基于颗粒接触应力的软土次固结机理分析
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摘要： 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： The soil particle method is used to show the effective stress of contact stressand contact face. By comparing the relationship between the effective stressand soil particle contact stress， the influence of soil particle contact destructionon secondary consolidation is analyzed. The influence of other factors on theparticle contact ability， and secondary consolidation speed are also analyzed.
关键词： 有效应力；土颗粒接触应力；次固结
Key words： effective stress；soil particle contact stress；secondary consolidation
中图分类号：P642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）02-0269-02
1 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σ'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σ，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：σ=■+μ（1-■）或σ=■+μ（1-■）
式中，σ■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
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：Asσy=P'。式中σy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σs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σs和As的关系可知，当As增加到一定程度，即使σs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：
[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.有效应力原理能够吗[J].岩土工程界，2007，10（7）：22-26.