徐文杰，張海洋

(清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

土石混合體研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

徐文杰，張海洋

(清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)土石混合體方面的研究資料的基礎(chǔ)上，分別從土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征、抗剪強(qiáng)度特征、宏觀彈性參數(shù)特征、滲透性特征、細(xì)觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度關(guān)系及細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)等6個(gè)方面，對(duì)土石混合體研究成果進(jìn)行了綜述。在此基礎(chǔ)上，對(duì)目前有關(guān)土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)研究方面存在的不足進(jìn)行了總結(jié)，分析了其未來的發(fā)展趨勢(shì)，指出綜合利用地質(zhì)學(xué)、幾何學(xué)、計(jì)算科學(xué)、圖像處理技術(shù)、形態(tài)學(xué)等多學(xué)科交叉技術(shù)對(duì)土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建和隨機(jī)生成;開發(fā)適用于復(fù)雜巖土介質(zhì)的數(shù)值結(jié)構(gòu)模型和新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面深入研究土石混合體宏觀變形與破壞機(jī)制并建立其結(jié)構(gòu)化本構(gòu)模型是未來發(fā)展的方向。

土石混合體;巖土力學(xué);抗剪強(qiáng)度;細(xì)觀結(jié)構(gòu);綜述

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)條件極為復(fù)雜的國(guó)家，地質(zhì)災(zāi)害在我國(guó)的發(fā)育不但數(shù)量多，而且種類全，崩塌、滑坡、泥石流等淺表生地質(zhì)災(zāi)害異常突出，由此產(chǎn)生的由滑坡堆積、崩塌堆積、殘積層、冰磧堆積、坡積層等組成的松散斜坡在我國(guó)廣泛分布。與一般的土體不同，構(gòu)成這類地質(zhì)體的主要物質(zhì)為土與塊石的混合物，其中塊石的粒徑較大，從幾厘米到數(shù)米不等，有的甚至超過數(shù)十米。由于構(gòu)成這類巖土介質(zhì)的“塊石”及“土”物理力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，使得其細(xì)觀及宏觀力學(xué)性質(zhì)、變形破壞特征較一般的土體或巖體(石)有很大的差異(圖1)，為區(qū)別于其他一般巖土體，Medley 等［1］將其命名為 Bimsoil(block in matrix soil)，在國(guó)內(nèi)油新華等［2］將其稱之為“土石混合體”(soil-rock mixtures，S-RM)。

圖1 土石混合體組成示意圖

土石混合體不但作為一種常見的地質(zhì)體存在于自然界中，而且由于其具有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)而被作為一種巖土工程材料廣泛應(yīng)用于多種工程建設(shè)中。構(gòu)成土石混合體的“塊石”和“土”在粒徑及物質(zhì)組分上存在明顯的差別，且兩者在力學(xué)性質(zhì)上呈現(xiàn)“極強(qiáng)”(塊石)和“極弱”(土體)兩個(gè)極端的差異性。這種差異性使土石混合體在物理力學(xué)性質(zhì)上呈現(xiàn)極端的不均質(zhì)性和極端的非線性特征，其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)及變形破壞特征不但取決于細(xì)粒相(“土”)的物理力學(xué)性質(zhì)，而且在很大程度上還取決于“塊石”的含量及其空間分布、形態(tài)、粒度組成等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。因此，總體上來講，土石混合體是指第四紀(jì)以來形成的，由具有一定工程尺度、強(qiáng)度較高的塊石、細(xì)粒土體及孔隙構(gòu)成且具有一定含石量的極端不均勻(inhomogeneous)松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)［3］。

土石混合體是隨著各類大規(guī)模巖土工程建設(shè)及巖土力學(xué)的發(fā)展而逐漸提出來的，它是當(dāng)代巖土力學(xué)縱深發(fā)展的必然。同時(shí)由于其物理力學(xué)性質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的傳統(tǒng)巖土力學(xué)理論體系難以描述土石混合體的力學(xué)行為特性，傳統(tǒng)的巖土試驗(yàn)測(cè)試方法也面臨著挑戰(zhàn)。

為了探討這種復(fù)雜巖土介質(zhì)的物理力學(xué)特性，以更好服務(wù)于各類工程建設(shè)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者逐漸開展了一系列相關(guān)研究工作。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)目前土石混合體研究的現(xiàn)狀及存在的不足之處進(jìn)行了分析，對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1 土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征研究

