岩土工程专题课程论文

1、工程中散体材料研究浅析ResearchStatusonGranularMaterialInGeotechnicalEngineering专业：水工结构工程姓名：喻江学号：150202020013课程老师：高玉峰河海大学水利水电学院201睇12月25日工程中散体材料研究浅析喻江*(河海大学水利水电学院，江苏南京210098)摘要：散体材料不同于连续介质材料，当散体材料所组成的结构受到外界干扰时，其结构形式将会被改变，影响结构的正常使用和安全性能。文中在阅读和分析文献资料的基础上，以散体材料为背景,从散体颗粒材料结构特性、动荷载下其性能研究，以及散体材料桩复合地基研究几个方面，对其在工程中的运用以

2、及运用研究进行了浅析。关键词：散体材料；颗粒特性；动荷载；工程运用1引言由诸多大致相同的颗粒所组成的物体称为“散体结构”。松散矿岩、砂土浆体、碎煤、水泥和谷物等，都被认为是“散体结构”。其中，松散矿岩、砂土则是研究较多的散体I散体材料的结构性能是研究这种材料的重要参数，结构性能的强弱表示散体材料对于力学特性影响的强烈程度。由于散体材料在漫长的沉积过程及随后的各种地质作用过程中，颗粒在外界干扰力和颗粒自身重力下产生蠕变，使得颗粒间的排列、孔隙的填充和相邻颗粒间的相互作用力发生改变，形成新的自平衡状态。单相散体材组分是否含液体多相散体材图1散体材料种类湿颗粒材料稀薄散体材料干颗粒材料密相散体材料广

3、松散散体材料按照组分，可将散体材料分为单相散体材料和多相散体材料。单相散体材料是由一种物理属性的颗粒组成的干颗粒组合体，而多相散体材料则是由不同物理属性的干颗粒和含间隙(E-mail:yzyzyz322).作者简介：喻江(1989),男，重庆,阳人，博士研究生，从事水工组合结构研究流体的颗粒组成的集合体。根据固体颗粒的浓度或者孔隙度，又可将散体材料分为密相散体材料、松散散体材料与稀薄散体材料。最后，根据是否含有液体可以把散体材料分为干颗粒材料与湿颗粒材料，如图1所示。散体材料颗粒系统的变形由体积和形状的改变表现出来，其变形由结构变形和颗粒自身变形两种基本形态构成。结构变形是由颗粒系统的可变性引

4、起的，为颗粒之间位置相互转移的结果，是不可恢复的，但与连续介质的塑性变形不同，它可以在体积不变的情况下发生。颗粒自身变形是指颗粒自身的可恢复或不可恢复的变形，颗粒系统中颗粒与颗粒之间没有变形协调的约束，只是通过表面的接触传递作用力。2散体颗粒材料研究2.1国外研究现状有关散体颗粒材料结构的研究历史在物理学中至少可以追溯到十八、十九世纪。Coulomb最早提出了静摩擦力的概念，几条关于固体摩擦的规律后来被称为“coulomb定律”3。Janssen提出了谷仓效应的模型，并给出了一个解析公式，指出颗粒之间以及颗粒与容器之间存在着摩擦力，使容器壁支撑了颗粒的一部分重量4。近年来，国外力学、物理及工程

5、界进行了一些实验和理论研究：MiguelDaSilva&JeanRajehenbaeh旨出在集中力P作用下，散体材料颗粒堆中呈现出力点的分布为抛物线型，其顶点就是受力点。典型研究之一是，Coppersmith等将应力看作标量，引进一个随机数q,建立了一个简单的力传递的随机模型一q0模型，每一个颗粒将承受的力传递给下面的n个临近颗粒，但n个下面临近颗粒所分担的压力比例不同，其值是由一个随机权值数q决定的，即在第j个位置上的颗粒传递给下面一层临近颗粒i上压力权重值为qij,且满足归一条件:nqij,(ji2,n)工qij-1j土根据H.P.zhuandA.B.Yu理论6:颗粒的移动是平动加

6、滚动共同构成塑性变形，因此运(2)动可以描述为：2n平动：(miXi)八,邛-fjb-migd2tjJj2n转动：(ji；)='mj-mbdtjT把散体材料的力学特性研究透彻以便更好地研究，这种材料的变形，为工程提供理论依据。2.2国内研究现状马建勋等7在散体增量型内时本构关系的基础上，利用小参数摄动法，探讨了散粒体材料参数的随机性对应力的影响程度。对颗粒堆中力传递特性、力的分布规律，扩散范围等进行了初步的定性与定量分析，还对其在岩土工程中的应用做了深入的研究，得出碎石桩加固的应用方法8-10。陈顺和黄庭芳在岩石物理学中用粘滑理论来解释颗粒材料的运动图2给出了力与位移之间的关系。A点的

