徐文杰，張海洋

(清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

土石混合體研究現狀及發(fā)展趨勢

徐文杰，張海洋

(清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

在總結國內外有關土石混合體方面的研究資料的基礎上，分別從土石混合體的細觀結構特征、抗剪強度特征、宏觀彈性參數特征、滲透性特征、細觀結構與強度關系及細觀力學數值試驗等6個方面，對土石混合體研究成果進行了綜述。在此基礎上，對目前有關土石混合體物理力學性質研究方面存在的不足進行了總結，分析了其未來的發(fā)展趨勢，指出綜合利用地質學、幾何學、計算科學、圖像處理技術、形態(tài)學等多學科交叉技術對土石混合體的細觀結構進行三維重建和隨機生成;開發(fā)適用于復雜巖土介質的數值結構模型和新型實驗設備，從細觀結構層面深入研究土石混合體宏觀變形與破壞機制并建立其結構化本構模型是未來發(fā)展的方向。

土石混合體;巖土力學;抗剪強度;細觀結構;綜述

我國是一個地質條件極為復雜的國家，地質災害在我國的發(fā)育不但數量多，而且種類全，崩塌、滑坡、泥石流等淺表生地質災害異常突出，由此產生的由滑坡堆積、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廣泛分布。與一般的土體不同，構成這類地質體的主要物質為土與塊石的混合物，其中塊石的粒徑較大，從幾厘米到數米不等，有的甚至超過數十米。由于構成這類巖土介質的“塊石”及“土”物理力學性質相差懸殊，使得其細觀及宏觀力學性質、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)，在國內油新華等［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體存在于自然界中，而且由于其具有獨特的物理力學性質而被作為一種巖土工程材料廣泛應用于多種工程建設中。構成土石混合體的“塊石”和“土”在粒徑及物質組分上存在明顯的差別，且兩者在力學性質上呈現“極強”(塊石)和“極弱”(土體)兩個極端的差異性。這種差異性使土石混合體在物理力學性質上呈現極端的不均質性和極端的非線性特征，其宏觀物理力學性質及變形破壞特征不但取決于細粒相(“土”)的物理力學性質，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)、粒度組成等細觀結構特征。因此，總體上來講，土石混合體是指第四紀以來形成的，由具有一定工程尺度、強度較高的塊石、細粒土體及孔隙構成且具有一定含石量的極端不均勻(inhomogeneous)松散巖土介質系統［3］。

土石混合體是隨著各類大規(guī)模巖土工程建設及巖土力學的發(fā)展而逐漸提出來的，它是當代巖土力學縱深發(fā)展的必然。同時由于其物理力學性質的特殊性和復雜性，基于連續(xù)介質力學理論的傳統巖土力學理論體系難以描述土石混合體的力學行為特性，傳統的巖土試驗測試方法也面臨著挑戰(zhàn)。

為了探討這種復雜巖土介質的物理力學特性，以更好服務于各類工程建設，國內外眾多學者逐漸開展了一系列相關研究工作。本文在總結國內外大量相關文獻的基礎上，對目前土石混合體研究的現狀及存在的不足之處進行了分析，對未來的發(fā)展趨勢進行了探討。

1 土石混合體細觀結構特征研究

國內外眾多學者從不同的角度對土石混合體內部塊石的分布進行了研究，近年來Medley［4-6］基于體視學方法提出了一種利用鉆孔巖芯所揭露塊石的弦長來估計其內部含石量的方法，并分析了該法獲取的含石量值與實際值之間的誤差，認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，當塊石形狀近似球形時通過二維斷面圖像獲取的含石量與其實際含石量近似相等［7］。此外，通過對Francisca地區(qū)分布的這種混合巖土體內部塊石巖性、含石量、塊石粒度分布等特征系統研究，Medley［8］認為其內部塊石粒度分布具有良好的自相似性，并提出了其內部土-石閾值等于0.05Lc(Lc為特征工程尺度)。徐文杰等［9-10］利用現場篩分及數字圖像處理技術對崩坡積型土石混合體的粒度組成分析表明:其內部粒度組成具有明顯的分段分維特征，“細粒相”與“粗粒相”的粒度分界點(即閾值)為0.05～0.07Lc;內部塊石在形態(tài)、空間分布等細觀結構特征上呈現明顯的自相似性。Coli等［11］應用統計學方法通過頁巖-石灰?guī)r混雜土石混合體的斷面露頭圖像描述內部塊石的形態(tài)和空間分布，并建立了土石混合體強度參數與描述塊石形態(tài)和空間尺寸分布的圖像參數間的統計關系。