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同的角度對(duì)土石混合體內(nèi)部塊石的分布進(jìn)行了研究，近年來Medley［4-6］基于體視學(xué)方法提出了一種利用鉆孔巖芯所揭露塊石的弦長(zhǎng)來估計(jì)其內(nèi)部含石量的方法，并分析了該法獲取的含石量值與實(shí)際值之間的誤差，認(rèn)為其誤差取決于塊石形狀、含石量、塊石排列方向及研究尺度大小等因素，當(dāng)塊石形狀近似球形時(shí)通過二維斷面圖像獲取的含石量與其實(shí)際含石量近似相等［7］。此外，通過對(duì)Francisca地區(qū)分布的這種混合巖土體內(nèi)部塊石巖性、含石量、塊石粒度分布等特征系統(tǒng)研究，Medley［8］認(rèn)為其內(nèi)部塊石粒度分布具有良好的自相似性，并提出了其內(nèi)部土-石閾值等于0.05Lc(Lc為特征工程尺度)。徐文杰等［9-10］利用現(xiàn)場(chǎng)篩分及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)崩坡積型土石混合體的粒度組成分析表明:其內(nèi)部粒度組成具有明顯的分段分維特征，“細(xì)粒相”與“粗粒相”的粒度分界點(diǎn)(即閾值)為0.05～0.07Lc;內(nèi)部塊石在形態(tài)、空間分布等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征上呈現(xiàn)明顯的自相似性。Coli等［11］應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法通過頁巖-石灰?guī)r混雜土石混合體的斷面露頭圖像描述內(nèi)部塊石的形態(tài)和空間分布，并建立了土石混合體強(qiáng)度參數(shù)與描述塊石形態(tài)和空間尺寸分布的圖像參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

眾所周知，堰塞體的工程地質(zhì)特征與其內(nèi)部塊體的粒度組成有密切的關(guān)系，Casagli等［12］綜合采用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)(粗粒)+篩分(細(xì)粒)、圖像處理3種方法對(duì)構(gòu)成意大利亞平寧北部的42個(gè)堰塞體的土石混合體內(nèi)部塊體粒度組成進(jìn)行了研究，表明由3種方法獲得的塊體粒度分布較為一致，并且粒度分布呈現(xiàn)明顯的雙峰特征。

粗、細(xì)粒相間的具有明顯層狀結(jié)構(gòu)的土石混合體層，一直受到相關(guān)研究者的關(guān)注。Harris等［13］在對(duì)加拿大Yukon區(qū)及比利時(shí)的這種層狀土石混合體研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為兩地區(qū)的堆積層結(jié)構(gòu)具有明顯的相似性，這與外界氣候變化引起的凍融作用有關(guān)，塊石的大小與原巖巖性無關(guān)，而在很大程度上取決于原巖的破壞程度。

隨著地球物理探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前地球物理探測(cè)技術(shù)已被用于土石混合體邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基覆面探測(cè)方面，并取得了良好的成果。Sass等［14］利用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)奧地利阿爾卑斯山區(qū)分布的23個(gè)崩坡積成因的土石混合體邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、塊石分布、基覆面埋深等進(jìn)行了分析，表明內(nèi)部粒度組成具有明顯的成層性，其特征取決于基巖面的高差、坡度、形態(tài)等參數(shù)。

2 土石混合體力學(xué)特征研究

2.1 土石混合體抗剪強(qiáng)度特征

土石混合體的內(nèi)部含石量控制著其相應(yīng)的變形破壞發(fā)展，從而影響著其宏觀的力學(xué)性能，當(dāng)含石量超過某一臨界值時(shí)土石混合體的宏觀強(qiáng)度將隨著含石量的增加而增加，而“塊石”與“土體”之間的接觸帶是土石混合體中最薄弱的部位。

陳希哲［15］在多年理論及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為粗粒土受剪切破壞面并非平面，其強(qiáng)度來源也非顆粒表面的內(nèi)摩擦力，由于剪切面上的粗粒阻擋剪切、相互交錯(cuò)鑲嵌產(chǎn)生咬合力，使得粗粒土強(qiáng)度大幅度提高。郭慶國(guó)［16］在對(duì)多個(gè)地區(qū)粗粒土強(qiáng)度特征研究的基礎(chǔ)上，指出粗粒土的抗剪強(qiáng)度是由細(xì)料本身的強(qiáng)度、粗料的強(qiáng)度共同構(gòu)成的。指出粗料含量30%及70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)是粗粒土的兩個(gè)特征點(diǎn)，而含泥量10%是反映細(xì)料性質(zhì)對(duì)粗粒土工程特征影響的特征點(diǎn)。

