粗粒料力学特性研究进展

张堃　姜景山　孙伟超　戈星

摘 要：粗粒料具有强度高、变形小、透水好、造价低等优点，已经被广泛应用于路基工程、土石坝工程、护岸工程、筑岛工程等。粗粒料力学特性研究很多方面借鉴和参考了砂土的力学特性，但由于粗粒料的颗粒粒径更大，因此力学特性与砂土又有明显差异，必须在粗粒料大量的力学试验的基础上开展研究。分析总结了粗粒料力学特性的研究现状及最新进展、包括强度和变形特性、应力状态的影响、材料状态的影响、细观结构的作用及本构模型研究等，并就其中存在的问题进行了讨论并提出了一些建议。

关键词：粗粒料；强度；变形；剪胀性；本构模型；材料状态；应力状态；结构性

粗粒料一般是指粒径大于5mm土的含量大于50%的土，在自然界中广泛分布和存在，并可人工开采制得。粗粒料由于含有大量的粗大颗粒，因此具有较高的抗压强度、较小的沉降变形、较好的透水性能等优点，而且粗粒料一般是就地取材，造价低廉，因此在路基工程、土石坝工程、护岸工程、筑岛工程等被广泛应用。由于粗粒料的颗粒粒径相对较大，常采用大型三轴试验来认识和了解粗粒料的力学特性，并在此基础上建立描述粗粒料应力应变关系的本构模型，目前已经取得了较为丰富的研究成果。但由于大型三轴仪尺寸的急剧增大，对设备的技术要求也提高很多，如加载能力、稳压能力、密封性能等，因此相对于黏性土和砂土的研究在很多方面还不是很完善、系统。对粗粒料力学特性的研究进行了较为深入的分析总结，分析了研究中存在的一些问题，并提出了一些建议。

1 大型三轴试验简介

粗粒料的粒径相对较大，透水性较好，因此大三轴试验中较多采用饱和固结排水剪切试验，下文介绍的内容不加说明也都针对大三轴排水剪切试验。在试验中为保证成果的科学性和合理性，一般要求试样尺寸与试样颗粒最大粒径之比不小于5。大型三轴试验的试样为圆柱体，尺寸一般采用：直径30cm×高度60cm，试样颗粒的最大粒径为6cm。

大三轴试验应力加载的原理相对简单，以各向等压固结排水剪切试验为例，首先将准备好的饱和试样进行各向等压固结，等固结完成后再施加偏应力进行剪切压缩试验，直到试样剪切破坏，如图1所示。此外，还有其他应力路径的试验，如流变试验、湿化试验、等比例加载试验、K0固结试验等，都是在常规大三轴试验应力加载的基础上进行相应调整即可实现，此处不再赘述。

图1 常规大三轴试验应力加载示意图

2 强度和变形特性

强度和变形特性研究是粗粒料研究的一个重要课题，早期的强度特性研究相对单纯地研究强度，把强度与变形特性相对独立地割裂开来，后来人们逐渐认识到强度和变形特性是密切相关的，现在的强度特性研究都是与其他因素结合起来进行研究，如变形特性、剪胀性、应力路径、中主应力、各向异性等。

相同初始干密度的粗粒料，围压越大，强度越高、体缩变形越大，应力应变关系硬化性愈强；围压越低，强度越小，应力应变关系软化性越强，开始时体缩变形较小，随后产生较大的体胀变形，强度有明显的峰值强度，随后趋向于临界强度。相同围压下，初始干密度越小，应力应变关系硬化性越强，强度越小，体缩变形越大；初始干密度越大，应力应变关系软化性越强，体胀变形越大，强度越大且有明显的峰值。

相对于黏性土或砂土，粗粒土具有更加显著的剪胀性，同时在高应力作用下会产生明显的颗粒破碎。围压较小或密度较大的粗粒料剪胀性强，体积先压缩后很快膨胀，应力曲线有明显峰值。在高应力状态下粗粒料还会产生较明显的颗粒破碎，同种粗粒料围压越大、应力水平越高，颗粒破碎越严重，此外颗粒本身性质也会对颗粒破碎产生较大影响，如强度高、浑圆状、大小填充良好的颗粒在相同的应力状态下不易发生颗粒破碎。

