土力学的新概念与纤维土的有效自重应力.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 4.0 2 9土力学的新概念与纤维土的有效自重应力蒙理明(海南柒筑设计咨询有限公司,海口5 7 0 1 0 2)摘 要:用土力学的新概念对纤维土进行分析,提出了绝对压强下纤维土的绝对自重应力、有效自重应力的新概念。土的抗剪强度取决于微结构单元之间的结构连结。总土体的(土颗粒)接触与联接率有两种算法,提出了通过电镜扫描进行计算的一种新算法。分析计算了沿海软土及海洋土的有效自重应力,包括各类土和各类结构。粉质黏土按现行规范的“对黏性土宜按水土合算计算”偏于危险。关键词:纤维土;绝对自重应力;有效自重应力;接触与联接率;自由水通道率;土结构N e wC o n c e p t so fS o i lM e c h a n i c sa n dE f f e c t i v eD e a dS t r e s s e so fF i b r o u sS o i l sMENGL i-m i n g(H a i n a nQ i z h uD e s i g nC o n s u l t i n gC oL t d,H a i k o u5 7 0 1 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h en e wc o n c e p to f s o i lm e c h a n i c s i su s e dt oa n a l y z e f i b r o u ss o i l.An e wc o n c e p to f a b s o l u t ed e a dw e i g h ts t r e s s a n de f f e c t i v ed e a dw e i g h t s t r e s so f f i b r o u s s o i l u n d e r a b s o l u t ep r e s s u r e i sp r o p o s e d.S o i ls s h e a r s t r e n g t hd e p e n d so nt h es t r u c t u r a l c o n n e c t i o n sb e t w e e nt h em i c r o-s t r u c t u r a l u n i t s.T h e r ea r e t w oa l g o r i t h m s f o r t h ec o n t a c t a n dc o n n e c-t i o nr a t eo f t o t a l s o i l.An e wa l g o r i t h mb a s e do ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e i sp r e s e n t e d.T h ee f f e c t i v ed e a ds t r e s so fc o a s t a l s o f t s o i l a n dM a r i n es o i l i sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d,i n c l u d i n ga l lk i n d so fs o i l a n da l lk i n d so fs t r u c t u r e s.S i l t yc l a ya c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t s t a n d a r d f o rv i s c o u ss o i l s h o u l db ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ev a l u eo fs o i l a n dw a t e r t e n d s t ob ed a n g e r o u s.K e yw o r d s:f i b r o u ss o i l;a b s o l u t ed e a dw e i g h ts t r e s s;e f f e c t i v ed e a dw e i g h ts t r e s s;c o n t a c ta n dc o n n e c t i o nr a t e;f r e ew a t e rp a s s a g er a t e;s o i l s t r u c t u r e收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 9.