浅谈土的变形特性

2010年 第4期(总第194期)
黑龙江交通科技
HEIL ONGJI A NG JI A OTONG KEJI
No .4,2010(Sum No .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:U 416 1 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2010)04-0004-01
收稿日期:2010-02-08
0 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。

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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+1
140推土机稳压2遍,YZ18T 压路机2遍,140推土机1遍收面291区>1.50m 2+4+2140推土机稳压2遍,YZ18T 压路机4遍,140推土机2遍收面3
93区
0.8~1.5m
2+4+2+2
140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+2
140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
(J TJ 034-2000)[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.
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)
(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 、 y z 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:
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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.
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7。