7、位移B点的位移图2粘滑运动的理论模型国内一些学者提出了理想钢球颗粒的侧限压缩模型，有N次“自组织”，每次崩塌应变程度为随机变量，得到自组织强度随着密实程度的增强而减弱，随应变的增加而减弱的特性。其次，王焕友、曹晓平、李朝辉、蔡绍红、杨庆华、姚令侃等12-14对散体材料的本构力学特性进行了研究和分析。3动荷载下散体材料研究3.1 散体材料结构力学特性散体材料结构的研究己经受到越来越多科学家的关注，他们的研究主要是为了反映颗粒系统的主要力学特性。为更好的了解散体材料结构的传力特性，及变形机理打下坚实的理论基础。目前，人们对固体和气体的理论研究已经较成熟了，而对液体和固液混合的系统中的许多问题还很不

8、清晰，以颗粒物质为代表的复杂体系正成为人们关注的研究领域。散体材料系统内的碰撞通常是非弹性碰撞，每次碰撞都伴随着能量的损失，当外界干扰超过一个临界值时，颗粒物就会象流体一样行动，而颗粒之间的非弹性碰撞使外界输入的能量消耗后，颗粒物又会立刻停止行动。因此，散体材料堆是个耗散系统，它使得基于弹性的相互作用和能量守恒的一些理论不再适用。对于散体材料结构的强度构成，散体材料的抗剪强度可由两部分组成，一部分是颗粒的滑动和滚动提供的剪阻力一摩擦分量，与颗粒的粗糙程度有关；另一部分是由颗粒间的咬合作用引起的剪阻力一剪胀分量，这与散体材料结构的松紧程度和颗粒的形状有关。对于强结构性的散体材料，剪胀分量在它的强

9、度中将占很大的比例，但对于弱结构性的散体材料，剪胀并不发生，内摩擦角主要取决于颗粒表面的粗糙度。若散体材料为刚性的，在轴向荷载作用下，散体材料宏观变形过程可描述为：(1)初始阶段：压密作用使体积减小，应力-应变曲线未出现峰值；(2)峰值阶段：散体材料由剪缩迅即转为剪胀，应力-应变曲线出现峰值；(3)应变增大值阶段：峰值后由于颗粒结构逐渐松散，阻及咬合作用削弱。对于同样大小的均匀颗粒结构，系统从松散到密实的过程是颗粒的重排列过程，也是颗粒集合从不稳定排列向稳定排列的转变，散体材料堆的密实程度也是颗粒排列紧凑程度的一个度量，如图3所示。颗粒的重排列导致孔隙体积和整体体积的减少，这种体积的变化是不可

10、恢复的，是塑性变形。在压实过程中，颗粒排列不断地由松散趋向紧凑，孔隙体积不断的减小。-X松散,密实图3散体材料结构组成变化疏松或紧密状态有关，对于密实砾、碎石结构，强度主要来源于摩擦与咬合阻力，变形主要是剪胀效应，这是由于峰值强度可在颗粒发生显著移动之前到达。因此，重新排列的可能性不大。对于密实度差的砾石结构，强度主要来源于摩擦阻力，变形主要是颗粒重新排列。在同一种砾石结构中，当侧压力相同时，密度大的砾石结构，应力应变关系曲线为应变软化型。松散的砾、碎石结构应力应变关系曲线为应变硬化型。应变软化型曲线强度高，有明显的峰值强度，在峰值点后，强度随应变的增大而减小，应变硬化型曲线没有明显的峰值强度

11、,且强度随应变的增大略有增大。两者的最终值趋于接近，此值为通常所说的残余强度。把粒径大小不同的两种石块混和置于容器内，放在振动台上振动。当频率较小时，小颗粒运动起来，大颗粒没有大的运动迹象；当频率太大时，大小颗粒都运动起来由于散体散体材料之间的碰撞属非弹性碰撞，它们会导致颗粒的分离和簇聚现象，颗粒物质的研究者们发现颗粒气体中也存在一个类似麦克斯韦妖的积聚现象151603.2 竖向荷载下的响应分析散体材料结构的力学特征可概括为“散”和“动”两种特性，前者指颗粒物性、粒度和形状的分散性，后者指运动的瞬态、波动、碰撞、颗粒凝聚以及团聚破裂和粉碎。由于系统由大量的个体颗粒组成，散体材料的物理性质介于固

