中國寒區粗粒土力學研究現狀與進展

屈永龍， 倪萬魁， 牛富俊， 穆彥虎， 張猛， 金鑫

(1.西安工業大學建筑工程學院， 西安 710021； 2.長安大學地質工程與測繪學院， 西安 710054； 3.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室， 蘭州 730000)

隨著川藏鐵路、川藏高速、青藏高速以及墨脫水電站等國家大型基礎設施的興建，中國西部高海拔寒冷地區將迎來土木、交通和水利等工程建設的新熱潮，對加快西部區域經濟發展和提高人民生活水平具有重要意義[1-2]。

粗粒土通常是指粒徑大于0.075 mm的粗顆粒含量超過50%的混合土，是路基、土石壩等基礎設施建設工程的主要材料[3]。在寒冷地區，一般認為粗粒土的顆粒粗、孔隙大、儲水性差，其顆粒表面極少存在薄膜水，冬季凍結時幾乎不產生水分正向遷移，屬弱凍脹土[4]。然而，近年來哈大線等寒區高鐵的建設和運營中，人們發現粗粒土路基會產生明顯的不均勻凍脹變形，是這些地區高鐵工程的安全隱患[5]。強烈的寒凍風化作用使高寒山區廣泛分布著粗粒土斜坡，其具有海拔高、自穩性差、復發性強、突發性高等特點，一旦失穩可演化成大規模地質災害，給區域基礎設施和人民生命財產造成嚴重損失[6]。如2010年3月發生的四川趙瑪山高速滑坡，沿溝谷形成長1.9 km的堆積體，掩埋公路、形成堰塞湖；2013年3月的西藏甲瑪特大型滑坡，形成長3.0 km的堆積體，掩埋83名工人和大量房屋等[7]。因此，寒區粗粒土的力學性質和理論逐漸成為巖土力學與災害防治領域的研究熱點。

為了更好地了解目前寒區粗粒土力學的研究現狀，在對中外相關文獻調研的基礎上，對采用室內大型試驗、數值模擬和理論分析等手段，建立考慮粗粒土特殊性的本構關系，探索粗粒土的物理力學特性，揭示粗粒土的界面問題等方面的研究進展進行詳細綜述，并結合筆者已有探索成果對寒區粗粒土力學性質和理論研究的發展進行探討。

1 粗粒土的本構關系

本構關系是材料應力-應變關系的數學表達，是現代土力學的重要基礎理論，常受土性、溫度、濕度以及時間等因素影響[8-9]。文獻[3]通過大量試驗對土石壩粗粒土開展長期研究，指出粗粒土的應力-應變關系比細粒土更復雜，具有剪脹性、顆粒破碎和應變軟化性等特殊性。文獻[10]將鄧肯-張模型、沈珠江雙屈服面模型(南水模型)等應用于粗粒土力學研究中，這些模型雖使用廣泛，但仍存在局限性，如鄧肯-張模型無法合理反映粗粒土的剪脹性，沈珠江模型在高圍壓或較大剪應變條件下容易高估粗粒土的剪脹性等[11]。鑒于此，中外學者基于大型三軸試驗[3,12]和數值模擬[13]等手段對粗粒土的本構關系進行深入研究，建立了考慮粗粒土不同特性的本構模型。

1.1 考慮剪脹性的模型

為考慮粗粒土的剪脹性，人們引入臨界狀態理論，將粗粒土峰值應力比和剪脹比作為狀態參數，提出了考慮應變軟化和剪脹性的彈塑性模型，以描述較大密度和壓力范圍內粗粒土的剪脹性和應變軟化性[14]。在鄧肯-張模型的基礎上，程展林等[15]將不同應力狀態下的剪脹方程參數Kf近似為常數，提出了非線性剪脹模型，來表征顆粒材料的體變過程。對于因顆粒和排列差異造成粗粒土的剪脹各向異性，塑性體應變和剪應變耦合的硬化參數被提出，建立了初始各向異性的彈塑性模型[16]，能較好地反映粗粒土在初始及后續各向異性狀態下的剪脹性。基于理想彈塑性和光滑遲滯特性的理論，Tasiopoulou等[17]提出了反映砂土的循環移動、靜態液化、致密化等復雜特征的本構模型，并通過試驗證實了模型的適用性。

1.2 考慮顆粒破碎的模型

對于粗粒土的顆粒破碎性，學者們通過引入了熱力學理論、臨界狀態理論及均勻化理論等，對粗粒土本構關系開展研究。對于無黏性粗粒土，初始狀態參量被用于描述其內部狀態，從而建立考慮顆粒破碎的粗粒土剪脹模型[18]，該模型可較好模擬不同初始密度和應力水平下粗粒土的顆粒破碎影響規律。孫海忠等[19]提出了顆粒破碎修正的硬化準則和剪脹方程，并基于有效塑性功的概念，建立了考慮顆粒破碎的粗粒土臨界狀態彈塑性模型，能較好描述低圍壓和相對中高圍壓下的強度和變形特性?；跓崃W和微極理論，劉恩龍等[20]引入顆粒破碎準則，采用均勻化理論建立了顆粒尺度的應力-應變關系，提出了考慮顆粒破碎的微觀力學模型。該模型可反映粗粒土顆粒破碎前后的應力增減特征，但由于實際顆粒的隨機排列和粒徑變化等，其應用仍具有局限性。

