黃 宇 星

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080)

巖土類材料的靜水壓力效應(yīng)分析

黃 宇 星

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080)

以不同的靜水壓力為基礎(chǔ)，對巖土類材料摩擦與粘聚兩種強(qiáng)度的發(fā)揮機(jī)制進(jìn)行了研究，并分析了材料顆粒對抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，論述了巖土類材料靜水壓力效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制，指出在低靜水壓力條件下，巖土類材料表現(xiàn)為剪應(yīng)力比破壞；在高靜水壓力條件下，巖土材料表現(xiàn)為剪應(yīng)力破壞。

巖土材料，靜水壓力，效應(yīng)

0 引言

巖土類材料是一種由顆粒材料組成的集合體材料，具有摩擦性特點(diǎn)，一般情況下，巖土類材料如果發(fā)生破壞，大多為剪切破壞，因此，其抗剪強(qiáng)度的高低會直接影響到材料質(zhì)量，而靜水壓力是對抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響的主要因素，這一問題如今也成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)話題。隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多近海工程、高土石壩等作業(yè)也逐漸興起，這些工程所用的材料都必須在高靜水壓力下進(jìn)行工作，因此，需要對靜水壓力的巖土類材料的破壞進(jìn)行深入研究。

1 巖土類材料的抗剪強(qiáng)度

在不存在靜水壓力時(shí)，巖土材料中便已經(jīng)存有抗剪強(qiáng)度，這主要是材料中已有的粘聚強(qiáng)度，而材料性質(zhì)決定了材料粘聚強(qiáng)度的高低，如混凝土中主要是砂漿基質(zhì)產(chǎn)生粘聚，因此，砂漿基質(zhì)的多少決定了混凝土的粘聚強(qiáng)度；粘土中的粘聚作用產(chǎn)生于土粒間發(fā)生的膠結(jié)作用；巖石中的粘聚作用主要產(chǎn)生于其顆粒與礦物所產(chǎn)生的聯(lián)結(jié)力。

在產(chǎn)生等向壓縮的過程中，一般粘土不會被破壞，當(dāng)靜水壓力逐漸增大時(shí)，粘土之間的顆粒間隙會逐漸減小，膠結(jié)作用于分子作用力增大，隨之而來的便是粘土粘聚強(qiáng)度的增加[1]。而在等向壓縮的過程中，混凝土與巖石會因?yàn)殪o水壓力的增大而發(fā)生破碎，且無法恢復(fù)，其粘聚力會逐漸減小，所以，當(dāng)靜水壓力增加到一定程度時(shí)，混凝土便會破碎成散粒體，混凝土的等級也不會再對抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。對于凍土等已經(jīng)喪失結(jié)構(gòu)性的材料，在等向壓縮時(shí)還可以繼續(xù)承載。

2 低靜水壓力

在低靜水壓力條件下，靜水壓力的不足會讓材料中絕大多數(shù)的顆粒破碎，而材料之所以會產(chǎn)生破壞，是因?yàn)轭w粒之間發(fā)生了相對運(yùn)動[2]。這種運(yùn)動會造成土體破壞，進(jìn)而產(chǎn)生裂隙，這也是造成巖石破壞的主要原因，而混凝土的破壞主要是因?yàn)閴簼{機(jī)制與骨料的分離。顆粒之間想要進(jìn)行相對運(yùn)動就必須克服其存在的摩擦力與粘聚力，前者與剪切滑動面上存在的正應(yīng)力有正相關(guān)關(guān)系，也就是說，正應(yīng)力越大，摩擦力越大，對顆粒之間相互運(yùn)動的阻礙也就越大，兩者之間為線性關(guān)系。

在低靜水壓力條件下，巖土類材料中存在殘余與峰值兩種強(qiáng)度，兩者產(chǎn)生的原因有所不同。如密實(shí)沙土，如果其產(chǎn)生相對運(yùn)動，主要是因?yàn)槭艿郊羟凶饔玫牧?，一些顆粒會與另一些顆粒產(chǎn)生相互翻滾，進(jìn)而產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象。因?yàn)轭w粒想要發(fā)生翻滾就必須要克服摩擦力與豎向阻力，所以，如果沙土發(fā)生剪脹現(xiàn)象，其抗剪強(qiáng)度也會相對較大，而峰值強(qiáng)度對應(yīng)的是材料剪脹程度最大的階段[3]。如果已經(jīng)完成顆粒之間的翻滾，那么此時(shí)沙土的抗剪強(qiáng)度等于摩擦強(qiáng)度，也約等于殘余強(qiáng)度。當(dāng)材料達(dá)到峰值強(qiáng)度，材料便會發(fā)生破壞，而殘余強(qiáng)度在此時(shí)可以忽略不計(jì)。

