0.   引言

工程上将单轴饱和抗压强度小于30 MPa的岩石称为软质岩石，比较有代表性的有泥岩、页岩、泥质砂岩、千枚岩等^[1]。软岩在地球上的分布十分广泛，仅泥岩和页岩就占地球表面岩石总量的50%左右^[2]。由于岩石分布的时空变异性，在坝址附近往往缺乏工程性质良好的筑坝料母岩，而工程性质相对较差的软岩却数量可观。为了提高料场利用率、有效缩段工期，由坝址附近软质岩石爆破或开挖而来的软岩筑坝料在工程上的使用日益广泛^[3]。当软岩粗粒料作为土石坝的主体填筑材料时，其强度及变形特性会影响工程的安全与稳定。

早期的研究证实，岩石的力学特性易受温湿环境的影响^[4-5]。近年来，温湿环境对粗粒料力学特性影响的研究得到重点关注。针对硬岩粗粒料方面，石北啸等^[6]利用大型劣化仪研究了不同温度及温度循环次数对英安岩堆石料三轴流变特性的影响，发现流变变形随着温度的升高而降低，随着温度循环次数的增加而升高。孔宪京等^[7]探究了干湿状态对英安岩堆石料的三轴剪切破碎特性的影响，指出不同的干湿状态会引起堆石料不同程度的破碎。张清振等^[8]探究了干湿循环作用对花岗岩堆石料劣化变形的影响，发现堆石料试样在干湿循环过程中发生的变形随循环次数的增加逐渐增大，并最终趋于稳定。

软岩粗粒料具有风化程度高、易破碎的特点，相比于硬岩粗粒料，更容易受到温湿环境的影响。孙国亮等^[9]利用堆石料风化仪开展了泥质粉砂岩堆石料风化试验，得出温度升高劣化变形量变大的结论。张丹等^[3]采用水蒸气增湿法对泥质粉砂岩堆石料进行增湿处理，开展三轴增湿试验，发现颗粒接触点及颗粒表面吸附的水使试样产生明显变形，而颗粒吸水饱和之后颗粒间的孔隙水对试样变形影响较小。Oldecop等^[10-11]开展了控制湿度的板岩堆石料侧限压缩及压缩流变试验，发现随着湿度的升高，堆石料的瞬时变形及流变变形均增大。Alonso等^[12]开展了控制湿度的板岩堆石料三轴剪切试验，发现湿度变化会影响堆石料的剪切强度、颗粒破碎以及临界状态线位置。

总体而言，上述研究中存在两方面值得深入研究的内容：①当前的研究主要关注单一的温度或者相对湿度对软岩粗粒料劣化特性的影响，而温度与相对湿度的作用一般是相互影响的，有必要联合考虑；②温湿度对软岩粗粒料力学特性的影响只有定性的结论，如何在本构建模中统一考虑温湿度的影响还没有合适的思路。为此，本文采用自行研制的温湿控制粗粒料大型三轴仪对粉砂质千枚岩粗粒料开展控制温湿度的三轴剪切试验。重点关注温湿度对软岩粗粒料的剪切强度、剪切变形、颗粒破碎及临界状态的影响，并基于不同温湿度作用下的颗粒破碎等效对应关系，对不同温湿工况下颗粒破碎及临界状态试验规律做归一化处理，从而为考虑温湿度影响的粗粒料本构模型的构建提供依据。

1.   试验概况

1.1   试验仪器

试验所用仪器为河海大学自主研制的温湿控制粗粒料大型三轴仪^[13]，如图 1所示。该仪器主要由加载及控制系统、温度控制系统、湿度控制系统3部分组成，可实现试验过程中试样的温湿度联合控制。其主要技术参数为：最大围压4 MPa，最大轴向荷载2000 kN，最大轴向变形250 mm，试样尺寸$\phi$200 mm×400 mm/$\phi$300 mm×600 mm，相对湿度控制范围0%~100%，温度控制范围-20℃~70℃。

图  1  温湿控制粗粒料大型三轴仪

Figure  1.  Temperature-relative humidity controlled large triaxial apparatus for coarse granular materials