Miller等［17-18］通過對(duì)黏土和粗砂所構(gòu)成的混合物的三軸壓縮試驗(yàn)探討了粗顆粒含量對(duì)其宏觀黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響，表明當(dāng)粗粒含量增加到50% ～70%時(shí)內(nèi)摩擦角將迅速增加，而黏聚力則隨著粗粒含量的增加而降低。Patwardhan等［19］通過對(duì)含礫石黏土的大型直剪試驗(yàn)研究了含石量對(duì)其宏觀抗剪強(qiáng)度的影響，表明當(dāng)含石量較低時(shí)(＜40%)抗剪強(qiáng)度隨著含石量的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，而當(dāng)含石量超過40%時(shí)其抗剪強(qiáng)度將急劇增加。Shakoor等［20］通過對(duì)含礫石黏土的大型直剪試驗(yàn)表明隨著含石量的增加其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度將呈降低趨勢(shì)。Savely［21］通過大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了卵礫石含量對(duì)宏觀抗剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為宏觀材料的黏聚力與卵礫石的含量無關(guān)，其值近似等于基質(zhì)材料的黏聚力;而內(nèi)摩擦角則隨著含石量的增加而增加。田永銘等［22］通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了宏觀各向同性混雜巖土體的宏細(xì)觀力學(xué)行為，認(rèn)為混雜巖土體的黏聚力隨著塊石體積含量的增加而降低，內(nèi)摩擦角則呈上升趨勢(shì)。

Lindquist等［23-24］采用水泥土等作為填充材料、塊石作為骨料按照一定的含石量及定向性制作試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)研究，以探討這類巖土介質(zhì)內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)上的各向異性對(duì)其宏觀強(qiáng)度及變形特征的影響。Fragaszy等［25-26］通過理論及試驗(yàn)研究認(rèn)為超徑顆粒增加了碎石土的孔隙比，進(jìn)而影響其相對(duì)密度，且碎石土的密度是土體及超徑顆粒相對(duì)密度的函數(shù);通過研究超徑顆粒的大小、形狀、含石量及粒度分布等對(duì)碎石與砂的混合物抗剪強(qiáng)度特征的影響，發(fā)現(xiàn)超徑顆粒的含量是影響其抗剪強(qiáng)度特征的主要因素。Kim等［27］在對(duì)1996—1997年發(fā)生在加利福尼亞Francisca地區(qū)的土石混合體滑坡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)野外調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，基于反分析提出了一種用于評(píng)價(jià)這類復(fù)雜巖土體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的反演方法。Vallejo等［28-29］研究分析了土石混合體內(nèi)部含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度及孔隙比的影響。Bagherzadeh-Khalkhali等［30］采用數(shù)值和室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究了不同尺度和級(jí)配曲線處理方法下的粗粒土力學(xué)特征，認(rèn)為顆粒尺寸對(duì)粗粒土抗剪強(qiáng)度有重要影響，隨著顆粒尺寸的增大內(nèi)摩擦角和試樣的剪脹現(xiàn)象增加，試樣尺度增加使得表觀黏聚力減小。Dondi等［31］采用三軸試驗(yàn)研究瀝青混合物中骨料形狀、棱角性和尺寸分布對(duì)填充物特征的影響，認(rèn)為顆粒棱角性增加有助于顆粒間更好地咬合。