1.3 考慮非線性的模型

粗粒土的應力-應變關系非常復雜，在密實度、圍壓等因素影響下可呈現應變硬化和應變軟化兩種非線性特征[3,21]。Cameron等[22]提出了允許屈服前的非線彈性變形和屈服后的非相關的塑性變形的本構模型，以表征粗粒土的膨脹、摩擦強度等特性。對于土石壩粗粒土特性，Brito等[23]通過考慮允許屈服面上出現塑性應變，建立了實現彈-塑性平滑轉換的本構模型來反映Odelouca大壩中不同粗顆粒含量的土石混合料的力學行為。對于低密度粗粒土的應變硬化性，徐明等[24]基于堆石料的強度、剛度和體變等隨應力水平的變化規律，提出了考慮粗粒土剪切特征的應變硬化模型。同時，劉萌成等[25]通過堆石料大型試驗，提出了更適合粗粒土小變形的指數模型，其精度比傳統鄧肯-張模型更高。

鑒于本構模型研究中多采用的常規大型三軸試驗無法考慮中主應力的影響，曾晟等[26]借鑒統一強度理論與擾動狀態概念，建立了同時考慮中間主應力和擾動影響的粗粒土本構模型，并通過試驗進行驗證。施維成等[27]采用真三軸試驗研究了球應力p和偏應力q對堆石壩粗粒土本構關系的影響，并探討了體積應變和偏應變的變化規律，為構建本構模型提供有益依據。同時，與傳統彈塑性理論不同，亞塑性理論被引入粗粒土本構關系研究，建立了張量表示的粗粒土亞塑性損傷模型[28]。該模型可較好反映粗粒土的非線性特征以及低壓剪脹、高壓剪縮等體變特性，但實用性仍有待檢驗和改進。

1.4 考慮凍融效應的模型

對于多年凍土區粗粒土的力學理論，Zhang等[29]基于Lade-Duncan模型提出了考慮溫度和粗粒含量的強度準則，以反映不同圍壓下凍結粗粒土的強度規律。羅飛等[30]將凍結砂土視為復合顆粒材料，忽略冰的壓融，考慮內摩擦角隨應力狀態的變化，建立了可反映顆粒破碎的凍結砂土非線性模型。為考慮受荷凍土的時間效應和損傷特性，硬化和損傷變量被引入低溫凍土蠕變試驗研究，Hou等[31]提出了基于改進西原模型的蠕變模型，來表征凍結粗粒土的蠕變特性。張德等[32]通過修正Mohr-Coulomb屈服準則來描述凍土微元強度破壞準則，假設損傷服從Weibull隨機分布，建立了凍結砂土的受荷損傷本構模型。

在季節性凍土區，反復凍融下冰水相變與遷移是影響巖土應力-應變關系的重要環境因素，但相應的本構模型研究并不多。對此，常丹等[33]引入模量殘余比和凍融循環次數等參數，建立了凍融粉砂土的雙屈服面本構模型，以預測不同圍壓及凍融循環下的應力-應變關系以及凍融循環對粉砂土的力學性質的影響。Qu等[34]試驗發現一定含水率w和干密度ρd條件下，循環凍融作用使黏質粗粒土的應力-應變(σ-ε)關系的應變軟化性減弱，甚至在接近飽和時由弱應變軟化型向硬化型過渡，如圖1[34]所示。

綜上可見，寒區粗粒土的本構關系研究取得長足發展，但客觀地講，這些模型仍以描述粗粒土某單個特征為主，多適用于特定土性和試驗條件下，在全面表征其特殊性方面還存在困難，尤其是準確反映凍結-融化作用對粗粒土應力-應變關系的影響特征的本構模型尚未建立，還需進一步研究。

圖1 凍融粗粒土的應力應變關系曲線[34]Fig.1 Stress-strain relationship of coarse-grained soil under different freeze-thaw cycles[34]

