粗粒土静力特性试验研究进展

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1、作者简介 ： 朱俊高（ ） ， 男 ， 江苏兴化人 ， 教授 ， 从事土体本构关系 、 土石坝工程研究 。 基金项目 ： 国家自然科学基金项目（） ； 国家自然科学基金委员会 、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合 基金项目（） 。 粗粒土静力特性试验研究进展 朱俊高 ， 赵颜辉 ， 李永红 ， 吴晓铭 ， 周建方 （ 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 ，江苏南京 成都勘测设计研究院 ，四川成都 国电大渡河流域水电开发有限公司 ，四川成都 江苏省丹阳市水利局 ，江苏镇江 ） 摘 要 ： 较为系统地总结了国内外在粗粒土静力力学特性试验方面的研究现状 。 介绍了粗粒土普通三轴试验

2、、 应 力路径及真三轴试验条件下取得的变形和强度方面主要研究成果 ； 总结了常用的流变试验 、 湿化变形试验 等试验仪器及试验方法 ； 概括了在流变 、 湿化变形 、 颗粒破碎 、 缩尺效应等方面的研究成果 ； 分析了粗粒土 研究目前仍存在的问题 。 关键词 ： 粗粒土 ； 湿化变形 ； 流变 ； 颗粒破碎 1 前 言 高土石坝的迅速发展对堆石料力学性质的研究提出了更高的要求 。 近年来 ， 对堆石料力学特 性的研究越来越多 ， 对堆石料强度 、 变形等性质有了较深入的了解 ， 并取得了诸多研究成果 。 目前 ， 对粗粒土力学性质的研究主要依赖于应变控制式大型三轴仪 、 应力控制式应力路径三轴

3、 仪 、 单向压缩仪 、 大型直剪仪 、 大型单剪仪 、 大型流变三轴仪 、 大型平面应变仪 。 最近 ， 河海大学成功 研制了一款中型三轴仪 ， 可以进行最大粒径 mm 的砾石料的真三轴试验 。 在试验方法上 ， 除了常规的三轴应力路径 ， 即围压恒定 ， 轴向应力逐渐增加的情况 ， 对特殊应力 路径 、 加载条件下的应力应变 、 强度特性的研究越看越多 。 这些特殊的路径有等应力比加载路径 、 等 p 、 等 q、 平面应变以及其他更复杂的加载路径 。 对粗粒土的力学特性研究 ， 目前主要集中在五方面 ， 即应力应变特性 、 强度特性 、 流变特性 、 湿 化变形特性以及颗粒破碎特性缩尺效

4、应等 。 下面从这几方面总结目前国内外研究进展 ， 分析存在 的问题 。 2 变形特性 2 1 普通三轴应力路径下的应力应变特性 由于高土石坝的迅速发展 ， 国内对粗粒土的大型三轴试验研究很多 ， 主要进行围压恒定 ， 轴向 等应变剪切的轴对称三轴试验 。 所采用试样的直径一般为 cm ， 高度 cm cm ， 也有采用直 径 cm ， 高度 cm 试样进行碎石料力学特性试验研究 。 和堆石坝现场实际级配的颗粒相比 ， 室 内试验所采用的试样的最大粒径要小得多 。 根据我国规范要求的试样直径应大于最大粒径 倍的要求 ， 直径 cm 试样的最大粒径只能在 cm 左右 。 试验用替代料一般用混合法

5、或等量替代 特邀及专题报告 法 ， 也有采用剔除法或相似级配法 。 根据堆石料 、 砂卵石等粗粒土三轴剪切试验资料分析 ， 应力应变关系有硬化型和软化型两种类 型 ， 其表现形式和变形特性与密度 、 颗粒强度 、 应力或围压大小及应力路径紧密有关 。 和一般砂土相似 ， 密实的粗粒土在剪切过程中应力应变关系在低压时表现为应变软化 ， 疏松的 土体或高围压下则表现为应变硬化 。 密实的粗粒土在低围压下 ， 常常表现出剪胀性 ， 高围压下 ， 由 于颗粒破碎等因素 ， 一般表现为剪缩 。 从微观结构上看 ， 当土体处于密实状态时 ， 大小颗粒相互充 填 ， 颗粒孔隙较小 ， 在剪切过程中颗粒间的摩