眾所周知，堰塞體的工程地質特征與其內部塊體的粒度組成有密切的關系，Casagli等［12］綜合采用現場量測、現場量測(粗粒)+篩分(細粒)、圖像處理3種方法對構成意大利亞平寧北部的42個堰塞體的土石混合體內部塊體粒度組成進行了研究，表明由3種方法獲得的塊體粒度分布較為一致，并且粒度分布呈現明顯的雙峰特征。

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

隨著地球物理探測技術的不斷發(fā)展，目前地球物理探測技術已被用于土石混合體邊坡內部結構及基覆面探測方面，并取得了良好的成果。Sass等［14］利用雷達探測技術對奧地利阿爾卑斯山區(qū)分布的23個崩坡積成因的土石混合體邊坡內部結構特征、塊石分布、基覆面埋深等進行了分析，表明內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。

2 土石混合體力學特征研究

2.1 土石混合體抗剪強度特征

土石混合體的內部含石量控制著其相應的變形破壞發(fā)展，從而影響著其宏觀的力學性能，當含石量超過某一臨界值時土石混合體的宏觀強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］在多年理論及試驗研究的基礎上，認為粗粒土受剪切破壞面并非平面，其強度來源也非顆粒表面的內摩擦力，由于剪切面上的粗粒阻擋剪切、相互交錯鑲嵌產生咬合力，使得粗粒土強度大幅度提高。郭慶國［16］在對多個地區(qū)粗粒土強度特征研究的基礎上，指出粗粒土的抗剪強度是由細料本身的強度、粗料的強度共同構成的。指出粗料含量30%及70%(質量分數，下同)是粗粒土的兩個特征點，而含泥量10%是反映細料性質對粗粒土工程特征影響的特征點。

Miller等［17-18］通過對黏土和粗砂所構成的混合物的三軸壓縮試驗探討了粗顆粒含量對其宏觀黏聚力及內摩擦角的影響，表明當粗粒含量增加到50% ～70%時內摩擦角將迅速增加，而黏聚力則隨著粗粒含量的增加而降低。Patwardhan等［19］通過對含礫石黏土的大型直剪試驗研究了含石量對其宏觀抗剪強度的影響，表明當含石量較低時(＜40%)抗剪強度隨著含石量的增加呈現緩慢增加的趨勢，而當含石量超過40%時其抗剪強度將急劇增加。Shakoor等［20］通過對含礫石黏土的大型直剪試驗表明隨著含石量的增加其無側限抗壓強度將呈降低趨勢。Savely［21］通過大型現場試驗研究了卵礫石含量對宏觀抗剪強度的影響，認為宏觀材料的黏聚力與卵礫石的含量無關，其值近似等于基質材料的黏聚力;而內摩擦角則隨著含石量的增加而增加。田永銘等［22］通過室內三軸試驗研究了宏觀各向同性混雜巖土體的宏細觀力學行為，認為混雜巖土體的黏聚力隨著塊石體積含量的增加而降低，內摩擦角則呈上升趨勢。