2 粗粒土的物理特性

2.1 基本物理特性

在粗粒土的物理特性中，壓實性是工程領域最關注的性質之一，相應研究多集中在顆粒級配、含水率、密度、壓實功能等因素的影響規律及其內部機制[3,21]。對于顆粒級配的影響，Chang等[35]認為細粒土含量是決定砂-粉土混合料密實性的主因，并指出其最大孔隙比emax和最小孔隙比emin存在線性關系。基于大型擊實試驗，朱宏祥等[36]和杜俊等[37]研究發現，粗粒含量對粗粒土最大干密度的影響顯著，提出70%是臨界粗粒含量，認為最優含水率隨粗粒增多而減小。對于壓實試驗參數的影響，楊志浩等[38]通過表面振動壓實試驗研究了激振頻率對粗粒土壓實性的影響，發現小于卓越頻率時，干密度隨頻率增加而增大，大于時相反；朱俊高等[39]進一步指出激振時間和壓重的增加可提高粗粒土的干密度和相對密度，但增幅逐漸減小。此外，與細粒土不同，粗粒土在壓實過程中存在顯著的顆粒破碎現象[18-19]。對此，Patakiewicz等[40]研究發現不同硬度的顆粒具有不同的壓實破碎率；反復壓實很難改變更新世河砂與海砂的均勻系數和最大干密度，但能有效提高全新世河砂以及冰川中砂和礫石的壓實性。杜俊等[37]研究表明粗粒土顆粒破碎后的粒徑分布具有分形特征，分形維數隨含水率的增加而增大，但破碎率受粗粒含量的影響更顯著。

2.2 水理特性

水理性是土石壩粗粒土填料研究領域的關注重點，是影響工程質量和安全的物理特性。基于粗粒土滲透試驗。Indrawan等[41]研究發現，粗粒含量的增加能提高殘積粗粒土的滲透率，降低收縮系數。Choo等[42]指出粗粒土的滲透系數K由孔隙度和顆粒粒徑決定；而地層因子F(或電導率)主要由孔隙度影響。邵建偉等[43]基于滲透試驗對粗粒土的滲透性受密度、粒徑、級配以及孔隙比等因素的影響規律開展了一系列研究工作，發現砂土的滲透系數隨干容重的增加而減小，隨均值粒徑的增加而快速增大。朱崇輝等[44]指出粗粒土的滲透系數分別與不均勻系數和曲率系數有較強相關性，提出了太沙基修正公式來表征反映二者關系。此外，三維顆粒流數值模擬也被廣泛用于粗粒土滲透性的研究。黃海均等[45]通過模擬分析了堤(壩)基粗粒土滲透變形的顆粒運移規律，證實了細顆粒會在粗顆?？紫堕g移動、流失，從而造成堤(壩)基沉降變形甚至破壞。

2.3 熱物理特性

在寒冷地區，正負環境溫度變化下往往伴隨著巖土體內部熱量傳導、應力變化的過程，是寒區粗粒土工程和人工凍結工程設計和研究的重要依據，逐漸受到中外學者的關注。對于粗粒土的導熱性，莊迎春等[46]通過熱學試驗指出水泥-砂-水混合料的導熱性能明顯優于膨潤土-水混合料；并且，混合料的導熱系數隨水灰比的增加而不斷減小，隨粗粒含量增加而顯著增大。通過非穩態法熱物理試驗，孫銀娟[47]研究發現，細砂的導熱系數隨含水率的增加而增大，即熱阻系數隨含水量的增大而減小，但接近飽和時趨于常數；熱阻系數隨干密度和粒徑的增加而減小，傳熱效率與滲流速度呈正相關關系。

2.4 電學特性

電阻率等電學特性在間接反映巖土整體結構特征和力學特性等方面具有顯著優勢，電阻率層析成像和高密度電阻率法等已成為應用地球物理領域的研究熱點[48]。近年來，電阻率法在寒區環境與資源研究中嶄露頭角，引起中外學者的關注。Seo等[49]和Kang等[50]研究發現，混合土的電阻率在凍結時增加、融化時減小，隨凍融循環周期的增加而增大，一致認為電阻率可反映凍融土的結構特征。付偉等[51]證實了利用電阻率研究凍融土變形的可行性，指出凍融作用下凍土電阻率呈指數減小，而融土呈指數增長；并且循環凍融使試樣的變形量減小、干密度增加，5次循環后趨于穩定。通過二極法測試，Qu等[52]研究表明，黏質粗粒土的電阻率ρ隨干密度ρd和含水率w的增加而快速減小，隨凍融循環次數C增加而非線性增長，7～9次循環后趨于穩定，并提出了凍融后電阻率ρ和凍融前電阻率ρ0比值(ρ/ρ0)與凍融后單軸強度qu和凍融前強度qu0比值(qu/qu0)之間的線性關系，如圖2[52]、圖3[52]所示，以評價凍融粗粒土的力學特性。

目前，對粗粒土干密度、密實度及滲透性等工程特性的研究較多，主要考慮影響因素及其規律等方面以解決工程實踐問題。與其相比，粗粒土熱學和電學特性的研究不多，尤其是低溫凍結和反復凍融方面，缺乏凍融作用與電學特性的定量關系和數學模型，有必要進一步開展凍融粗粒土的電學研究，為寒區巖土力學特性評價與災害機理揭示提供新的方法。

