粘土變形破壞過程中結(jié)構(gòu)面(帶)演化探討

摘要：均質(zhì)粘土也可看成有結(jié)構(gòu)面（帶）和結(jié)構(gòu)體組成，對其變形破壞中的結(jié)構(gòu)面（帶）的演化研究可通過CT技術(shù)和SEM的動(dòng)態(tài)觀測試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)面（帶）結(jié)構(gòu)體粘土CTSEM

中圖分類號(hào):TU41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)03(a)-0069-01

1 巖土體可看成由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成

沈珠江院士于2000年建立結(jié)構(gòu)性粘土的堆砌體模型時(shí)指出[1]，天然粘土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度是不一樣的，內(nèi)部存在膠結(jié)比較弱的面或帶，如像磚墻的灰縫或巖石的節(jié)理。荷載增大到一定程度后，薄弱處先發(fā)生破損，如像磚墻先沿灰縫發(fā)生裂縫一樣。裂縫之間為保持完好的小塊體或團(tuán)粒。隨著荷載的進(jìn)一步增大，小土塊再沿膠結(jié)比較弱的面或帶逐步破裂成更小的土塊。從這種分析可看出，土體中的結(jié)構(gòu)面(帶)在土體的變形破壞中扮演著極為重要的角色。

后來，沈珠江院士又進(jìn)一步提出了巖土破損力學(xué)理論[2]。巖土破損力學(xué)理論認(rèn)為，天然巖土材料與其他材料的根本不同點(diǎn)在于它的結(jié)構(gòu)性，而形成結(jié)構(gòu)性的根本原因在于膠結(jié)的不均勻性。膠結(jié)強(qiáng)的部位形成膠結(jié)塊或結(jié)構(gòu)塊(體)，膠結(jié)弱或無膠結(jié)的部位形成軟弱帶或結(jié)構(gòu)面(帶)。巖土材料的破壞過程正是膠結(jié)塊逐步破損而軟弱帶逐步擴(kuò)展的過程，或者說膠結(jié)塊逐漸破損，并轉(zhuǎn)化為軟弱帶，材料不斷弱化。

對土體，結(jié)構(gòu)性一般是指土體中的顆粒的形狀、顆粒的排列、孔隙、顆粒的連接或膠結(jié)等。而這里土體和巖體一樣，都是由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面(帶)組成的二元結(jié)構(gòu)體，且其中的結(jié)構(gòu)面(帶)在土體變形破壞中發(fā)揮著重要作用。

巖土破損力學(xué)理論將土體的結(jié)構(gòu)也簡化成和巖體一樣的二元結(jié)構(gòu)體，這為結(jié)構(gòu)性土體本構(gòu)模型的建立開辟了新途徑。實(shí)際上，現(xiàn)有的各種土體本構(gòu)模型(計(jì)算模型)都是針對飽和擾動(dòng)土或砂土(即重塑土)而發(fā)展起來的，未能真正地考慮實(shí)際的土體(原狀土)的結(jié)構(gòu)性，因而實(shí)際的工程計(jì)算結(jié)果難以模擬土體的實(shí)際狀態(tài)，往往會(huì)出現(xiàn)較大計(jì)算誤差，這種誤差有時(shí)可能高達(dá)數(shù)十倍。所以，土力學(xué)的縱深發(fā)展關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)性問題的解決。對此，沈珠江院士曾強(qiáng)調(diào)指出，土的結(jié)構(gòu)性性的數(shù)學(xué)模型的建立是21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題，這一問題的突破將意味著人們在深化土體力學(xué)的本質(zhì)性認(rèn)識(shí)方面完成第二次飛躍[3]。

可看出，土的結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型的建立有著重要的意義。在理論上，可以有效地?cái)[脫連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的長期束縛，引起某些傳統(tǒng)觀點(diǎn)的改變。在實(shí)踐方面，由于結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型的建立和應(yīng)用，將極大地提高各種土力學(xué)問題的計(jì)算精度，從而提高工程勘察質(zhì)量，防止或減少各類因工作失誤造成的工程事故的發(fā)生和發(fā)展。

因此，必須加強(qiáng)建立在結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面二元介質(zhì)體模型基礎(chǔ)之上的巖土破損力學(xué)理論方面的研究。為了解決實(shí)際工程問題，巖土破損力學(xué)的最終目標(biāo)是建立一種新的能反映細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)分析理論。但是，這一理論必須建立在對結(jié)構(gòu)體變形和破損的真實(shí)過程有所了解的基礎(chǔ)上，為此，除了宏觀層次上進(jìn)行研究以外，必須同時(shí)開展細(xì)觀層次和微觀層次的研究。因此，從宏觀、細(xì)觀和微觀層次上開展土體變形破壞過程中結(jié)構(gòu)面(帶)演化的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)觀測研究是很有必要的。

