高等土力学

高等土力学课程论文

砂土剪切力学特性的影响因素

前言

砂土是地基土中比较常见的一种土质类型。当上部荷载作用于砂土上时，砂土产生的抵抗其上部荷载的极限抗剪承载力称为砂土的抗剪强度。此时，当砂土内某点由外力引起的剪应力达到砂土的抗剪强度时，砂土就会沿着剪应力作用的方向产生相对滑动，该点便发生剪切破坏。实际工程中，砂土大多是由于受剪而发生破坏，剪切破坏是砂土破坏的一个非常重要的特点。因此，分析砂土剪切力学特性的影响因素，研究砂土抗剪强度的变化规律，可以有效地解决土质边坡稳定性问题，降低工程事故发生的概率，减少工程事故造成的直接、间接危害，保障人民生命财产的安全，对于指导工程施工和建筑物地基基础设计等都具有重要的意义。

本文综合论述了应力路径、颗粒形状、级配、密实度以及不同排水条件等因素对砂土剪切力学特性的影响，分子和总结了在上述各项因素作用下砂土抗剪强度的变化规律和研究现状。

1.砂土抗剪强度理论

土体发生破坏时，将沿着其内部某一剪切面产生相对滑动，该剪切破坏面上的剪应力的极限值就是土的抗剪强度。基于上述原理，法国科学家库伦于 1773 年根据砂土的直接剪切试验，得出了砂土的抗剪强度表达式，即：

τf= σtanφ

式中各符号含义如下：

τf—砂土的抗剪强度，单位：k Pa

σ—剪切破坏面上的法向总应力，单位：k Pa

φ—砂土的内摩擦角，单位：°

φ取决于土的性质，与土中应力无关。对于同一种砂土，在相同的试验条件下，φ为常数，但是当试验方法不同时，φ的值则有比较大的差异。

2.应力路径的影响

研究不同应力路径条件下的砂土应力应变关系，揭示应力路径对土体力学特性的影响具有重要的学术和实用价值。在确保试样的初始状态、排水条件、加荷速率、实验仪器均一致的前体下，针对不同应力路径条件下的饱和砂土剪胀剪缩特性、有效内摩擦角等剪切特性进行对比分析。

不同应力路径对砂土的应力一应变关系有较大的影响,不同应力路径试验的应力一应变关系曲线可具有完全不同的线型,这些应力路径的应力一应变关系不能完全归一化。因此要想用统一的数学模型来拟合他们就比较困难。而在实际工

程中常见的等主应力比应力路径与常规三轴压缩试验应力路径相差最大,值得进一步研究。在处理工程实际问题时,应搞清其应力路径及应力状态,尽可能利用与实际应力路径相接近的路径做试验求得参数。

K。固结试验与其他几种试验相比,应力一应变关系也有较大的差异。而K。固结条件更接近工程实际情况,所以应力历史的影响也是不能忽视的。

不同应力路径对土的塑性应变增量方向有较大的影响,应力路径相差较大时,应力~应变关系、塑性应变、塑性应变增量方向也相差较大。中密承德砂,兰轴压缩和伸长试验中塑性应变增量方向差别较大,这说明在建立砂土的弹塑性模型时,应考虑洛德角e的影响。

不同应力路径和不同应力历史对砂土的抗剪强度指标价的影响不大。五种应力路径的抗剪强度指标价值相差1“左右。

表1 设计应力路径

路径1 常规三轴压缩试验，即径向荷载不变，施加轴向压缩荷载，固结压力 100k Pa

路径2 等应力压缩试验，径向荷载减小，轴向荷载增大，保持总应力不变，固结压力 100k Pa

路径3 减压压缩试验，轴向荷载不变，径向荷载减小，固结压力 100k Pa

路径4 常规三轴拉伸试验，即径向荷载不变，轴向荷载减小，固结压力 100k Pa

路径5 等应力拉伸试验，径向荷载增大，轴向荷载减小，保持总应力不变，固结压力 100k Pa

路径6 增压拉伸试验，即挤长拉伸，轴向荷载不变，径向荷载增大，固结压力 100k Pa 路径7 常规三轴压缩试验，即径向荷载不变，施加轴向压缩荷载，固结压力 400k Pa

