土石混合體物理力學(xué)特性研究進(jìn)展

土石混合體物理力學(xué)特性研究進(jìn)展

1數(shù)據(jù)分析的方法在廣泛的土木工程和地質(zhì)工程中，如邊板處理、基礎(chǔ)工程、道路橋梁設(shè)計(jì)等。第四紀(jì)慢堆是土壤和石頭之間的混合，材料組成主要是礫石、石塊、砂土和粘土（圖1）。對(duì)于這種由于自然變遷所形成的地質(zhì)體,工程中往往按照特殊土體來(lái)對(duì)待,如中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50021-2001)巖土工程勘察規(guī)范、《工程地質(zhì)手冊(cè)》以及其他規(guī)范中將其稱之為碎石土。具體來(lái)講,即通過(guò)對(duì)土石混合體中土體進(jìn)行試驗(yàn),再乘以一定的折減系數(shù),從而得到其力學(xué)參數(shù)。但是,由于折減系數(shù)的選取是隨意的,其所得參數(shù)也是不可靠的。實(shí)際上,這種地質(zhì)材料是經(jīng)歷一定地質(zhì)作用所形成的,既不同于一般的均質(zhì)土體,又不同于一般的碎裂巖體,是一種介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的特殊工程地質(zhì)材料。這種地質(zhì)材料由于含有不同大小、不同數(shù)量和不同分布形式的礫石或塊石而具有與一般土體迥然不同的性質(zhì):(1)組成顆粒物理力學(xué)性質(zhì)差異很大,即巖石和土的差異;而土體中只是不同土顆粒之間的差異。(2)結(jié)構(gòu)上既有土顆粒之間的細(xì)觀結(jié)構(gòu),又有巖石與土顆粒之間的宏觀結(jié)構(gòu)。(3)土力學(xué)的常規(guī)試驗(yàn)方法和本構(gòu)模型均很難適用于這種特殊介質(zhì)。因此,為了突出其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性,李曉等將其命名為“土石混合體”,Rockandsoilaggregate(RSA)。2土體、巖體和土石混合體土石混合體概念的提出使工程地質(zhì)體從物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成上由以前的土體和巖體兩大類進(jìn)一步細(xì)化為土體、巖體和土石混合體。這在學(xué)科發(fā)展上進(jìn)一步豐富了巖土工程與地質(zhì)工程的內(nèi)涵,那么這一概念的提出及其研究意義何在?本節(jié)就從土石混合體分布特點(diǎn)及其工程實(shí)踐價(jià)值與研究的理論意義等方面進(jìn)行闡述。2.1土石混合體在工程地質(zhì)上的分布土石混合體研究的工程價(jià)值集中體現(xiàn)于在廣泛的巖土工程與地質(zhì)工程領(lǐng)域中經(jīng)常碰到,即土石混合體是一種分布極其廣泛而又需要在工程中妥善處理的工程地質(zhì)材料。長(zhǎng)江三峽地區(qū),水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)達(dá)5000余km公里的岸線中,共有欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定庫(kù)岸140段,約343km,占岸線總長(zhǎng)的6.8%;其中前緣高程低于175m的崩塌體1190處,總面積約135.9km2,相當(dāng)于水庫(kù)面積的12.5%左右,體積約34億m3,相當(dāng)于總庫(kù)容的8.7%。而正是這些土石混合體構(gòu)成的岸坡、斜坡為庫(kù)區(qū)人們提供了重要的生產(chǎn)、生活場(chǎng)所。青藏高原土石混合體的分布也相當(dāng)廣泛。據(jù)調(diào)查,川藏公路沿線八一至然烏段400km發(fā)育的7個(gè)大型滑坡中就有6個(gè)為土石混合體滑坡,僅易貢滑坡形成土石混合體的體積就達(dá)3億m3;此外,公路沿線還分布有大量土石混合體構(gòu)成的泥石流、崩塌。這些地質(zhì)體穩(wěn)定性極差,災(zāi)害頻發(fā),其治理與減災(zāi)也成為確保公路安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵問(wèn)題。攀西地區(qū)滑坡與滑坡體巖性的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在攀西地區(qū)的816個(gè)滑坡中,碎石土滑坡500個(gè),占61.3%。我國(guó)東南沿海福建、香港等地區(qū)花崗巖風(fēng)化斜坡發(fā)育的風(fēng)化殼,在介質(zhì)的力學(xué)屬性上也屬土石混合體范疇,而這些地質(zhì)載體也是當(dāng)?shù)厝藗冑囈陨娴膱?chǎng)所。厚度上,土石混合體的發(fā)育深度從十幾米到數(shù)百米。據(jù)調(diào)查,三峽地區(qū)土石混合體發(fā)育厚度大致為40～60m,而川藏公路沿線的土石混合體厚度則達(dá)200～400m。