在非飽和狀態(tài)下由于基質(zhì)吸力的存在使得土石混合體內(nèi)部抗剪強(qiáng)度大于飽和狀態(tài)相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度。Springman等［32］通過現(xiàn)場(chǎng)人工降雨試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)、室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)對(duì)Gruben(瑞典)某冰水堆積體進(jìn)行了研究，探討了這類堆積體在降雨條件下的失穩(wěn)機(jī)理。時(shí)衛(wèi)民等［33-36］采用直剪試驗(yàn)對(duì)碎石土的抗剪強(qiáng)度與含石量、含水量等的關(guān)系進(jìn)行了研究。張文舉等［37］通過對(duì)泥石流礫石土的抗液化強(qiáng)度的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究，表明飽和度對(duì)其動(dòng)強(qiáng)度有顯著的影響，且隨著含水量的增加抗液化強(qiáng)度將明顯降低。李維樹等［38］基于庫區(qū)水位漲落引起土石混合體含水率變化的特點(diǎn)，建立了不同含石量下抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化的弱化公式。程展林等［39］認(rèn)為顆粒間的位置排列和粒間作用對(duì)粗粒土的力學(xué)性質(zhì)有重要影響，并且認(rèn)為許多問題都涉及到粗粒土的組構(gòu)問題。油新華等［40］采用野外水平推剪試驗(yàn)對(duì)三峽庫區(qū)分布的土石混合體進(jìn)行了試驗(yàn)研究。此外，李樹武等［41］采用土石混合體邊坡的休止角來近似作為土石混合體內(nèi)摩擦角。

徐文杰等［42-47］提出了水下土石混合體野外水平推剪試驗(yàn)及大尺度直剪試驗(yàn)的方法，在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上認(rèn)為:浸水后由于水流作用將內(nèi)部細(xì)粒組分帶走使得其黏聚力急劇降低而內(nèi)摩擦角略呈增大趨勢(shì);土石混合體的抗剪強(qiáng)度在很大程度上取決于其內(nèi)部含石量特征，隨著含石量的增加其內(nèi)摩擦角呈明顯增大趨勢(shì)，并在含石量30% ～70%時(shí)呈明顯的線性增大趨勢(shì)，而黏聚力隨著含石量的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì);當(dāng)含石量一定時(shí)其黏聚力主要取決于內(nèi)部細(xì)粒組分;循環(huán)荷載作用下由于剪切帶附近的塊石旋轉(zhuǎn)、定向排列甚至發(fā)生破碎，使得其抗剪強(qiáng)度大幅度降低。

2.2 土石混合體本構(gòu)關(guān)系

巖土體的本構(gòu)模型研究一直是巖土力學(xué)研究中比較熱門的課題，國(guó)內(nèi)外研究者已提出了多種數(shù)學(xué)本構(gòu)模型，但是針對(duì)土石混合體的本構(gòu)模型研究較少，大部分應(yīng)用于土石混合體的本構(gòu)模型是在黏土或砂土本構(gòu)模型基礎(chǔ)之上改進(jìn)的。目前粗粒土計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛的本構(gòu)模型有鄧肯-張模型(包括E-ν模型和E-B模型)、K-G模型、橢圓-拋物雙屈服面模型等非線性彈性模型和彈塑性模型。由于鄧肯-張模型具有參數(shù)少、物理意義明確、容易推求并能夠反映其非線性特征等優(yōu)點(diǎn)而在土石壩工程計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛，但因鄧肯-張模型存在不能反映土的剪脹性、軟化特性、各向異性及加卸荷判斷不明確等不足［48］，在實(shí)際計(jì)算中常存在較大的誤差，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此從不同的方面進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)［49-50］。

2.3 土石混合體宏觀彈性參數(shù)特征

如何通過材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征來獲取其相應(yīng)的宏觀力學(xué)行為是材料力學(xué)研究者一直以來所探索的問題。1910年Voigt將復(fù)合材料視為一組并聯(lián)彈簧，提出了復(fù)合材料宏觀彈性模量的上限表達(dá)式;相反地，1929年Reuss將復(fù)合材料視為一組串聯(lián)彈簧，提出了復(fù)合材料宏觀彈性模量的下限表達(dá)式。

Hashin等［51］等利用變分原理推導(dǎo)了用于宏觀各向同性顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀彈性參數(shù)，即H-S模型。Hill［52］在假定復(fù)合材料內(nèi)部任一塊體的受力狀況可以代表材料內(nèi)部所有塊體的受力狀況而不考慮塊體間相互作用的前提下，推導(dǎo)了多相復(fù)合材料的宏觀彈性模量參數(shù)，即Self-consistent scheme法。