路径8 偏压固结，固结围压为 400k Pa、轴向应力为 600k Pa，剪切时偏应力不变，总应力减小

在不同剪切路径条件下，砂土的剪胀剪缩特性明显不同。在压缩条件下比拉伸条件显示出更明显的剪胀特性；并且减压压缩路径表现出最显著的剪胀特性，增压剪切路径条件下的剪胀特性最小，常规压缩路径的剪胀特性在其中间。与均等固结情况相比，在偏压固结状态下表现出更显著的剪胀特性。且在不同剪切路径条件下，砂土所发挥的最大内摩擦角也有所不同，在三轴拉伸条件下普遍比三轴压缩条件下的内摩擦角大 3°～4°，而在相同的压缩或拉伸条件下，剪切路径对临界状态应力比没有显著的影响。

3.颗粒形状与级配的影响

砂土的剪切模量作为岩土分析中的一个重要参数，被广泛应用于判断砂土液化、分析动力荷载响应等方面。颗粒状特征是影响砂土剪切模量的重要因素之一。颗粒破碎特征等均受到颗粒形状的影响。土颗粒形状与土体母岩成分、风化作用、搬运沉积的环境条件有着密切的关系。

从颗粒形态的3个不同层面构建了几种形状描述参数，整体轮廓洗漱。棱角度及球形度3项指标，具有很好的区分灵敏度，可作为关键性参数来鉴别不同砂样形状特征，并且三者与极限孔隙比、剪切摩擦角指标间具有良好的相关性。

土中各种大小的粒组中土粒的相对含量称为土的级配。土的级配好坏将直接影响到土的工程性质，级配良好的土，压实后能达到较高的密实度，因而其强度

高，压缩性低。反之，级配不良的土，其压实密度小，强度低。

图1 三种砂粒组

砂土材料的剪切力学特性与剪切体变特性受法向压力与粒径共同影响，称为荷载效应与粒径效应．剪切耗能因子μ与剪切体变参数Δｈ′随法向压力的增大呈非线性减小，这一趋势受粒径影响，粒径越大，趋势越明显．剪切耗能因子μ随着砂土粒径的增大而增大，但这一趋势在高法向压力条件下可以忽略．剪切体变参数Δｈ′受粒径影响，其影响规律受法向压力影响，在低压与高压下呈现不同的影响规律。

砂土剪切特性的荷载效应机制为法向压力影响着颗粒破碎产生的体缩．粒径效应机制在不同法向压力下不同，低法向压力下的粒径效应机制为颗粒变位调整的带状区域厚度受粒径影响，大粒径砂土的剪切带状区域厚度亦大，这一点与前人研究结论［１８，２０］相吻合；高法向压力下的粒径效应机制则为砂土颗粒剪切破碎的显著程度受粒径影响，大粒径砂土的剪切破碎程度亦大．荷载效应机制与粒径效应机制共同存在于不同法向压力、不同粒径砂土的剪切过程中，影响着砂土的宏观剪切特性。

4.密实度的影响

砂土的密实度对其工程性质有着重要的影响。当砂土处于密实状态时，结构较稳定，压缩性较小，强度较大可作为建筑物的良好地基；而处于疏松状态时（特别对细、粉砂来说），稳定性差、压缩性大、强度偏低，属于软弱土。

研究表明，在一定的围压下，松砂的应力 - 轴向应变关系呈应变硬化型，体积逐渐减小，表现出一定的剪缩性，剪应力则随着剪应变的增大而增大，最后趋于恒定的强度，即为残余强度。密砂的应力 - 轴向应变关系呈应变软化型，它的体积开始时稍有减小，继而增加，超过其初始体积，表现出一定的剪胀性。随着围压的增大，砂土的受剪将表现为剪缩性。其剪应力在开始时不断增加达到峰值，随后逐渐降低直至达到残余强度。