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   试验材料

试验用料是取自某面板堆石坝的粉砂质千枚岩粗粒料，其颗粒相对质量密度为2.64，饱和面干吸水率为1.78%，母岩单轴抗压强度平均值39 MPa，软化系数平均值0.63，物理性质较差。本次试验试样的尺寸为$\phi$200 mm×400 mm，试样的最大粒径d_max=40.0 mm，按照40~30，30~20，20~10，10~5，5~2，2~1，1~0.5 mm将试验粗粒料划分为7个粒径组，试样的初始级配曲线如图 2所示。根据《土工试验规程：GB/T50123—2019》^[14]的规定，测得级配土料在风干状态下的最小干密度为1.64 g/cm³，最大干密度为1.92 g/cm³。

图  2  试验材料的级配曲线

Figure  2.  Grain-size distribution curves of test materials

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   温湿度控制方法

本文重点关注不同温湿条件下粗粒料的三轴剪切特性，试样的温度控制通过控制压力室内部水温实现，湿度控制通过蒸汽平衡控湿技术实现^[13]。其中蒸汽平衡控湿技术的原理是在恒定相对湿度的环境中养护试验材料，使其逐渐吸湿并最终达到含水率稳定的状态，恒湿环境一般可采用饱和盐溶液进行控制^[15]。在非饱和土力学领域，蒸汽平衡控湿技术常用于高吸力条件下土体的含水率控制^[10-12]。不同的饱和盐溶液对应不同的恒湿环境，通过更换盐溶液可使试验材料达到不同的吸湿状态。

为了测试本文试验级配料的吸湿特性，在30℃条件下利用不同的饱和盐溶液对烘干的试验材料进行湿度养护，待吸湿稳定后测得材料的含水率。30℃条件下不同饱和盐溶液对应的相对湿度如表 1所示。图 3绘制了吸湿平衡后含水率与相对湿度的关系曲线。从图中可以看出，随着相对湿度的升高，粗粒料的含水率升高。

表  1  饱和盐溶液及对应相对湿度环境（T=30℃）

Table  1.  Saturated salt solutions and corresponding relative humidities (T=30℃)

饱和盐溶液	RH/%
LiBr	6.16±0.47
MgCl2·H2O	32.44±0.14
NaBr	56.03±0.38
NaCl	75.09±0.11
KCl	83.62±0.25
K2SO4	97.08±0.41

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  3  含水率与相对湿度的关系

Figure  3.  Relationship between relative humidity and water content

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.4   试验方案

开展温控与湿控两种三轴剪切试验，其中温控试验均采用饱和样，设置5℃，30℃，55℃ 3个不同温度；湿控试验采用非饱和样，控制温度均为30℃，分别利用饱和NaCl溶液（相对湿度值约为75%）及饱和MgCl₂溶液（相对湿度值约为33%）进行湿度控制，试样含水率分别对应为0.826%及0.448%。每个不同温湿度工况下的试样均在3个不同围压条件下（400，800，1600 kPa）进行三轴剪切试验。试验采用最大干密度${\rho _{{\text{dmax}}}}$=1.92 g/cm³制样，对应的初始孔隙比${e_0}$=0.373。

试验主要操作步骤如下：

（1）材料准备。根据试验材料的级配曲线及制样干密度称取一定质量的试样材料，分为5等份。若开展饱和三轴试验，可直接进行试样制备；若开展非饱和三轴试验，应先对试验材料进行湿度养护。养护方法为将试验材料放入恒温、恒湿的养护箱，通过蒸汽平衡法使试验材料吸附空气中的水分，如图 4所示。待前后24 h测量到的颗粒质量变化值小于总质量的0.002%时判定颗粒吸湿稳定（判稳标准与细粒土湿度稳定判断标准基本相同^[15]）。

图  4  恒温、恒湿养护

Figure  4.  Curing at constant temperature and relative humidity

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）试样制备。采用分层振捣法制备试样，共分5层装样，每层高度8 cm，制备完成的试样如图 5所示。制样完成后对试样进行恒温恒湿二次养护，即开启温度控制系统的同时，对试样进行湿度控制。饱和试样采用水头饱和法进行饱和，当有连续的水从试样流出时认为试样已饱和；非饱和试样通过循环恒湿空气进行湿度控制，当从试样内部循环出的气体湿度达到目标值时认为控湿稳定。当温控系统记录到的温度到达目标温度并稳定8 h后可开始试验。

图  5  三轴试样的制备

Figure  5.  Preparation of triaxial specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（3）等向固结及三轴剪切。对养护好的试样分别施加400，800，1600 kPa的围压，记录固结过程试样的体积变化，固结稳定后开始三轴剪切。剪切过程采用恒定应变速率控制，剪切速率为1 mm/min（0.25%/min），轴向应变达到20%时结束试验。