C為凍融循環次數圖2 粗粒土電阻率與凍融循環次數的關系[52]Fig.2 Relation of electrical resistivity of coarse-grained soils and freeze-thaw cycles[52]

圖3 凍融粗粒土強度比qu/qu0與電阻率比ρ/ρ0的關系[52]Fig.3 Relation of strength ratio qu/qu0 and electrical resistivity ratio ρ/ρ0[52]

3 粗粒土的力學特性

粗粒土力學特性研究主要關注其強度和變形規律，是高速鐵(公)路路基、土石壩以及地質災害等工程設計和評價的理論基礎[2]。鑒于粗粒土的顆粒粗、孔隙大、成分復雜以及粒徑差異大等特征，大型力學試驗是研究粗粒土力學特性較理想的方法[3,12]。

3.1 大型直剪試驗

大型直剪試驗具有構造簡單、受力明確和操作簡便等優勢，較早被成功研制并廣泛應用于中外的各類工程和科研單位，如表1[53-54]所示。

Simoni等[55]探索了砂礫混合土抗剪強度與粒度特性的關系，發現礫石含量較少或處于懸浮狀態時，混合土的強度和剪脹性仍高于砂土，并建立了預測抗剪強度公式。胡萬雨等[56]研究了不同條件下粗粒土的剪切顆粒破碎特征，認為粗粒土的顆粒破碎率隨法向應力和粒徑的增大而增高，指出顆粒破碎后形成次一級粒徑，抗剪強度因級配改變而影響顯著。徐肖峰等[57]和史乃偉等[58]研究了粗粒含量、初始相對密實度及初始正應力等因素對粗粒土對剪應力-剪位移關系、抗剪強度和剪切變形特性的影響規律，并基于離散元模擬結果指出粗粒含量的影響本質是顆粒間剛度增加和顆粒咬合作用使摩擦系數增大。然而，傳統直剪試驗中剪切面應力應變不均勻，邊界上存在應力集中等不足。鑒于此，張茜等[59]采用含有疊環的改進大型直剪儀對斜坡粗粒土進行試驗研究，發現垂壓的增加可增大峰值剪應力和剪位移，提高抗剪強度，甚至使粗粒土由應變硬化變形向軟化過渡。

表1 中外粗粒土大型直剪試驗統計[53-54]Table 1 Statistics of large-scale direct shear tests of coarse-grained soil at home and abroad[53-54]

3.2 大型三軸試驗

與直剪試驗相比，三軸壓縮試驗具有完整反映試樣受力變形直到破壞的全過程、試樣應力應變相對均勻、破壞面非人為固定以及實現復雜應力路徑和控制排水條件等優勢。因此，研制大型三軸試驗儀及其應用逐漸成為中外粗粒土力學特性研究的熱點，如表2[3,53]所示。

表2 中外粗粒土大型三軸試驗統計[3,53]Table 2 Statistics of large-scale triaxial tests of coarse-grained soil at home and abroad[3,53]

基于大型三軸不固結試驗，閆玉興[60]指出，路基粗粒土的抗剪強度隨圍壓的增加而增大，且在高密實度(≥95%)、飽水狀態下呈現較強的黏聚力。對于棄渣場粗粒土，張家銘等[61]通過大型三軸固結排水試驗，發現飽和土的應變軟化不明顯，圍壓使其從剪脹變形過渡為剪縮，認為當圍壓較低時可采用經典莫爾-庫倫模型，但圍壓較高時應建立非線性強度模型。這些大型試驗研究成果為粗粒土工程設計提供了重要依據，推動了粗粒土力學特性的研究。然而，對于高土石壩等工程中粒徑高達幾十厘米甚至更大的粗粒料，大型試驗儀器往往難以滿足尺寸要求而不得不采取剔除法、等量替換法和相似級配法等進行超粒徑處理，從而使粗粒土的真實強度因級配改變而出現偏差[3]。同時，粗粒土強度特性還受顆粒形狀、礦物成分等內部因素和應力水平、路徑等外部條件影響，尤其是加載過程中顆粒破碎，進一步加劇了粗粒土力學特性的復雜性[53]。

3.3 數值仿真試驗

近年來，隨著計算技術的快速發展，數值仿真試驗正成為彌補粗粒土土工試驗不足的新方法[13,57-58]。目前，針對粗粒土的數值方法主要為有限單元法FEM(finite element method)和離散單元法DEM(discrete element method)兩大類[53]。其中，前者具有前處理方便快捷且與巖土本構模型配合良好等特點。Yue等[62]和Xu等[63]通過數字圖像技術對土石混合體進行細觀結構矢量化建模，再利用有限元法對均質土和非均質土進行大型仿真直剪試驗，指出該方法對混合土的剪切強度研究的適應性較好，發現應力場和破壞模式受塊石的影響顯著。然而，后者在模擬不連續變形、細觀力學特性及顆粒破碎等方面更有優勢[57-58]。