作者简介:蒙理明(1 9 5 5-),教授级高工.E-m a i l:6 6 2 2 9 2 5 8 m l m1 6 3.c o m太沙基1(KT e r z a g h i)1 9 2 3年提出饱和土的有效应力原理的基本概念。有效应力原理1包含两个基本要点:土的有效应力等于总应力减去孔隙水压力;土的有效应力控制了土的变形及强度性能。我国学者多年来一直对有效应力原理进行探讨。作者在2 0 0 8年著了 土体有效应力原理的通用公式与基坑支护及地基计算的实际水压力算法2。2 0 1 3年,提出了非饱和土有五相:土颗粒、结合水膜、表面张力收缩膜、自由水、孔隙气,还提出了非饱和土有效应力原理的大气张力通用公式3,还有非饱和土的大气张力库伦抗剪强度定律4。2 0 1 4年指出,经典有效应力原理的“土的压缩变形的变化只取决于有效应力的变化”的观点是不成立的,有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力,提出了“有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力”的新概念,还有抗剪极限状态非饱和土有效应力的大气张力通用公式5。2 0 1 5年提出应该用总应力模式分析土的压缩变形及固结。饱和土的本构关系应该用总应力-总应变关系,非饱和土的本构关系应该是总应力、水分与总应变的关系6。2 0 1 6年,李广信7提出了土骨架的新概念。2 0 1 7年,笔者用土力学的新概念改善和细化了土骨架理论8:“土骨架的3要素有:土颗粒,包括其结合水;接触(点或面);联接(收缩膜,公共结合水膜)”,还指出:911建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期“土是由土骨架和广义流体组成的,与非饱和土有效应力的大气张力公式相对应。应该用绝对压强分析广义流体。有效应力的新概念也可以描述为:有效应力是土骨架的接触和联接所对应的应力;总应力由有效应力和广义流体应力组成;有效应力的实质是广义流体没有抗剪能力,但具有抗压能力。”2 0 2 1年,提出纤维土9有六相:广义土颗粒、纤维、结合水膜、表面张力收缩膜、自由水、孔隙气;提出了抗剪极限状态纤维土有效应力的大气张力公式;还提出了纤维土的大气张力库伦抗剪强度公式。下面,用土力学的新概念,对纤维土的有效自重应力进行分析。1 纤维土的有效自重应力 z1.1 土的绝对自重应力(用绝对压强来论述)图1是成层土(假设为水平均匀的半无限体)的剖面图。用绝对压强来论述,地面作用大气压强Pa=1 0 1k P a。土从上到下分为i=1,2,n,层,在第n层土的底面上,土的绝对自重应力z=Pa+n1ihi(1)式中,i为第i层土的重度;hi为第i层土的厚度;n1ihi为土体的自重应力。在绝对压强下,土的绝对自重应力为土体的自重应力加上地面大气压强。1.2 土的有效自重应力由文献9,纤维土的有效应力的大气张力公式为=s-c-F-l+BUaw+(1-X)Ua(2)式中,为总应力;s为颗粒接触有效应力;c为结合水膜贡献有效应力;F为表面张力收缩膜贡献有效应力;l为纤维贡献有效应力;Uaw为计算点处的绝对自由水压力;Ua为计算点处的绝对孔隙气压力;X为饱和度系数;B为纤维土的自由水通道率。令有效应力=s-c-F-l(3)由于结合水膜、表面张力收缩膜、纤维为土骨架的联接,所以,有效应力 是土骨架的接触与联接所对应的应力,也可以简称土骨架应力。代入式(2)得=-BUaw+(1-X)Ua(4)加下标z得有效自重应力 z=z-BzUaw z+(1-Xz)Ua(5)将式(1)代入得 z=n1ihi+Pa-BzUaw z+1-X()zUa(6)式中,纤维土的有效自重应力z有两部分:n1ihi为土体的自重应力,为计算点以上各土层的天然重度与厚度的乘积之和;另一部分Pa-BzUaw z+1-X()zUa为水气不抵大气压强自重应力1 0,是计算点的自由水、孔隙气的浮力(绝对压力)不能全部抵消地面大气压力所产生的应力。式(6)与文献1 0 中的式(1)形式上是相同的,但Bz和Xz的计算在原基础上,如果是纤维土,还要扣除计算截面上纤维所占据的面积率。2 以微结构单元为基本单元的体系(总土体)的(土颗粒)接触与联接率BS见文献1 1,红粘土的自由水通道率与红粘土的链状连结及大孔隙的微结构有关。见文献1 2,明确提出了土力学研究可以分为两个层次。