岩土工程中土体力学性质的实验研究

岩土工程中土体力学性质的实验研究

金乐军

浙江地博勘测设计有限公司，浙江省杭州市， 310000

摘要：随着科学技术的发展，土壤是人们生活中常见的物质，为植物提供养分及载体的同时，人们在土壤基层建立房屋等设施，或者在土层中铺设管道，对此，土壤成为一种工程材料，需要人们对岩土工程力学特性有足够认识。在长期实践中，人们已经形成对岩土工程的感性认识，比如，人们利用直剪仪测试土壤力学。后续的研究中开始对土壤各项性能总结规划，让人们对土壤有全面认识。随着岩土工程实践不断深入，在生产中越到更多的问题。比如，高层建筑低下基础相互作用问题，预应力管桩荷载变形问题等，此类问题均需要通过有效的措施解决，才能为岩土工程顺利开展奠定基础。

关键词：岩土工程；土体力学性质；实验研究

引言

近年来，随着城市地下空间的不断开发，出现大量基坑支护和地基加固等工程，土体加固成为必然需求，也不断推动着工程材料的发展。水泥作为一种传统的土体固化材料被广泛应用于工程建设中，然而水泥工业属于高耗能、高污染的行业，将其作为土体固化剂越来越难以满足当前工程建设对绿色、环保、低碳等方面的要求。因此，为响应国家节能环保大方针，利用钢铁、电力等工业产生的固体废弃物资源进行再加工生产的新型土体固化剂是目前的行业热点，通过新型土体固化剂的推广应用来实现逐步取代水泥的目标。

1研究背景

纤维加筋土是将分散的纤维均匀掺入到土体之中，使土体的工程力学性能得到改善和提高。纤维具有抗拉、防裂和耐酸碱性等特点，并且纤维在土体中均匀分布，使得纤维加筋土的力学性质接近于各向同性，各种人工合成纤维已被大量应用于工程实践中。已有研究表明，聚丙烯、玻璃和玄武岩纤维等作为加筋材料具有良好的效果。通过直剪试验，发现纤维的掺入能够提高土体的抗剪强度及对应的剪切强度指标。低含水量、高相对密实度且玻璃纤维掺量在0.4%时，能有效改善砂土的剪切强度特性。探索了玻璃纤维和石灰对红黏土无侧限抗压强度的影响规律，得出在红黏土中掺入玻璃纤维能显著提高其无侧限抗压强度，使其具有较好的水稳定性等结论。通过试验证实纤维的增加可抑制膨胀土的胀缩性，增加纤维含量，土的无侧限抗压强度和抗剪强度均有所增大，当纤维含量超过最优加筋量0.4%时，加筋膨胀土的无侧限抗压强度和抗剪强度反而会降低。同时，开展了双根纤维的拉拔试验，初步揭示了纤维加筋土强度随纤维掺量和纤维长度变化而呈曲线变化的内在机理。为玄武岩纤维和玻璃纤维在低液限黏土中的应用提供一定的参考。

2土体承载力学特征

2.1应变特征

基于不同路基改良方案下的土体力学试验，获得了典型围压下的土体应力应变关系，改良设计影响下路基土试样应力应变特征。在不同围压下，土体试样的应力应变曲线具有截然不同的发展态势。例如，围压100kPa下试样均出现了显著峰值应力点，且在峰值应力点之后，均会有较大幅度的应力下降、应变发展期。不论改良剂掺量是多少，各试样峰值应变均集中在4.2%左右。与之不同的是，围压400kPa下试样均未出现明显峰值应力，直至引伸保护量程16mm，仍未测得其峰值应力点，实质上该围压下试样从加载应力为1630kPa、应变为4.6%后，即长期维持较高的承载应力水平，应力增幅较缓，同时也不出现应力下降特征，且应变发展较快，表明了试样处于延塑性变形发展期，试样的应变破坏也会在延塑性变形下逐步强化、硬化，发展成无可见宏观裂纹的土样破坏特点。综上所述，围压不同，试样应变破坏特点会有鲜明的差异性，而改良剂掺量对应变破坏影响作用弱于围压效应。