然而,人類在土石混合體載體上的工程活動(dòng)大多在此深度之內(nèi)。此外,土石混合體在其他領(lǐng)域也廣泛存在。例如,土石壩工程中的礫石土、露天礦的廢土石邊坡、交通工程中土和碎石的混合料路基、建筑工程中的碎石土地基等?？傊?土石混合體這種特殊工程地質(zhì)材料在全國(guó)乃至世界各地均有廣泛分布,在縱深上其厚度基本超出了人類一般工程活動(dòng)的范圍,而隨著社會(huì)的發(fā)展,人類的工程活動(dòng),如水利、水電、交通、建筑等基礎(chǔ)建設(shè),不僅需要繼續(xù)發(fā)展,而且活動(dòng)強(qiáng)度可能加劇。因此,土石混合體是人類工程活動(dòng)中,尤其在巖土工程領(lǐng)域更是經(jīng)常碰到而又必須妥善處理的地質(zhì)載體。這不僅是該地質(zhì)材料近幾年受到廣泛的重視的原因,也正是土石混合體研究的巨大工程價(jià)值所在。2.2土體巖體研究中的挑戰(zhàn)工程實(shí)踐中,工程師們經(jīng)常會(huì)碰到土石混合體,卻由于對(duì)這種地質(zhì)材料研究手段、方法等的匱乏往往只能參照土體進(jìn)行施工或設(shè)計(jì)而導(dǎo)致許多工程中不必要的浪費(fèi)或潛在問(wèn)題的存在。究其原因,土石混合體作為有別于土體和巖體的另一種地質(zhì)體,其物理力學(xué)特性(如強(qiáng)度特性、變形與破壞特點(diǎn)、本構(gòu)關(guān)系等)既不同于土體或巖體,也不是土體與巖體物理力學(xué)屬性的簡(jiǎn)單疊加;現(xiàn)有的巖土力學(xué)理論尚不能對(duì)這類介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的特殊工程地質(zhì)材料進(jìn)行準(zhǔn)確的描述和概化。另一方面,受試樣中巖塊尺寸效應(yīng)影響,現(xiàn)有土體或巖體的室內(nèi)試驗(yàn)方法也無(wú)法表達(dá)土石混合體的真實(shí)力學(xué)特性;而大型原位試驗(yàn)雖能反映其真實(shí)力學(xué)特性,但也多受試驗(yàn)少難有代表性以及操作難度大、經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題限制而難以推廣。此外,從數(shù)值模擬分析的角度,原有土體或巖體的有限元、有限差分和離散元等方法在土石混合體模型建立、變形破壞分析等方面也需要改進(jìn)。因此,十分有必要對(duì)土石混合體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、強(qiáng)度特性以及土石混合體變形破壞機(jī)理等力學(xué)特性進(jìn)行有針對(duì)性的理論研究,提出一套適用于土石混合體的本構(gòu)關(guān)系、試驗(yàn)、數(shù)值分析的方法,直接為相關(guān)工程服務(wù)。3巖石混合土體材料正如前文所述,土石混合體是一種不同于土體和巖體的特殊地質(zhì)材料。然而,在2000年以前的研究與工程實(shí)踐中,土石混和體都是被直接劃分為土體的一種,在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算時(shí)也是將其處理為均質(zhì)連續(xù)材料,力學(xué)參數(shù)的選取則是通過(guò)將土的力學(xué)參數(shù)乘上一定的系數(shù)獲得。盡管如此,對(duì)于這種地質(zhì)材料中土體與巖石混合所導(dǎo)致其與土體不一致的特性,工程界和科學(xué)界早就有所關(guān)注。Chandler在1973年提出當(dāng)試樣中含有異常大礫石的時(shí)候,其強(qiáng)度值就會(huì)大幅度提高,而這個(gè)強(qiáng)度值并不能反映試樣材料的真實(shí)強(qiáng)度。之后,針對(duì)礫石導(dǎo)致土體強(qiáng)度增加這一特性,土石混合體被廣泛應(yīng)用于地基、路基等工程中;作為一種天然建筑材料,在其土石比、級(jí)配、夯實(shí)固結(jié)方法及檢測(cè)等方面的研究取得了許多有價(jià)值的成果。此外,圍繞這種特殊地質(zhì)材料的這一特殊物理性質(zhì),一系列的研究與工作也被開(kāi)展,包括物質(zhì)組成顆粒特征統(tǒng)計(jì)分析、塊石含量對(duì)其力學(xué)參數(shù)及滲透性影響的試驗(yàn)研究、本構(gòu)關(guān)系的探討等方面。2000年后隨著土石混合體這一概念的提出并逐漸被工程界認(rèn)同,尤其是針對(duì)性試驗(yàn)研究的開(kāi)展使土石混合體材料的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)展,研究的范圍包括土石混合體的幾何結(jié)構(gòu)特性及幾何模型的建立、力學(xué)試驗(yàn)研究(室內(nèi)與大型原位試驗(yàn))、力學(xué)模型建立及其變形破壞的數(shù)值模擬研究等。3.1土石混合體二維平面加載裝置力學(xué)特性的差異是土石混合體有別于土體與巖體的主要方面之一。