3 应力状态的影响

常规大三轴试验模拟的是轴对称应力状态下粗粒料的力学响应，实际工程中粗粒料往往不处于轴对称应力状态，而是处于三维应力状态，如土石坝填筑过程中比较接近于等比例加载的应力状态。不同应力状态粗粒料的力学响应也明显不同，必须根据不同的情况加以分析研究。

实际工程中土体的固结状态比较接近K0固结状态，即竖向和侧向不等压的固结状态，与常规大三轴试验的各向等压固结状态是不同的，导致在应力应变曲线形态上表现出了较大差异，但在强度上相差不大。

粗粒料在等应力比加载路径三轴试验的偏应力同常规三轴压缩试验一样，也是随着围压的增大而增大的。等应力比加载应力路径对粗粒料应力应变关系和变形特性的影响较大，而对强度特性影响相对较小，可能主要是受侧向约束作用不同所致。

此外，粗粒料在实际工程中往往处于三维普遍应力状态下，与常规三轴试验的轴对称应力状态明显不同，事实上，大量研究表明，中主应力对粗粒料的强度和变形特性都有非常重要的影响。中主应力对粗粒料的强度有比较明显的作用，中主应力系数较小时相对于常规三轴试验的强度增大的幅度较大，而中主应力系数较大时强度变化相对较小。中主应力对变形也有非常重要的影响，在小主应力方向都是膨胀的，中主应力系数越大膨胀性越大，而在中主应力方向，中主应力系数越大中主应力方向压缩变形也相对越大。

工程中还有很多情况，所受荷载可能基本不变或者变化较小，但是环境条件改变或受到长期荷载的作用等，也会对粗粒料的力学性状产生较大影响，如湿化变形问题，造成较大的湿化轴变和湿化体变，特别是随着应力水平的增大湿化变形也逐渐增大，同时粗粒料也会由于浸水软化造成强度的降低。

4 材料状态的影响

大量的粗粒料力学试验表明，不仅应力状态对粗粒料的力学特性有着重要的影响，粗粒料本身的松密程度也会对力学性状产生非常重要的影响。在临界状态土力学理论中，一般采用围压和密度的组合来表示粗粒料材料的松密程度，目前材料状态对土体力学性质的影响在砂土中开展的较多，对于粒径更大的粗粒料还研究的较少。材料状态属于疏松或紧密一般都是以临界状态作为参考的，如果材料参数所表征的当前材料状态属于疏松状态，则应力应变曲线呈硬化型，体变是压缩的，破坏状态对应于相变状态和临界状态；而如果当前材料状态属于紧密状态，则应力应变曲线呈软化型，体变是先压缩后剪胀，相变状态时体变由压缩转为膨胀，破坏状态时土体的剪胀性达到最大，而达到最终的临界状态时应力和体积（孔隙比）保持不变但剪切变形则持续发展。

5 细观结构的作用

粗粒料的颗粒粒径相对较大，颗粒的大小、形态、性质、排列及颗粒之间的相互作用都会对粗粒料的力学性质产生重要的影响。但限于试验手段的制约，粗粒料的细观结构研究一直相对较少。目前，试验研究方面，主要采用规则形状的模拟材料或实际材料等进行二维模拟试验，通过监测颗粒的变位来了解颗粒结构的变化。借助相对先进的CT扫描或其他类似的透析成像技术，可以对实际粗粒料进行细观结构试验，以了解实际材料颗粒的运动规律。在理论分析和数值模拟方面，很多学者大都是假定颗粒为相对理想的圆形（圆球）、椭圆（椭球）、多边形（多面体）等进行研究，其中数值理论和模拟方面比较成熟的有离散元方法（DEM），并有成熟的商业软件，如美国ITACA公司的UDEC、3DEC、PFC2D、PFC3D，英国DEM-Solution公司的EDEM等。