由于復(fù)合材料的宏觀力學(xué)特征可以表示為內(nèi)部塊體含量的函數(shù)，Mclaughlin［53］根據(jù)各向異性材料的相關(guān)理論提出了兩種顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀彈性模量的差分方程。田永銘等［22］通過對(duì)紅土-礫石及泥巖-碎石混雜巖土體的室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果分析表明:單軸壓縮試驗(yàn)獲取的宏觀彈性模量值介于HS模式下限值與Reuss串聯(lián)模式之間;通過三軸試驗(yàn)獲取的宏觀彈性模量則一般介于Mclaughlin差分模式與H-S模式下限值之間;泊松比以Reuss串聯(lián)模式所求值最為符合。Hashin［54］根據(jù)彈性體的最小勢(shì)能及最小余能理論提出內(nèi)部含有剛性顆粒的復(fù)合材料彈性參數(shù)計(jì)算公式。為了研究含塊石黏土(clay-rock mixtures)的彈性參數(shù)，Vallejo等［55］將Hashin的理論成果應(yīng)用于不飽和含塊石黏土的彈性參數(shù)獲取，并通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究及統(tǒng)計(jì)分析表明采用Hashin法可以較為準(zhǔn)確地獲取含塊石黏土的彈性參數(shù)。

此外，國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者還探討了顆粒形態(tài)特征、密度、試驗(yàn)加載方式等對(duì)土石混合體宏觀彈性模量的影響。Kokusho等［56］認(rèn)為菱角狀人工碎石料在固結(jié)壓力下，顆粒間接觸點(diǎn)容易破碎，形成較強(qiáng)的顆粒構(gòu)造，其初始剪切模量大于河卵石料。賈革續(xù)［57］認(rèn)為相同密度下隨著試驗(yàn)用料粒徑變小初始剪切模量有下降的趨勢(shì)。

3 土石混合體滲透特征研究

滲透系數(shù)是巖土工程滲流分析中非常重要的計(jì)算參數(shù)，也是用來評(píng)價(jià)巖土介質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。含石量及內(nèi)部填充“土體”性質(zhì)是決定土石混合體滲透特征的主要因素。此外，由于土石混合體的高度不均質(zhì)性造成其抗?jié)B透能力較差，在水流作用下極易發(fā)生管涌及流土等滲透破壞。由于對(duì)這類介質(zhì)滲透穩(wěn)定性特征認(rèn)識(shí)上的不足，常給工程造成極大的影響，如美國(guó)Teton壩的潰決、Fontenelle壩的滲透破壞等。土石混合體的滲透穩(wěn)定性問題是反映土石混合體滲透特征的另一個(gè)重要指標(biāo)，通常采用水力破壞坡降對(duì)土體滲透穩(wěn)定性做出定量的分析。

3.1 土石混合體的滲透系數(shù)

對(duì)于粗粒土滲透系數(shù)特征的研究，西方國(guó)家處于領(lǐng)先地位，我國(guó)起步相對(duì)較晚［58］。在對(duì)多個(gè)工程實(shí)例分析的基礎(chǔ)上，郭慶國(guó)［16］指出當(dāng)粗粒含量P5(粒徑大于5 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù))＜30%時(shí)，粗顆粒在粗粒土中只起填充作用，粗粒土滲透系數(shù)主要取決于細(xì)粒物質(zhì)，滲透系數(shù)隨著含石量的增加將有所減小，滲流規(guī)律符合達(dá)西定律;當(dāng)P5＞75%時(shí)粗粒在粗粒土中起到骨架作用，由于細(xì)粒物質(zhì)填充不滿骨架間的孔隙，使得滲透系數(shù)突然增加，此時(shí)粗粒土的滲透系數(shù)主要取決于粗料性質(zhì)，滲流規(guī)律將不再符合達(dá)西定律。

Bolton［59］通過對(duì)黏土與砂的混合物(clay/sand mixture)滲透性特征的研究表明:該類巖土體的滲透性不但與有效應(yīng)力有關(guān)，而且與土體的固結(jié)狀態(tài)及有效應(yīng)力是否隨著圍壓(或孔隙流體壓力)的增大而增大有關(guān)。Borgesson等［60］研究了用于地下核廢料儲(chǔ)藏室回填的斑脫土與碎石混合物，認(rèn)為由于斑脫土與碎石的混合不均勻造成混合填料的膨脹力及滲透性較理論值高。