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行三軸剪切試驗研究，以探討這類巖土介質內部細觀結構上的各向異性對其宏觀強度及變形特征的影響。Fragaszy等［25-26］通過理論及試驗研究認為超徑顆粒增加了碎石土的孔隙比，進而影響其相對密度，且碎石土的密度是土體及超徑顆粒相對密度的函數;通過研究超徑顆粒的大小、形狀、含石量及粒度分布等對碎石與砂的混合物抗剪強度特征的影響，發(fā)現超徑顆粒的含量是影響其抗剪強度特征的主要因素。Kim等［27］在對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動狀態(tài)野外調查分析的基礎上，基于反分析提出了一種用于評價這類復雜巖土體力學強度參數的反演方法。Vallejo等［28-29］研究分析了土石混合體內部含石量對抗剪強度及孔隙比的影響。Bagherzadeh-Khalkhali等［30］采用數值和室內直剪試驗研究了不同尺度和級配曲線處理方法下的粗粒土力學特征，認為顆粒尺寸對粗粒土抗剪強度有重要影響，隨著顆粒尺寸的增大內摩擦角和試樣的剪脹現象增加，試樣尺度增加使得表觀黏聚力減小。Dondi等［31］采用三軸試驗研究瀝青混合物中骨料形狀、棱角性和尺寸分布對填充物特征的影響，認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)下由于基質吸力的存在使得土石混合體內部抗剪強度大于飽和狀態(tài)相應的抗剪強度。Springman等［32］通過現場人工降雨試驗、現場直剪試驗、室內大型三軸試驗對Gruben(瑞典)某冰水堆積體進行了研究，探討了這類堆積體在降雨條件下的失穩(wěn)機理。時衛(wèi)民等［33-36］采用直剪試驗對碎石土的抗剪強度與含石量、含水量等的關系進行了研究。張文舉等［37］通過對泥石流礫石土的抗液化強度的動三軸試驗研究，表明飽和度對其動強度有顯著的影響，且隨著含水量的增加抗液化強度將明顯降低。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，建立了不同含石量下抗剪強度參數隨含水率變化的弱化公式。程展林等［39］認為顆粒間的位置排列和粒間作用對粗粒土的力學性質有重要影響，并且認為許多問題都涉及到粗粒土的組構問題。油新華等［40］采用野外水平推剪試驗對三峽庫區(qū)分布的土石混合體進行了試驗研究。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及大尺度直剪試驗的方法，在大量的試驗基礎上認為:浸水后由于水流作用將內部細粒組分帶走使得其黏聚力急劇降低而內摩擦角略呈增大趨勢;土石混合體的抗剪強度在很大程度上取決于其內部含石量特征，隨著含石量的增加其內摩擦角呈明顯增大趨勢，并在含石量30% ～70%時呈明顯的線性增大趨勢，而黏聚力隨著含石量的增加呈現降低趨勢;當含石量一定時其黏聚力主要取決于內部細粒組分;循環(huán)荷載作用下由于剪切帶附近的塊石旋轉、定向排列甚至發(fā)生破碎，使得其抗剪強度大幅度降低。

2.2 土石混合體本構關系

巖土體的本構模型研究一直是巖土力學研究中比較熱門的課題，國內外研究者已提出了多種數學本構模型，但是針對土石混合體的本構模型研究較少，大部分應用于土石混合體的本構模型是在黏土或砂土本構模型基礎之上改進的。目前粗粒土計算中應用較為廣泛的本構模型有鄧肯-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)點而在土石壩工程計算中應用最為廣泛，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］，在實際計算中常存在較大的誤差，國內外研究者對此從不同的方面進行了相應的改進［49-50］。

2.3 土石混合體宏觀彈性參數特征

如何通過材料的細觀結構特征來獲取其相應的宏觀力學行為是材料力學研究者一直以來所探索的問題。1910年Voigt將復合材料視為一組并聯彈簧，提出了復合材料宏觀彈性模量的上限表達式;相反地，1929年Reuss將復合材料視為一組串聯彈簧，提出了復合材料宏觀彈性模量的下限表達式。

Hashin等［51］等利用變分原理推導了用于宏觀各向同性顆粒加強復合材料的宏觀彈性參數，即H-S模型。Hill［52］在假定復合材料內部任一塊體的受力狀況可以代表材料內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，推導了多相復合材料的宏觀彈性模量參數，即Self-consistent scheme法。