（4）颗粒破碎统计。对步骤（1）中制备的试样进行筛分试验，绘制击实后试样的级配曲线；三轴剪切结束后，同样取出试样进行筛分，绘制不同温湿工况三轴剪切后的级配曲线。通过对比三轴剪切后与击实后试样的级配曲线，分析温湿度对颗粒破碎的影响。

2.   试验结果分析

2.1   应力-应变与体变-应变曲线

图 6~8为不同围压与不同温湿工况下的应力应变与体变-应变曲线，可以看出：①应力-应变关系中，400 kPa围压条件下的试样表现出轻微的“应变软化”现象，800 kPa围压及1600 kPa围压条件下的试样均表现为应变硬化现象；②体变-应变关系中，仅400 kPa围压作用下的非饱和试样与温度较低的饱和试样在剪切中后段出现了剪胀现象，其余试样均为表现为持续剪缩现象；③粗粒料的力学特性有明显的温湿效应，随着温湿度的升高，剪切强度降低，剪缩变形增大；④温湿度对粗粒料力学特性的影响在低围压下更明显，随着围压的升高，温湿度引起的差异逐渐减小。

图  6  不同温湿工况下的三轴试验曲线(${\sigma _3}$=400 kPa)

Figure  6.  Triaxial test results at different temperatures and relative humidities (${\sigma _3}$=400 kPa)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  不同温湿工况下的三轴试验曲线(${\sigma _3}$=800 kPa)

Figure  7.  Triaxial test results at different temperatures and relative humidities (${\sigma _3}$=800 kPa)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  8  不同温湿工况下的三轴试验曲线(${\sigma _3}$=1600 kPa)

Figure  8.  Triaxial test results at different temperatures and relative humidities (${\sigma _3}$=1600 kPa)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   温湿度对临界状态的影响

土体的临界状态是指土体在三轴剪切作用下最终达到的应力及体变不再变化而剪应变持续发展的极限状态。临界状态理论是描述土体剪切变形的关键理论，自提出以来已被广泛的应用于土石材料本构模型研究^[16-17]。

为了探讨温湿度对粗粒料临界状态的影响，统计本次试验试样的临界状态强度及临界状态孔隙比。本次试验以轴向应变达到20%作为停止标准，从试验结果上看，有些试样在剪切结束时的应力及体变已经稳定，达到了临界状态，而有些试样的应力及体变仍在变化，但已出现稳定的趋势，可近似认为达到了临界状态^[17]。本文统一认为试验结束时的状态为临界状态，探究温湿度对临界状态强度及临界状态孔隙比的影响。

（1）温湿度对临界状态强度的影响

粗粒料的临界状态强度往往呈现出非线性特征，其临界状态时的偏应力q与平均应力p一般采用下式进行描述^[16]：

式中：A和B均为拟合参数。

图 9绘制了不同温湿工况下p-q平面上的临界状态点，根据式（1）对数据点进行拟合，统计拟合参数见表 2。

图  9  p-q平面上的临界状态线

Figure  9.  Critical state lines in p-q plane

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  2  临界状态强度公式的参数统计

Table  2.  Fitting parameters of critical state strength

拟合参数	温湿状态
	55℃ 饱和	30℃ 饱和	5℃ 饱和	30℃ RH=75%	30℃ RH=33%
A	2.492	2.774	3.591	4.026	4.484
B	0.949	0.938	0.907	0.897	0.886

下载: 导出CSV 

| 显示表格

由图 9和表 2可以看出：①随着温湿度的升高，p-q空间的临界状态线表现出向下旋转的趋势；②临界状态强度公式的参数A随着温湿度的升高而降低，参数B随着温湿度的升高而升高。

（2）温湿度对临界状态孔隙比的影响

区别于黏性土，粗粒料的临界状态线在e-lnp空间不呈线性分布，而是在e-($p{\text{/}}{p_{\text{a}}}$)^ξ平面内近似为直线。可用下式对粗粒料的临界状态线进行描述：

式中：${p_{\text{a}}}$为标准大气压；${e_{{\text{ref}}}}$为拟合曲线的截距；$\lambda$为拟合曲线的斜率；$\xi$为模型参数，对于颗粒材料，$\xi$的取值位于0.6~0.8，一般可取平均值0.7^[17]。

