对岩土材料静水压力效应的几点思考

(扬州大学建筑科学与工程学院 江苏 扬州 225127)

引言

图1 岩土材料示意图

目前，常见的破坏的形式有冲切破坏和剪切破坏，两种破坏形式的区别见表1所示。在不受任何外力或者压力的作用下，岩土材料大多数发生剪切破坏。剪切破坏的破裂面平行于剪力，冲切破坏的破裂面沿着冲切力(一般为集中力)边缘45°的方向。像岩石就有三种剪切破坏形式，如：脆性破坏、延性破坏、弱面剪切破坏。因此，岩土材料的质量直接受到抗剪强度的影响，又因为静水压力会直接对抗剪强度产生影响，这将一直是研究的热点问题之一。不同学者也开展了对岩土材料的相关实验研究。学者们对岩土材料的强度以及破坏准则进行研究。郑颖人和高红[1]比较了岩土材料与金属材料特性及其力学性质差异(归纳在表2)，认为岩土材料是一种多相体性的摩擦型材料，存在内摩擦。此外，还提出岩土类材料的抗剪强度(τ)由黏聚强度(c)和摩擦强度(ptanφ)组成；并根据材料的变形规律得出：材料的先发挥其作用，接着，随着静水压力的增大呈现上升趋势，然而随着静水压力的增大出现下降趋势。不同学者也开展了对岩土材料的相关实验研究。学者们对岩土材料的强度以及破坏准则进行研究。

郑颖人和高红[1]比较了岩土材料与金属材料特性及其力学性质差异(归纳在表2)，认为岩土材料是一种多相体性的摩擦型材料，存在内摩擦。此外，还提出岩土类材料的抗剪强度(τ)由黏聚强度(c)和摩擦强度(ptanφ)组成；并根据材料的变形规律得出：材料的c先发挥其作用，接着，ptanφ随着静水压力的增大呈现上升趋势，然而φ随着静水压力的增大出现下降趋势。

表1 破坏形式的区别

表2 岩土材料与金属材料

C.Edelbro[2]对岩体的破坏准则和强度特性进行了详细的分析和评价，结果表明一般是在岩石材料强度特性的基础上引入非连续面的影响，从而分析岩体的强度特性。

路德春[3]提出岩石材料的非线性强度，将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性，分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性，在偏平面上研究中主应力效应，在子午面上研究静水压力效应，以及中主应力与静水压力的耦合效应。

李天斌等[4]对玄武岩在卸荷过程中的破坏和变形进行了研究，结果表明：在卸荷状态下，随着破坏时围压的增大，破坏形式逐渐由张性破坏过渡到张剪性破坏。

吴刚[5]在岩体施加荷载、卸载试验的基础上，从σ-ε关系、强度p特性及破坏特征等方面，对岩体的破坏特性进行对比分析。

李志敬等[6]开展岩石在高静水压力下的力学研究，结果表明：高静水压力加速了岩石的裂纹扩展和破碎，导致黏聚力和内摩擦角显著减小。

还有一种是组合的方法，很多学者尝试将基于字符串匹配和基于统计的方法结合起来，保留了匹配的快速和高效，有兼有全文统计识别生词和消除歧义的优势。

张平[7]通过对两种静水压力对岩土材料的强度影响进行分析，研究表明低静水压力下剪应力破坏严重。

黄宇星[8]以不同静水压力为基础，论述岩土材料静水压力效应产生的机制。

随着国家经济不断发展，沿海工程、水利工程、高土石坝等工程也不断兴起，这些工程都会受到静水压力的影响，因此研究岩土材料的静水压力效应是十分有价值而且有广阔的前景。本文将从岩土材料的抗剪强度和破坏机制出发，分别阐述低静水压力和高静水压力的作用，以及它们对岩土材料的影响，从而提出几点思考。

一、岩土材料的抗剪强度及破坏机制

在材料力学中，强度指的是材料的承载能力，表示材料抵抗断裂和过度变形的力学性能之一；破坏指的是材料缺失了承载的能力。因而，材料的破坏通常用剪应力来表示，即抗剪强度。