2.2应力特征

相比之下，在同一围压下，改良剂掺量越多，试样加载应力水平越大，改良剂成分的确有助于提升路基土体承载性能。但是，当改良剂掺量过多时，土体试样的加载应力水平之间的差距又会变得较小，此特点在围压100kPa、400kPa下均是如此，即改良剂对路基土体承载能力的提升具有饱和性。以宏观峰值应力作对比，围压100kPa下，原状土试样峰值应力为221.4kPa，而改良剂掺量为0.5%～3%的试样峰值应力较原状土试样提高了35.2%～178.9%，改良剂掺量每增长0.5%，则试样峰值应力平均提高了65.9kPa，增幅为15.2%，主要增幅集中在掺量0.5%～2%梯次，在掺量2%～3%梯次内，峰值应力仅提高了9.1%。较围压100kPa下，围压400kPa整体峰值应力增大了37%～204%，达524.5～1876.2kPa，随着改良剂掺量的变化，其应力水平大部分增长集中于改良剂掺量0.5%～2%梯次。对比可知，改良剂掺量应控制在合理范围内，而围压作用会扩大改良剂对土体试样承载性能的促进效应。

3岩土工程实践中的土力学相关问题

3.1宏微观结合问题

固体材料弹性力学在发展过程中，对固体材料理论进行分析，岩土材料也通过弹性理论描述应力变化，岩土材料通过弹性塑模理论对岩土应力变化进行描绘，但凝聚性金属材料一般是晶体，变化特性与岩土土体不同，岩土土体属于摩擦型材料，岩土颗粒中不只存在相对滑移，也存在翻滚及破碎等问题，此类问题都会对后续应力应变关系产生影响。对此，基于宏观力学理论可获得相关的方程式，反映局部及全部微观结构特性。对此，建立能反映微观力学特性的模型对探究岩土工程土力学宏观微观结合问题具有重要意义。

3.2原生各向异性与应力诱导异性问题

土体作为地下物质在风化后形成的结构，属于沉积性材料。与其他材料的显著区别在于初始将诶单沉积过程中受到重力场影响，对此，土壤颗粒无论是哪种形状均会在水平沉积面发生颗粒之间的接触，并形成平行沉积面各个方向力学特性基本特点，在垂直沉积面体现轴对称性。大量岩土试验结果显示，垂直沉积面方向的压缩力比横向压缩力小。受力过程中，土颗粒排布变化也不会产生巨大变化，土体颗粒定向排列不只对土体压缩模量产生影响，也会对摩擦角产生影响。好虚思考横观同性质相关因素。第一，应力大小方向，第二材料横观性质。现阶段，针对综合性问题还需思考主流方法及微观结构方法等，上述方法各有利弊，微观结构方法确定微观结构参量上物理意义不足，岩土破坏准则拓展方法建立在主应力及物理空间特性中，属于特征面的夹角变量，该变量与主应力具有相关性，对此，该变量物理含义并不明确，应力病变关系计算过程中还需应用应力偏导，整体计算过程较为复杂。

3.3非饱和土变量选择问题

非饱和土变形及强度问题是岩土工程面对的常见问题，自然界中土体多数是非饱和土，饱和土也能称之为非饱和土的另一外一种形态，土体中均会含有一定量的空气，非饱和土在融入空气后性质后更加复杂。研究人员认为结合双变量体系能构建饱和土的土力学基本理论，非饱和土可与之形成不同的理论，比如，探究基质吸力过程中，思考土壤结构相关问题，土体受力问题变得更加复杂，在研究过程中，部分学者认为基质吸力属于土体的约束性问题，不会影响土体基本形态，引发变形的因素是受到应力的影响，因此，人们在研究过程中开始关注土体结构的变量问题。土体及水体可看作为一种材料，不思考空气的价值，对含水量进行分析是探究非饱和土中土材料属性的一项因素，在一定的条件下，土体研究会采集各种指标，这也是观察土体含水量及获得变形强度的关键性因素。