图 10绘制了不同温湿工况下e-($p{\text{/}}{p_{\text{a}}}$)^0.7平面上的临界状态点，从图中可以看出，随着温湿度的升高，不同应力状态的临界状态点位置近似为平行下移。采用式（2）对数据点进行拟合，可认为温湿度不影响拟合曲线的斜率，将斜率定为五条拟合直线斜率的平均值（$\lambda$=0.0185），统计不同温湿工况下的拟合直线的截距${e_{{\text{ref}}}}$，如表 3所示。

图  10  e-($p{\text{/}}{p_{\text{a}}}$)^0.7平面上的临界状态线

Figure  10.  Critical state lines in e-($p{\text{/}}{p_{\text{a}}}$)^0.7 plane

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  3  临界状态孔隙比公式的参数统计

Table  3.  Fitting parameters of critical state void ratio

拟合 参数	温湿状态
	55℃ 饱和	30℃ 饱和	5℃ 饱和	30℃ RH=75%	30℃ RH=33%
eref	0.391	0.407	0.420	0.451	0.459

下载: 导出CSV 

| 显示表格

由图 10及表 3可以看出：①不同温湿度作用下的临界状态线在e-($p{\text{/}}{p_{\text{a}}}$)^0.7空间内可近似认为是相互平行的直线；②随着温湿度的升高，拟合直线的截距逐渐降低，即临界状态线向下平移。

2.3   温湿度对颗粒破碎的影响

图 11给出了试样的初始级配、击实后级配以及不同温湿工况三轴剪切后的级配，通过对比可以看出：①随着温湿度及围压的升高，粗粒料的颗粒破碎程度逐渐增大，具体表现为剪切结束后试样的细粒含量更多，级配曲线的位置更靠上；②随着围压的升高，温湿度所引起的颗粒破碎差异逐渐减小，具体表现为不同温湿工况下试样级配曲线位置在低围压条件下区分明显，而在高围压条件下有重合的趋势。

图  11  不同温湿工况下三轴剪切后试样的级配曲线

Figure  11.  Grain-size distribution curves of specimens after triaxial shear at different temperatures and relative humidities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了量化颗粒破碎，采用Hardin提出的相对破碎率B_r作为颗粒破碎的度量指标，对不同工况试样剪切结束后的颗粒破碎率进行计算。计算公式为

式中：${B_{\text{t}}}$为击实后级配曲线与试验后级配曲线所围成的面积；${B_{{\text{pf}}}}$为击实后级配曲线与粒径d=0.074 mm的竖线所围成的面积。

不同温湿工况下试样颗粒破碎率随围压的变化如图 12所示，可以看出：①随着围压及温湿度的升高，试样相对破碎率增大，颗粒破碎更为严重；②高围压条件下，不同温度的饱和试样不仅应力-应变与体变-应变曲线较为接近（图 8），颗粒破碎率也相差不大。

图  12  不同温湿工况下B_r与${\sigma _3}$的关系

Figure  12.  Relationship between B_r and ${\sigma _3}$ under different temperatures and relative humidities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

颗粒破碎是一个耗能的过程，颗粒破碎量的大小与输入的能量相关。在探讨粗粒料的颗粒破碎规律时可建立输入塑性功与颗粒破碎率的关系，其中塑性功W_p按下式进行计算^[7]：

式中：p和q分别为广义球应力和广义偏应力；${\text{d}}\varepsilon _{\text{v}}^{\text{p}}$和${\text{d}}\varepsilon _{\text{s}}^{\text{p}}$分别为塑性体应变增量和塑性剪应变增量；当${\text{d}}\varepsilon _{\text{v}}^{\text{p}} > 0$时$\left\langle {{\text{d}}\varepsilon _{\text{v}}^{\text{p}}} \right\rangle = {\text{d}}\varepsilon _{\text{v}}^{\text{p}}$，当${\text{d}}\varepsilon _{\text{v}}^{\text{p}} < 0$时$\left\langle {{\text{d}}\varepsilon _{\text{v}}^{\text{p}}} \right\rangle = 0$。

通过式（4）计算不同温湿工况下试验结束点所对应的塑性功，统计不同温湿工况下试样颗粒破碎率与输入塑性功的关系，如图 13所示。

图  13  不同温湿工况下B_r与W_p的关系

Figure  13.  Relationship between B_r and W_p under different temperatures and relative humidities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

孔宪京等^[7]开展了不同干湿状态条件下的粗粒料三轴试验，在分析颗粒破碎规律时提出采用如下方程来拟合不同干湿状态下B_r与(${W_{\text{p}}}/{\sigma _{\text{c}}}$)的统一关系：