对于岩土材料，在不受静水压力的作用下，岩土材料之间依据存在一定的抗剪强度，是由混凝土、黏土、岩石之间粘结产生，就是所说的黏聚强度(c)，黏聚强度是由这三种材料的性质所决定的。岩石的黏聚强度是由其颗粒与矿物所产生的联结力；混凝土是由水泥、砂、石子等组成，其中的砂浆能够产生一定的黏聚；黏土是由土颗粒之间的胶结作用，如图2所示。

图2 破坏模式

在等向压缩的过程中，粘土一般不会被破坏，当静水压力逐渐增大时，粘土之间的颗粒间隙会逐渐减小，胶结作用于分子作用力增大，随之而来的便是粘土粘聚强度的增加[6]。而在等向压缩的过程中，随着静水压力逐渐增大，混凝土和岩石会发生破碎从而无法恢复，其粘聚力会逐渐减小，所以，当静水压力增加到一定程度时，混凝土便会破碎成散粒体，混凝土的等级也不会再对抗剪强度产生影响[8]。

二、低静水压力及其作用下的岩土材料

静水压力由均质流体作用于一个物体上的压力。当静水压力较低，岩土材料中的混凝土、岩石、黏土发生相对运动，并不会使颗粒发生破坏。如果岩石出现了裂缝，当水压力继续作用，会造成裂缝继续增大，不断延伸导致最终破坏。由于混凝土是由骨料和砂浆搅拌而成，混凝土的破坏主要就是由砂浆与骨料的分离所导致。黏土则是土颗粒之间发生错层，导致土壤破坏。

抗剪强度是由黏聚强度和摩擦强度组成。静水压力的作用为岩土材料提供了混凝土、黏土、岩石颗粒之间的粘聚力和摩擦力。此时，摩擦力与剪切面上的应力呈现正比例关系，如图3所示[8]。应力越大，摩擦力也就越大，颗粒之间的相对运动也就越难。在低静水压力下，材料的强度会存在峰值和残余强度。

图3 剪应力比的破坏示意图[8]

基于大量实验结果分析，得出静水压力大于材料的强度，材料就会发生破坏，不需要考虑残余强度，可以忽略不计。

因此，在低静水压力作用下，岩土材料破坏的原因在于材料的颗粒之间发生相对运动，表现为剪应力比破坏。

三、高静水压力及其作用下的岩土材料

低静水压力是使岩土材料的颗粒发生相对运动，导致最终的破坏。而对于高静水压力，其能够是岩土材料的大多数颗粒发生破坏，此时的剪切滑动面上的应力达到最大值，由于摩擦力与应力成正比关系，因而摩擦力也达到最大，相对运动也困难。

在高静水压力作用下，虽然使颗粒之间难以发生相当运动，但是颗粒之间的相互作用力增大了，导致材料颗粒发生破坏，如图4所示。材料颗粒的破会不仅使岩土材料的级配发生变化，而且提高了抗剪强度。

图4 最大剪应力破坏示意图[9]

在图4中可以看出，随着主应力的增加，内摩擦角由φc1变成φc2，内摩擦角变小了，此时的抗剪强度由黏聚强度承担。

因此，在高静水压力作用下，岩土材料破坏的原因在于材料的颗粒发生了破坏，表现为剪应力破坏。

四、总结与展望

本文主要基于一些学者研究的角度对岩土材料的抗剪强度及破坏形式、低静水压力及高静水压力下岩土材料的破坏规律进行归纳总结分析：

(1)在零水压力作用下，岩土材料的组成部分之间存在一定的抗剪强度；在外部静水压力不断增大的作用下，导致颗粒之间的粘结于摩擦不断增大，最终不可恢复。

(2)在低静水压力作用下，岩土材料呈现剪应力比破坏。

(3)在高静水压力作用下，岩土材料呈现剪应力破坏。

但是，对于岩土材料还需要研究以下一些方面：

(1)需要结合实际案例来反应静水压力作用下的情况，更具有说服力。

(2)岩土材料除了静水压力效应的研究，还可以从屈服轨迹的弯曲、偏应力屈服张量角等方面开展研究。

(3)研究掺纳米材料在岩土材料中的作用机理将会是当下与未来的研究热点之一。