第一层次为以微结构单元为基本单元的体系(总土体);第二层次为以021建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期单个土颗粒为基本单元的微结构单元体系(如粘聚体、集粒、凝块等等)。见文献8,土骨架的3要素有:土颗粒,包括其结合水;接触(点或面);联接(纤维,收缩膜,公共结合水膜)。图2图4是几种软黏性饱和土的土骨架形式,其结构连结9有长链、短链、细长链及粘聚体之间的接触连结9。淤泥与淤泥质土同样具有图4的两种结构形式,但由于其天然含水量和天然孔隙比更大,其连结更弱。土是有结构的,土骨架8的要素之一是单个土颗粒,但强度计算的最不利位置是如图2图4那样的总土体的最薄弱的结构连结部位(a-a截面)。即抗剪强度取决于a-a截面上的结构连结。这些结构连结上有土颗粒的接触和联接。由土骨架的要素可得连结上的接触及联接率Bj z=连结上的土颗粒接触与联接的水平投影面积/连结的水平投影面积令 连结的投影面积率Jz=连结的水平投影面积/总水平投影截面面积因为a-a截面上的(土颗粒)接触与联接率BS=连结上的土颗粒接触与联接的水平投影面积/总水平投影截面面积=(连结上的土颗粒接触与联接的水平投影面积/连结的水平投影面积)(连结的水平投影面积/总水平投影截面面积)所以BS=Bj zJz(7)设想Jz应该通过对湿土体的微观扫描1 3或C T1 4得到的结果进行计算,Bj z还要加上土工试验的结果进行计算1 5。文献1 5 已经讨论过如何求BS,仅限于各种土颗粒均匀分布的土体,这里讨论的是有结构(更符合实际情况)的土体。但文献1 5 采用的是土工试验的结果的参数,只要用天然土样和尽量不扰动,就能反映有结构的土体实际情况。针对饱和黏性土,将文献1 5 计算BS的方法修改归纳如下:饱和土,X=1。考虑粘粒数量,与塑性指数Ip有关。一般土,取Ip=1 0时,k1=0,粉质黏土与黏土的分界是Ip=1 7,取k1=0.6(原来取0.4。见图2图4,因为连结上以黏粒(或盐晶)及细粉粒为主,所以取大一些)。用直线方程,求得黏粒水分分配系数:k1=0.0 8 57Ip-0.8 5 7 k11,Ip1 0。考虑结合水及土的结构与液限指数IL有关。一般土,认为含水量为液限(有无自由水的界限),IL=1时,k2=0;含水量为塑限(土中水几乎全是强结合水),IL=0时,k2=1。求得:强结合水膜联接面积率k2=-IL+1 k21 IL1,当IL1时k2=0BS=k1k2X=k1k2(8)普通土是纤维土的特例。下面,讨论沿海软土及海洋土的有效自重应力。121建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期3 沿海软土及海洋土的有效自重应力(饱和土)沿海软土及海洋土除了表层外,通常是饱和土。饱和土没有孔隙气,式(6)中的Ua=0,得到饱和土的有效自重应力为 z=n1ihi+Pa-BzUaw z(9)一般情况,计算点处的绝对孔隙水压力Uaw z=Pa+w,w为土的相对自由水压力,代入式(9)得 z=n1ihi+Pa1-B()z-Bzw(1 0)饱和土没有孔隙气,a-a截面上除了土颗粒的接触与联接(公共结合水膜)外就是自由水。所以,饱和土的自由水通道率Bz=1-BS(1 1)3.1 砂类饱和土的有效自重应力砂类饱和土包括砂土和粉土,土颗粒接触面积很小,没有公共结合水膜。BS=0代入式(1 1)得,Bz=1,代入式(1 0)得,砂类饱和土的有效自重应力为 z=n1ihi-w(1 2)与太沙基的饱和土有效应力公式一致(水土分算法)。3.2 软黏性饱和土的有效自重应力表1为沿海部分地区的软土样品物理力学性质,注意广东湛江的软土不是淤泥,也不是淤泥质土。因为其天然含水量小于液限。表1 沿海部分地区软土样品物理力学性质(高国瑞1 6)样品地区埋深/m含水量0/%孔隙比e液限L/%塑限p/%压缩系数/MP a-1抗剪强度C/MP a(O)软土类别天津新港284 54 8 1.3 21.5 93 94 21 92 1 0.5 81.6 30.0 1 24淤泥质粘土山东日照53 04 05 2 1.2 31.3 82 83 21 61 7淤泥质粘土江苏连云31 35 86 6 1.6 51.8 75 76 42 73 0 1.1 32.0 5 0.0 0 90.0 1 625淤泥上海吴淞2 62 50.7 43 41 70.2 40.0 4 18.5黏土浙江镇海51 54 14 9 1.2 21.4 13 54 21 51 7 0.7 61.3 3 0.0 0 60.0 0 91 11 4淤泥质粘土浙江温州22 55 47 5 1.4 72.0 94 53 22 43 1 0.8 44.0 4 0.0 0 50.0 1 558淤泥福建厦门365 97 0 1.6 81.9 14 45 62 43 0 2.0 52.4 7 0.0 5 00.0 0 89.51 5淤泥广州1 61 86 26 8 1.6 31.8 94 75 42 83 20.0 2 11 3.5淤泥广东湛江1 64 04 5 1.1 71.2 86 62 6广东湛江5 01.46 02 30.0 3 65.4海南海口7 3.31.9 85 9.82 5.30.0 0 851 4.9淤泥海口某地2 23 22 8.50.8 1 93 4.72 2.20.2 80.0 3 43 4粉质黏土 注:表1倒数第三项由拓勇飞等1 7收集,倒数第二项由孔令伟等1 8收集。