巖土工程專題課程論文

1、工程中散體材料研究淺析ResearchStatusonGranularMaterialInGeotechnicalEngineering專業(yè)：水工結(jié)構(gòu)工程姓名：喻江學(xué)號：150202020013課程老師：高玉峰河海大學(xué)水利水電學(xué)院201睇12月25日工程中散體材料研究淺析工程中散體材料研究淺析喻江*(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：散體材料不同于連續(xù)介質(zhì)材料，當(dāng)散體材料所組成的結(jié)構(gòu)受到外界干擾時，其結(jié)構(gòu)形式將會被改變，影響結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性能。文中在閱讀和分析文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，以散體材料為背景,從散體顆粒材料結(jié)構(gòu)特性、動荷載下其性能研究，以及散體材料樁復(fù)合地基研究幾個方面

2、，對其在工程中的運用以及運用研究進(jìn)行了淺析。關(guān)鍵詞：散體材料；顆粒特性；動荷載；工程運用1引言由諸多大致相同的顆粒所組成的物體稱為“散體結(jié)構(gòu)”。松散礦巖、砂土漿體、碎煤、水泥和谷物等，都被認(rèn)為是“散體結(jié)構(gòu)”。其中，松散礦巖、砂土則是研究較多的散體I散體材料的結(jié)構(gòu)性能是研究這種材料的重要參數(shù)，結(jié)構(gòu)性能的強(qiáng)弱表示散體材料對于力學(xué)特性影響的強(qiáng)烈程度。由于散體材料在漫長的沉積過程及隨后的各種地質(zhì)作用過程中，顆粒在外界干擾力和顆粒自身重力下產(chǎn)生蠕變，使得顆粒間的排列、孔隙的填充和相鄰顆粒間的相互作用力發(fā)生改變，形成新的自平衡狀態(tài)。單相散體材組分是否含液體多相散體材圖1散體材料種類濕顆粒材料稀薄散體材料干

3、顆粒材料密相散體材料廣松散散體材料按照組分，可將散體材料分為單相散體材料和多相散體材料。單相散體材料是由一種物理屬性的顆粒組成的干顆粒組合體，而多相散體材料則是由不同物理屬性的干顆粒和含間隙(E-mail:yzyzyz322).作者簡介：喻江(1989),男，重慶,陽人，博士研究生，從事水工組合結(jié)構(gòu)研究工程中散體材料研究淺析流體的顆粒組成的集合體。根據(jù)固體顆粒的濃度或者孔隙度，又可將散體材料分為密相散體材料、松散散體材料與稀薄散體材料。最后，根據(jù)是否含有液體可以把散體材料分為干顆粒材料與濕顆粒材料，如圖1所示。散體材料顆粒系統(tǒng)的變形由體積和形狀的改變表現(xiàn)出來，其變形由結(jié)構(gòu)變形和顆粒自身變形兩種

4、基本形態(tài)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)變形是由顆粒系統(tǒng)的可變性引起的，為顆粒之間位置相互轉(zhuǎn)移的結(jié)果，是不可恢復(fù)的，但與連續(xù)介質(zhì)的塑性變形不同，它可以在體積不變的情況下發(fā)生。顆粒自身變形是指顆粒自身的可恢復(fù)或不可恢復(fù)的變形，顆粒系統(tǒng)中顆粒與顆粒之間沒有變形協(xié)調(diào)的約束，只是通過表面的接觸傳遞作用力。2散體顆粒材料研究2.1國外研究現(xiàn)狀有關(guān)散體顆粒材料結(jié)構(gòu)的研究歷史在物理學(xué)中至少可以追溯到十八、十九世紀(jì)。Coulomb最早提出了靜摩擦力的概念，幾條關(guān)于固體摩擦的規(guī)律后來被稱為“coulomb定律”3。Janssen提出了谷倉效應(yīng)的模型，并給出了一個解析公式，指出顆粒之間以及顆粒與容器之間存在著摩擦力，使容器壁支撐了顆粒

5、的一部分重量4。近年來，國外力學(xué)、物理及工程界進(jìn)行了一些實驗和理論研究：MiguelDaSilva&JeanRajehenbaeh旨出在集中力P作用下，散體材料顆粒堆中呈現(xiàn)出力點的分布為拋物線型，其頂點就是受力點。典型研究之一是，Coppersmith等將應(yīng)力看作標(biāo)量，引進(jìn)一個隨機(jī)數(shù)q,建立了一個簡單的力傳遞的隨機(jī)模型一q0模型，每一個顆粒將承受的力傳遞給下面的n個臨近顆粒，但n個下面臨近顆粒所分擔(dān)的壓力比例不同，其值是由一個隨機(jī)權(quán)值數(shù)q決定的，即在第j個位置上的顆粒傳遞給下面一層臨近顆粒i上壓力權(quán)重值為qij,且滿足歸一條件:nqij,(ji2,n)工qij-1j土根據(jù)H.P.zhuandA