由于復合材料的宏觀力學特征可以表示為內部塊體含量的函數，Mclaughlin［53］根據各向異性材料的相關理論提出了兩種顆粒加強復合材料的宏觀彈性模量的差分方程。田永銘等［22］通過對紅土-礫石及泥巖-碎石混雜巖土體的室內三軸試驗結果分析表明:單軸壓縮試驗獲取的宏觀彈性模量值介于HS模式下限值與Reuss串聯模式之間;通過三軸試驗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串聯模式所求值最為符合。Hashin［54］根據彈性體的最小勢能及最小余能理論提出內部含有剛性顆粒的復合材料彈性參數計算公式。為了研究含塊石黏土(clay-rock mixtures)的彈性參數，Vallejo等［55］將Hashin的理論成果應用于不飽和含塊石黏土的彈性參數獲取，并通過大量的室內試驗研究及統計分析表明采用Hashin法可以較為準確地獲取含塊石黏土的彈性參數。

此外，國內外有些學者還探討了顆粒形態(tài)特征、密度、試驗加載方式等對土石混合體宏觀彈性模量的影響。Kokusho等［56］認為菱角狀人工碎石料在固結壓力下，顆粒間接觸點容易破碎，形成較強的顆粒構造，其初始剪切模量大于河卵石料。賈革續(xù)［57］認為相同密度下隨著試驗用料粒徑變小初始剪切模量有下降的趨勢。

3 土石混合體滲透特征研究

滲透系數是巖土工程滲流分析中非常重要的計算參數，也是用來評價巖土介質性質的一個重要參數。含石量及內部填充“土體”性質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。由于對這類介質滲透穩(wěn)定性特征認識上的不足，常給工程造成極大的影響，如美國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重要指標，通常采用水力破壞坡降對土體滲透穩(wěn)定性做出定量的分析。

3.1 土石混合體的滲透系數

對于粗粒土滲透系數特征的研究，西方國家處于領先地位，我國起步相對較晚［58］。在對多個工程實例分析的基礎上，郭慶國［16］指出當粗粒含量P5(粒徑大于5 mm顆粒的質量分數)＜30%時，粗顆粒在粗粒土中只起填充作用，粗粒土滲透系數主要取決于細粒物質，滲透系數隨著含石量的增加將有所減小，滲流規(guī)律符合達西定律;當P5＞75%時粗粒在粗粒土中起到骨架作用，由于細粒物質填充不滿骨架間的孔隙，使得滲透系數突然增加，此時粗粒土的滲透系數主要取決于粗料性質，滲流規(guī)律將不再符合達西定律。

Bolton［59］通過對黏土與砂的混合物(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力有關，而且與土體的固結狀態(tài)及有效應力是否隨著圍壓(或孔隙流體壓力)的增大而增大有關。Borgesson等［60］研究了用于地下核廢料儲藏室回填的斑脫土與碎石混合物，認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］采用室內正交試驗研究表明，礫石含量越多滲透系數越大，孔隙比越大滲透系數越大，顆粒磨圓度越大滲透系數越小，并給出了土石混合體滲透系數與三者的關系表達式。許建聰等［62］采用數理統計的方法對碎石土的滲透性進行了分析研究，表明碎塊石的含量和以粉粒、黏粒為主的細粒土的含量對碎石土滲透系數影響最為顯著，碎石土的滲透系數隨土中碎塊礫石含量的增加而呈自然指數規(guī)律增大，隨土中小于0.1 mm粒徑的細粒土含量的增加而呈自然指數規(guī)律降低。魏進兵等［63］采用雙套環(huán)法對三峽庫區(qū)泄灘滑坡區(qū)分布的土石混合體飽和滲透系數進行了原位試驗，并采用相關經驗公式分析了土層孔隙率、顆粒級配等因素對試驗參數的影響。

