減弱.

2 剪脹機(jī)理

早在1962年，魏汝龍［12］就對(duì)土體的剪脹機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，認(rèn)為顆粒材料的剪脹是顆粒的咬合作用的結(jié)果，土顆粒在剪切過(guò)程中翻越相鄰顆粒或有翻越相鄰顆粒的趨勢(shì)是土體剪脹的主要原因，且認(rèn)為顆粒材料的剪脹大多發(fā)生的是塑性變形.以往的研究也通常認(rèn)為剪脹是塑性的.但近年來(lái)的研究表明，土體的剪脹實(shí)際上包括了兩個(gè)部分:一部分是不可恢復(fù)性剪脹，土顆粒翻越了相鄰顆粒，發(fā)生了塑性變形；另一部分是可恢復(fù)性剪脹，土顆粒尚未翻越相鄰顆粒，發(fā)生了彈性變形.

李廣信［13］認(rèn)為，土體的剪脹實(shí)質(zhì)是土顆粒從低能狀態(tài)向高能狀態(tài)的變化過(guò)程，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，荷載解除時(shí)，很大部分的剪脹會(huì)恢復(fù).即土體的卸載體縮的主要原因可歸于可恢復(fù)性剪脹.劉元雪［14］則認(rèn)為土體的可恢復(fù)性剪脹可部分歸因于土的各向異性引起的彈性剪脹.

朱俊高等［15］在多組粗粒土卸載－再加載試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，研究了不同圍壓下，回彈模量隨應(yīng)力水平的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)粗粒料的回彈模量在不同圍壓下均表現(xiàn)出隨應(yīng)力水平的增大呈現(xiàn)駝峰狀曲線，回彈模量近似在應(yīng)力水平為0.7時(shí)最大.朱俊高把造成這一現(xiàn)象的原因歸于粗粒土的可恢復(fù)性剪脹，即:低應(yīng)力水平下，土顆粒未完全翻越相鄰顆粒，卸載后可回落到原位，發(fā)生了可恢復(fù)性剪脹，屬于彈性變形.高應(yīng)力水平時(shí)，試樣被進(jìn)一步壓實(shí).此時(shí)，低圍壓下，部分顆粒已翻越相鄰顆粒獲得穩(wěn)定，發(fā)生了不可恢復(fù)性剪脹，而高圍壓主要以顆粒破碎為主，均為塑性變形.

張建民［16］通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了剪脹的可逆性，認(rèn)為砂土的可逆性剪脹與剪切過(guò)程中相對(duì)滑移機(jī)制以及顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起的砂粒集合平均定向率的可逆變化有關(guān)，砂土的不可逆剪脹可能是剪切過(guò)程中顆粒破碎、平均孔隙率減少及大孔隙消失的結(jié)果.

此外，一些學(xué)者還從微觀力學(xué)的角度建立了顆粒材料的力學(xué)模型，試圖對(duì)顆粒材料的剪脹機(jī)理從微觀的角度進(jìn)行探討，解釋一些現(xiàn)象［17－18］.如鐘曉雄［17］研究了顆粒材料的剪切變形機(jī)制，建立了顆粒體在變形過(guò)程中應(yīng)力與組構(gòu)量的相互關(guān)系，論證了剪脹的微觀組構(gòu)條件，推導(dǎo)出各向異性組構(gòu)顆粒體剪脹方程.遲明杰［18］從細(xì)觀角度對(duì)砂土剪脹機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)剪脹方程，該模型與已有的剪脹機(jī)理相結(jié)合能夠解釋砂土的一些變形特性.

3 剪脹方程與本構(gòu)模型

近30多年來(lái)，土體本構(gòu)模型的研究一直是土力學(xué)的一個(gè)前沿研究熱點(diǎn).對(duì)粗粒土，合理的剪脹方程是模型建立的關(guān)鍵.目前，用于粗粒土本構(gòu)模型中的的剪脹方程還是建立在應(yīng)力剪脹理論的基礎(chǔ)上，大都是對(duì)Rowe剪脹方程的修正，甚至直接照搬.如張丙印［19］曾將Rowe剪脹方程改進(jìn)用于改進(jìn)沈珠江的南水模型.

