近日，岩土工程领域一区期刊《Acta Geotechnica》发表了清华大学张建民院士、王睿教授团队关于无胶结原状砂土接触咬合效应及其力学行为机制的研究成果。第一作者为清华大学张泽蔚，通讯作者为清华大学王睿教授。

该成果利用微旷科技的X射线显微原位CT技术，对原状砂土及其气落法重塑试样的初始状态微型试样开展了三维无损检测，定量表征了颗粒定向分布、接触法向各向异性、配位数、接触面积与体积等核心细观组构特征。为天然结构性砂土的统一本构建模与原位岩土工程设计提供了关键的理论支撑与实验依据。

论文标题：“Role of contact interlocking on the mechanical behavior of an uncemented intact sand”（接触咬合对无胶结原状砂土力学特性的影响）

1. 研究摘要

天然沉积的原状砂土，因沉积过程形成的初始组构，其力学特性与重塑砂土存在显著差异。本研究对原状砂土及其气落法重塑试样开展了空心圆柱扭剪（HCTS）试验，对比二者的宏观力学行为；同时对初始状态下的对应微型试样进行X射线层析成像扫描，对比其组构特征。结果表明：宏观层面，原状砂土具有更高的初始剪切模量和更显著的剪胀性，且这些差异随加载进程逐渐减小；细观层面，原状砂土的颗粒定向集中于一个倾斜平面内，而重塑砂土颗粒趋于沿水平平面定向。原状砂土的接触法向分布更均匀，配位数更高，尤其是接触面积与接触体积显著大于重塑砂土，且这些差异在试样的粗颗粒中更为突出。基于上述细观结构特征，本文提出了咬合变量I，假定该变量在剪切过程中不断演化，最终收敛于唯一的临界状态；并将其引入剪胀状态参数，构建了考虑咬合效应的临界状态理论（CST-I）。模拟结果表明，通过在CST-I中引入咬合变量I，可很好地捕捉原状砂土更高的剪切模量和更显著的剪胀特性。CST-I为无胶结结构性砂土与重塑砂土的统一建模提供了理论框架。

2. 研究材料与原位CT试验方法

2.1 研究材料

本研究的原状试样取自某工程场地20米深处原状砂土，以及采用同批次砂土、通过气落法制备的密度与颗粒级配与原状试样完全一致的重塑砂土试样；原状砂土经原位冻结取样、低温机加工制成空心圆柱试样，与重塑空心圆柱试样一同用于空心圆柱扭剪（HCTS）试验，同时从两类试样上低温切削制备微型试样用于细观组构分析。

图1. 取样流程：(a)冻结试样电动切削装置；(b)用于空心圆柱扭剪试验的冻结试样；(c)用于X射线层析成像的微型试样修整；(d)将微型试样放入聚四氟乙烯（PTFE）容器中。

2.2 原位CT试验方法

为定量表征原状与重塑砂土的细观组构差异、揭示二者力学行为差异的细观起源，本研究采用微旷科技XPloreVista 2000显微原位CT及WK-XFunct 6005型热力耦合原位台，对初始状态的微型试样进行低温原位CT扫描。实验共采用3组试样，包括原状砂土（IS1、IS2、IS3）与重塑砂土（RS1、RS2、RS3），选取试样中心5 mm×5 mm×5 mm、包含约4000个砂颗粒的代表性区域开展细观组构定量分析。CT扫描参数为：温度≤ -5℃，空间分辨率5.32 μm。

图2. X射线层析成像设备示意图及扫描过程中的温度变化。

3. 原位CT研究结果

3.1 颗粒形态特征

CT结果证实，原状与重塑砂土的平均颗粒体积、表面积、等效粒径、球度等基础颗粒形态特征无显著差异，颗粒级配的CT扫描结果与室内筛分结果高度吻合，排除了颗粒本身形态、级配差异对组构对比的干扰，为试验的可靠性奠定了基础。

图3. 接触指标的X射线图像示意图：(a)颗粒配位数CNp与接触配位数CNc相等的接触情形；(b)颗粒配位数CNp与接触配位数CNc不相等的接触情形；(c)小接触面积的接触情形；(d)大接触面积的接触情形。

3.2 颗粒定向与组构各向异性差异

重塑砂土颗粒长主轴主要沿水平平面平卧分布，定向集中程度高，颗粒定向各向异性强度（||Fₚ||均值0.197）、接触法向各向异性强度（||F_c||均值0.067）均显著更高；原状砂土颗粒长主轴集中于倾斜平面，水平平面内呈定向优势分布，整体定向更分散，接触法向分布也更均匀无序，颗粒与接触法向的组构各向异性强度均远低于重塑砂土。两类砂土的颗粒定向各向异性均随粒径增大而增强，而二者的各向异性差异在细颗粒中更为突出。

