岩土类材料的静水压力效应分析

黄 宇 星

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080)

岩土类材料的静水压力效应分析

黄 宇 星

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080)

以不同的静水压力为基础，对岩土类材料摩擦与粘聚两种强度的发挥机制进行了研究，并分析了材料颗粒对抗剪强度的影响规律，论述了岩土类材料静水压力效应产生的机制，指出在低静水压力条件下，岩土类材料表现为剪应力比破坏；在高静水压力条件下，岩土材料表现为剪应力破坏。

岩土材料，静水压力，效应

0 引言

岩土类材料是一种由颗粒材料组成的集合体材料，具有摩擦性特点，一般情况下，岩土类材料如果发生破坏，大多为剪切破坏，因此，其抗剪强度的高低会直接影响到材料质量，而静水压力是对抗剪强度产生影响的主要因素，这一问题如今也成为学术界研究的热点话题。随着国家经济的快速发展，很多近海工程、高土石坝等作业也逐渐兴起，这些工程所用的材料都必须在高静水压力下进行工作，因此，需要对静水压力的岩土类材料的破坏进行深入研究。

1 岩土类材料的抗剪强度

在不存在静水压力时，岩土材料中便已经存有抗剪强度，这主要是材料中已有的粘聚强度，而材料性质决定了材料粘聚强度的高低，如混凝土中主要是砂浆基质产生粘聚，因此，砂浆基质的多少决定了混凝土的粘聚强度；粘土中的粘聚作用产生于土粒间发生的胶结作用；岩石中的粘聚作用主要产生于其颗粒与矿物所产生的联结力。

在产生等向压缩的过程中，一般粘土不会被破坏，当静水压力逐渐增大时，粘土之间的颗粒间隙会逐渐减小，胶结作用于分子作用力增大，随之而来的便是粘土粘聚强度的增加[1]。而在等向压缩的过程中，混凝土与岩石会因为静水压力的增大而发生破碎，且无法恢复，其粘聚力会逐渐减小，所以，当静水压力增加到一定程度时，混凝土便会破碎成散粒体，混凝土的等级也不会再对抗剪强度产生影响。对于冻土等已经丧失结构性的材料，在等向压缩时还可以继续承载。

2 低静水压力

在低静水压力条件下，静水压力的不足会让材料中绝大多数的颗粒破碎，而材料之所以会产生破坏，是因为颗粒之间发生了相对运动[2]。这种运动会造成土体破坏，进而产生裂隙，这也是造成岩石破坏的主要原因，而混凝土的破坏主要是因为压浆机制与骨料的分离。颗粒之间想要进行相对运动就必须克服其存在的摩擦力与粘聚力，前者与剪切滑动面上存在的正应力有正相关关系，也就是说，正应力越大，摩擦力越大，对颗粒之间相互运动的阻碍也就越大，两者之间为线性关系。

在低静水压力条件下，岩土类材料中存在残余与峰值两种强度，两者产生的原因有所不同。如密实沙土，如果其产生相对运动，主要是因为受到剪切作用的力，一些颗粒会与另一些颗粒产生相互翻滚，进而产生剪胀现象。因为颗粒想要发生翻滚就必须要克服摩擦力与竖向阻力，所以，如果沙土发生剪胀现象，其抗剪强度也会相对较大，而峰值强度对应的是材料剪胀程度最大的阶段[3]。如果已经完成颗粒之间的翻滚，那么此时沙土的抗剪强度等于摩擦强度，也约等于残余强度。当材料达到峰值强度，材料便会发生破坏，而残余强度在此时可以忽略不计。

3 高静水压力

材料发生破坏的过程中，静水压力越高，其剪切滑动面上存在的正应力就会越大，材料颗粒之间的摩擦力也随之增大，想要发生相对运动便越难，在达到一定程度以后，材料颗粒便会破碎。材料颗粒发生破碎不仅为材料提供了更高的抗剪强度，还在一定程度上使岩土材料的级配形式发生了改变，从而改变材料摩擦特性，使材料强度特征受到影响。高静水压力可以破碎绝大多数材料颗粒。