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

式中:kup、klow分別為土石混合體宏觀滲透系數上、下限值;k、C分別代表各組分的滲透系數及體積分數，下標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的滲透穩(wěn)定性特征，國內外許多學者在含石量對水力破壞坡降的影響方面進行了大量的試驗研究［64］。郭慶國［16］認為水力破壞坡降與含石量有著密切的關系，當含石量大于70%時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］認為粗粒土的滲透破壞坡降與不同范圍內的不均勻系數、曲率系數存在不同形式的相關性，并且對于含有一定細粒組分且級配良好的粗粒土滲透破壞坡降比級配不良的粗粒土滲透破壞坡降普遍要高。

4 土石混合體細觀力學數值試驗研究

隨著現代計算技術、數值分析技術及巖土力學的不斷發(fā)展，基于數值分析技術的巖土介質細觀力學試驗作為一門新興的試驗方法深受國內外研究者的青睞，為研究這類復雜介質的細觀力學行為及變形破壞機理提供了有力的手段［66-69］。

Kaneko等［70］將離散元及有限元進行耦合建立了用于粒狀巖土材料的宏觀及細觀兩種尺度的數值分析方法，并對其相應的整體-局部剪切帶發(fā)育特征進行了相應的研究。Kristensson等［71］基于計算機并行技術對砂土內部含有堅硬塊石(stiff gravel)及軟黏土(soft clay)兩種情況時內部剪切帶的發(fā)育特征進行了細觀力學數值試驗研究，認為塊石(或黏土顆粒)形狀對其宏觀力學響應影響不大，但對這兩類混合巖土介質(sand-gravel，sand-clay)內部應變局部化發(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)對土石混合體的隨機結構進行了二維隨機生成，并對其力學性質及變形破壞機理進行了相關研究。李世海等［73］基于離散元數值分析方法對隨機生成的土石混合體三維結構模型(顆粒為球形)進行了單向加載試驗模擬研究，認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重要因素。

徐文杰等［3，74-76］采用數字圖像處理及隨機生成技術分別生成了土石混合體隨機細觀(圖2)及真實結構模型(圖3)，并進行了一系列的數值試驗研究，結果表明:土石混合體內部剪切帶的形成很大程度上取決于其內部塊石空間分布特征，并在細觀層次上呈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;土-石界面特征對土石混合體的宏觀力學性能有明顯的影響，尤其是在低圍壓條件下其影響更為顯著。

圖2 土石混合體隨機結構模型(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離散模型用于細觀力學數值試驗研究。Lee等［78］采用多面體單元模擬真實顆粒，進行了不同圍壓和不同初始孔隙率下的三軸壓縮數值試驗，所得偏差應力曲線和體應變曲線證明了多面體單元應用于數值模擬實驗的可行性。

5 土石混合體研究發(fā)展趨勢

圖3 基于數字圖像的土石混合體真實結構模型

土石混合體是隨著當今大規(guī)?；A工程建設及巖土力學的縱深發(fā)展，而逐漸從傳統巖土介質中分離出來的一類復雜巖土介質系統。構成土石混合體的細粒相(“土體”)及粗粒相(“塊石”)在物理力學性質上具有極端的差異性，從而使得其物理力學性質在細觀尺度上具有明顯的各向異性，進而影響著其宏觀的性質及變形破壞機理。

縱觀當今國內外眾多學者對土石混合體的研究，雖然取得了一定的成果，但是由于土石混合體是一種復雜的巖土介質，影響其物理力學性質的因素很多，且由于目前技術及測試手段的限制，對這類巖土介質的物理力學性質的研究工作還需不斷深化。

a.由于土石混合體內部含有粒徑較大且強度較高的塊石，現有試驗手段難于滿足精確獲取物理力學參數的要求，以致常常造成相應工程建設資金浪費，甚至由于參數選擇的不合理造成工程建設的失敗。開發(fā)這類復雜巖土介質物理力學參數精確獲取的新技術、新方法(室內、野外)及研制相應設備以研究其在復雜環(huán)境下(高壓、動力及飽和、非飽和等)的物理力學性質，并建立其結構化本構模型是目前亟待解決的問題。