周中等［61］采用室內(nèi)正交試驗(yàn)研究表明，礫石含量越多滲透系數(shù)越大，孔隙比越大滲透系數(shù)越大，顆粒磨圓度越大滲透系數(shù)越小，并給出了土石混合體滲透系數(shù)與三者的關(guān)系表達(dá)式。許建聰?shù)龋?2］采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)碎石土的滲透性進(jìn)行了分析研究，表明碎塊石的含量和以粉粒、黏粒為主的細(xì)粒土的含量對(duì)碎石土滲透系數(shù)影響最為顯著，碎石土的滲透系數(shù)隨土中碎塊礫石含量的增加而呈自然指數(shù)規(guī)律增大，隨土中小于0.1 mm粒徑的細(xì)粒土含量的增加而呈自然指數(shù)規(guī)律降低。魏進(jìn)兵等［63］采用雙套環(huán)法對(duì)三峽庫區(qū)泄灘滑坡區(qū)分布的土石混合體飽和滲透系數(shù)進(jìn)行了原位試驗(yàn)，并采用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式分析了土層孔隙率、顆粒級(jí)配等因素對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的影響。

徐文杰［3］通過對(duì)不同含石量、不同粒度組成及不同塊石形態(tài)的土石混合體滲透性數(shù)值試驗(yàn)分析表明，土石混合體的宏觀滲透系數(shù)位于 Maxwell-Eucken模型計(jì)算值kS-RM(ME)與有效介質(zhì)理論模型計(jì)算值kS-RM(EMT)之間，即

式中:kup、klow分別為土石混合體宏觀滲透系數(shù)上、下限值;k、C分別代表各組分的滲透系數(shù)及體積分?jǐn)?shù)，下標(biāo)S-RM、S、R分別代表土石混合體、“土體”及“塊石”。kS-RM(EMT)通過隱式方程計(jì)算求得:

3.2 土石混合體的滲透穩(wěn)定性

為了研究這類巖土介質(zhì)的滲透穩(wěn)定性特征，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在含石量對(duì)水力破壞坡降的影響方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究［64］。郭慶國(guó)［16］認(rèn)為水力破壞坡降與含石量有著密切的關(guān)系，當(dāng)含石量大于70%時(shí)粗粒土的水力破壞坡降顯著減小，其滲流破壞形式主要為管涌。朱崇輝等［65］認(rèn)為粗粒土的滲透破壞坡降與不同范圍內(nèi)的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)存在不同形式的相關(guān)性，并且對(duì)于含有一定細(xì)粒組分且級(jí)配良好的粗粒土滲透破壞坡降比級(jí)配不良的粗粒土滲透破壞坡降普遍要高。

4 土石混合體細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究

隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)及巖土力學(xué)的不斷發(fā)展，基于數(shù)值分析技術(shù)的巖土介質(zhì)細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)作為一門新興的試驗(yàn)方法深受國(guó)內(nèi)外研究者的青睞，為研究這類復(fù)雜介質(zhì)的細(xì)觀力學(xué)行為及變形破壞機(jī)理提供了有力的手段［66-69］。

Kaneko等［70］將離散元及有限元進(jìn)行耦合建立了用于粒狀巖土材料的宏觀及細(xì)觀兩種尺度的數(shù)值分析方法，并對(duì)其相應(yīng)的整體-局部剪切帶發(fā)育特征進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Kristensson等［71］基于計(jì)算機(jī)并行技術(shù)對(duì)砂土內(nèi)部含有堅(jiān)硬塊石(stiff gravel)及軟黏土(soft clay)兩種情況時(shí)內(nèi)部剪切帶的發(fā)育特征進(jìn)行了細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究，認(rèn)為塊石(或黏土顆粒)形狀對(duì)其宏觀力學(xué)響應(yīng)影響不大，但對(duì)這兩類混合巖土介質(zhì)(sand-gravel，sand-clay)內(nèi)部應(yīng)變局部化發(fā)育特征有很大的差異性影響。

油新華［2］、廖秋林［72］分別采用規(guī)則幾何體(圓形、正多邊形)對(duì)土石混合體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維隨機(jī)生成，并對(duì)其力學(xué)性質(zhì)及變形破壞機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究。李世海等［73］基于離散元數(shù)值分析方法對(duì)隨機(jī)生成的土石混合體三維結(jié)構(gòu)模型(顆粒為球形)進(jìn)行了單向加載試驗(yàn)?zāi)M研究，認(rèn)為土石混合體的混合比和巖石塊度大小是影響其變形和破壞特性的兩個(gè)重要因素。

