基于颗粒接触应力的软土次固结机理分析

储定保

储定保淤CHUDing-bao曰毛尚礼于MAOShang-li（淤化学工业岩土工程有限公司，南京210000；于江西省婺源县江湾镇示范镇建设办公室，婺源333200）（淤ChemicalIndustryGeotechnicalEngineeringCo.，Ltd.，Nanjing210000，China；于JiangwanModelTownConstructionOfficeofWuyuan，Wuyuan333200，China）

摘要院用土颗粒法向接触应力和接触面积表示有效应力，通过比较有效应力与土颗粒接触应力的关系，分析土颗粒接触平衡的破坏对次固结的影响，并分析了其他因素对颗粒接触能力及次固结快慢程度的影响。

Abstract:Thesoilparticlemethodisusedtoshowtheeffectivestressofcontactstressandcontactface.Bycomparingtherelationshipbetweentheeffectivestressandsoilparticlecontactstress,theinfluenceofsoilparticlecontactdestructiononsecondaryconsolidationisanalyzed.Theinfluenceofotherfactorsontheparticlecontactability,andsecondaryconsolidationspeedarealsoanalyzed.

关键词院有效应力；土颗粒接触应力；次固结

Keywords:effectivestress；soilparticlecontactstress；secondaryconsolidation

中图分类号院P642文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）02-0269-021

饱和土有效应力与颗粒接触应力的关系有效应力原理是太沙基从试验中观察到在饱和土体中土的变形及强度与土体中的有效应力滓'密切相关并建立的，认为影响土的变形和强度的应力不是总应力而是有效应力。在土中某一方向截取一剖面，令其通过颗粒接触点，而不是切割颗粒，该剖面在微观上是坑坑洼洼凹凸不平的。该剖面上作用的法向应力叫总应力滓，它由孔隙水和土骨架共同承担，该剖面土颗粒的接触力方向是杂乱无章的，将其投影到竖直方向，叠加后总和为F，由力的平衡可得：

式中，滓s为土颗粒平均法向接触应力，A、As分别为土体平截面和土颗粒间的接触面积。通常认为As/A约0.03，故第二项中的As/A可略去不计。但第一项中由于滓s很大，所以不能忽略As/A，用滓'表示滓sAs/A，有滓=滓'+滋。有效应力原理体现了平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系：当总应力保持不变时，孔隙水压力与有效应力可以相互转化，即有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。有效应力滓'的实质是固体颗粒浮重力与总面积A的比值；孔隙水压力的实质为与土体等体积的水对总面积A的平均应力，也即将土体中固体颗粒全部置换成等体积的水，总体积为V的水由于重力作用在面A上产生的应力，只与水深有关，实际土体中截面处孔隙水深度与等效水体中截面处水深度相等，故孔隙水压力u就是截面上的液相接触面所受的实际应力[1]。因此有效应力滓'和孔隙水压力u都是作用在总面积A上的平均应力，将两者相加得到截面上的总应力，有效应力和孔隙水压力都是虚构的物理量。有效应力是土骨架承担的荷载平均化的概念，它与土骨架应力有如下关系：淤有效应力保持不变时，即滓'=滓sAs/A为定值，则滓s的As乘积为一个常数。变换等式得滓s/滓'=A/As，由于As/A约0.03[2]，故颗粒间平均法向接触应力是滓s是有效应力滓'的30倍以上，因此用有效应力原理所求的应力滓'与土体颗粒之间的真实应力相差极大。于滓'=滓sAs/A，该等式可变形为滓sAs=k，其中k=滓'A，有效应力保持不变时k是一个不变值，此时滓s在As一定范围内存在反比例关系，因此滓s和As之间的此增彼减不是线性的。加荷初期滓s比较大，使土体产生固结，土体孔隙减少，土颗粒接触点增多，As也随着增大，承担有效应力的土颗粒增多，每个平均接触应力就相应减少。故随着As的增加，滓s逐渐减少，但是滓s是急剧减少，As增加有限。有效应力在次固结中没有发生变化，颗粒间接触应力随着固结程度的增加而逐渐减低，土体内部颗粒进行自我调整，颗粒接触点不断增加，单颗粒承担的应力减少，使土体骨架更趋向于稳定，从而土体能够承受更大的荷载，迎接新的变形。