b.目前隨著各類無損探測技術及圖像獲取技術的不斷發(fā)展，尤其是CT斷層掃描技術的發(fā)展并在醫(yī)學三維重建中得到了廣泛的應用，這為土石混合體三維結構特征的研究提供了可靠的技術支持?；谕潦旌象wCT斷層掃描技術的三維結構特征研究、三維幾何重建技術、軟件系統的研發(fā)及相應的細觀力學試驗研究，將具有廣泛的發(fā)展前景。

c.目前對土石混合體物理力學性質的研究大都沒有考慮到“塊石”的破碎情況，而在實際工程中由于“塊石”的強度較低或者外部荷載較高，導致土石混合體在變形破壞過程中不但伴隨著塊石的轉動、咬合等運動，而且還伴有塊石的破碎現象，從而導致其力學性質更為復雜，開展相關研究也是土石混合體力學研究的重要方向。

d.由于土石混合體內部塊石形態(tài)非常復雜，隨著各門學科及各項技術的不斷融合發(fā)展，充分利用地質學、數學、幾何學、計算科學、圖像處理技術、體視學、形態(tài)學等多學科的交叉技術來實現對土石混合體近似真實結構的隨機生成，對于土石混合體細觀結構力學的深入研究將具有重要意義。

e.隨著計算力學理論、數值計算技術的發(fā)展，基于土石混合體結構模型體系的細觀結構力學研究將成為必然，也是深入認識其力學性質及變形破壞機制的重要方法。探索適合土石混合體細觀結構乃至跨尺度結構力學分析的有效的數值計算方法(如有限元法、離散元法等)，同時充分利用現行高速計算分析技術(并行計算、GPU等)，開展大規(guī)模、多尺度的精細結構力學計算分析具有廣闊的發(fā)展前景。

f.土石混合體內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)展高精度探測技術對由土石混合體構成地質體(如邊坡、地基等)的細觀結構(尤其是巨型塊石的形態(tài)及空間位置)進行定量分析，對其穩(wěn)定分析及加固處理技術具有重要的意義。

6 結語

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雜巖土材料，由于這類特殊的巖土介質在空間結構上表現出高度的不均勻性，給土石混合體物理力學性質的研究帶來了很大的困難。隨著各類大規(guī)模工程建設的不斷發(fā)展，越來越多的工程問題與土石混合體的工程性質密切相關，這將不斷促使巖土工程及地質工程研究者開展各種相關研究工作。土石混合體工程地質力學性質的研究，已成為當今工程建設亟待解決的問題，也是當今巖土力學及工程地質學發(fā)展的必然。

本文在對近十幾年來國內外在土石混合體這類巖土介質方面的研究成果分析的基礎上，對土石混合體的細觀結構特征、抗剪強度特征、宏觀彈性參數特征、滲透性特征、細觀結構與強度關系及細觀力學數值試驗等6個方面的研究成果進行了系統的分析，并對其中存在的問題進行了探討。最后針對目前對土石混合體的研究現狀，并結合現有的技術手段對土石混合體今后幾年的研究趨勢進行了論述。

［1］MEDLEY E，GOODMAN R E.Estimationg the block volumetric proportion of mélanges and similar block-inmatrix rocks(bimrocks)［C］//Proceeding of the 1st North American Rock Mechanics Conference(NARMS).Rotterdam:Balkema，1994:851-858.

［2］油新華.土石混合體的隨機結構模型及其應用研究［D］.北京:北方交通大學，2001.

［3］徐文杰.土石混合體細觀結構力學及其邊坡穩(wěn)定性研究［D］.北京:中國科學院地質與地球物理研究所，2008.

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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

國家自然科學基金青年科學基金(51109117);清華大學自主科研計劃(20111081125);地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室開放基金(SKLGP2011K015，GZ2007－10)

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

2012-04-09 編輯:熊水斌)