2010年第4期
(总第194期)黑龙江交通科技
HEILONGJIANGJIAOTONGKEJINo.4,2010
(SumNo.194)
浅谈土的变形特性
李连志1,王佳2
(1黑龙江工程学院土木与建筑工程学院;2黑龙江省公路局)
摘要:土的力学性质研究是建立在三大力学基础之上,但又因为土的多相性、散体性和自然变异性,使其与
金属材料有着本质的区别。在土的非线性、剪胀性、硬化与软化、应力路径和应力历史等方面分析了土有别
于金属材料的变形特性。
关键词:土体;变形特性;本构关系
中图分类号:U4161文献标识码:C文章编号:1008-3383(2010)04-0004-01
收稿日期:2010-02-080概述土是一种具有多相性、散体性和自然变异性的材料,与
材料力学中的金属有着本质的区别。为了研究土的变形往
往应用压缩固结仪、三轴压缩仪、平面应变仪、真三轴仪等进
行试验,得出土的应力应变关系。这种关系反映了土体变
形的特性。但试验有一定的局限性,试验总是在某种简化条
件下进行的,即使真三轴仪能考虑三维受力状态,试验也只能按某种应力状态,某种加荷方式进行。为了更好的了解土
的变形特性,仅就土区别于金属材料的变形特性阐述。
1非线性和非弹性
大部分坚硬材料,如金属和混凝土,在受轴向拉压时,应
力应交关系如图1(a)所示,初始阶段为直线,材料处于弹
性变形状态。当应力达到某一临界值时,应力应交关系明显地转为曲线,材料同时存在弹性变形和塑性变形。土体也
有类似的特性,图1(b)为土的三轴试验得出的轴向应力1-3与轴向应变之间的关系曲线。与金属等材料不同
的是,初始的直线阶段很短,对于松砂和正常固结黏土,几乎
没有直线阶段,加荷一开始就呈非线性。土体的非线性变形
特性比其他材料明显得多。这种非线性变化的产生,就是因为除弹性变形以外还出
现了不可恢复的塑性变形。土体是松散介质,受力后颗粒之
间的位置调整在荷载卸除后,不能恢复,形成较大的塑性变
形。如果加荷到某一应力后再卸荷,曲线将如图1(b)虚线
所示。oa为加荷段,ab为卸荷段。卸荷后能恢复的应变e
即弹性应变。不可恢复的那部分应变p为塑性应变。经过一个加荷退荷循环后,再加荷,将如图1(b)中的bc段所示,
它并不与ab线重合,而存在一个环,叫回滞环。回滞环的存
在表示卸荷再加荷过程中能量消耗了,要给以能量的补充。
再加荷还会产生新的不可恢复的变形,不过同一荷载多次重
复后塑性变形逐渐减小。
土体在各种应力状态下都有塑性变形,甚至在加荷初始
应力应变关系接近直线的阶段,变形仍然包含弹性和塑性两部分。卸荷后不能恢复到原点。非线性和非弹性是土体
变形的突出特点。
2塑性体积应变和剪胀性
土体受力后会有明显的塑性体积变形。由土样在三轴
仪中逐步施加各向相等的压力P后,再卸除,所得到的P与
体积应变v之间的关系曲线,可见存在不可恢复的塑性体积应变,而且它往往比弹性体积应变更大。这一点与金属不
同,金属被认为是没有塑性体积变形的。塑性变形是由于晶
格之间的错动滑移而造成的,它只体现形状改变,不产生体
积变化。土体的塑性变形也与颗粒的错位滑移有关。在各
向相等的压力作用下,从宏观上来说,是不受剪切的,但在微观上,颗粒间是有错动的。压缩前,颗粒架空,存在较大孔隙,压缩后,有些颗粒挤入原来的孔隙中,颗粒错动,相对位
置调整,颗粒之间发生着剪切位移。当荷载卸除后,不能再
使它们架空,无法恢复到原来的体积,就形成较大的塑性体积变形。
(a)金属;(b)土体图1材料的应用应变关系
不仅压力会引起塑性体积变形,而且剪切也会引起塑性
体积变形。剪切引起的体积收缩叫剪缩。软土和松砂常表
现为剪缩。若剪切引起体积膨胀,则称之为剪胀。紧密砂
土,超固结黏土,常表现为剪胀。文献中常把剪切引起的体积变化,不管剪缩还是剪胀,统称为剪胀性,剪缩是负的剪
胀。剪胀性是散粒体材料的一个非常重要的特性。
3硬化和软化
三轴试验测得的轴向应力1-3与轴向应变a的关
系曲线有两种形态。图2(a)所示曲线有一直上升的趋势直
至破坏,这种形状的应力应变关系称为硬化型。软土和松砂
表现为这种形态,图2(b)所示曲线前面部分是上升的,应力
达到某一峰值后转为下降曲线,即应力在降低,而应变却在
增加,这种形态称之为软化型。紧密砂和超压密黏土表现为
这种形态。
密砂受剪时,由于顺位排列紧密,一部分颗粒要滚过另
一部分颗粒而产生相对错动,须克服较大的咬合作用力,
故表现为较高的抗剪强度。而一旦一部分颗粒绕过了另一部分颗粒,结构便变松,抗剪能力减小了,因而表现为软化。
超固结黏土剪切破坏后结构黏聚力丧失,也降低强度,表现
为软化。对于松砂和软土,剪切过程中结构变得紧密,一般
表现为剪缩,因而强度也在提高,呈现硬化特性。硬化和软
化与剪缩和剪胀,常有一定联系,但也不是必然联系,软化类
型的土往往是剪胀的,剪胀土未必都是软化的。
(下转第7页)4第4期赵文红:风积沙路基压实工艺及控制措施研究总第194期
表1机械组合方式表
序号压实度标准区间H机械组合方式备注
1填前碾压2+2+1140推土机稳压2遍,YZ18T压路机2遍,140推土机1遍收面