Hosseininia等[64]采用離散元法建立了二維多邊形顆粒破碎模型，通過雙軸剪切仿真試驗研究不同圍壓下粗粒土的力學行為，發現圍壓增加可降低強度、減小剪脹性，造成顆粒破碎增多，這與實際試驗結果基本一致，證實了該方法的可靠性。隨著離散元計算的發展，逐漸形成了以顆粒圓盤或顆粒球體為基本單元的顆粒流離散元法(如PFC軟件)[65]和以塊體單元為基本單元的塊體離散元法(如DDA軟件)[66]兩大類，其中，以PFC顆粒流的應用最廣。徐肖峰等[57]和蔣明鏡等[65]開展了粗粒土二維直剪PFC仿真試驗研究，確定了粗粒土的宏觀剪切強度和變形特征，并從顆粒平動、轉動等微觀顆粒運動角度進行探討。與二維相比，三維仿真試驗更立體、更直觀，還能考慮更復雜的加載條件和內部顆粒特征。羅勇等[67]基于三維顆粒流理論，在PFC3D中引入極限狀態下允許粒間滑動的接觸模型，對砂土的宏觀力學特性和剪切帶形成和發展進行了深入分析。馬剛等[68]基于隨機模擬技術建立了三維隨機顆粒模型，如圖4[68]所示，發現該模型能較好反映堆石體粗粒土的三軸強度和變形規律，并從能量角度分析了顆粒變形、摩擦、破碎損傷和運動對力學行為的貢獻。

Bagherzadeh-Khalkhali等[69]通過對比直剪試驗和離散元模擬結果，發現基于剔除法的粗粒土試驗強度高于橢圓顆粒組合的離散元模擬強度，探討了顆粒組合的微觀力學特性和應力水平的影響，建議工程中選用直剪試驗強度。可見，數值仿真試驗推動了粗粒土力學的研究，但也存在需將顆粒實際形狀、尺寸及數量等進行特殊處理，以及微觀顆粒模型與宏觀本構關系不協調等不足，而不得不通過土工試驗來與數值模擬結果相互印證[3,58]。

圖4 粗粒土的三維顆粒模型[68]Fig.4 Stochastic granule model of coarse-grained soils[68]

3.4 凍融粗粒土強度特性

上述粗粒土強度研究僅針對正溫狀態，尚未考慮寒區負溫下冰水相變產生的影響。研究表明，負溫條件下粗粒土中不含冰的“寒土”和含水量很低而顆粒未被冰膠結的“松散凍土”，其物理力學特性與一般融土并無差別，說明水分含量與分布是寒區土體產生凍融效應的首要條件[70]。同時，細粒含量、密實度、應力水平等因素的影響也不容忽視[71]。

對于凍結粗粒土，Christ等[72]通過低溫單軸抗壓、抗拉和直剪試驗，發現凍結砂土和橡膠-砂混合土的強度均顯著高于融土；并且，強度隨溫度降低而增大，隨橡膠含量增加而減小，說明低溫和橡膠摻量對砂土力學性質影響明顯。對于高鐵路基粗粒土，王青志等[73]通過大型低溫直剪試驗，指出粗粒土凍結強度由凍結冰、粒間黏聚力和咬合力以及粗細粒本身強度共同發揮，發現垂壓使凍土剪應力-剪位移曲線從應變軟化向硬化過渡；含水率增加和溫度降低可使抗剪強度和黏聚力增大，但內摩擦角減小。這是由于負溫下粗粒土孔隙水相變為冰，起到膠結顆粒的作用，進而提高了抗剪強度；但由于冰的摩擦力幾乎為零，且高壓和剪切摩擦時會融化，土體摩擦力因水膜潤滑增強與顆粒膠結減弱而不斷降低[70-71]。

對于反復凍融下土體強度特征，中外研究尚未達成統一共識[71]?？紤]凍融劣化影響，卜建清等[74]試驗研究發現，循環凍融使高鐵路基粗粒土的強度呈先減小后趨于穩定的非線性變化；同時，細粒土可改變凍融粗粒土的應力-應變關系，降低抗剪強度，進而提出5%為合理細粒含量，6 次為臨界凍融周期。通過凍融單軸試驗，張濤等[75]研究發現，凍融作用下膠結粗粒土的強度不斷減小，20次循環后趨于穩定；并且，膠凝摻量越多，凍融強度損失率越小，說明膠凝有利于粗粒土的抗凍性。文獻[34,52]通過試驗發現凍融循環次數C增加使斜坡黏質粗粒土的單軸峰值強度qu呈非線性衰減規律如圖5所示，該凍融劣化效果還受干密度ρd、含水率w的交互影響。