因此,開(kāi)展土石混合體的力學(xué)試驗(yàn)研究非常必要,也是探索、建立土石混合體理論的重要途徑。一方面,許多室內(nèi)試驗(yàn)圍繞塊石在土石混合體中的作用進(jìn)行了一系列研究。黃廣龍對(duì)散體巖土體的力學(xué)試驗(yàn)研究表明,散體巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性硬化型,體變?yōu)榧艨s并表現(xiàn)出體變隨圍壓的增加而減小,材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比較符合Duncan-Chang模型的雙曲線假設(shè)。武明對(duì)4組土石混合填料的試件分別在大型和中型三軸剪切儀上進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),并對(duì)影響抗剪強(qiáng)度的幾個(gè)指標(biāo)如粗顆粒含量、干密度、含水量等各自與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析,指出盡管土石混合料的化學(xué)成分、風(fēng)化程度、級(jí)配組成不同,但共同的特征是可以將這類土視為由粗、細(xì)兩種料組成,其工程性質(zhì)取決于粗、細(xì)料的含量。韓世蓮采用小橫梁對(duì)剛性承載板施加規(guī)定荷載于土和碎石混合料試樣,獲得了碎石土的無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度;通過(guò)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)得到了碎石土的蠕變規(guī)律并且回歸得到了材料粘彈性模型的各項(xiàng)參數(shù)。赫建明等自行設(shè)計(jì)了土石混合體二維平面加載設(shè)備(圖2)對(duì)土石混合體中不同形狀、排列的塊石對(duì)土石混合體力學(xué)特性的影響:(1)土石混合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線與均質(zhì)土體相比產(chǎn)生了較為顯著的變化,主要表現(xiàn)在初始彈模增大曲線變陡,所有試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值前后很寬的范圍幾乎呈水平狀發(fā)展,這也就意味著該材料既具有很高的承載能力,又具有很大的變形性。(2)其變形破壞方式表現(xiàn)為材料剪切破壞,土石混合體中塊石的排列方式、塊石的形狀以及塊石的數(shù)量都會(huì)對(duì)剪切面的形成產(chǎn)生影響。(3)塊石的數(shù)量以及磨圓度對(duì)其強(qiáng)度有影響,磨圓度越好其強(qiáng)度值也就相應(yīng)越低。值得一提的是,為突破傳統(tǒng)土力學(xué)試驗(yàn)的局限,許多科研單位還專門研制了用于土石混合體的力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備。圖2為中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所研制的土石混合體二維平面加載設(shè)備,試樣加載通過(guò)頂部油缸驅(qū)動(dòng)千斤頂來(lái)實(shí)現(xiàn),油壓表量程為0～6MPa,加載千斤頂?shù)淖笥覂蛇叿謩e固定大量程百分表來(lái)量測(cè)試件沿軸向的應(yīng)變大小,對(duì)試樣加壓采用手動(dòng)加載的方式完成;模型的前后采用厚度為2.5cm的有機(jī)玻璃板與自行設(shè)計(jì)的架子進(jìn)行邊界約束、固定。圖3為重慶交通科研設(shè)計(jì)院研制大型土石混合體多功能力學(xué)試驗(yàn)儀,大、小剪盒尺寸分別為100×100×80cm與50×50×40cm,最大垂直荷載1000kN,最大水平荷載1000kN。此外,中科院力學(xué)所還建成了土石混合體柔性邊界加載三軸壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī),利用自行研制的超聲波測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試樣柔性邊界軸向變形分布的測(cè)量,可以更好地從等應(yīng)力加載的角度研究非均勻非連續(xù)的土石混合體、破碎巖體等材料的力學(xué)特性。其主要運(yùn)行參數(shù)為:軸向壓力范圍0～10MPa、圍壓壓力范圍0～5MPa、軸向位移變化范圍0～200mm、超聲波測(cè)量軸向變形的分辨率0.05mm、光柵測(cè)量應(yīng)變的分辨率10微應(yīng)變、應(yīng)力和位移的測(cè)量誤差均為1%、最大試樣尺寸可達(dá)直徑300mm高700mm。