对应图2图4(a)的软黏性饱和土的土骨架形式,表1中的淤泥及淤泥质土的天然含水量大于液限,流塑,所以液限指数IL1,k2=0,所以总土体的接触与联接率BS=k1k2=0。代入式(1 1)得,Bz=1,再代入式(1 0)得,其有效应力z=n1ihi-w,与砂类饱和土的一样。广东湛江的软土为图4(b)的开放式粘土基质结构1 9。用含水量为5 0的那一项:由文献2 0,Ip=L-p=6 0-2 3=3 7,IL=0-()p/Ip()=5 0-2 3/3 7=0.7 3,可塑。221建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期用式(8)的相关计算,k1=0.0 8 573 7-0.8 5 7=2.3 1 41取k1=1。k2=-0.7 3+1=0.2 7。代入式(8)得:BS=10.2 7=0.2 7,说明图4(b)的粘土基质有少量的强公共结合水膜联接。代入式(1 1)得:Bz=1-0.2 7=0.7 3。代入式(1 0)得 z=n1ihi+Pa1-0.()7 3-0.7 3w=n1ihi+0.2 7Pa-0.7 3w 广东湛江与海南海口隔海相望,海口淤泥的无侧限抗压强度只有1 0k P a1 8,湛江软土却强4倍,为5 0k P a1 7。其原因是海口淤泥为图4(a)的絮状链接结构1 8,且天然含水量大于液限,流塑,BS=0,没有强公共结合水膜联接。而湛江软土为图4(b)的开放式粘土基质结构1 7,且天然含水量小于液限,可塑(接近软塑),BS=0.2 7,有少量的强公共结合水膜联接。3.3 黏土(较深层)的有效自重应力图5是沿海黏土,一般为致密式粘土基质1 6结构。粘聚体2 1以面-面叠聚,偶尔有少量粉粒或砂粒完全包在粘土基质中。在平常及地震时都不是软土,埋藏在土层中部或深部,是很好的持力层和隔水层。表1中上海吴淞的黏土,Ip=3 4-1 7=1 7,接近粉质黏土,IL=()2 5-1 7/1 7=0.4 7,可塑。用式(8)的 相 关 计 算,k1=0.0 8 571 7-0.8 5 7=0.6,k2=-0.4 7+1=0.5 3。代入式(8)得:BS=0.60.5 3=0.3 1 8,说明图4(b)的粘土基质有较多的强公共结合水膜联接。代入式(1 1)得:Bz=1-0.3 1 8=0.6 8 2代入式(1 0)得:z=ihi+Pa()1-0.6 8 2-0.6 8 2w=ihi+0.3 1 8Pa-0.6 8 2w3.4 粉质黏土的有效自重应力图6是沿海粉质黏土,一般为粒状联结结构1 6。粘粒比粉土多,纯粉粒很少,部分粘粒包裹小的粉粒组成集粒。所以,粉质黏土主要由粘粒包裹的较大粉粒、少量的集粒和极少的纯粉粒靠粘粒联结形成。表1中海口某地的粉质黏土,Ip=3 4.7-2 2.2=1 2.5,IL=()2 8.5-2 2.2/1 2.5=0.5 0 4,可塑。用式(8)的相关计算,k1=0.0 8 571 2.5-0.8 5 7=0.2 1 4,k2=-0.5 0 4+1=0.4 9 6。代入式(8)得:BS=0.2 1 40.4 9 6=0.1 0 6,说明图6的粉质黏土有很少的强公共结合水膜联接,其强度以颗粒摩擦为主。代入式(1 1)得:Bz=1-0.1 0 6=0.8 9 4。代入式(1 0)得:z=ihi+Pa()1-0.8 9 4-0.8 9 4w=ihi+0.1 0 6Pa-0.8 9 4w。讨论:1)前面所有计算BS应考虑起始水力坡降2 2,按最不利的大的水头考虑折减。2)粉质黏土的自由水通道率Bz接近1,按现行规范2 3的“对黏性土宜按水土合算计算”偏于危险。4 关于连结的投影面积率Jz 第3节对最不利a-a截面上土颗粒的接触与联接率BS的计算,是通过土工试验结果的参数,主要是天然含水量、塑性、液限进行计算的。另一种算法是前面介绍的式(7):BS=Bj zJz。