作者對巖土體結(jié)構(gòu)面理論進(jìn)行了較長時(shí)間的研究[4～11]，發(fā)現(xiàn)對一般的土體如粘性土如何分析其結(jié)構(gòu)面，一直使作者感到困惑。沈珠江院士在巖土破損力學(xué)理論中，將巖體和土體統(tǒng)一起來，都看作由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組成，使作者大受啟發(fā)。對一般的粘性土，軟弱帶或結(jié)構(gòu)面(帶)也相對地存在著，往往帶有抽象性，但一旦受到力的作用，這種軟弱帶或結(jié)構(gòu)面(帶)就會(huì)具體而明顯地表現(xiàn)出來。這樣，土體結(jié)構(gòu)面的分析就可針對所有的土體，對土體結(jié)構(gòu)面理論的研究就可繼續(xù)深化，也就為土體中水的滲流、污染物的運(yùn)移等的研究提供更多依據(jù)。

2 基于CT技術(shù)和SEM的動(dòng)態(tài)觀測試驗(yàn)研究

基于巖土破損力學(xué)理論中土體由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組成的二元介質(zhì)模型，可以以CT技術(shù)和SEM為試驗(yàn)手段，對一般的粘性土試樣進(jìn)行受荷過程中結(jié)構(gòu)面演化的動(dòng)態(tài)觀測。主要研究:(1)土體在變形破壞過程中，土體結(jié)構(gòu)面(帶)變化、發(fā)展的直觀過程。具體來說要觀測結(jié)構(gòu)體或膠結(jié)塊逐步破損，并向結(jié)構(gòu)面(帶)或軟弱帶轉(zhuǎn)化的直觀過程;及結(jié)構(gòu)面或軟弱帶逐步擴(kuò)展的直觀過程。(2)在(1)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)出結(jié)構(gòu)體或膠結(jié)塊向結(jié)構(gòu)面(帶)或軟弱帶轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)面或軟弱帶擴(kuò)展的演化過程與土體應(yīng)力應(yīng)變曲線即土體變形破壞的關(guān)系，進(jìn)而為土體本構(gòu)模型的建立提供依據(jù)。研究中的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)面(帶)演化的直觀過程的準(zhǔn)確觀測。在試驗(yàn)過程中定到某一結(jié)構(gòu)面或軟弱帶、及某一結(jié)構(gòu)體或膠結(jié)塊后，關(guān)鍵是從試樣的開始加載直到破壞的整個(gè)過程中能對其進(jìn)行跟蹤，尤其是在掃描電鏡下，因?yàn)閽呙桦婄R放大的倍數(shù)大，跟蹤定點(diǎn)較為困難。

參考文獻(xiàn)

[1]沈珠江.結(jié)構(gòu)性粘土的堆砌體模型[J].巖土力學(xué)，2000，21(1):1～4.

[2]沈珠江，陳鐵林.巖土破損力學(xué)-結(jié)構(gòu)類型與荷載分擔(dān)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(13):2137～2142.

[3]沈珠江.土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型-21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18(1):95～97.

[4]蔣建平，劉文白.巖土結(jié)構(gòu)面體系、效應(yīng)與應(yīng)用[M].人民交通出版社，2010，4.

[5]蔣建平，章楊松，羅國煜，等.優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論在巖土工程中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2001，55(8):90～95.

[6]蔣建平，章楊松，閻長虹，等.地下工程中巖移的斷層效應(yīng)探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(8):1257～1262.

[7]蔣建平，高廣運(yùn).地下工程引起的不均衡地表沉陷分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2003，28(3):225～229.

[8]蔣建平，羅國煜.土坡中的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(4):438～441.

[9]蔣建平，章楊松，高廣運(yùn)，等.土體中的特殊結(jié)構(gòu)面特征及其地震和巖土工程意義[J].西北地震學(xué)報(bào)，2002，24(3).

[10]蔣建平，章楊松，羅國煜.土體宏觀結(jié)構(gòu)面及其對土體破壞的影響[J].巖土力學(xué)，2002，23(4):482～485.

[11] 蔣建平，章楊松，羅國煜.基于土體中結(jié)構(gòu)面的巖土工程問題探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002，10(2):160～165.