岩土类材料的静水压力效应研究

2018-01-30张平

世界有色金属 2018年3期

关键词：静水压静水压力剪应力

张平

（辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳 110013）

岩土类材料如砂石、混凝土等是由颗粒性材料混合而成的，起破坏为剪切破坏，实际作用机制比较复杂，其中受静水压力的作用效果更为明显。

近年来随着水利工程建设行业的不断发展，很多高土石坝、近海工程等中需要用到大量的岩土类材料，因此研究这些材料在静水压力下的作用机制和影响机制对于提升工程建设质量具有重要的影响作用。

1 岩土材料的破坏机制

岩土材料由粘土、混凝土、岩石等材料组成，材料的黏聚强度由材料本身的性质所决定，且主要是由土颗粒之间的胶结作用及其微观分子间的作用力有关。在零水压作用下，组成岩土材料的各种基础材料之间存在一定的抗剪强度，而沙土却不存在抗剪强度。在等轴压力下，岩土材料的基本结构基本保持不变，但是在外部静水压力不但增大的前提下，岩土材料由于受到外部应力作用导致颗粒间隙减小，直接导致颗粒间的胶结作用和相互作用不断增大，且很多材料在静水压力下不可恢复，如混凝土砂浆基质与骨料分离造成岩土材料分解成很多细小的颗粒状，且不可恢复。因此研究岩土材料在静水压力下的强度对于工程建设具有重要的影响作用。

2 低静水压作用下岩土材料的破坏机制分析

当水利工程的建筑位置位于水下较浅的位置时，岩土材料收到的静水压力相对较小，这时材料所受的外部静水压力还没有达到岩土材料的承受极限，还不足以导致材料的颗粒破碎，但是材料颗粒间的间距会减小，相互作用增大，在这种作用机制之下，材料分子间的相对运动必然会造成材料基本性能的破坏。

岩土材料主要由泥土、岩石以及混凝土等构成，在静水压力作用下其破坏机制不尽相同，泥土中土颗粒间微观变化如错位等会造成土壤结构的破坏，岩石中一旦出现裂缝，且裂缝在外部静水压力的作用下不断延伸从而造成岩石材料的破坏，而混凝土材料的破坏则主要是由骨料与砂浆基质分离所导致的。

静水压力提供了材料颗粒间相互运动的粘聚力和摩擦力，而摩擦力与剪切滑动面上的应力呈现正相关关系，应力越大，颗粒间的摩擦力越大，颗粒间的相对运动难度也就越高，通过构建模型与模拟分析，可知摩擦力大小与滑动面上的正应力之间存在一种线性关系，压力与摩擦力的比值K与低静水压力时三轴压缩条件下的内摩擦角C相关。在低静水压力下混凝土、沙土、砂石等的强度存在峰值强度和残余强度，在低静水压作用下岩土的一部分颗粒会越过另一部分颗粒而使得岩土出现膨胀，这时岩土的抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力造成的。

一旦材料解体，其颗粒间的黏聚力逐渐减小，直至材料发生破坏，此时材料的抗剪强度较小，为残余强度。因此本文在分析了大量的实验数据上得出如下结论：在外部静水压力大于材料的强度时材料就会破坏，而不需要考虑材料的残余强度。

3 高静水压下材料的破坏

当材料经受的外部应力达到一定的极限时，可视为高静水压力水平，高静水压力被定义为可以使得大多数岩土材料颗粒发生破碎时的压力水平，这时剪切滑动面上的正应力越大，颗粒间相对运动的摩擦力也就越大，相对运动也就越困难。沿途材料的强度等特性在颗粒破碎时会发生明显的改变，其作用机制主要集中在两个方面，一是提供了材料的抗剪强度，二是改变了材料的级配形式。对于以土为代表的岩土材料来说，在高静水压力作用下土颗粒之间的相对运动变得越发困难，同时颗粒间的作用力增大直接导致其破碎成更小的颗粒，这时材料的抗剪强度增大，摩擦特性也发生了不同程度的变化，使得材料的内摩擦角C减小。同时材料颗粒的直径减小，加之外部静水压力的增大直接导致土颗粒间的间距变得更小，作用力更大，此时即使是无黏性特征的材料也体现出一定强度的黏性，从而导致岩土材料的黏性随着外部应力的增大而增大。另外，当外部应力继续增大时，岩土材料的颗粒会继续破碎，颗粒间的作用力也进一步增大，此时材料的抗剪强度主要由黏聚强度提供，此时强度特征开始向金属材料的强度特征进行过度，此时材料的抗剪强度与静水压力之间的相关性进一步减弱，剪切力被破坏。

4 静水压中的主应力影响

在工程实际中，由于实际工作情况复杂多变，导致很多岩土的破坏收到多种作用机制的影响，往往会有以上两种作用机制的影响，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。另外，岩土材料的剪切应力的非线性变化还可能是由于材料的不均匀性所导致的。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。