徐文杰等［3，74-76］采用數(shù)字圖像處理及隨機(jī)生成技術(shù)分別生成了土石混合體隨機(jī)細(xì)觀(圖2)及真實(shí)結(jié)構(gòu)模型(圖3)，并進(jìn)行了一系列的數(shù)值試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:土石混合體內(nèi)部剪切帶的形成很大程度上取決于其內(nèi)部塊石空間分布特征，并在細(xì)觀層次上呈3種損傷模式(塑性區(qū)單向繞石、塑性區(qū)分岔并雙向繞石及塑性區(qū)穿石);土石混合體的宏觀彈性模量主要取決于其含石量，并隨含石量的增加呈遞增趨勢(shì);土-石界面特征對(duì)土石混合體的宏觀力學(xué)性能有明顯的影響，尤其是在低圍壓條件下其影響更為顯著。

圖2 土石混合體隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型(含石量為50%)

Mollon等［77］基于傅里葉描述因子和Voronoi棋盤劃分法生成了任意形狀的顆粒材料二維密實(shí)離散模型用于細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究。Lee等［78］采用多面體單元模擬真實(shí)顆粒，進(jìn)行了不同圍壓和不同初始孔隙率下的三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)，所得偏差應(yīng)力曲線和體應(yīng)變曲線證明了多面體單元應(yīng)用于數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的可行性。

5 土石混合體研究發(fā)展趨勢(shì)

圖3 基于數(shù)字圖像的土石混合體真實(shí)結(jié)構(gòu)模型

土石混合體是隨著當(dāng)今大規(guī)?；A(chǔ)工程建設(shè)及巖土力學(xué)的縱深發(fā)展，而逐漸從傳統(tǒng)巖土介質(zhì)中分離出來的一類復(fù)雜巖土介質(zhì)系統(tǒng)。構(gòu)成土石混合體的細(xì)粒相(“土體”)及粗粒相(“塊石”)在物理力學(xué)性質(zhì)上具有極端的差異性，從而使得其物理力學(xué)性質(zhì)在細(xì)觀尺度上具有明顯的各向異性，進(jìn)而影響著其宏觀的性質(zhì)及變形破壞機(jī)理。

縱觀當(dāng)今國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)土石混合體的研究，雖然取得了一定的成果，但是由于土石混合體是一種復(fù)雜的巖土介質(zhì)，影響其物理力學(xué)性質(zhì)的因素很多，且由于目前技術(shù)及測(cè)試手段的限制，對(duì)這類巖土介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的研究工作還需不斷深化。

a.由于土石混合體內(nèi)部含有粒徑較大且強(qiáng)度較高的塊石，現(xiàn)有試驗(yàn)手段難于滿足精確獲取物理力學(xué)參數(shù)的要求，以致常常造成相應(yīng)工程建設(shè)資金浪費(fèi)，甚至由于參數(shù)選擇的不合理造成工程建設(shè)的失敗。開發(fā)這類復(fù)雜巖土介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)精確獲取的新技術(shù)、新方法(室內(nèi)、野外)及研制相應(yīng)設(shè)備以研究其在復(fù)雜環(huán)境下(高壓、動(dòng)力及飽和、非飽和等)的物理力學(xué)性質(zhì)，并建立其結(jié)構(gòu)化本構(gòu)模型是目前亟待解決的問題。

b.目前隨著各類無損探測(cè)技術(shù)及圖像獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是CT斷層掃描技術(shù)的發(fā)展并在醫(yī)學(xué)三維重建中得到了廣泛的應(yīng)用，這為土石混合體三維結(jié)構(gòu)特征的研究提供了可靠的技術(shù)支持?；谕潦旌象wCT斷層掃描技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)特征研究、三維幾何重建技術(shù)、軟件系統(tǒng)的研發(fā)及相應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)研究，將具有廣泛的發(fā)展前景。

c.目前對(duì)土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)的研究大都沒有考慮到“塊石”的破碎情況，而在實(shí)際工程中由于“塊石”的強(qiáng)度較低或者外部荷載較高，導(dǎo)致土石混合體在變形破壞過程中不但伴隨著塊石的轉(zhuǎn)動(dòng)、咬合等運(yùn)動(dòng)，而且還伴有塊石的破碎現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜，開展相關(guān)研究也是土石混合體力學(xué)研究的重要方向。