12、体和液体之间，它的行为在二者之间转变。在静止状态时，它的行为像固体，有一定的形状，可以承受较大的剪切力；在流动状态时，它的行为像流体。因此，散体材料结构也具有液态物质的特性，具有流动性，但比液态物质的流动性差。颗粒之间只是在接触时，才有力的作用，颗粒之间存在压应力和剪应力，但其规律性比固态物质复杂的多，具有对边界面产生压力的性质，难以抵抗拉力，抗剪强度取决于围压的大小。无围压时，光滑的、无棱角的颗粒堆无抗剪强度，粗糙的、带棱角的颗粒堆有一定的无抗剪强度。理想的连续介质材料在常规静水压力作用下只产生弹性变形而不产生不可恢复的体积变形，而散体材料结构恰恰相反；理想的线性连续介质材料的静水压力与剪应

13、变以及剪应力与体应变之间无藕合关系，散体材料结构则具有压硬性和剪胀性；散体材料结构在不同初始密度情况下可表现出硬化特性或软化特性，具软化特性是一种结构软化;理想的连续介质材料的弹塑性有明显的分界面，散体材料结构则没有明显的弹塑性阶段。因此，散体材料结构的散、动特征常与均匀连续等假定冲突，导致理论与实际的偏离。诸多学者通过金属材料“钢球”，来模拟散体材料结构，研究竖向变化荷载作用下的散体材料结构的力学特性，取得了一定的成果。对于理想的金属材料，其整体结构与单个材料都与现实的散体材料结构有一定的差异，本实验将通过对不同粒径的碎石材料进行竖向加压，分析其在匀速加载作用下的力学特性。3.3 水平荷载下

14、的响应分析由于自然和人为因素，建筑物经常遭受动荷载的作用，如众所周知的地震就是最重要的自然动荷。随着人类的进步和科技！社会的发展，各种动荷载相继出现，动荷载对地基和上部建筑物的影响也越来越引起人们的关注。建筑物是由上部结构、基础，及地基三者所组成的共同工作体系。在正常情况下，上部结构荷载通过基础传递至地基，地基土产生附加应力和应变。如果地基土能够经受住这种应力应变，即不发生强度破坏或过大沉降，则建筑物能正常工作。如果建筑物遭受突如其来的动荷载，地基土的形状将发生很大的变化，可能导致地基失稳，乃至破坏。现今许多学者研究振动作用下土的动变形，包括振动压密和震陷；也有许多学者在研究颗粒的在振动作用下

15、的分离现象，包括巴西果效应，反巴西果效应以及三明治效应等等。文献17研究了振动混合颗粒形成的反巴西果分层，苗田德在颗粒介质的Maxwell实验的基础上，对垂直振动作用下两种颗粒混合物的动力学特性进行了实验研究。姜泽辉研究了垂直振动颗粒物厚层中对容器底部的压力分布。所有这些散体材料结构在振动作用下的试验研究都可以对建筑物地基遭受动荷载的响应提供理论依据。目前国内外对动荷载作用下散体材料结构作用下的研究比较少，而水平振动作用下的研究更少，主要研究的是通过模拟水平地震力作用，分析散体材料结构在水平振动作用下的沉降和颗粒分离现象。4散体材料桩复合地基研究4.1 复合地基固结理论研究相对于砂井的工程应用

16、和理论研究的发展，散体材料桩因其自身具有的优势，甚至更早地被人们意识到并应用于工程实践。复合地基的理论研究甚至更晚一些，直到最近20多年,这方面的工作才有了快速发展。而散体材料桩是砂桩、碎石桩以及粗颗粒土柱等竖向增强体的统称。散体材料桩复合地基固结理论的发展和竖井地基固结理论的日臻完善有着密切的关系。由于竖井地基固结理论研究起步时间较早，其理论研究成果非常丰硕，这就为散体材料桩复合地基固结理论研究提供了一些理论支持和经验方面的借鉴，以避免走不必要的弯路。目前,在理论研究方面，复合地基固结计算中的基本假设和基本固结方程均利用了竖井地基固结理论研究的一些成果。因此，为了更好地理解复合地基固结理论发

