巖土類材料的靜水壓力效應(yīng)研究

張 平

（遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

巖土類材料如砂石、混凝土等是由顆粒性材料混合而成的，起破壞為剪切破壞，實(shí)際作用機(jī)制比較復(fù)雜，其中受靜水壓力的作用效果更為明顯。

近年來(lái)隨著水利工程建設(shè)行業(yè)的不斷發(fā)展，很多高土石壩、近海工程等中需要用到大量的巖土類材料，因此研究這些材料在靜水壓力下的作用機(jī)制和影響機(jī)制對(duì)于提升工程建設(shè)質(zhì)量具有重要的影響作用。

1 巖土材料的破壞機(jī)制

巖土材料由粘土、混凝土、巖石等材料組成，材料的黏聚強(qiáng)度由材料本身的性質(zhì)所決定，且主要是由土顆粒之間的膠結(jié)作用及其微觀分子間的作用力有關(guān)。在零水壓作用下，組成巖土材料的各種基礎(chǔ)材料之間存在一定的抗剪強(qiáng)度，而沙土卻不存在抗剪強(qiáng)度。在等軸壓力下，巖土材料的基本結(jié)構(gòu)基本保持不變，但是在外部靜水壓力不但增大的前提下，巖土材料由于受到外部應(yīng)力作用導(dǎo)致顆粒間隙減小，直接導(dǎo)致顆粒間的膠結(jié)作用和相互作用不斷增大，且很多材料在靜水壓力下不可恢復(fù)，如混凝土砂漿基質(zhì)與骨料分離造成巖土材料分解成很多細(xì)小的顆粒狀，且不可恢復(fù)。因此研究巖土材料在靜水壓力下的強(qiáng)度對(duì)于工程建設(shè)具有重要的影響作用。

2 低靜水壓作用下巖土材料的破壞機(jī)制分析

當(dāng)水利工程的建筑位置位于水下較淺的位置時(shí)，巖土材料收到的靜水壓力相對(duì)較小，這時(shí)材料所受的外部靜水壓力還沒(méi)有達(dá)到巖土材料的承受極限，還不足以導(dǎo)致材料的顆粒破碎，但是材料顆粒間的間距會(huì)減小，相互作用增大，在這種作用機(jī)制之下，材料分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必然會(huì)造成材料基本性能的破壞。

巖土材料主要由泥土、巖石以及混凝土等構(gòu)成，在靜水壓力作用下其破壞機(jī)制不盡相同，泥土中土顆粒間微觀變化如錯(cuò)位等會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，巖石中一旦出現(xiàn)裂縫，且裂縫在外部靜水壓力的作用下不斷延伸從而造成巖石材料的破壞，而混凝土材料的破壞則主要是由骨料與砂漿基質(zhì)分離所導(dǎo)致的。

靜水壓力提供了材料顆粒間相互運(yùn)動(dòng)的粘聚力和摩擦力，而摩擦力與剪切滑動(dòng)面上的應(yīng)力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，應(yīng)力越大，顆粒間的摩擦力越大，顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)難度也就越高，通過(guò)構(gòu)建模型與模擬分析，可知摩擦力大小與滑動(dòng)面上的正應(yīng)力之間存在一種線性關(guān)系，壓力與摩擦力的比值K與低靜水壓力時(shí)三軸壓縮條件下的內(nèi)摩擦角C相關(guān)。在低靜水壓力下混凝土、沙土、砂石等的強(qiáng)度存在峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，在低靜水壓作用下巖土的一部分顆粒會(huì)越過(guò)另一部分顆粒而使得巖土出現(xiàn)膨脹，這時(shí)巖土的抗剪強(qiáng)度主要是由顆粒間的摩擦力造成的。

一旦材料解體，其顆粒間的黏聚力逐漸減小，直至材料發(fā)生破壞，此時(shí)材料的抗剪強(qiáng)度較小，為殘余強(qiáng)度。因此本文在分析了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上得出如下結(jié)論：在外部靜水壓力大于材料的強(qiáng)度時(shí)材料就會(huì)破壞，而不需要考慮材料的殘余強(qiáng)度。

3 高靜水壓下材料的破壞

當(dāng)材料經(jīng)受的外部應(yīng)力達(dá)到一定的極限時(shí)，可視為高靜水壓力水平，高靜水壓力被定義為可以使得大多數(shù)巖土材料顆粒發(fā)生破碎時(shí)的壓力水平，這時(shí)剪切滑動(dòng)面上的正應(yīng)力越大，顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力也就越大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)也就越困難。沿途材料的強(qiáng)度等特性在顆粒破碎時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的改變，其作用機(jī)制主要集中在兩個(gè)方面，一是提供了材料的抗剪強(qiáng)度，二是改變了材料的級(jí)配形式。對(duì)于以土為代表的巖土材料來(lái)說(shuō)，在高靜水壓力作用下土顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變得越發(fā)困難，同時(shí)顆粒間的作用力增大直接導(dǎo)致其破碎成更小的顆粒，這時(shí)材料的抗剪強(qiáng)度增大，摩擦特性也發(fā)生了不同程度的變化，使得材料的內(nèi)摩擦角C減小。同時(shí)材料顆粒的直徑減小，加之外部靜水壓力的增大直接導(dǎo)致土顆粒間的間距變得更小，作用力更大，此時(shí)即使是無(wú)黏性特征的材料也體現(xiàn)出一定強(qiáng)度的黏性，從而導(dǎo)致巖土材料的黏性隨著外部應(yīng)力的增大而增大。另外，當(dāng)外部應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)，巖土材料的顆粒會(huì)繼續(xù)破碎，顆粒間的作用力也進(jìn)一步增大，此時(shí)材料的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚強(qiáng)度提供，此時(shí)強(qiáng)度特征開始向金屬材料的強(qiáng)度特征進(jìn)行過(guò)度，此時(shí)材料的抗剪強(qiáng)度與靜水壓力之間的相關(guān)性進(jìn)一步減弱，剪切力被破壞。

4 靜水壓中的主應(yīng)力影響

在工程實(shí)際中，由于實(shí)際工作情況復(fù)雜多變，導(dǎo)致很多巖土的破壞收到多種作用機(jī)制的影響，往往會(huì)有以上兩種作用機(jī)制的影響，當(dāng)靜水壓力相對(duì)較低時(shí)，材料為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剪應(yīng)力比破壞；當(dāng)靜水壓力相對(duì)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(huì)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。另外，巖土材料的剪切應(yīng)力的非線性變化還可能是由于材料的不均勻性所導(dǎo)致的。材料之所以會(huì)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(huì)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(huì)相應(yīng)減小。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程高速發(fā)展的前提下，很多涉水工程中需要用到大量的巖土材料，研究這些巖土材料在靜水壓作用下的破壞機(jī)制對(duì)于提升工程建設(shè)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文重點(diǎn)分析和研究了在低靜水壓力和高靜水壓力作用下巖土類材料的破壞作用和形成機(jī)理，旨在進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展。

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