另一方面,現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)對(duì)于土石混合體材料的研究有著重要的意義,也有相當(dāng)數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)圍繞土石混合體的變形破壞特點(diǎn)等力學(xué)特性進(jìn)行了探索。李曉等在長(zhǎng)江三峽地區(qū)進(jìn)行的土石混合體現(xiàn)場(chǎng)原位推剪試驗(yàn)表明,土石混合體的變形破壞具有材料變形破壞和結(jié)構(gòu)變形破壞兩種特性,其試驗(yàn)示意圖和試驗(yàn)結(jié)果如圖4和5所示。在土石混合體屈服時(shí),其變形特性仍是土體或塊石本身的材料特性,即土體材料首先屈服;但土石混合體的殘余強(qiáng)度并無(wú)明顯降低,即表現(xiàn)出顯著的塑性流動(dòng)特征。這是由于土石混合體的整體結(jié)構(gòu)性尚未喪失,故其承載力沒(méi)有明顯降低。當(dāng)試件變形過(guò)大時(shí),土石混合體的整體結(jié)構(gòu)喪失,試件完全破壞。油新華和赫建明通過(guò)野外原位試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)作為膠結(jié)質(zhì)或充填物的土體結(jié)構(gòu)在屈服后雖然已基本破壞,但隨之土體與巖石之間又形成新的交錯(cuò)結(jié)構(gòu),土石混合體的整體結(jié)構(gòu)性尚未喪失,故其承載力沒(méi)有明顯降低。他們的試驗(yàn)還表明,含石率作為土石混合體的一個(gè)重要指標(biāo),其變化對(duì)材料的整體力學(xué)特性影響較大。推剪試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)土石混合體在高含石率的條件下其抗剪強(qiáng)度顯著提高;而土石混合體的破壞特點(diǎn)也受含石率控制,即高含石率的剪切破壞面是沿著試件底部以下某個(gè)弱面發(fā)展,而低含石率的土石混合體剪切破壞面基本沿著試件底部破壞。3.2土石混合體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)土石混合體的物理力學(xué)特性之所以有別于土體、巖體,其材料結(jié)構(gòu)的差異是主要原因之一。因此,土石混合體幾何結(jié)構(gòu)與模型的研究也越來(lái)越得到重視。尤其是,隨著計(jì)算機(jī)與圖像技術(shù)的發(fā)展使得這一研究更為可行與完美。在土石混合體二維幾何模型研究中,李曉等基于野外對(duì)土石混合體結(jié)構(gòu)特征的統(tǒng)計(jì)分析指出,土石混合體是一種非均質(zhì)、非連續(xù)體,其力學(xué)性質(zhì)的變化主要受控于土體內(nèi)部結(jié)構(gòu);并運(yùn)用Monte-Carlo原理模擬塊石在土石混合體中的分布特征,包括塊石的空間位置、含量、大小、形狀和方位等,建立了土石混合體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型。油新華等提出了利用數(shù)碼攝像、自動(dòng)圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù),建立土石混合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的方法。Z.Q.Yue等則通過(guò)對(duì)土石混合體的數(shù)碼照片進(jìn)行灰度處理、增加對(duì)比度和除噪等技術(shù)處理,建立了土石混合體的平面幾何模型,體現(xiàn)了這一材料的非均質(zhì)性等細(xì)觀結(jié)構(gòu),如圖6所示。對(duì)于土石混合體三維結(jié)構(gòu)的探索也有一些有價(jià)值的研究成果。F.Lanaro和P.Tolppanen開(kāi)發(fā)出一種全新的方法來(lái)獲得礫石土中礫石的尺寸、形狀以及粗糙度等方面的信息。通過(guò)使用激光掃描技術(shù)對(duì)礫石土進(jìn)行掃描就可以獲得其中礫石的三維圖像,并且對(duì)掃描結(jié)果分別利用傅立葉以及幾何分析方法進(jìn)行分析而獲得了礫石塊體的具體參數(shù),這種對(duì)礫石尺度的全新分析方法對(duì)于礫石的形狀以及拓?fù)鋮?shù)等能夠給出較為可靠的結(jié)果。3.3土石混合體的力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模擬一直是巖土工程與工程地質(zhì)工程實(shí)踐與研究的一個(gè)重要方法。土石混合體由于具有高度非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等特點(diǎn),其力學(xué)試驗(yàn)研究受到一定局限;而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,土石混合體的數(shù)值分析則可以從不同角度探討其變形破壞機(jī)理、強(qiáng)度特征等力學(xué)特性。