6、擦阻力 ， 颗粒要发生相对移动或滚动 ， 甚至翻越临近颗 粒 ， 土体发生剪胀 ， 克服剪胀变形作功而使应力值增高 ， 达到峰值 ； 随着剪胀的进一步发展 ， 结构变 得疏松 ， 接触点减少 ， 摩擦力和咬合力减小 ， 出现应力减少的现象 ， 这就使应力应变关系表现为软 化 。 相反 ， 土体疏松 ， 密实度较小 ， 颗粒接触点较少 ， 剪切中随着体积的逐渐减小 ， 密度增加颗粒接 触点也逐渐增加 ， 应力相应增加 ， 应力应变关系为硬化 。 变形的各种影响因素中 ， 初始孔隙比或密度的影响最为显著 。 孔隙比对粗粒料变形模量的影 响起支配作用 ， 围压影响处于次要地位 ； 而泊松比受围压影响

7、较大 。 2 1 特殊应力路径下的变形特性 实际上 ， 在大坝填筑和蓄水过程中 ， 堆石料所处的应力状态和经历的应力路径较为复杂 ， 由此 引起的应力与变形特性也较为复杂 。 因此 ， 基于普通三轴试验得到的粗粒土试验成果建立的有关 理论必然不能很好地反映土体在复杂应力条件下的变形特征 。 有针对性地研究各种复杂路径下的 应力应变特性 ， 建立适合各自应力路径下应力应变计算理论和方法十分必要 。 不少学者进行了这 方面的研究 。 王朝东等 进行了六种不同应力路径下的堆石料试验 ， 发现不同应力路径对应力应变关系影 响较大 ； 梁军 通过等 p 与常规试验 ， 证明了堆石料的抗剪强度与所选的应力

8、路径基本无关 。 柏 树田等 模拟大坝填筑 、 蓄水和库水位下降时的应力路径 ，研究了坝体内应力状态 。 张林洪等 对堆石料进行等应力比路径下的试验 ， 总结了应力变形规律 。 刘萌成等 进行了应力路径条件下 堆石料试验 ， 研究表明 ， 应力路径与固结应力共同作用 ， 成为影响堆石料剪切特性的主要外部因素 。 尽管对粗粒土在应力路径条件下的变形特性有了一定了解 ， 但研究成果相对较少 ， 尤其是等应力比 路径下的研究成果更少 。 图 1 等应力比应力路径示意图 颜正红 、 朱俊高 对糯扎渡心墙堆石坝的计算分析表明 ， 坝体大小主应力的增量比值在 畅左右 ， 蓄水期一般在 畅 畅 左右 。 因

9、此 ， 进行等应力比应力路径时可将路径分为两段 ， 第一段以等应力比路径加载模拟堆石坝施工期堆石料的应力路 径 ， 第二段以等应力增量比路径加载模拟蓄水期堆石料的应力 路径 ， 如图 所示 。 图中 ， 等应力比 k路径表示施工填筑 ， k路 径表示下游坝壳蓄水期的应力路径 ， k路径表示上游坝壳蓄水 期的应力路径 。 周建方 进行了双江口心墙堆石坝粗粒土的等应力比路径三轴试验 ， 研究了等应力比路径下 变形特性 ， 并对邓肯张模型对该路径下的应力应变特性反映能力进行了验证 。 结果表明 ， 邓肯张 模型对该路径下的应力应变特性反映能力较差 。 试验还发现 ， 在同一（第二段 k路径）加荷过程

10、 中 ， k 时 ， q ， 偏应力 q处于卸载状态 ，s减小 ， 而 p 在增加 ， 体积应变也增加 ， 表现为体积屈 服表现为加载 ， 而剪切屈服表现为卸载 。 是否意味着对体积屈服和剪切屈服要分别判定 ？ 这一点 值得深入研究 。 真三轴因其结构复杂 ， 相关试验研究较少 ， 针对粗粒土的试验更少 。 笔者及其研究小组最近对 土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集 粗粒土进行了一系列真三轴试验研究 。 施维成等 对某粒径 mm 的砾石料进行了等 等 b 条件下真三轴试验 ， 研究了粗粒土的变形性质 。 研究表明 ： 在相同下加载 ， 随着 b 的不同 ， 中主 应变可能为正可