出现上述现象的内在机理主要是由于松砂受剪时，颗粒滚落到孔隙中新的平衡位置，导致颗粒结构排列得更加紧密，体积缩小，因而呈现出剪缩性。反之，对于密实的砂土，在剪力的作用下，颗粒将围绕相邻颗粒转动并向上翻越，导致体积膨胀，呈现出剪胀性。随着围压的增大，颗粒将重新滚落到新的孔隙中，砂土体积缩小，也将呈现出剪缩性。

目前砂土密实度的判断主要有三种标准，其判断指标分别为：砂土的孔隙比、砂土的相对密实度、砂土标贯试验 N值。

砂土的孔隙比 e 和相对密实度均需要通过对原状土进行试验确定，而原状土一般难以取得，在取样过程中易受到人为因素的影响而发生扰动，且相对密实度值需要用到的土样最大和最小孔隙比通常难以测定。标准贯入试验是一种土样的原位测试方法，它是用将探头打入土中一定深度处所需的击数 N 值来评价砂土密实度的方法，它可以在现场进行试验，克服了前两种方法存在的缺陷，被广泛地应用于砂土密实度的测定中。

5.不同排水条件的影响

在对滑坡灾害研究的过程中，发现滑动路径上具有不同物理力学状态的砂土对滑坡的运动过程会产生显著的影响。

在以往滑坡土体剪切力学特性试验研究方面，各国学者通常主要利用直剪试验、三轴压缩试验等常规室内土工试验方法，研究土体剪切变形的产生、发展和演变过程以及剪切力学特性的变化规律。由于常规试验仪器在功能和方法上的局限性，其基于全应力应变试验所量测的结果与实际滑坡土体内部的变形破坏过程存在较大差异，并不能真实反映滑坡土体在实际大剪切位移条件下诸如颗粒定向排列、粒子破碎、孔隙水运移等实际情况。

利用大型高速环剪试验机，通过对砂土在不同排水、法向应力和剪切速度下的剪切试验特性进行对比分析，以期揭示砂土在大剪切位移条件下的剪切力学特性及其作用机理，为深入研究滑坡灾害中土的剪切力学特性及其对滑坡运动过程的影响提供理论支持和分析依据。

在连续快速剪切条件下，砂土剪切力学特性在干燥、不排水和排水等条件下呈现不同的变化形式。其中在不排水条件下，饱和砂出现一定的应变软化现象。在相同正应力和剪切速率的环剪试验中，饱和砂在不同排水条件下（上排水、下排水、上下排水）的抗剪强度出现显著差异；其抗剪强度变化按上下排水、上排水、下排水顺序依次递减。在排水环剪试验条件下，砂土剪切应力与强度的差异性变化不仅与土体内细土颗粒运移和结构变化有关，并且受到剪切过程中不同排水条件下孔隙水压力变化的影响和控制作用。排水环剪条件下，各排水方式下的饱和砂内孔隙水压力呈现不同的消散变化形式；饱和砂孔隙水压力的消散变化不仅与不同排水方式下土体内所形成的排水通道顺畅程度有关，并且受到不同剪切速率和法向应力的影响作用。在相同排水条件和低法向应力（１００、２００ｋＰａ）条件下，孔隙水压力消散变化率随法向应力和剪切速率的增大而增大；而在高法向应力（３００ｋＰａ）条件下孔隙水压力消散变化率反而减小。

6.总结

6.1不同应力路径对砂土的应力一应变关系有较大的影响,不同应力路径试验的应力一应变关系曲线可具有完全不同的线型,这些应力路径的应力一应变关系不能完全归一化。因此要想用统一的数学模型来拟合他们就比较困难。而在实际工程中常见的等主应力比应力路径与常规三轴压缩试验应力路径相差最大,值得进一步研究。在处理工程实际问题时,应搞清其应力路径及应力状态,尽可能利用与实际应力路径相接近的路径做试验求得参数。