Z.Q.Yue利用有限單元的方法對(duì)土石混合體的數(shù)碼照片模擬了經(jīng)典巴西劈裂試驗(yàn)并與真實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,研究發(fā)現(xiàn)土石混合體材料的非均質(zhì)性對(duì)試樣拉應(yīng)力的分布有重要影響,這一結(jié)果也證實(shí)了有限單元分析方法可以很好地反映這種材料的非均質(zhì)性及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性。油新華采用FLAC3D有限差分程序?qū)K石在土石混合體中的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析,指出塊石形狀、分布對(duì)土石混合體的變形破壞起著控制作用;并大量隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值模擬回歸出了土石混合體的彈性模量和含石率的關(guān)系。李曉等也采用FLAC3D程序?qū)σ粋€(gè)土石混合體現(xiàn)場(chǎng)原位推剪試驗(yàn)進(jìn)行了模擬,指出土石混合體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)導(dǎo)致了其應(yīng)變強(qiáng)化的出現(xiàn)及彈性模量與強(qiáng)度的增加,還獲得了試樣破壞過(guò)程等許多力學(xué)試驗(yàn)無(wú)法獲取的信息。赫建明采用顆粒離散單元法PFC3D程序?qū)Ρ攘瞬煌释潦旌象w的力學(xué)特性,隨著含石率的提高,試樣的抗剪強(qiáng)度有明顯提高,含石率越高,強(qiáng)度的提升幅度也越大,即含石率較低(30%)的情況下波動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力值的提升不明顯,提高幅度只能達(dá)到剪切強(qiáng)度值的10%左右,基本保持水平。隨著含石率的提高(40%、50%),應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后應(yīng)力值提升幅度增大,提高幅度能夠達(dá)到試樣剪切強(qiáng)度的50%左右。此外,李世海等提出了三維離散元塊體——顆粒模型描述非連續(xù)介質(zhì),用該模型模擬了土石混合體單軸壓縮試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn),計(jì)算結(jié)果揭示了土石混合體非均勻、非連續(xù)介質(zhì)新的力學(xué)現(xiàn)象,還給出了三維離散元隨機(jī)結(jié)構(gòu)面力學(xué)模型用于研究土石混合體具有非連通結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性。3.4地下水滲流方程差,其細(xì)料含量和滲透量影響到含礫量土石混合體的研究除了從力學(xué)試驗(yàn)、幾何結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬等方面取得一定成果外,許多學(xué)者還從土石混合體水力學(xué)特性、地質(zhì)成因、本構(gòu)關(guān)系及工程應(yīng)用等角度進(jìn)行了一定探索。劉令瑤研究了寬級(jí)配礫石土的水力劈裂特性,認(rèn)為寬級(jí)配礫石土的水力劈裂特性隨含礫量的變化而不同,含礫量是決定寬級(jí)配礫石土變形破壞形式的主要因素。朱建華等對(duì)大壩防滲材料——礫石土進(jìn)行了研究,認(rèn)為對(duì)于以礫石為骨架的寬級(jí)配礫石土,細(xì)料含量對(duì)土的滲透穩(wěn)定性具有很大的影響,小于0.1mm的細(xì)粒含量是礫石土滲透性的主要控制因素。赫建明根據(jù)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土石混合體的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查將土石混合體的地質(zhì)成因分為滑坡堆積、崩塌堆積物、殘坡堆積物和沖洪堆積物等4類。油新華根據(jù)土石混合體的力學(xué)性質(zhì)研究提出對(duì)于不同土石混合體邊坡工程應(yīng)結(jié)合其工程尺度將邊坡材料分別看成均質(zhì)連續(xù)體、等效的均質(zhì)連續(xù)體、非均質(zhì)不連續(xù)體和結(jié)構(gòu)面控制的非連續(xù)體等4種情況來(lái)處理。4含石量對(duì)土石混合體力學(xué)特性影響的研究土石混合體在我國(guó)尤其在山區(qū)地區(qū)廣泛分布,而由其構(gòu)成的山區(qū)坡地、平地等則是多數(shù)山區(qū)人們賴以生存的場(chǎng)所。因此,為確保這些場(chǎng)所的建筑與工程的穩(wěn)定與安全,對(duì)這種地質(zhì)材料工程地質(zhì)與物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)研究有著重要的工程實(shí)踐意義和理論價(jià)值。