對巖土材料靜水壓力效應(yīng)的幾點思考

(揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚州 225127)

引言

圖1 巖土材料示意圖

目前，常見的破壞的形式有沖切破壞和剪切破壞，兩種破壞形式的區(qū)別見表1所示。在不受任何外力或者壓力的作用下，巖土材料大多數(shù)發(fā)生剪切破壞。剪切破壞的破裂面平行于剪力，沖切破壞的破裂面沿著沖切力(一般為集中力)邊緣45°的方向。像巖石就有三種剪切破壞形式，如：脆性破壞、延性破壞、弱面剪切破壞。因此，巖土材料的質(zhì)量直接受到抗剪強(qiáng)度的影響，又因為靜水壓力會直接對抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響，這將一直是研究的熱點問題之一。不同學(xué)者也開展了對巖土材料的相關(guān)實驗研究。學(xué)者們對巖土材料的強(qiáng)度以及破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究。鄭穎人和高紅[1]比較了巖土材料與金屬材料特性及其力學(xué)性質(zhì)差異(歸納在表2)，認(rèn)為巖土材料是一種多相體性的摩擦型材料，存在內(nèi)摩擦。此外，還提出巖土類材料的抗剪強(qiáng)度(τ)由黏聚強(qiáng)度(c)和摩擦強(qiáng)度(ptanφ)組成；并根據(jù)材料的變形規(guī)律得出：材料的先發(fā)揮其作用，接著，隨著靜水壓力的增大呈現(xiàn)上升趨勢，然而隨著靜水壓力的增大出現(xiàn)下降趨勢。不同學(xué)者也開展了對巖土材料的相關(guān)實驗研究。學(xué)者們對巖土材料的強(qiáng)度以及破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究。

鄭穎人和高紅[1]比較了巖土材料與金屬材料特性及其力學(xué)性質(zhì)差異(歸納在表2)，認(rèn)為巖土材料是一種多相體性的摩擦型材料，存在內(nèi)摩擦。此外，還提出巖土類材料的抗剪強(qiáng)度(τ)由黏聚強(qiáng)度(c)和摩擦強(qiáng)度(ptanφ)組成；并根據(jù)材料的變形規(guī)律得出：材料的c先發(fā)揮其作用，接著，ptanφ隨著靜水壓力的增大呈現(xiàn)上升趨勢，然而φ隨著靜水壓力的增大出現(xiàn)下降趨勢。

表1 破壞形式的區(qū)別

表2 巖土材料與金屬材料

C.Edelbro[2]對巖體的破壞準(zhǔn)則和強(qiáng)度特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析和評價，結(jié)果表明一般是在巖石材料強(qiáng)度特性的基礎(chǔ)上引入非連續(xù)面的影響，從而分析巖體的強(qiáng)度特性。

路德春[3]提出巖石材料的非線性強(qiáng)度，將三維應(yīng)力條件下巖石材料的非線性強(qiáng)度特性，分解為偏平面上的非線性與子午面上的非線性，在偏平面上研究中主應(yīng)力效應(yīng)，在子午面上研究靜水壓力效應(yīng)，以及中主應(yīng)力與靜水壓力的耦合效應(yīng)。

李天斌等[4]對玄武巖在卸荷過程中的破壞和變形進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在卸荷狀態(tài)下，隨著破壞時圍壓的增大，破壞形式逐漸由張性破壞過渡到張剪性破壞。

吳剛[5]在巖體施加荷載、卸載試驗的基礎(chǔ)上，從σ-ε關(guān)系、強(qiáng)度p特性及破壞特征等方面，對巖體的破壞特性進(jìn)行對比分析。

李志敬等[6]開展巖石在高靜水壓力下的力學(xué)研究，結(jié)果表明：高靜水壓力加速了巖石的裂紋擴(kuò)展和破碎，導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著減小。

還有一種是組合的方法，很多學(xué)者嘗試將基于字符串匹配和基于統(tǒng)計的方法結(jié)合起來，保留了匹配的快速和高效，有兼有全文統(tǒng)計識別生詞和消除歧義的優(yōu)勢。

張平[7]通過對兩種靜水壓力對巖土材料的強(qiáng)度影響進(jìn)行分析，研究表明低靜水壓力下剪應(yīng)力破壞嚴(yán)重。

黃宇星[8]以不同靜水壓力為基礎(chǔ)，論述巖土材料靜水壓力效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制。

隨著國家經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，沿海工程、水利工程、高土石壩等工程也不斷興起，這些工程都會受到靜水壓力的影響，因此研究巖土材料的靜水壓力效應(yīng)是十分有價值而且有廣闊的前景。本文將從巖土材料的抗剪強(qiáng)度和破壞機(jī)制出發(fā)，分別闡述低靜水壓力和高靜水壓力的作用，以及它們對巖土材料的影響，從而提出幾點思考。

一、巖土材料的抗剪強(qiáng)度及破壞機(jī)制

在材料力學(xué)中，強(qiáng)度指的是材料的承載能力，表示材料抵抗斷裂和過度變形的力學(xué)性能之一；破壞指的是材料缺失了承載的能力。因而，材料的破壞通常用剪應(yīng)力來表示，即抗剪強(qiáng)度。