3 高靜水壓力

材料發(fā)生破壞的過程中，靜水壓力越高，其剪切滑動面上存在的正應(yīng)力就會越大，材料顆粒之間的摩擦力也隨之增大，想要發(fā)生相對運(yùn)動便越難，在達(dá)到一定程度以后，材料顆粒便會破碎。材料顆粒發(fā)生破碎不僅為材料提供了更高的抗剪強(qiáng)度，還在一定程度上使巖土材料的級配形式發(fā)生了改變，從而改變材料摩擦特性，使材料強(qiáng)度特征受到影響。高靜水壓力可以破碎絕大多數(shù)材料顆粒。

對于粘土與沙土來說，在靜水壓力達(dá)到一定高度時(shí)，材料顆粒之間很難發(fā)生相對運(yùn)動，材料顆粒因破碎變得更小[4]。破碎的顆粒在提升材料抗剪強(qiáng)度的同時(shí)，也使顆粒之間的摩擦特性發(fā)生了改變。顆粒直徑的縮小與靜水壓力的提升使得顆粒之間的間距縮小，分子之間所產(chǎn)生的作用力也隨之增大，這時(shí)，即便是沒有粘聚強(qiáng)度性質(zhì)的沙土也會出現(xiàn)一定的粘聚強(qiáng)度，且這個(gè)過程與靜水壓力呈正相關(guān)，即靜水壓力越大，材料的粘聚強(qiáng)度越大。另外，隨著靜水壓力的增大，破碎后的顆粒發(fā)生相對運(yùn)動的幾率降低，而顆粒破碎的幾率提升，這時(shí)候，材料的粘聚強(qiáng)度是抗剪強(qiáng)度的主要來源，靜水壓力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系為強(qiáng)度降低，剪應(yīng)力破壞模式也隨之形成。

4 靜水壓力對中主應(yīng)力的影響

在實(shí)際工程中，靜水壓力的大小在巖土類材料發(fā)生破壞時(shí)處于上述兩者之間，破壞形式也不只一種。當(dāng)靜水壓力相對較低時(shí)，材料為相對運(yùn)動的剪應(yīng)力比破壞；當(dāng)靜水壓力相對較高時(shí)，材料為破碎的剪應(yīng)力比破壞。隨著靜水壓力的提升，材料強(qiáng)度特性也會隨之發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為從剪應(yīng)力比轉(zhuǎn)變?yōu)榧魬?yīng)力破壞，所以，巖土類材料的靜水壓力效應(yīng)的主要特性為非線性特征[5]。另外，巖土類材料的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為非線性特征的因素還在于其不均勻性。

材料之所以會破碎，很大程度上取決于剪應(yīng)力的作用，由于材料顆粒的直徑減小，其摩擦特性也會隨之發(fā)生改變，進(jìn)而造成材料在三軸壓縮條件下，靜水壓力提升，內(nèi)摩擦角便會相應(yīng)減小。假設(shè)巖土材料所處的靜水壓力相同，在三軸壓縮，即σ1>σ2=σ3條件下材料的抗剪強(qiáng)度qc，與在三軸拉伸，即σ1=σ2>σ3條件下材料的抗剪強(qiáng)度qe不相等，這主要受到主應(yīng)力σ2的影響，所以，抗剪強(qiáng)度比可以表示為[qc/qe=(3+sinφc)/3-sinφc]，該公式可以對中主應(yīng)力材料強(qiáng)度的影響進(jìn)行描述：如果在三軸壓縮條件下，巖土類材料的內(nèi)摩擦角φc>0，則qc>qe；而靜水壓力如果增大，內(nèi)摩擦角φc就會減少，從而qc/qe也會減小，如果內(nèi)摩擦角φc=0，則qc=qe，此時(shí)的材料抗剪強(qiáng)度與金屬性質(zhì)趨近一致。這種強(qiáng)度特性是因?yàn)椴牧项w粒在發(fā)生破碎以后，其摩擦特性也會發(fā)生改變，進(jìn)而造成其中主應(yīng)力效應(yīng)發(fā)生改變而導(dǎo)致的。