近年來(lái),隨著對(duì)土石混合體與巖土體差異認(rèn)識(shí)的加深,土石混合體作為巖土工程與地質(zhì)工程中的第三種地質(zhì)材料的物理力學(xué)特性的研究已取得了重要進(jìn)展,研究范圍也涉及了巖土力學(xué)的各個(gè)方面,包括材料變形破壞及強(qiáng)度特點(diǎn)、材料幾何結(jié)構(gòu)、地質(zhì)成因、本構(gòu)關(guān)系與水理特性等等,其研究成果主要體現(xiàn)在以下幾方面。第一,立足于試驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)及力學(xué)試驗(yàn)與多種數(shù)值模擬對(duì)土石混合體力學(xué)特性的研究表明,土石混合體力學(xué)特性具有典型的結(jié)構(gòu)效應(yīng),這一特點(diǎn)對(duì)土石混合體研究有著重要意義。一方面,土石混合體的的變形破壞過(guò)程表現(xiàn)出顯著的塑性流動(dòng)特征。另一方面,礫石含量對(duì)土石混合體強(qiáng)度與滲透性的影響顯著,且存在明顯閾值。含石量低于25%時(shí),礫石含量在土料中只起填料作用,故對(duì)土石混合體的抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)影響甚微;當(dāng)含石量超過(guò)了25%時(shí),礫石起骨架結(jié)構(gòu)作用而土體起充填作用,土石混合體的抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)隨著含石量的增加而急劇地增大,大致成一直線關(guān)系。所以礫石含量影響土石混合體抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)的閾值大致是20%～30%。但當(dāng)含石量超過(guò)60%時(shí),礫石起完整骨架作用,土石混合體的性質(zhì)主要取決于礫石。第二,基于土石混合體數(shù)碼圖像自動(dòng)識(shí)別與隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型,探索了建立土石混合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型方法,逐步探討了土石混合體數(shù)值仿真試驗(yàn)研究的方法。第三,對(duì)土石混合體大量野外工程地質(zhì)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),土石混合體中塊石的分布特征是有一定規(guī)律的,并對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了一定探索,從理論上為深入研究土石混合體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)?？傊?在短短幾年中土石混合體的研究已取得如此重大成果。但是,土石混合體的研究中仍存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究,本文就對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題及其研究思路進(jìn)行闡述。第一,土石混合體的地質(zhì)成因、物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等認(rèn)識(shí)不足。已有關(guān)于土石混合體地質(zhì)成因、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究多基于某個(gè)工程的統(tǒng)計(jì)分析,且大多局限于三峽地區(qū),有片面之嫌。地質(zhì)成因的認(rèn)識(shí)是研究地質(zhì)體物理力學(xué)特性的根本,因此也非常有必要正確認(rèn)識(shí)土石混合體的地質(zhì)成因。土石混合體是第四紀(jì)以來(lái)巖體在風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積等地球外動(dòng)力作用為主的地質(zhì)過(guò)程中在基巖之上形成的地質(zhì)體,因此其地質(zhì)成因及物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有復(fù)雜、多樣的特點(diǎn)。鑒于此,筆者認(rèn)為應(yīng)該選擇不同地質(zhì)背景下的土石混合體進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)分析,擴(kuò)大考察范圍、樣本,以翔實(shí)的調(diào)查資料分析土石混合體的地質(zhì)成因與物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。筆者計(jì)劃下一步研究將著眼于風(fēng)化作用、河流作用、冰川作用