然而，與上述凍融劣化作用不同，Beier等[76]試驗發現循環凍融提高了飽和尾礦料的不排水剪切強度和表面穩定性，指出5次凍融后尾礦料的抗剪強度由不可測提高至10 kPa，凍融過程中試樣顯著脫水使含水率減少了約50%。此外，對于一維凍融作用，張莎莎等[77]研究發現，隨著凍融周期的增加，粗粒土冷端側粗粒土的黏聚力增大、內摩擦角先減小后增大；暖端側抗剪強度不斷減??；指出9次凍融后暖端側摩擦角有一定增大，而氯化物、硫酸鹽粗粒土的強度變化很小。

圖5 凍融作用下粗粒土單軸強度變化規律[34,52]Fig.5 Variation of unconfined compressive strength of coarse-grained soil under cyclic freeze-d thawing[34,52]

對于這些土體凍融強度特性的差異性，齊吉琳等[70]和張澤等[78]認為這與凍融作用下土的結構(結構形態、顆粒連接與級配等)的改變有關，還和土的初始狀態(含水、密實狀態等)和試驗條件等差異性以及人為因素等影響密切相關。

3.5 凍融粗粒土變形特性

凍脹和融沉是寒區巖土變形的顯著特征，是引起工程凍害與凍融災害的主要原因[4-6]。以往研究多針對黏土、粉土等凍融敏感性細粒土，對粗粒土的研究很少，這與工程粗粒土多選用弱凍脹性土有關[74]。然而，寒區高鐵路基粗粒土不均勻凍脹現象的發現，使人們開始關注粗粒土的凍融變形問題[5]。

對于粗粒土的凍脹變形，中外學者較早開展了路基填料凍脹分類與防凍層研究，有效指導了寒區路基工程發展[79]。然而，與普通道路相比，高速鐵路對路基變形極為敏感，毫米級變形都可能威脅列車安全[80]。對此，以中國第一條嚴寒地區高速鐵路——哈大客運專線為重點，學者們開展了大量路基凍脹研究工作[4-5]。基于試驗段路基凍脹監測，文獻[5,81-82]分析了路基溫度場、水分場以及分層凍脹變形特征，指出70%的凍脹量集中在路基表層。這些發現在隨后建設的蘭新高鐵路基中被進一步證實[83]。根據運營期路基監測數據，石剛強等[84-85]及王春雷等[86]探討了寒區高鐵粗粒土路基凍脹規律、變形機理和影響因素等，發現最大凍脹量高達25 mm，提出了高鐵路基凍脹綜合防治技術。Tai等[87]建立了路基粗粒土水熱耦合微分方程，計算了3種不同結構路基凍脹變形，給出了推薦路基結構形式。

基于一維凍脹試驗和數值模擬，Li等[4]研究發現，高鐵路基粗粒土的凍脹總量與補水量成正比，且隨細粒增多呈線性增長，提出細顆粒和水分補給是粗粒土凍脹的關鍵條件。王天亮等[88]、Wang等[89]研究發現，路基粗粒土凍脹量隨干密度增加而先增大后減小，提出9%作為臨界細粒含量。Wang等[90]進一步研究了冷卻溫度、細粒含量、含水率及密實度等因素對路基粗粒土凍脹的影響規律，指出含水率的影響最大，建議控制在5%以下。張以晨等[91]也證實了含水率對不同粗粒土(由粉砂至細礫)凍脹變形的影響最大，含泥量次之。同時，為克服一維凍脹研究向多維擴展的難題，Zheng等[92]提出了一種多維空間凍脹率分配方法，并通過室內凍脹試驗和大型現場凍脹測試驗證了該方法的有效性，為凍脹研究提供了新思路。

與凍脹研究相比，關于粗粒土融沉變形的研究較少[79-80]。通過寒區高鐵路基長期監測，石剛強等[84]和王春雷等[86]發現一個融沉周期可使75%～90%的凍脹變形完全回落，但部分區段在融沉完成后仍有一定的殘余凍脹量。孫寶臣等[93]指出，淺層路基粗粒土在春融期發生雙向融化，凍融和動荷載可導致粗粒土融沉壓縮變形。通過現場監測和數值模擬，張玉芝等[94-95]進一步發現季凍區高鐵路橋過渡段路基融沉變形約在1個月內完成，指出水分重分布導致路基土凍脹、融沉系數的變化是影響寒區高鐵路基變形穩定性的主要原因。

對于凍融粗粒土的加載變形特性，常丹等[33]通過凍融三軸壓縮試驗，發現循環凍融作用下粉砂土的應力-應變關系呈應變硬化型，體變呈剪縮性，剪切模量先減小后增大，但比未凍融粉砂降低了約36%。通過凍融單軸壓縮試驗，Qu等[34,52]研究發現，斜坡粗粒土的峰前變形模量和峰后軟化模量隨凍融循環呈非線性衰減，7次循環后趨于穩定，但高含水率、低密度條件下的凍融劣化效應不明顯。陳忠達等[96]試驗發現路基粗粒土回彈模量隨凍融次數增加而非線性衰減，隨含水率增加呈線性減小，首次凍融的劣化效應隨含水率增加而提高。