式中：a和n为材料参数；${\sigma _{\text{c}}}$为母岩单轴抗压强度。

式（5）可进一步转化为如下形式：

式中：χ为与母岩单轴抗压强度相关的材料参数。

由式（6）可以看出，不同干湿条件下相同材料的拟合参数n相同，通过改变母岩抗压强度相关的参数χ即可描述不同干湿条件下颗粒破碎率与塑性功的关系。本文对不同干湿状态的粗粒料三轴剪切试验做进一步拓展，开展了多种温湿工况下软岩粗粒料的三轴剪切试验，采用式（6）对不同温湿工况下的数据点进行拟合，并在图 13中绘制拟合曲线。其中参数n取为0.82，统计不同温湿工况下的拟合参数χ，如表 4所示。

表  4  B_r与W_p拟合公式的参数统计

Table  4.  Fitting parameters of relationship between B_r and W_p

拟合参数	温湿状态
	55℃ 饱和	30℃ 饱和	5℃ 饱和	30℃ RH=75%	30℃ RH=33%
χ	2285.8	2670.2	2919.8	3710.3	4366.9

下载: 导出CSV 

| 显示表格

由图 13及表 4可以看出：①随着温湿度的升高，相同塑性功作用下的颗粒破碎率更大；②式（6）可较好的描述不同温湿工况下B_r与W_p的关系，拟合参数χ随着温湿度的升高逐渐降低。

2.4   温湿效应内在机制的探讨

通过上述讨论发现：软岩粗粒料的三轴剪切特性具有明显的温湿效应，且温湿度变化引起的差异在低围压条件下更显著，随着围压的升高差异逐渐变小。究其原因可能是受颗粒破碎及级配演化规律的影响。

一般情况下，岩石的抗压强度随温湿度的升高而降低^{[4, 18-19]}。式（7）中拟合参数χ的变化规律证明本文试验用料的母岩单轴抗压强度符合一般岩石强度随温湿度的变化规律。母岩强度决定了粗粒料的颗粒破碎强度，而颗粒破碎会影响粗粒料的三轴剪切特性。因此，可认为不同温湿工况下颗粒破碎强度的差异导致了剪切强度、剪切变形及临界状态的变化。随着颗粒破碎的发生，细颗粒含量逐渐增多，颗粒配位数增大，级配逐渐向最终分布发展^[20-21]。相比于低围压条件，高围压条件下颗粒更容易发生破碎，试样级配会更快的向最终分布发展并最终达到稳定的分布状态。图 11中高围压条件下级配曲线位置近似重合也说明了确实存在最终的稳定分布状态。当级配达到稳定分布状态时，颗粒破碎不在发生，此时温湿度的影响不再显著。

3.   三轴剪切特性温湿效应的归一化

受缩尺效应、外界环境等因素的影响，粗粒料的强度变形、颗粒破碎等试验规律有所区别，为了得到统一的力学响应关系，可通过引入复杂影响因素作用下表征颗粒破碎难易程度的参变量（如母岩单颗粒破碎强度、单轴抗压强度等）对宏观应力或塑性功进行归一化处理，进而在归一化的坐标空间内得到统一的试验规律。例如，孔宪京等^[7]通过引入母岩干湿单轴抗压强度对三轴剪切后不同干湿状态试样的颗粒破碎率进行归一化处理；Frossard等^[22]通过引入单颗粒破碎强度对不同尺寸粗粒料的剪切强度进行归一化处理。从本文试验结果来看，不同温湿工况下软岩粗粒料的颗粒破碎及临界状态规律不存在统一的关系，通过引入不同温湿工况下表征母岩破碎强度的参变量对集合体所受宏观应力归一化处理，有望在归一化的坐标空间内得到统一的试验规律。

参考现有研究的做法^{[7, 22]}，构建考虑温湿效应的归一化应力转换关系。假设在不同温湿工况下存在两个几何相似的试样，且其颗粒破碎状态完全相同。考虑到不同温湿工况下粗粒料集合体是由形状、级配相同的颗粒组成，可认为不同温湿工况下粗粒料集合体所受宏观应力有如下对应关系：

式中：${\sigma _{ij1}}$与${\sigma _{ij2}}$分别为工况1与工况2条件下粗粒料集合体所受宏观应力张量；${\alpha _1}$与${\alpha _2}$分别为工况1与工况2条件下颗粒破碎强度的归一化参数，具有应力的量纲。