4分步开挖过程中双排桩支护结构力学性能研究

4.1坑壁土体的水平位移

第1步开挖时,土体水平位移相对较小,这可能是由于土体自重以及桩体对土压力的初期支持作用。随着开挖深度增加,到第2步和第3步,坑壁土体水平位移增大,这表明土体开始经历更多的侧向压力,同时桩体对土体的支持作用减弱。第4步开挖时,土体水平位移达到最大值,这是因为土体的侧向压力在此阶段达到峰值,而桩体的支持作用相对较弱。根据图像数据,第4步开挖时,坑底附近的土体水平位移可能超过20mm,这一位移量可能会对邻近建筑物和地下设施的安全产生影响。此时可能需要采取措施,如加强桩体支撑、增设临时支撑结构等,以控制土体位移,确保坑壁稳定。

4.2双排桩支护结构的水平位移

第1步开挖中,双排桩的侧向位移最小,这可能是因为此时土体侧压力较小,并且双排桩处于最初的稳定状态。随着开挖深度的逐步增加,第2步和第3步的侧向位移有了明显增长,这反映了随着土体侧压力的增加,双排桩承受的压力也在增大。第4步开挖时,双排桩的侧向位移达到峰值,特别是在较深部分,这可能是由于在深度增加的同时,土体侧压力达到最大,双排桩的抵抗力相对减弱。这一阶段的位移监测至关重要,因为可能由此发现潜在的结构问题。在各个开挖阶段,双排桩的侧向位移曲线均呈现类似趋势,随着深度的增加位移增长,这符合土压力随深度增加而增加的一般规律。然而,不同阶段的位移增长速率不同,这可能与开挖深度、土体的力学性质以及双排桩自身的抗弯刚度有关。

4.3内摩擦角对孔壁稳定性的影响

为研究土体内摩擦角对孔壁稳定性的影响，选择3组内摩擦角，分别为17°,20°,23°，进行数值模拟，得到不同内摩擦角下的位移云图。结果显示3种情况下最大位移节点均在孔壁处，位移最小节点均在边界处。由不同内摩擦角下位移随节点距孔壁距离的变化曲线可知，土体内摩擦角为17°,20°,23°时，孔壁处节点位移最大，分别约为21,15,13mm；边界处节点位移最小，分别约为9.0,6.0,4.5mm，土体节点位移随着距孔壁距离的增长而变小，在距孔壁1500mm以外变化较小。总体上土体节点位移随内摩擦角的增加而变小，说明土体内摩擦角越大，孔壁稳定性越好。内摩擦角从17°增加到20°时的节点位移减少量约为20°增加到23°时的3倍，说明内摩擦角越小的土体，内摩擦角的增大对孔壁稳定性的提高效果越明显。

4.4土体模量特性微观机理

室内、现场试验揭露土体模量宏观特性及相关影响因素，但此类无法因素揭露模量特性及本质，近几年，国内外通过离散元方法对岩土工程微观动力特性进行研究，砂土最大剪切模量及模量退化等研究中已经取得全新进展。比如，通过模拟弯曲元波试验及单剪试验确定颗粒试验最大模量，对围压及密实度、细颗粒含量等对土的动剪切模量进行研究，观察到颗粒配位数及颗粒法向接触力的大小会对最大剪切模量产生影响。该研究记过也为岩土工程最大剪切模量及剪切波速等特性分析奠定理论基础。

结语

岩土工程土力学研究不断进展，人们对土力学的认识处于深化探索阶段，岩土工程实际问题及人们对客观材料有深层渴求，对此，还需认识土力学发展状态，将各种研究结果引申到土力学中，从而达到接近岩土工程建设相关问题的结果。原状土性质对新型土体固化剂加固土强度存在一定影响，同等条件下粉砂与粉土加固土强度相比粉质黏土加固土强度更高。对此，采取切实可行的实验研究较为必要，明确实用模型，为岩土工程进展提供帮助。

参考文献

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