對巖土材料靜水壓力效應的幾點思考

(揚州大學建筑科學與工程學院 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，巖土材料大多數發生剪切破壞。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，巖土材料的質量直接受到抗剪強度的影響，又因為靜水壓力會直接對抗剪強度產生影響，這將一直是研究的熱點問題之一。不同學者也開展了對巖土材料的相關實驗研究。學者們對巖土材料的強度以及破壞準則進行研究。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性質差異(歸納在表2)，認為巖土材料是一種多相體性的摩擦型材料，存在內摩擦。此外，還提出巖土類材料的抗剪強度(τ)由黏聚強度(c)和摩擦強度(ptanφ)組成；并根據材料的變形規律得出：材料的先發揮其作用，接著，隨著靜水壓力的增大呈現上升趨勢，然而隨著靜水壓力的增大出現下降趨勢。不同學者也開展了對巖土材料的相關實驗研究。學者們對巖土材料的強度以及破壞準則進行研究。

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性質差異(歸納在表2)，認為巖土材料是一種多相體性的摩擦型材料，存在內摩擦。此外，還提出巖土類材料的抗剪強度(τ)由黏聚強度(c)和摩擦強度(ptanφ)組成；并根據材料的變形規律得出：材料的c先發揮其作用，接著，ptanφ隨著靜水壓力的增大呈現上升趨勢，然而φ隨著靜水壓力的增大出現下降趨勢。

表1 破壞形式的區別

表2 巖土材料與金屬材料

C.Edelbro[2]對巖體的破壞準則和強度特性進行了詳細的分析和評價，結果表明一般是在巖石材料強度特性的基礎上引入非連續面的影響，從而分析巖體的強度特性。

路德春[3]提出巖石材料的非線性強度，將三維應力條件下巖石材料的非線性強度特性，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力效應，在子午面上研究靜水壓力效應，以及中主應力與靜水壓力的耦合效應。

李天斌等[4]對玄武巖在卸荷過程中的破壞和變形進行了研究，結果表明：在卸荷狀態下，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、卸載試驗的基礎上，從σ-ε關系、強度p特性及破壞特征等方面，對巖體的破壞特性進行對比分析。

李志敬等[6]開展巖石在高靜水壓力下的力學研究，結果表明：高靜水壓力加速了巖石的裂紋擴展和破碎，導致黏聚力和內摩擦角顯著減小。

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

張平[7]通過對兩種靜水壓力對巖土材料的強度影響進行分析，研究表明低靜水壓力下剪應力破壞嚴重。

黃宇星[8]以不同靜水壓力為基礎，論述巖土材料靜水壓力效應產生的機制。

隨著國家經濟不斷發展，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度和破壞機制出發，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、巖土材料的抗剪強度及破壞機制

在材料力學中，強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力來表示，即抗剪強度。

對于巖土材料，在不受靜水壓力的作用下，巖土材料之間依據存在一定的抗剪強度，是由混凝土、黏土、巖石之間粘結產生，就是所說的黏聚強度(c)，黏聚強度是由這三種材料的性質所決定的。巖石的黏聚強度是由其顆粒與礦物所產生的聯結力；混凝土是由水泥、砂、石子等組成，其中的砂漿能夠產生一定的黏聚；黏土是由土顆粒之間的膠結作用，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，膠結作用于分子作用力增大，隨之而來的便是粘土粘聚強度的增加[6]。而在等向壓縮的過程中，隨著靜水壓力逐漸增大，混凝土和巖石會發生破碎從而無法恢復，其粘聚力會逐漸減小，所以，當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度產生影響[8]。

二、低靜水壓力及其作用下的巖土材料

靜水壓力由均質流體作用于一個物體上的壓力。當靜水壓力較低，巖土材料中的混凝土、巖石、黏土發生相對運動，并不會使顆粒發生破壞。如果巖石出現了裂縫，當水壓力繼續作用，會造成裂縫繼續增大，不斷延伸導致最終破壞。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致。黏土則是土顆粒之間發生錯層，導致土壤破壞。

抗剪強度是由黏聚強度和摩擦強度組成。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力呈現正比例關系，如圖3所示[8]。應力越大，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，材料的強度會存在峰值和殘余強度。

圖3 剪應力比的破壞示意圖[8]

基于大量實驗結果分析，得出靜水壓力大于材料的強度，材料就會發生破壞，不需要考慮殘余強度，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生相對運動，表現為剪應力比破壞。

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生相對運動，導致最終的破壞。而對于高靜水壓力，其能夠是巖土材料的大多數顆粒發生破壞，此時的剪切滑動面上的應力達到最大值，由于摩擦力與應力成正比關系，因而摩擦力也達到最大，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生相當運動，但是顆粒之間的相互作用力增大了，導致材料顆粒發生破壞，如圖4所示。材料顆粒的破會不僅使巖土材料的級配發生變化，而且提高了抗剪強度。

圖4 最大剪應力破壞示意圖[9]

在圖4中可以看出，隨著主應力的增加，內摩擦角由φc1變成φc2，內摩擦角變小了，此時的抗剪強度由黏聚強度承擔。

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生了破壞，表現為剪應力破壞。

四、總結與展望

本文主要基于一些學者研究的角度對巖土材料的抗剪強度及破壞形式、低靜水壓力及高靜水壓力下巖土材料的破壞規律進行歸納總結分析：

(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度；在外部靜水壓力不斷增大的作用下，導致顆粒之間的粘結于摩擦不斷增大，最終不可恢復。

(2)在低靜水壓力作用下，巖土材料呈現剪應力比破壞。

(3)在高靜水壓力作用下，巖土材料呈現剪應力破壞。

但是，對于巖土材料還需要研究以下一些方面：

(1)需要結合實際案例來反應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的研究，還可以從屈服軌跡的彎曲、偏應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理將會是當下與未來的研究熱點之一。