由于工况1与工况2条件下的试样是几何相似的，因此在${\sigma _{ij1}}$与${\sigma _{ij2}}$分别作用下，试样的变形情况可认为是相同的^[23]。结合式（4），（7）可得不同温湿工况下的塑性功有如下对应关系：

式中：${W_{{\text{p1}}}}$与${W_{{\text{p2}}}}$分别为不同工况下输入的塑性功。

由于工况1与工况2条件下的颗粒破碎状况完全相同，因此不同温湿工况下输入塑性功${W_{{\text{p1}}}}$与${W_{{\text{p2}}}}$所对应的颗粒破碎率相同，由式（7）可得以下对应关系：

式中：${\chi _1}$与${\chi _2}$分别为不同工况下式（6）的拟合参数。

式（9）可进一步转化为如下形式：

对比式（8），（10）可得，归一化参数$\alpha$与拟合参数χ具有如下对应关系：

表 5给出了不同温湿工况下归一化参数$\alpha$的统计结果。

表  5  不同温湿工况下的归一化参变量α统计

Table  5.  Normalized parameters α under different temperatures and relative humidities

修正参数	温湿状态
	55℃ 饱和	30℃ 饱和	5℃ 饱和	30℃ RH=75%	30℃ RH=33%
α	12484.99	15090.79	16828.30	22536.94	27493.86

下载: 导出CSV 

| 显示表格

根据式（7），（8），统计归一化坐标空间下的颗粒破碎与临界状态试验规律。图 14为B_r-W_p/$\alpha$平面上的颗粒破碎统计规律，图 15为p/$\alpha$-q/$\alpha$平面上的临界状态线，图 16为e-(p/$\alpha$)^0.7平面上的临界状态线。

图  14  不同温湿工况下B_r与W_p/$\alpha$的关系

Figure  14.  Relationship between B_r and W_p/$\alpha$ under different temperatures and relative humidities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  15  p/$\alpha$-q/$\alpha$平面上的临界状态线

Figure  15.  Critical state lines in p/$\alpha$-q/$\alpha$ plane

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  16  e-(p/$\alpha$)^0.7平面上的临界状态线

Figure  16.  Critical state lines in e-(p/$\alpha$)^0.7 plane

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 14~16可知，通过引入基于颗粒破碎试验结果标定得到的归一化参变量$\alpha$，不仅可在归一化坐标空间下得到较为统一的颗粒破碎统计规律，也可得到较为统一的临界状态统计规律。上述试验规律的归一化验证了三轴试验结果温湿效应的本质原因是不同温湿工况下颗粒的破碎强度有所区别，后续研究只需建立考虑温湿度影响的归一化参变量$\alpha$的表达式，并结合相应的拟合方程，即可对不同温湿工况下离散的颗粒破碎和临界状态规律进行统一描述。统一的拟合方程可用于考虑温湿度影响的软岩粗粒料本构模型的构建。

4.   结论

本文对弱风化的千枚岩粗粒料开展了一系列控制温湿度的三轴剪切试验，分析了温湿度对软岩粗粒料三轴剪切条件下的峰值强度、体积变化、颗粒破碎及临界状态的影响，主要得到以下3点结论。

（1）软岩粗粒料的三轴剪切特性具有明显的温湿效应。随着温湿度的升高，粗粒料的峰值剪切强度降低，剪缩变形量增大；温湿度对力学特性的影响在低围压条件下更显著，随着围压的升高，温湿度引起的差异性变小。

（2）软岩粗粒料的颗粒破碎及临界状态受温湿环境影响显著。随着温湿度的升高，粗粒料三轴剪切后的相对破碎率增大，相同塑性功输入的条件下，高温、高湿条件下的颗粒破碎率更大；p-q空间的临界状态线向下旋转，e-($p/{p_{\text{a}}}$)^ξ空间的临界状态线向下平移。

（3）软岩粗粒料三轴剪切特性温湿效应的本质原因是不同温湿工况下颗粒的破碎强度有所区别。基于不同温湿度作用下的颗粒破碎等效对应关系，可实现不同温湿工况下颗粒破碎及临界状态试验规律的归一化。

本文旨在探究温湿环境对软岩粗粒料三轴剪切特性的影响规律。后续研究可建立考虑温湿度影响的软岩粗粒料本构模型，从而实现不同温湿环境下实际工程的变形计算。