17、展状况，需要对竖井地基固结方面的研究现状有所了解。散体材料桩复合地基固结研究始于上世纪七十年代。三十多年来，国内外学者进行了大量的室内外试验。解析理论和数值计算（如FEM）等研究工作，使复合地基固结理论和数值计算有了很大发展。时至今日，复合地基固结理论和计算方法的研究己不再滞后于竖井地基，而是基本保持同步发展。上面只限于打穿软土层的散体材料桩复合地基，尚未涉及到在实际工程中常见的未打穿散体材料桩复合地基。实际工程中，采用未打穿软土层的散体材料桩复合地基吗，通常是出于软粘土层较厚，或受施工机械所限，或是由于工程需要等原因。此时，固结计算分为两部分：桩体长度范围内的土层的固结以及桩端以下土层（下卧

18、层）的固结。因此，如何确定这两部分土层的固结度，对整个未打穿复合地基固结计算结果的合理性有着重要影响。国内外学者在未打穿砂井地基研究方面已取得了不少成果，这同样为未打穿复合地基固结问题的研究提供了借鉴作用。4.2 散体材料桩复合地基的应用砂石桩法最早出现在19世纪的欧洲，最初用于处理松散的砂上地基，后来逐步发展到处理软弱粘性上地基。1835年，法国用挤密碎石桩来加固海湾相沉积的软土地基，工程设计桩长2m,直径仅0.2m,每根桩承载能力达10kN。上世纪50年代，砂石桩法引入我国，在工业与民用建筑、水利水电工程、交通工程等领域得到广泛的应用。1959年，我国上海重型机器厂首次采用锤击沉管挤密砂桩

19、法处理饱和软粘土地基，1978年宝山钢铁厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆场的饱和软粘土地基。这两项工程为我国开展砂石桩加固饱和软弱粘性土积累了丰富的经验。总的来说，散体材料桩适用于松散砂土和人工填土地基的处理。在加固软粘土地基中，国内外虽有一些应用实例，但一般认为，粘性土渗透性小，在成桩过程中，引起的超孔隙水压力难以消散，故加密效果欠佳；同时，软粘土灵敏度高，结构性强，施工时极易破坏地基土的天然结构，造成土体抗剪强度下降；另外，散体材料桩在承受荷载后，其抵抗荷载的能力，完全依赖于桩周土体的径向支撑力，由于软粘土抗剪强度小，往往难以提供给桩体足够的径向支撑力，致使不能获得满意的加固效果。

20、因此，在采用散体材料桩处理饱和软粘土地基时应慎重，最好加固前能进行现场试验，以获得必要的资料加以论证。4.3 散体材料桩加固可液化地基的研究上世纪70年代，散体材料桩开始应用于可液化土层加固，大量实际工程证实，此法具有施工方便、成本低廉等优点。目前不仅用于自由场地的液化土加固，而且也用于已有建筑物的液化砂基处理，逐渐成为一种应用广泛的抗液化加固手段。几十年来，学术界和工程界对散体材料桩加固可液化地基进行了理论和试验研究，主要内容有散体材料桩复合地基的抗液化机理、液化检验和判别、设计方法及施工工艺等。5结语散体材料是不同与连续介质材料，这些散体材料结构受到外界干扰时其结构形式会改变，具有特殊的物

21、理力学性质。由于散体材料结构复杂性、多样性、随机性，使得散体材料结构的静力学研究比较困难，而涉及到散体动力学方面的研究更为复杂。在地基加固工程中，因为散体材料具有耗散性，所以散体材料垫层对抵御水平地震荷载有着良好的效果，并有可观的经济效益。总之，散体材料结构的研究是研究者们面临的一个新的挑战和机遇。在这领域里，让我们积极参与，一点一滴探索，发现、积累、总结，为岩土工程贡献一份力量。参考文献1克列因TK.散粒体结构力学M.北京：中国铁道出版社,1983.2管树容.铁路散粒体M.北京：中国铁道出版社,1997.3 C.A.coulomb,AeadRoyJSei.Mem.phys.DiversSav

22、ants.1780(7):343-343.4 JaccoH.SnoeijerandJ.M.J.vanLeeuwenForcecorrelationintheq-modelforgeneralq-distributionsJarXiv:cond-mat2002.5 S.N.coPPersmith.ModelforforcefluctuationsinbeadPacksJAPSPhys.E,1996,53(5)4673-4685.6 GengJ.,HowellD.,LonghiE.,andBehringerR.P.etal.responseofaranularmateriallocalPerturbationsJ.Physiea