对于粘土与沙土来说，在静水压力达到一定高度时，材料颗粒之间很难发生相对运动，材料颗粒因破碎变得更小[4]。破碎的颗粒在提升材料抗剪强度的同时，也使颗粒之间的摩擦特性发生了改变。颗粒直径的缩小与静水压力的提升使得颗粒之间的间距缩小，分子之间所产生的作用力也随之增大，这时，即便是没有粘聚强度性质的沙土也会出现一定的粘聚强度，且这个过程与静水压力呈正相关，即静水压力越大，材料的粘聚强度越大。另外，随着静水压力的增大，破碎后的颗粒发生相对运动的几率降低，而颗粒破碎的几率提升，这时候，材料的粘聚强度是抗剪强度的主要来源，静水压力与抗剪强度的关系为强度降低，剪应力破坏模式也随之形成。

4 静水压力对中主应力的影响

在实际工程中，静水压力的大小在岩土类材料发生破坏时处于上述两者之间，破坏形式也不只一种。当静水压力相对较低时，材料为相对运动的剪应力比破坏；当静水压力相对较高时，材料为破碎的剪应力比破坏。随着静水压力的提升，材料强度特性也会随之发生改变，具体表现为从剪应力比转变为剪应力破坏，所以，岩土类材料的静水压力效应的主要特性为非线性特征[5]。另外，岩土类材料的抗剪强度表现为非线性特征的因素还在于其不均匀性。

材料之所以会破碎，很大程度上取决于剪应力的作用，由于材料颗粒的直径减小，其摩擦特性也会随之发生改变，进而造成材料在三轴压缩条件下，静水压力提升，内摩擦角便会相应减小。假设岩土材料所处的静水压力相同，在三轴压缩，即σ1>σ2=σ3条件下材料的抗剪强度qc，与在三轴拉伸，即σ1=σ2>σ3条件下材料的抗剪强度qe不相等，这主要受到主应力σ2的影响，所以，抗剪强度比可以表示为[qc/qe=(3+sinφc)/3-sinφc]，该公式可以对中主应力材料强度的影响进行描述：如果在三轴压缩条件下，岩土类材料的内摩擦角φc>0，则qc>qe；而静水压力如果增大，内摩擦角φc就会减少，从而qc/qe也会减小，如果内摩擦角φc=0，则qc=qe，此时的材料抗剪强度与金属性质趋近一致。这种强度特性是因为材料颗粒在发生破碎以后，其摩擦特性也会发生改变，进而造成其中主应力效应发生改变而导致的。

5 破坏规律

经实验可以画出岩土类材料的应力莫尔圆以及强度包络线，由后者可以得出静水压力与材料抗剪强度之间有非线性关系。强度线与莫尔圆公切线的斜率为tanφc[6]。在低静水压力条件下，岩土类材料表现出来的强度线趋近于直线，正应力与剪应力之间呈现出线性关系，其破坏形式为剪应力比破坏；应力的逐渐增大会使得内摩擦角逐渐减小，强度线与莫尔圆公切线的切点与最大剪应力点接近，正应力对剪应力所产生的影响也逐渐降低，材料逐渐转变为高静水压力条件下所产生的剪应力破坏。

对岩土类材料的组成以及其破坏机制的研究与分析，能够得出材料发生破坏的相关规律。经大量实验证明，其结果与理论得出的结论大体相同，因此可以得出结论：在低静水压力条件下，岩土类材料表现为剪应力比破坏；在高静水压力条件下，岩土类材料表现为剪应力破坏。材料的静水压力效应呈现出的特征为非线性特征。

6 结语

本文通过研究与分析，以岩土类材料的破坏机制为基础，对岩土类材料抗剪强度进行了论述，并从低静水压力与高静水压力两方面对岩土类材料的破坏机制进行研究，还分析了静水压力对中主应力的影响，最后得出结论：在低静水压力条件下，岩土类材料表现为剪应力比破坏；在高静水压力条件下，岩土类材料表现为剪应力破坏。

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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

黄宇星(1991- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)23-0064-02

TU521

A