如图7表示图2图6的结构,通常用电镜扫描的结果,在最不利a-a截面上(水平投影面积),选一个合适的总面积(正方形),其边长为L总;假设在这个总面积上,所有连结的面积加起来为ni=1Si,则连结的投影面积率321建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期Jz=ni=1Si/L2总(1 3)这样,如果通过土工试验结果的参数计算得到BS,又通过电镜扫描和式(1 3)得到Jz,就可以通过式(7)计算得到连结上的接触及联接率Bj z。或土工试验加上电镜扫描,然后由两套公式计算BS,通过对比分析、互相验证,可以加快研究速度和提高准确性。5 结 论a.在绝对压强下,纤维土的绝对自重应力=土体的自重应力+地面大气压强。b.纤维土的有效自重应力=土体的自重应力+水气不抵大气压强自重应力。c.土是有结构的,强度计算的最不利位置是总土体的最薄弱的结构连结部位。即抗剪强度取决于微结构单元之间的结构连结。d.总土体的(土颗粒)接触与联接率有两种算法:一是新算法,等于连结上的接触及联接率连结的投影面积率。二是用土工试验得到的参数(天然含水量、液限、塑性)进行计算。e.分析计算了沿海软土及海洋土的有效自重应力。粉质黏土按现行规范的“对黏性土宜按水土合算计算”偏于危险。f.提出了连结的投影面积率的初步算法。参考文献1 钱建国,袁聚云,赵春风,等.土质学与土力学M.5版.北京:人民交通出版社股份有限公司,2 0 1 5.2 蒙理明.土体有效应力原理的通用公式与基坑支护及地基计算的实际水压力算法M.北京:中国建材工业出版社,2 0 0 8.3 蒙理明.非饱和土有效应力原理的大气张力通用公式J.建材世界,2 0 1 3,3 4(3):3 8-4 3.4 蒙理明.非饱和土大气张力通用公式与库伦抗剪强度定律J.建材世界,2 0 1 3,3 4(4):1 4 1-1 4 4.5 蒙理明.非饱和土大气张力通用公式与地基压缩变形初探J.建材世界,2 0 1 4,3 5(1):8 3-8 8.6 蒙理明.用土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜J.建材世界,2 0 1 5,3 6(5):6 4-6 9.7 李广信.论土骨架与渗透力J.岩土工程学报,2 0 1 6,3 8(8):1 5 2 2-1 5 2 8.8 蒙理明.土力学的新概念与土骨架J.建材世界,2 0 1 7,3 8(3):9 6-1 0 2.9 蒙理明,张 凤.土骨架的新概念与泥炭土及纤维加筋土的结构J.建材世界,2 0 2 1,4 2(4):3 7-4 2.1 0蒙理明.非饱和土大气张力通用公式与有效自重应力J.建材世界,2 0 1 3,3 4(4):1 3 7-1 4 0.1 1蒙理明.土骨架的新概念与红粘土的结构J.建材世界,2 0 2 0,4 1(5):1 5-2 1.1 2蒙理明.学习“非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展”J.建材世界,2 0 2 0,4 1(4):1 0 3-1 0 6.1 3孙银磊,汤连生,刘 洁.非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展J.岩土力学,2 0 2 0,4 1(4):1-2 8.1 4蒋运忠,王云亮,汪时机.在MA T L A B环境下实现膨胀土C T图像的三维重建J.西南大学学报(自然科学版),2 0 1 1,3 3(3):1 4 4-1 4 8.1 5蒙理明,杨振炳.土力学的新概念与特殊土强度初探J.建材世界,2 0 1 5,3 6(2):8 2-8 8.1 6高国瑞.近代土质学M.南京:东南大学出版社,1 9 9 0.1 7拓勇飞,孔令伟,郭爱国,等.湛江地区结构性软土的赋存规律及其工程特性J.岩土力学,2 0 0 4,2 5(1 2):1 8 7 9-1 8 8 4.1 8孔令伟,吕海波,汪 稔,等.海口某海域软土工程特性的微观机制浅析J.岩土力学,2 0 0 2,2 3(1):3 6-4 0.1 9谭罗荣,张梅英.一种特殊土微观结构特性的研究J.岩土工程学报,1 9 8 2,4(2):2 6-3 5.2 0G B 5 0 1 2 32 0 1 9,土工试验方法标准S.2 1蒙理明.土骨架的新概念与膨胀土的结构J.建设科技,2 0 1 8,3 6 3(7月上):2 0-2 6.2 2王 飞,仇文革,高新强.黏土不透水层确定及水压力分布规律试验研究J.岩土力学2 0 0 6,2 7(增刊):1 8 9-1 9 2.2 3G B 5 0 0 72 0 1 1,建筑地基基础设计规范S.421建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期