6.2 砂作为一种特殊的散体材料，其宏观物理力学性质，如密实度、剪切特性（临界状态角，剪胀角）、压缩性及颗粒破碎特征等均受到颗粒形状的影响。

但颗粒形状量化的发展目前仍不够成熟，其难点在于：①颗粒个体形态描述；②群体形状分布特征描述；③群体形态描述。

6.3 砂土的密实度对其工程性质有着重要的影响。当砂土处于密实状态时，结构较稳定，压缩性较小，强度较大可作为建筑物的良好地基；而处于疏松状态时（特别对细、粉砂来说），稳定性差、压缩性大、强度偏低，属于软弱土。

6.4

１）在连续快速剪切条件下，砂土剪切力学特性在干燥、不排水和排水等条件下呈现不同的变化形式。其中在不排水条件下，饱和砂出现一定的应变软化现象。

２）在相同正应力和剪切速率的环剪试验中，饱和砂在不同排水条件下（上排水、下排水、上下排水）的抗剪强度出现显著差异。

３）在排水环剪试验条件下，砂土剪切应力与强度的差异性变化不仅与土体内细土颗粒运移和结构变化有关，并且受到剪切过程中不同排水条件下孔隙水压力变化的影响和控制。

４）排水环剪条件下，饱和砂孔隙水压力的消散变化不仅与不同排水方式下土体内所形成的排水通道顺畅程度有关，并且受到不同剪切速率和法向应力的影响作用。

影响砂土抗剪强度的主要因素有土的应力路径、密实度、颗粒形状、颗粒级配以及试验条件的差异等。虽然对砂土抗剪强度的研究取得了一些成果，但仍然存在着许多值得进一步研究和探索的问题，如多种因素耦合作用下砂土的物理力学行为，砂土抗剪强度理论的修正、砂土抗剪强度影响因素的定量化处理，考虑往返荷载、移动荷载、地震荷载作用下砂土的受力和变形，试验方法和试验技术的改进，计算机技术在砂土抗剪强度中的应用等，都是需要高度关注的问题。

参考文献

[1] J. Feda. Stress‐Path Dependent Shear Strength of Sand[J]. Journal of Geotechnical Engineering.1994：958-974.

[2]Yi Yang, Xinggao Li, Xingchun Li, Alfredo Juan.Shear Strength and Compression Coefficient for Conditioned Sand Subjected to Earth Chamber Stress Levels[J].Advances in Materials Science and Engineering.2018.

[3]Lu Yong , Zhou Guoqing , Zhou Jie , Xia Hongchun.Experimental study on shear characteristics of sand under high pressure[A].ICETCE.2011.

[4]Hongchun Xia , Zechao Du , Guoqing Zhou , Yong Lu.Experimental study of the direct shear mechanical characteristics of the sand with different granular diameter[A]. ICETCE.2011.

[5]Junkun ,anJiaqi ,uoZilong Xu.Orthogonal tests research on the influential Factors of the Shear Characteristics of interface between Coarse Sand and Concrete[A].MSEEE.2017.

[6]Shibuya,S.Mitachi,T.Kitajima,A.Strength and Deformation of Sand in Direct Simple Shear.[A].第10届亚洲地区土壤力学与基础工程会议.1995：86-95.

[7]Kiichi Suzuki, akemine Yamada.Double Strain Softening and Diagonally Crossing Shear Bands of Sand in Drained Triaxial Tests[J].International Journal of Geomechanics.2006：440-446.

[8]Sérgio D. N. Louren?o, ong-Hui Wang, ian Chu.Sérgio D. N. Louren?o; Gong-Hui Wang; Jian Chu[J].Environmental Earth Sciences.2011：865-870.

[9]Yie-Ruey Chen, ruce L. Kutter.Contraction, Dilation, and Failure of Sand in Triaxial, Torsional, and Rotational Shear Tests[J].Journal of Engineering Mechanics.2009.1155-1165.

[10]L. Tong, Y. H. Wang.DEM simulations of shear modulus and damping ratio of sand with emphasis on the effects of particle number, particle shape, and aging[J].Acta Geotechnica.2015：117-135.

[11]T. Chakraborty, R. Salgado.Dilatancy and Shear Strength of Sand at Low Confining Pressures[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.2010：527-532.