Indraratna和Salim［20］在粗粒土大三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)破碎耗能因子的概念，且發(fā)現(xiàn)破碎耗能因子與圍壓成線性關(guān)系，并進(jìn)一步把耗能因子引入到Rowe剪脹方程中對(duì)其進(jìn)行修正.然而，經(jīng)典的應(yīng)力剪脹方程沒(méi)有考慮材料內(nèi)部狀態(tài)的影響，在利用其對(duì)顆粒材料進(jìn)行模擬時(shí)往往出現(xiàn)困難.為解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，學(xué)者們將臨界狀態(tài)理論引入到土體剪脹性的研究中，但目前相關(guān)的研究大多是針對(duì)粘土和砂土［21－23］，借用砂土的臨界狀態(tài)方程模擬粗粒土的變形性質(zhì)也偶有出現(xiàn)［24－25］.對(duì)粗粒土的剪脹性描述也多借用砂土的研究成果，針對(duì)粗粒土的研究很少.因此，深入研究粗粒土的基本性質(zhì)，建立粗粒土自己的臨界狀態(tài)方程以及剪脹方程對(duì)描述粗粒土的應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度等性質(zhì)非常重要.另一方面，目前在巖土工程的數(shù)值分析中，非線性彈性模型和彈塑性模型應(yīng)用最為廣泛.其中，非線性彈性模型很多，常用的有鄧肯E－B、E－ν模型，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易被工程界所接受，但此模型不能反映剪脹剪縮性以及土體壓縮和剪切的交叉影響.

彈塑性模型一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所反映的土體變形性質(zhì)也比非線性模型更全面，目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的有沈珠江提出的南水模型［26］和殷宗澤提出的橢圓－拋物雙屈服面模型［27］.其中，橢圓－拋物雙屈服面模型在修正劍橋模型的基礎(chǔ)上，引入了鄧肯模型的一些概念，能較好地反映土體的剪脹性和應(yīng)力路徑的影響.該模型是一個(gè)較實(shí)用的彈塑性模型，已在巖土工程計(jì)算中得到較廣泛應(yīng)用.但這些模型都基于粘土或砂的常規(guī)三軸試驗(yàn)，且對(duì)粗粒土的適應(yīng)性還需驗(yàn)證.近年來(lái)，基于損傷理論［28］或亞塑性理論［29］等建立的本構(gòu)模型也多是針對(duì)粘土或砂土等提出的.

近年來(lái)，對(duì)粗粒土的本構(gòu)模型研究得到重視，提出了一些適用于粗粒土的模型，取得了豐富的成果.如相彪［30］等基于等應(yīng)力比的大三軸試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了三模量非線性彈性模型對(duì)粗粒土的適用性.劉萌成等［31］基于堆石料普通大型三軸試驗(yàn)成果，建立了一個(gè)可反映堆石料工程特性的彈塑性本構(gòu)模型.張嘎等［24］基于亞塑性理論的基本框架，引入臨界狀態(tài)參數(shù)，建立了一個(gè)新的粗粒土亞塑性模型.施維成［33］根據(jù)大量粗粒土真三軸試驗(yàn)成果，提出了一個(gè)雙屈服面彈塑性模型.然而，這些研究?jī)H僅是初步的.因此，粗粒土的剪脹理論及其本構(gòu)模型的研究還需進(jìn)一步的深入，基于狀態(tài)相關(guān)的粗粒土剪脹理論及本構(gòu)模型的研究也必然是一個(gè)重要趨勢(shì).

4 結(jié) 語(yǔ)

影響粗粒土剪脹性的因素很多，研究范圍很廣，在回顧和分析了粗粒土的剪脹性在影響因素、機(jī)理、剪脹方程與本構(gòu)模型等幾個(gè)方面的研究進(jìn)展后，筆者認(rèn)為今后有待加強(qiáng)和深入研究的幾個(gè)方向是:1）進(jìn)行大量試驗(yàn)，重點(diǎn)研究臨界狀態(tài)的存在性、定量表述.2）在考慮顆粒破碎等因素對(duì)粗粒土剪脹性影響的基礎(chǔ)上，深入研究粗粒土剪脹性的狀態(tài)相關(guān)性質(zhì).3）確定合理的狀態(tài)參數(shù)，建立適用于粗粒土的剪脹方程.4）基于粗粒土剪脹方程，建立有效可靠的粗粒土本構(gòu)模型.

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