11、能为负 ， 小主应变都为负 ； 体积应变先压缩后膨胀 。 q与广义剪切应变s之间是与 b 有关的双曲线关系 。 柏树田 、 周晓光 利用大型平面应变仪对两种堆石料进行了平面应变条件下的试验研究 ， 发 现平面应变条件下堆石的应力 应变曲线与普通三轴试验结果差别较大 ， 前者呈明显的应变软化 特性 ； 平面应变条件下堆石泊松比基本上是常数 ， 而且小主应力对其影响较小 。 孔宪京 用局部位移计研究了堆石料在微小应变下各种变形模量与应力水平或应变水平的 相关性 。 单向压缩试验因设备简单 ， 试验方便 ， 在工程中仍广泛应用 。 但由于侧壁摩擦力等因素影响 ， 对准确了解粗粒土变形特性显得不足 。

12、 3 强度特性 3 1 粗粒土抗剪强度的特点 粗粒土的抗剪切强度与一般的粘土有所不同 ， 和砂土有某种程度的相似 。 其强度特点主要表 现在 ： （）粗粒土颗粒间联结力极弱 ， 粘聚力 c 。 故在一般情况下 ， 其抗剪强度由颗粒间摩擦力和 嵌合阻力（咬合力）组成 ， 在理论分析时往往把咬合力视为内摩擦力的一部分 ， 也可以将其作为粘聚 力考虑 。 （）粗粒土抗剪强度不仅与外荷载在剪切滑移面上引起的正应力有关 ， 而且也与堆石材料自身 的强度特性有关 。 （）在高应力条件下 ， 强度包络线不再是直线而是曲线 ， 随着应力水平的增加 ， 抗剪强度将有所 下降 ， 逐渐趋于某一稳定值 。 （）在高

13、应力下 ， 颗粒发生破碎 ， 变形和强度性质会发生改变 。 粗粒土的抗剪强度一般符合摩尔 库仑定律 ， 为一通过坐标原点的直线 。 内摩擦角主要取 决于粗粒土的密度 、 岩性 、 颗粒形状和表面特征等 ， 一般在 之间 。 研究表明 ， 密度越高 ， 粗粒土的内摩擦角越大 ； 颗粒越细小 ， 内摩擦角则愈小 ， 咬合力也愈低 ； 颗 粒表面粗糙度增大 ， 内摩擦角增大 ， 咬合力也就越大 。 粗粒土抗剪强度大致由三部分组成 ： （）粒间滑动摩擦阻力所发挥强度 ， 称为滑动摩擦强度分 量 ； （）颗粒与相邻颗粒间的咬合作用引起的剪胀所发挥的强度 ， 称为剪胀效应分量 ； （）在高压力 下颗粒挤碎

14、 、 排列和定向作用所需能量而发挥的强度 ， 称为挤碎重新排列作用分量 。 3 2 粗粒土抗剪强度 目前 ， 土的强度理论广泛采用 MohrCoulomb 强度理论 。 这一理论认为土的破坏是剪切破坏 ， 抗剪强度用凝聚力 c和内摩擦角表示 ， 其表达式为 ctan， 即破坏剪应力与法向应力呈线 性关系 。 但是多年来的大量粗粒土试验资料表明 ， ， 在围压逐渐增大后 ， 强度曲线不再是直线 ， 而是向下弯曲的曲线 。 因此 ， 线性强度理论不完全适用于粗粒土 ， 一些学者就提出了非线性的抗剪 强度表达式 。 （）陈梁生等 认为堆石料抗剪强度仍用 Coulomb 线性方程中 c tan表示 ，

15、 c ，是随 变化的函数 。 强度包线为非直线 ， 将包线分段 ， 在该段平均法向应力与强度线交点作切线 ， 该切 线与轴截距即 c 值 ， 切线与横轴夹角为， 当方向应力不同时就得到不同的切线及不同的 c ， 特邀及专题报告 强度参数 。 （）De Mellow ， 提出了非线性抗剪强度关系式 f A b n（） 式中 A ， b为材料的试验参数 。 殷家瑜等 、 张启岳 也用类似的指数方程表示强度规律 。 （）Duncan 等 提出抗剪强度 tg式中的非线性强度参数为 lg（ p a） ， 式中 ，为过原点的某一应力圆的切线与轴的夹角 ；、为强度参数 。 （）郭庆国 则提出了更一般的非线性强度表达式 c aPa（Pa） b （） 式中 a ， b为材料的试验参数 ；Pa为大气压力 。 （）Indraratra 给出了一个与初始试验条件无关非线性强度准则的表达式 fc m（nc） b （） 式中 m ， b为试验参数 ，c为母岩抗压强度 。 该式反映破坏时