對于巖土材料，在不受靜水壓力的作用下，巖土材料之間依據(jù)存在一定的抗剪強(qiáng)度，是由混凝土、黏土、巖石之間粘結(jié)產(chǎn)生，就是所說的黏聚強(qiáng)度(c)，黏聚強(qiáng)度是由這三種材料的性質(zhì)所決定的。巖石的黏聚強(qiáng)度是由其顆粒與礦物所產(chǎn)生的聯(lián)結(jié)力；混凝土是由水泥、砂、石子等組成，其中的砂漿能夠產(chǎn)生一定的黏聚；黏土是由土顆粒之間的膠結(jié)作用，如圖2所示。

圖2 破壞模式

在等向壓縮的過程中，粘土一般不會被破壞，當(dāng)靜水壓力逐漸增大時，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[6]。而在等向壓縮的過程中，隨著靜水壓力逐漸增大，混凝土和巖石會發(fā)生破碎從而無法恢復(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，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[8]。

二、低靜水壓力及其作用下的巖土材料

靜水壓力由均質(zhì)流體作用于一個物體上的壓力。當(dāng)靜水壓力較低，巖土材料中的混凝土、巖石、黏土發(fā)生相對運動，并不會使顆粒發(fā)生破壞。如果巖石出現(xiàn)了裂縫，當(dāng)水壓力繼續(xù)作用，會造成裂縫繼續(xù)增大，不斷延伸導(dǎo)致最終破壞。由于混凝土是由骨料和砂漿攪拌而成，混凝土的破壞主要就是由砂漿與骨料的分離所導(dǎo)致。黏土則是土顆粒之間發(fā)生錯層，導(dǎo)致土壤破壞。

抗剪強(qiáng)度是由黏聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度組成。靜水壓力的作用為巖土材料提供了混凝土、黏土、巖石顆粒之間的粘聚力和摩擦力。此時，摩擦力與剪切面上的應(yīng)力呈現(xiàn)正比例關(guān)系，如圖3所示[8]。應(yīng)力越大，摩擦力也就越大，顆粒之間的相對運動也就越難。在低靜水壓力下，材料的強(qiáng)度會存在峰值和殘余強(qiáng)度。

圖3 剪應(yīng)力比的破壞示意圖[8]

基于大量實驗結(jié)果分析，得出靜水壓力大于材料的強(qiáng)度，材料就會發(fā)生破壞，不需要考慮殘余強(qiáng)度，可以忽略不計。

因此，在低靜水壓力作用下，巖土材料破壞的原因在于材料的顆粒之間發(fā)生相對運動，表現(xiàn)為剪應(yīng)力比破壞。

三、高靜水壓力及其作用下的巖土材料

低靜水壓力是使巖土材料的顆粒發(fā)生相對運動，導(dǎo)致最終的破壞。而對于高靜水壓力，其能夠是巖土材料的大多數(shù)顆粒發(fā)生破壞，此時的剪切滑動面上的應(yīng)力達(dá)到最大值，由于摩擦力與應(yīng)力成正比關(guān)系，因而摩擦力也達(dá)到最大，相對運動也困難。

在高靜水壓力作用下，雖然使顆粒之間難以發(fā)生相當(dāng)運動，但是顆粒之間的相互作用力增大了，導(dǎo)致材料顆粒發(fā)生破壞，如圖4所示。材料顆粒的破會不僅使巖土材料的級配發(fā)生變化，而且提高了抗剪強(qiáng)度。

圖4 最大剪應(yīng)力破壞示意圖[9]

在圖4中可以看出，隨著主應(yīng)力的增加，內(nèi)摩擦角由φc1變成φc2，內(nèi)摩擦角變小了，此時的抗剪強(qiáng)度由黏聚強(qiáng)度承擔(dān)。

因此，在高靜水壓力作用下，巖土材料破壞的原因在于材料的顆粒發(fā)生了破壞，表現(xiàn)為剪應(yīng)力破壞。

四、總結(jié)與展望

本文主要基于一些學(xué)者研究的角度對巖土材料的抗剪強(qiáng)度及破壞形式、低靜水壓力及高靜水壓力下巖土材料的破壞規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)分析：

(1)在零水壓力作用下，巖土材料的組成部分之間存在一定的抗剪強(qiáng)度；在外部靜水壓力不斷增大的作用下，導(dǎo)致顆粒之間的粘結(jié)于摩擦不斷增大，最終不可恢復(fù)。

(2)在低靜水壓力作用下，巖土材料呈現(xiàn)剪應(yīng)力比破壞。

(3)在高靜水壓力作用下，巖土材料呈現(xiàn)剪應(yīng)力破壞。

但是，對于巖土材料還需要研究以下一些方面：

(1)需要結(jié)合實際案例來反應(yīng)靜水壓力作用下的情況，更具有說服力。

(2)巖土材料除了靜水壓力效應(yīng)的研究，還可以從屈服軌跡的彎曲、偏應(yīng)力屈服張量角等方面開展研究。

(3)研究摻納米材料在巖土材料中的作用機(jī)理將會是當(dāng)下與未來的研究熱點之一。