6 本构模型的研究

粗粒料的本构模型或应力应变关系数学模型，一般是在力学模型试验成果的基础上建立的概化模型，大多是基于常规三轴试验成果的基础上得到的。目前，国内粗粒料的本构模型在工程中应用较多的邓肯-张模型，模型简单、实用，并在大量的工程实践中积累了丰富的经验。由于粗粒料具有显著的剪胀性，但邓肯-张模型不能反映剪胀性，因此，一些学者都对邓肯-张模型进行了改进，以更好地反映粗粒料的力学响应。

除此之外，国内外学者也对临界状态土力学表现出了浓厚的兴趣。在临界状态概念的基础上，建立起了能反映粗粒料材料物理状态的本构模型，目前在砂土中已有较多研究。对于粒径更大的粗粒料在材料状态方面的研究相对于砂土明显偏少，由于粗粒料具有较明显的尺寸效应，有必要进行有针对性的系统研究。

7 存在的问题及建议

粗粒料力学特性研究无论是试验研究还是本构模型方面都已经取得了较多研究成果，但也存在一些问题和不足：

7.1 力学特性研究

粗粒料力学特性研究主要还是基于常规三轴试验，由于常规三轴试验模拟的是轴对称应力状态，而实际土体处于更复杂的三维普遍应力状态，许多粗粒料力学试验已经表明中主应力对粗粒料的强度和变形特性有着非常重要的影响。因此，迫切需要开展三维应力状态下的力学试验，如真三轴试验。

7.2 材料状态的影响

粗粒料的力学响应不仅与应力状态密切相关，还与材料本身的松紧程度密切相关，目前对于粒径较大的粗粒料材料物理状态对力学特性的影响研究的还相对较少，有必要加强基于临界状态的粗粒料力学特性研究。

7.3 细观结构研究

粗粒料颗粒粒径相对较大，力学响应主要体现在颗粒本身和颗粒之间的相互作用上，传统的连续体力学难以反映很多的力学现象，如模拟试验中的力链现象，因而，有必要对粗粒料的细观结构进行研究，以便将结构性反映到粗粒料的宏观力学响应中。而目前的细观结构试验主要是二维的，三维的还开展的较少，而且细观试验的主要问题是只能了解颗粒的运动规律，不能监测颗粒之间的相互作用，如作用力。理论分析和数值模拟虽然既能监测颗粒的运动规律又能监测颗粒的相互作用，但颗粒形状一般多假定为圆形（球形）、椭圆形（椭球体），或其他相对规则的几何形状或几何体，与实际的粗粒料颗粒异常复杂的形状相差较大，导致最终的力学响应方面也有较大差异。因此，如何将细观结构特性与宏观力学响应有机结合起来是细观结构研究的一大关键问题。

7.4 本构模型研究

常用的粗粒料本构模型如邓肯-张模型基本能较好地反映硬化性或软化性较弱的粗粒料的力学性状，但不能反映软化性强的粗粒料的剪胀性，有必要对此进行改进。此外，工程中应用的粗粒料本构模型难以反映同种材料不同初始密度的力学响应，常将同种材料不同密度的粗粒料当作不同种类的材料进行研究，既费时费力也不科学，有必要在临界状态概念的基础上建立起能反映材料物理状态变化对力学特性作用的本构模型。

8 结语

粗粒料是一种优良的工程材料，强度高、变形小、渗透好、造价低，已广泛应用于岩土工程中。分析总结了粗粒料力学特性的研究现状，提出了目前粗粒料研究中存在的一些问题，并针对存在的问题提出了一些建议。

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基金项目：南京工程学院大学生科技创新基金项目资助（N20150915；N20140923）。

作者简介：张堃（1995- ），男，汉族，江苏盐城人，本科，研究方向：交通土建；通讯作者：姜景山（1978- ），男，汉族，安徽青阳人，讲师，博士，研究方向：地基和路基处理、粗粒土力学性质等。