4 粗粒土的界面特性

在巖土工程中，如土-結構(隧道、擋土墻、基礎及土石壩等)等不同屬性材料間交界面以及相同巖土層中的凍融界面等普遍存在[97]。鑒于界面兩側材料的物性差異，界面處存在應力集中、應變局部化等非連續變形特征，使其成為工程薄弱部位[98]。因此，界面問題正逐漸成為國內外學者的研究熱點。

4.1 粗粒土-結構界面特性

對于粗粒土-結構界面的剪切特性，直剪試驗是理想的研究方法。當前，中外學者以混凝土板或鋼板來近似模擬結構物，進而探索粗粒土-結構界面的影響因素、剪切規律以及變化機理等。

Al-Mhaidib[99]基于界面直剪試驗探索了剪切速率對粗粒土-鋼板界面剪切特性的影響，發現增加剪切速率可有效提高界面摩擦角，且兩者成半對數線性相關性。彭凱等[100]研究了混合土泥皮對粗粒土-混凝土界面剪切特性的影響，發現界面剪切呈顯著軟化變形，抗剪強度和內摩擦角隨界面水泥增多而提高，剪位移隨法向應力和水泥含量的增加而增大。針對土石壩中粗粒土-心墻結構界面，劉平等[101]研究發現一次剪切循環時，界面抗剪強度與法向應力呈線性關系；與靜載破壞相比，動載破壞的界面剪應變偏??；剪切位移隨剪切循環先增大后減小并趨于穩定。對于粗粒土改良工程中存在的粗粒土-土工織物界面問題，Mehrjardi等[102]和王家全等[103]指出土工格柵對粗粒土的改良效果顯著，發現界面抗剪強度是素粗粒土強度的2倍，表現為界面黏聚力增大，內摩擦角減小，土顆粒最大位移量降低；顆粒粒徑和相對密度的增加以及土工格柵對顆粒移動的限制可有效提高界面強度和穩定性。

在粗粒土-結構界面剪切過程中，往往伴隨著顆粒破碎和剪脹性等產生，對界面強度和變形影響顯著。對此，Zeghal等[104]研究指出，界面剪應力-剪位移關系受顆粒破碎影響顯著，而顆粒破碎與剪切過程中塑性能耗相關。Zhang等[105]研究發現，剪切顆粒破碎影響界面應力-應變關系，界面剪強度與正應力成正比，壓縮性隨正應力增加而降低。對于界面剪脹變形，張嘎等[106]提出了界面剪脹體應變由可逆和不可逆應變組成，其中，前者具有相變點和剪切異向性，而后者反映了界面顆粒破碎和剪切壓密特性。為揭示粗粒土-結構界面的相互作用，陸勇等[107]提出了“結構約束”概念，建立了剪切界面的軟化和剪脹方程，對界面本構規律進行了分類。

4.2 粗粒土凍-融界面特性

在寒區凍結和融化過程中，總是存在一個凍土與融土的交界面。該界面溫度多處于水的結冰點附近，是冰水激烈相變和動態共存的過渡帶，具有比凍土、融土更復雜的性質[98]。然而，目前關于凍融界面的研究較少，這與其在室內不易實現和控制等有關。

為開展土體凍融界面試驗研究，Cheng等[108]和葛琪等[109]基于鹽水和純水的冰點差異性制成了特殊凍-融界面，并通過大型剪切試驗發現凍融循環和含水率均可降低界面抗剪強度和邊坡穩定性，且含水率的不利影響更顯著。對于多年凍土區富冰地層存在的土-冰界面問題，高檣等[110]通過小型直剪試驗，發現隨著含水率的增加，黏土-冰、粉土-冰界面的黏聚力大幅降低，而砂-冰界面的內摩擦角略微減小。對于凍-融界面的形成機制，趙剛等[111-112]通過水分遷移試驗，指出原狀、重塑粉質黏土在凍融過程中存在明顯的凍-融界面，土中水分遷移導致界面處富集水，并且初始含水率越大，水分遷移量越高且界面富水越多。

鑒于凍-融界面物質成分的復雜性和剪切行為的特殊性，學者們探討了界面問題對斜坡穩定性的影響。程永春等[113]和Ge等[114]通過凍融試驗，指出季節凍土區春融期淺層滑坡的滑動面臨界深度受凍-融界面影響，提出界面效應的修正系數為0.946。進一步地，高檣等[110]通過土-冰界面直剪試驗，發現粉土斜坡易在界面以上土體內發生滑動，黏土斜坡則沿土-冰界面產生滑塌破壞。楊讓宏等[115]結合現場監測和溫度場模擬計算，建立了凍融界面位置形態與斜坡穩定性的關系，指出凍融界面在外界水熱條件下動態變化特性決定了斜坡的穩定性。除了以上細粒土凍-融界面的研究成果，而關于粗粒土凍-融界面的研究鮮有報道。唐麗云等[98]借鑒Cheng等[108]和葛琪等[109]關于凍-融界面的特制方法，對多年凍土區土石混合體凍-融界面進行直剪試驗，定量化分析了含水率和碎石含量對界面強度的影響規律。Qu等[116]通過一維控溫大型直剪儀對斜坡粗粒土凍-融界面進行了試驗研究，探討了垂壓、干密度和含水率對界面剪切行為的影響特征，發現凍-融界面剪切變形以硬化為主，抗剪強度隨干密度和法向應力的增加而增大，隨含水率的增加而減小，探討了界面剪切機制與顆粒運動和水分遷移的相關性。