d.由于土石混合體內(nèi)部塊石形態(tài)非常復(fù)雜，隨著各門學(xué)科及各項(xiàng)技術(shù)的不斷融合發(fā)展，充分利用地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、幾何學(xué)、計(jì)算科學(xué)、圖像處理技術(shù)、體視學(xué)、形態(tài)學(xué)等多學(xué)科的交叉技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)土石混合體近似真實(shí)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)生成，對(duì)于土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)的深入研究將具有重要意義。

e.隨著計(jì)算力學(xué)理論、數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，基于土石混合體結(jié)構(gòu)模型體系的細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)研究將成為必然，也是深入認(rèn)識(shí)其力學(xué)性質(zhì)及變形破壞機(jī)制的重要方法。探索適合土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)乃至跨尺度結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的有效的數(shù)值計(jì)算方法(如有限元法、離散元法等)，同時(shí)充分利用現(xiàn)行高速計(jì)算分析技術(shù)(并行計(jì)算、GPU等)，開展大規(guī)模、多尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算分析具有廣闊的發(fā)展前景。

f.土石混合體內(nèi)部尺度較大的塊石在某種程度上控制著其宏觀的變形和破壞，發(fā)展高精度探測(cè)技術(shù)對(duì)由土石混合體構(gòu)成地質(zhì)體(如邊坡、地基等)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)(尤其是巨型塊石的形態(tài)及空間位置)進(jìn)行定量分析，對(duì)其穩(wěn)定分析及加固處理技術(shù)具有重要的意義。

6 結(jié)語

土石混合體是自然界中廣泛存在的也是工程中常見的一類復(fù)雜巖土材料，由于這類特殊的巖土介質(zhì)在空間結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出高度的不均勻性，給土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)的研究帶來了很大的困難。隨著各類大規(guī)模工程建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的工程問題與土石混合體的工程性質(zhì)密切相關(guān)，這將不斷促使巖土工程及地質(zhì)工程研究者開展各種相關(guān)研究工作。土石混合體工程地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的研究，已成為當(dāng)今工程建設(shè)亟待解決的問題，也是當(dāng)今巖土力學(xué)及工程地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然。

本文在對(duì)近十幾年來國(guó)內(nèi)外在土石混合體這類巖土介質(zhì)方面的研究成果分析的基礎(chǔ)上，對(duì)土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征、抗剪強(qiáng)度特征、宏觀彈性參數(shù)特征、滲透性特征、細(xì)觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度關(guān)系及細(xì)觀力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)等6個(gè)方面的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并對(duì)其中存在的問題進(jìn)行了探討。最后針對(duì)目前對(duì)土石混合體的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)手段對(duì)土石混合體今后幾年的研究趨勢(shì)進(jìn)行了論述。

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Research status and development trend of soil-rock mixture

XU Wenjie，ZHANG Haiyang(State Key Laboratory of Hydroscience and Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Beijing10084，China)

Based on research data on soil-rock mixtures at home and abroad，the research status of soil-rock mixtures was analyzed in terms of meso-structure properties，shear strength properties，macro-elastic parameters，permeation properties，the relationship between meso-structure properties and shear strength properties，and the numerical tests of meso-mechanics of soil-rock mixtures.The deficiency of studies of physical and mechanical properties of soil-rock mixtures were summarized and its development trend was also analyzed on the basis of the research status of soil-rock mixtures.An interdisciplinary technology integrating geology，geometry，computational science，image processing technology，and morphology was used to three dimensions reconstruct and to randomly generate the meso-structure of the soil-rock mixture.The numerical structural model and new laboratory equipment applicable to the complex geotechnical media should be developed.The macroscopic deformation and failure mechanisms of soil-rock mixture should be studied in-depth at meso-structure level and the trend of development should move toward the establishment of a structural constitutive model.

soil-rock mixture(S-RM);rock and soil mechanics;shear strength;meso-structure;review

TU43;TU45

A

1006-7647(2013)01-0080-09

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.019

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51109117);清華大學(xué)自主科研計(jì)劃(20111081125);地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGP2011K015，GZ2007－10)

徐文杰(1978—)，男，山東日照人，講師，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)工程等研究。E-mail:wenjiexu@tsinghua.edu.cn

2012-04-09 編輯:熊水斌)