浅谈土的变形特性

２０１０年第４期　（总第１９４期）　黑龙江交通科技　

ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　Ｎｏ．４，２０１０　

（Ｓｕｍ　Ｎｏ．１９４）　

浅谈土的变形特性　李连志‘，王佳　（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：Ｕ４１６．１　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１０）０４—０００４一Ｏｌ　

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，得出土的应力一应变关系。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　力一应交关系如图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，应力一应交关系明　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　一０ｒ３与轴向应变８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。∞为加荷段，　为卸荷段。卸荷后能恢复的应变占‘　即弹性应变。不可恢复的那部分应变　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６ｃ段所示，　它并不与０６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　应力一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　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　收稿日期：２０１０—０２—０８　・４・　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ｌ材料的应用一应变关系　

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　一６ｒ３与轴向应变　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。　（下转第７页）　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　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　人边沟，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　（ＪＴＪ０３４—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，２０ｏ３，（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．　

（上接第４页）　

（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　。、　：和　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ｎ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　６ｒＩ、ｒ　ｒ　和　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ｌ中，ｏ、ｃ两点具　有相同的应力　一　，然而。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ｓ　，它们所处应力一应变　关系曲线的斜率也不同。如果施加同样的荷载增量，则对应　。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ｏ、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：　［１］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［Ｍ］．北京：中国水利水电出　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．　［３］杨晓丰，李连志．土质学与土力学［Ｍ］．北京：中国计量出版，　２００９．　

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