5 結論及展望

縱觀中外研究現狀，多采取大型土工試驗、數值模擬及理論分析等研究方法，在粗粒土本構關系、物理性質、強度和變形特性以及界面問題等方面取得一系列研究成果，推動了寒區粗粒土力學理論和工程應用的進步。然而，隨著新時期西部地區基礎設施建設的快速發展，當前寒區粗粒土力學理論研究已無法滿足工程實踐的迫切需求，應進一步開展深入研究，得出如下結論及展望。

(1)在本構關系中，引入熱力學理論、臨界狀態理論、均勻化理論以及亞塑性理論等，建立考慮粗粒土剪脹性、顆粒破碎性和非線性等方面的本構模型。但客觀地講，這些模型以描述粗粒土某單一特征為主，適用于正溫條件下特定土性和試驗條件，在全面表征粗粒土特殊性質方面還存在困難。并且考慮粗粒土凍融效應的本構模型尚未建立，針對性研究較少。建議重點關注寒區環境下粗粒土結構損傷對其應力-應變關系的影響，尤其是循環凍融下粗粒土顆粒和孔隙等內部組構的改變，引入新的理論和方法，建立凍融粗粒的土本構模型。

(2)對粗粒土物理特性開展了不同顆粒級配、含水率、干密度以及壓實參數等因素水平下壓實性和滲透性等方面的研究，為滿足土石壩、路基等工程需求提供理論依據。然而，對熱學和電學等物理特性的研究不多，制約了寒區粗粒土工程設計、凍融災變機理的揭示以及地球物理技術的應用，建議加強和重視相應方向的研究，尤其是開展寒區凍融環境下粗粒土電學影響因素、導電機制及其理論模型的研究，為電阻率層析成像和高密度電阻率法等新技術發展提供理論支撐。

(3)在研究方法方面，多基于大型直剪和三軸壓縮試驗，開展了不同因素條件下粗粒土的強度和變形破壞等力學特性研究。結合數值仿真試驗，從微觀角度探索粗粒土宏觀力學行為內部機理，形成了粗粒土力學特性較系統認識。然而，大型試驗和數值仿真仍存在諸多不足，建議開展考慮凍融作用和復雜應力狀態的大型真三軸試驗儀等，結合CT掃描三維成像等手段對凍融粗粒土真實顆粒與孔隙特征進行三維重建，建立符合真實結構特征的數值模型，關注微觀顆粒模型與宏觀本構關系的協調一致性。

(4)對凍結狀態和循環凍融下粗粒土的剪切強度規律、影響因素以及強度機制進行了有益探索；通過現場監測、室內變形試驗等手段，對粗粒土的凍脹和融沉變形進行了較系統研究。但是，這些研究多以路基級配粗粒土為對象，對成分更復雜、均質性更差的天然斜坡粗粒土的研究很少；對粗粒土凍脹特性的關注較多，缺乏對復雜應力與循環凍融耦合作用下粗粒土變形特性的關注。建議進一步開展寒區凍融和極端氣候環境下粗粒土的力學行為研究，尤其是斜坡粗粒土強度特性的因素敏感性和影響機制，開展寒區粗粒土的宏微觀力學行為與結構損傷研究。

(5)對于粗粒土的界面問題，基于大型直剪試驗研究了粗粒土-結構界面剪切特性，對界面強度和剪脹變形等有了較深地認識，但以常溫狀態為主，很少考慮寒區凍融環境下冰水相變的影響。對土體凍-融界面的剪切強度及其對斜坡穩定性的影響規律進行了有益嘗試，僅以細粒土為主，對粗粒土凍-融界面的研究鮮有報道。建議開展寒區復雜凍融作用和融雪補給條件下粗粒土-結構界面與凍-融界面的剪切行為研究，揭示凍-融界面的形成機制、強度發揮機理，尤其是界面形成過程中水分、基質遷移規律及其影響因素，界面剪切過程的顆粒運動與破碎特征，建立適合粗粒土凍-融界面的本構模型，進一步探索粗粒土凍融損傷和凍-融界面效應對斜坡穩定性的影響機制，為揭示寒區涉及粗粒土的凍融工程病害和地質災害提供理論依據。