5 破壞規(guī)律

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可以畫出巖土類材料的應(yīng)力莫爾圓以及強(qiáng)度包絡(luò)線，由后者可以得出靜水壓力與材料抗剪強(qiáng)度之間有非線性關(guān)系。強(qiáng)度線與莫爾圓公切線的斜率為tanφc[6]。在低靜水壓力條件下，巖土類材料表現(xiàn)出來的強(qiáng)度線趨近于直線，正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，其破壞形式為剪應(yīng)力比破壞；應(yīng)力的逐漸增大會使得內(nèi)摩擦角逐漸減小，強(qiáng)度線與莫爾圓公切線的切點(diǎn)與最大剪應(yīng)力點(diǎn)接近，正應(yīng)力對剪應(yīng)力所產(chǎn)生的影響也逐漸降低，材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦哽o水壓力條件下所產(chǎn)生的剪應(yīng)力破壞。

對巖土類材料的組成以及其破壞機(jī)制的研究與分析，能夠得出材料發(fā)生破壞的相關(guān)規(guī)律。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，其結(jié)果與理論得出的結(jié)論大體相同，因此可以得出結(jié)論：在低靜水壓力條件下，巖土類材料表現(xiàn)為剪應(yīng)力比破壞；在高靜水壓力條件下，巖土類材料表現(xiàn)為剪應(yīng)力破壞。材料的靜水壓力效應(yīng)呈現(xiàn)出的特征為非線性特征。

6 結(jié)語

本文通過研究與分析，以巖土類材料的破壞機(jī)制為基礎(chǔ)，對巖土類材料抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了論述，并從低靜水壓力與高靜水壓力兩方面對巖土類材料的破壞機(jī)制進(jìn)行研究，還分析了靜水壓力對中主應(yīng)力的影響，最后得出結(jié)論：在低靜水壓力條件下，巖土類材料表現(xiàn)為剪應(yīng)力比破壞；在高靜水壓力條件下，巖土類材料表現(xiàn)為剪應(yīng)力破壞。

[1] 李志敬，朱珍德，倪驍慧，等.高圍壓高水壓條件下巖石卸荷強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，15(9)：222-223.

[2] 王廣印，張奇華，徐建平，等.大理巖等圍壓三軸壓縮全過程研究Ⅰ:三軸壓縮全過程和峰前、峰后卸圍壓全過程實(shí)驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，17(2)：163-164.

[3] 高玉峰，劉漢龍，陳遠(yuǎn)洪，等.堆石料變形與強(qiáng)度特性的大型三軸試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，22(12)：98-101.

[4] 朱珍德，施 毅，倪驍慧，等.高圍壓高水壓條件下巖石卸荷強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，9(5)：132-134.

[5] 徐佩華，黃潤秋，鄧 輝，等.高烈度區(qū)浸水高填石路堤穩(wěn)定性的小型振動臺試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2012，2(11)：247-248.

[6] 張斌偉，嚴(yán)松宏，李 平，等.考慮圍巖非線性和剪脹特性的地下硐室極限解[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，11(16)：155-156.

Analysis on hydrostatic pressure effect of rock and soil materials

Huang Yuxing

(WuhanExploration&ResearchInstituteLimitedCompany,ChinaMetallurgicalGroup,Wuhan430080,China)

Based on different hydrostatic pressure, this paper researched the functioning mechanism of rock and soil material friction and viscous poly two strengths, and analyzed the influence laws of material particulate to shear strength, discussed the mechanism of geotechnical material hydrostatic pressure effect, pointed out that under the conditions of low hydrostatic pressure, the rock and soil materials performance for shear force rate failure, under the high hydrostatic pressure conditions, the rock and soil materials performance for shear stress failure.

rock and soil material, hydrostatic pressure, effect

2015-06-03

黃宇星(1991- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)23-0064-02

TU521

A