图4. 原状砂土与重塑砂土的三维颗粒长主轴定向极坐标图及其在xz平面上的投影：(a)重塑试样的颗粒定向极坐标图；(b)重塑试样极坐标图在xz平面上的投影；(c)原状试样的颗粒定向极坐标图；(d)原状试样极坐标图在xz平面上的投影。

图5. 颗粒过滤直径对颗粒定向各向异性的影响：(a)不同颗粒过滤直径下砂土的可视化效果；(b)不同颗粒过滤直径对应的各向异性强度||Fₚ||与相对差值RD。（平均值为三个试样的平均值，范围表示这些试样的结果分布区间）。

图6. 原状砂土与重塑砂土的三维接触法向定向极坐标图：(a)重塑砂土；(b)原状砂土。

3.3 接触特征的核心差异

原状砂土的基于颗粒的配位数（CNₚ）、基于接触的配位数（CN_c）、接触面积强度（CIₐ）、接触体积强度（CIᵥ）整体均值均显著高于重塑砂土；接触面积分布上，原状砂土小面积接触占比远低于重塑砂土，大接触面积占比显著更高，直接印证了天然沉积时效作用对颗粒接触的强化效应。

图7. 接触指标之间的关系：(a)接触配位数CNc与颗粒配位数CNp；(b)接触体积强度CIv与接触面积强度CIa；(c)接触面积强度CIa与颗粒配位数CNp。

3.4 粒径对接触特征的调控规律

无论过滤粒径如何变化，原状砂土的接触指标均始终高于重塑砂土，且二者的相对差异随颗粒粒径增大而显著升高；其中接触面积、接触体积强度的差异增幅最为突出，对于d₆₀以上的粗颗粒，二者差异超过20%，而配位数的差异幅度与增幅均更小，明确了粗颗粒的接触强度特征是原状砂土咬合效应的核心载体。

图8. 不同颗粒过滤直径对应的接触指标及相对差值：(a)基于颗粒的配位数；(b)基于接触的配位数；(c)接触面积强度；(d)接触体积强度。（平均值为三个试样的平均值，范围表示这些试样的结果分布区间。）

4. 研究结论

本研究对无胶结原状砂土及其重塑试样的宏观力学行为与细观组构特征开展了系统研究。通过一系列空心圆柱扭剪试验，对比了不同加载方向下二者的力学响应；同时采用X射线层析成像技术，获取了试样的颗粒定向与接触信息。研究发现，咬合效应是导致原状与重塑砂土力学响应差异的核心因素。基于细观与宏观观测结果，提出了咬合变量I，并将其纳入临界状态理论，建立了细观与宏观特性之间的关联。本研究的主要结论如下：

1. 在所有加载方向下，原状砂土均比气落法重塑试样具有更高的初始剪切模量与更显著的剪胀性，且这些差异随加载进程逐步减小。

2. 对于本研究采用的无胶结河流相砂土，原状与重塑砂土的组构各向异性存在显著差异：原状砂土的颗粒定向在倾斜平面内呈现定向集中，而重塑砂土颗粒趋于在水平平面内随机定向；二者的接触法向均集中于竖直方向；无论是颗粒定向还是接触法向，原状砂土的整体组构各向异性均小于重塑砂土。

3. 原状砂土具有更高的配位数、接触面积与接触体积，这些差异在粗颗粒中尤为突出；其中接触强度指标（接触面积与体积）的差异最为显著，对于d₆₀以上的颗粒，差异可超过20%。这些结果直接证实了原状砂土内部存在显著的咬合效应。

4. 仅依靠组构各向异性的差异，无法解释原状与重塑砂土宏观应力-应变响应的不同。采用ACST可有效模拟不同加载方向下重塑砂土的各向异性行为，但无法捕捉原状与重塑砂土之间的差异。

5. 基于细观与宏观观测结果，提出了咬合变量I，并将其引入临界状态理论，纳入源于接触强度的咬合效应，构建了CST-I。该理论可有效区分原状与重塑砂土在剪切模量与剪胀性方面的差异，为原状与重塑砂土的统一建模提供了理论框架，且可便捷地整合到现有本构模型中。

原始文献：

Zhang Z, Yang X, Liu H, et al. Role of contact interlocking on the mechanical behavior of an uncemented intact sand[J]. Acta Geotechnica, 2025, 20(11): 5785-5804.

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s11440-025-02756-y