2土颗粒接触应力对软土次固结的影响饱和土是由固体颗粒，液态水以及土颗粒间的胶凝物所组成的多孔介质。水是连续介质，矿物颗粒及颗粒团是散体介质，两种介质传递力的途径不一样，孔隙水压力与水深有关，在同一个高程处处相等，而土骨架在各点处的应力总不相等。对软粘土，单个粘土颗粒呈片状，宏观土体由无数片状粘土颗粒以一定形式互相堆积而成，微结构为片架蜂巢结构，其单元呈无序排列，以面—面、边—面接触，排列不规则，形成土骨架，支撑着上部荷载。根据土的力学特性，有效应力是饱和土唯一控制其变形和强度变化的应力状态量。有效应力虽然是平均化后的概念，与总面积A相关，但其实质是土骨架应力，土骨架由片架结构组成，该结构的薄弱点是颗粒间的接触点。从土颗粒接触应力的角度分析，李广信提出土颗粒间实际接触面积由颗粒的屈服强度和法向荷载决定[3]，接触面积与接触法向应力成反比，与土颗粒屈服强度成正比，表达式为：As滓y=P'。式中滓y是颗粒矿物的屈服强度，P'为法向荷载。土颗粒次固结与土体颗粒矿物的屈服强度和颗粒间实际接触面积有关。各土颗粒接触点上的力，其大小和方向都是非常分散的，接触应力的大小也是参差不齐的。比有效应力大几十陪的接触应力作用在土颗粒上，使结构较弱、胶结强度较小接触点率先达到屈服，接触位置的滓s大于土颗粒结构屈服强度，超过土结构体的弹性变形极限，土的结构必将在联结薄弱处发生破坏，颗粒之间的胶结强度急剧降低，颗粒间的空间减小。一些土颗粒及颗粒团的位置和形状的改变将影响附近土颗粒的受力状态并导致它们的变形和移动。虽然宏观上外荷载没有变化，有效应力保持恒定，土体的压缩仍然不断发展，其原因是微观上土颗粒之间的受力是暂时性平衡，它在土体内不同部位、不同高程都是变化的。接触关系的不同，接触处吸着水膜的厚薄，胶结强度的大小，都是导致土体结构屈服与破坏的因素。因此微观上土体内部的不稳定，体现在宏观上的次固结。

3影响次固结快慢程度的因素土体结构性：外荷载由具有一定胶结强度的接触的土颗粒来承担，外荷载作用造成颗粒的挤压变形，外荷载大于土骨架结构屈服应力，某些部位应力集中，土结构性将在颗粒接触薄弱处破坏，产生相对位移并重新排列，导致颗粒间的空间较小，胶结强度降低。土体内部颗粒进行自我调整，土体单元内颗粒数目不断增多，接触点相互增加，相互间的约束力也不断增大，使土体骨架更趋向于稳定从而土体能够承受更大的荷载，迎接新的变形。外荷载：次固结与固结压力存在一定的关系，对正常固结土，外荷载愈大，主压缩量也愈大，留给次压缩的的空间也就愈小，次压缩系数随荷载增大而减小。从颗粒接触应力的角度分析，作用在土体上的外荷载越大，由附加孔隙水压力转化成的有效应力也就也大，颗粒间平均接触应力相应也很大，颗粒间剪切滑移和颗粒的破损可能性增加，使土颗粒填充孔隙变得愈容易，土体受力的压缩量愈大。由前文推知的滓s和As的关系可知，当As增加到一定程度，即使滓s急剧减少，As的增加却是有限的。粘土含量：软土中存在一定的粘粒含量，由于粘粒直径很小，一定重量的粘粒总表面积要比相同重量粗颗粒的总表面积大得多，使得颗粒表面的物理化学作用十分强烈，在水中容易发生絮凝现象。由于粘粒的过量加入使得自由水减少，颗粒之间的润滑作用减弱，从而使浆体的粘度增大。粘粒对颗粒接触点的初始剪切力的影响可归结为对絮凝作用的影响，粘粒达到一定含量时，颗粒靠得越近，颗粒之间结合紧密，其相互作用的机会越多，增加了内聚力，絮凝作用明显，形成絮网结构，增大了初始剪切力，软土流变性变差。

4结论有效应力可以用土颗粒平均法向接触应力表示，两者之间的关系制约了土体微观变形的强弱，有效应力体现了土体的宏观力学，土颗粒接触应力反应了土体内部的微观变化。从颗粒接触点破坏能力的强弱描述软土次固结，可以微细观层次分析软土的次固结，即粘土颗粒之间接触的破坏，吸着水膜变薄，胶结物质受力破坏，都会导致土的变形，这些破坏都可以在有效应力保持不变（次固结阶段）的情况下缓慢相继地发生，在荷载作用下土颗粒朝着相对稳定的位置发生移动导致宏观上的土体发生变形。通过对土颗粒接触的破坏因素归纳出影响次固结快慢程度的因素主要有：土体中的粘土含量、含水率、土体结构性、荷载大小等。

参考文献院[1]李大鹏,李永涛.基于理想饱和土体的有效应力原理几点辨思[J].岩土工程界,2008,11(12):23-26.[2]陈津民.饱和土的有效应力[J].岩土工程界,2006,9(11):21-22.[3]李广信.有效应力原理能够推翻吗[J].岩土工程界,2007,10(7):22-26.作者简介院储定保（1987-），男，满族，江苏泰州人，硕士，助理工程师，研究方向为岩土工程。