291区>1.50m2+4+2140推土机稳压2遍,YZ18T压路机4遍,140推土机2遍收面
393区0.8~1.5m2+4+2+2140推土机稳压2遍,YZ18T压路机强振4遍,弱振2遍,140推土机终压2遍成型
495区0~0.82+4+2+2140推土机稳压2遍,YZ18T压路机强振4遍,弱振2遍,140推土机终压2遍成型
4.3避免液化现象
下层饱和松沙在震动荷载作用下,由于原先由沙砾间传
递的有效应力传给孔隙水承担,引起孔隙水的上排和沙砾在
一定时间内的悬浮,导致部分或全部强度丧失,造成沙土变
为一种类似液体的状态,造成路基失稳的后果。所以,在施
工中除了加强弱振压实,增大密实度外,还对边坡进行了夯
实加固,严格控制包边土尺寸。为了防止在施工或日后使用
荷载下发生液化,应采用疏导为主的处理方法,加强排
水、泄水系统的疏通、引导,使中央分隔带的水通过泄水槽排
入边沟,从而使水较少渗入路基,以免影响投入使用的路基
路面强度。
5结语
通过研究风积沙路用性能,针对其结构疏松,剖面发育
微弱,处于饱和状态时具有液化现象的特点,对风积沙路基
施工采用包边土,并进行了包边土断面设计和施工控制要求制定,对包边土内的风积沙采用分层填筑,干压施工,确保了
风积沙路基的施工质量,减少了道路运营期间的病害发生,
避免了远运换填材料,加快了施工进度,降低了施工成本。
参考文献:[1]中华人民共和国行业标准公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000)[S][2]黎荐.沙漠地区风积沙填筑公路路基施工技术[J].铁道标准设计,2003,(7)
[3]唐勇.沙漠公路施工机械的优选配套[J].筑路机械与施工机械化,1994,(5)[4]赤峰市公路勘察设计院.赤峰地区沙漠公路路基、路面施工技术研究[J]2003,(12)[5]范有毅,王金学,郑彦军.坝上地区风积沙筑路技术研究与应用[M].人民交通出版社,2008.
(上接第4页)
(a)硬化;(b)软化图2硬化和软化
软化阶段存在于材料达到破坏以后。如果设计中考虑
相当的安全度,不允许材料达到破坏,那么软化阶段也就不
会出现,就可以不考虑软化问题。然而实际工程中,只要破
坏区域不大,不致危及建筑物整体安全,有时允许局部区域
达到剪切破坏。达到破坏的区域,由于软化(若材料属于软
化类的)降低了强度,便不能承受与峰值强度相应的荷载,
而将多余的荷载转移到周围区域,加重了周围负担,使周围
区域达到破坏,实际破坏区将比不考虑软化特性时来得大。
这时最好是考虑软化问题。
4应力路径和应力历史时变形的影响
土体内一点的应力状态可以用三个主应力1、2和3来表示。以三个主应力为坐标轴构成一个直角坐标系,叫应
力空间。这个空间内的一点有三个坐标值,代表了某种应力
状态。对于一种加荷方式,代表应力状态的点将从某点a沿
某种轨迹移动到另外一点b,加荷过程中,应力空间内代表
应力状态的点所移动的轨迹,叫应力路径。不同的加荷方式
可以用不同的应力路径来表示。
应力空间还可以用其他形式的应力分量为坐标。如果
以x、y、z、xy、yz和zx六个应力分量为坐标,则应力空间是六维空间,无法用图形表示,仅可以作抽象的理解。如果
忽略第三应力不变量或应力罗德角对变形的影响,则可以只
用p、q两个分量来构成二维的应力平面。
岩土材料存在较大的塑性变形。沿不同的应力路径加
荷,各阶段的塑性变形增量不同,累积起来就有不同的应变
总量。换言之,尽管初始和最终的应力状态相同,加荷的应
力路径不同,变形结果是不同的。这就是应力路径对变形的
影响。
应力历史是指历史上的应力路径。由于塑性变形不可恢
复,历史上发生的变形将保存和积累起来。它无疑会影响今
后的变形。前面讲过,经过一个加荷卸荷循环后,再加荷时,
变形就减小了,这就是应力历史的影响。图1中,a、c两点具
有相同的应力1-3,然而a点处于初始加荷曲线上,c点处
于再加荷曲线上,两点对应不同的a,它们所处应力应变
关系曲线的斜率也不同。如果施加同样的荷载增量,则对应
a状态的土体应变增量大,而对应c状态的土体应变增量小。
因a、c两点有着不同的应力历史,加荷后就有不同的变形。
超固结土比正常固结土变形小,也是这个缘故。
5结语
以上四个方面概括了土体变形的基本特性。当然,影响
土体变形的因素还很多,如土的种类、结构性、塑性剪应变、
固结压力、各向异性和主应力的影响等。土体的变形规律是
十分复杂的,要在本构关系数学模型中全部反映这些特性是
不可能的,也是不必要的,应该抓住影响变形的主要特性去
建立数学模型,从而解决工程实际问题。
参考文献:[1]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996.[2]郑颖人,沈珠江,龚晓南.岩土塑性力学原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.[3]杨晓丰,李连志.土质学与土力学[M].北京:中国计量出版,2009.7