6、.B.Yu理論6:顆粒的移動是平動加滾動共同構(gòu)成塑性變形，因此運動可以描述為：2n(2)平動：(miXi)八,邛-fjb-migd2tjJj2n轉(zhuǎn)動：(ji；)=mj-mbdtjT把散體材料的力學(xué)特性研究透徹以便更好地研究，這種材料的變形，為工程提供理論依據(jù)。工程中散體材料研究淺析2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀馬建勛等7在散體增量型內(nèi)時本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用小參數(shù)攝動法，探討了散粒體材料參數(shù)的隨機(jī)性對應(yīng)力的影響程度。對顆粒堆中力傳遞特性、力的分布規(guī)律，擴(kuò)散范圍等進(jìn)行了初步的定性與定量分析，還對其在巖土工程中的應(yīng)用做了深入的研究，得出碎石樁加固的應(yīng)用方法8-10。陳順和黃庭芳在巖石物理學(xué)中用粘滑理論來解釋顆

7、粒材料的運動圖2給出了力與位移之間的關(guān)系。A點的位移B點的位移圖2粘滑運動的理論模型國內(nèi)一些學(xué)者提出了理想鋼球顆粒的側(cè)限壓縮模型，有N次“自組織”，每次崩塌應(yīng)變程度為隨機(jī)變量，得到自組織強(qiáng)度隨著密實程度的增強(qiáng)而減弱，隨應(yīng)變的增加而減弱的特性。其次，王煥友、曹曉平、李朝輝、蔡紹紅、楊慶華、姚令侃等12-14對散體材料的本構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了研究和分析。3動荷載下散體材料研究3.1 散體材料結(jié)構(gòu)力學(xué)特性散體材料結(jié)構(gòu)的研究己經(jīng)受到越來越多科學(xué)家的關(guān)注，他們的研究主要是為了反映顆粒系統(tǒng)的主要力學(xué)特性。為更好的了解散體材料結(jié)構(gòu)的傳力特性，及變形機(jī)理打下堅實的理論基礎(chǔ)。目前，人們對固體和氣體的理論研究已經(jīng)較成

8、熟了，而對液體和固液混合的系統(tǒng)中的許多問題還很不清晰，以顆粒物質(zhì)為代表的復(fù)雜體系正成為人們關(guān)注的研究領(lǐng)域。散體材料系統(tǒng)內(nèi)的碰撞通常是非彈性碰撞，每次碰撞都伴隨著能量的損失，當(dāng)外界干擾超過一個臨界值時，顆粒物就會象流體一樣行動，而顆粒之間的非彈性碰撞使外界輸入的能量消耗后，顆粒物又會立刻停止行動。因此，散體材料堆是個耗散系統(tǒng)，它使得基于彈性的相互作用和能量守恒的一些理論不再適用。工程中散體材料研究淺析對于散體材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度構(gòu)成，散體材料的抗剪強(qiáng)度可由兩部分組成，一部分是顆粒的滑動和滾動提供的剪阻力一摩擦分量，與顆粒的粗糙程度有關(guān)；另一部分是由顆粒間的咬合作用引起的剪阻力一剪脹分量，這與散體材料結(jié)

9、構(gòu)的松緊程度和顆粒的形狀有關(guān)。對于強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的散體材料，剪脹分量在它的強(qiáng)度中將占很大的比例，但對于弱結(jié)構(gòu)性的散體材料，剪脹并不發(fā)生，內(nèi)摩擦角主要取決于顆粒表面的粗糙度。若散體材料為剛性的，在軸向荷載作用下，散體材料宏觀變形過程可描述為：(1)初始階段：壓密作用使體積減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)峰值；(2)峰值階段：散體材料由剪縮迅即轉(zhuǎn)為剪脹，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值；(3)應(yīng)變增大值階段：峰值后由于顆粒結(jié)構(gòu)逐漸松散，阻及咬合作用削弱。對于同樣大小的均勻顆粒結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)從松散到密實的過程是顆粒的重排列過程，也是顆粒集合從不穩(wěn)定排列向穩(wěn)定排列的轉(zhuǎn)變，散體材料堆的密實程度也是顆粒排列緊湊程度的一個度量，如圖

10、3所示。顆粒的重排列導(dǎo)致孔隙體積和整體體積的減少，這種體積的變化是不可恢復(fù)的，是塑性變形。在壓實過程中，顆粒排列不斷地由松散趨向緊湊，孔隙體積不斷的減小。-X松散,密實圖3散體材料結(jié)構(gòu)組成變化疏松或緊密狀態(tài)有關(guān)，對于密實礫、碎石結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度主要來源于摩擦與咬合阻力，變形主要是剪脹效應(yīng)，這是由于峰值強(qiáng)度可在顆粒發(fā)生顯著移動之前到達(dá)。因此，重新排列的可能性不大。對于密實度差的礫石結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度主要來源于摩擦阻力，變形主要是顆粒重新排列。在同一種礫石結(jié)構(gòu)中，當(dāng)側(cè)壓力相同時，密度大的礫石結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變軟化型。松散的礫、碎石結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變硬化型。應(yīng)變軟化型曲線強(qiáng)度高，有明顯的峰值強(qiáng)度

11、，在峰值點后，強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大而減小，應(yīng)變硬化型曲線沒有明顯的峰值強(qiáng)度,且強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大略有增大。兩者的最終值趨于接近，此值為通常所說的殘余強(qiáng)度。把粒徑大小不同的兩種石塊混和置于容器內(nèi)，放在振動臺上振動。當(dāng)頻率較小時，小顆粒運動起來，大顆粒沒有大的運動跡象；當(dāng)頻率太大時，大小顆粒都運動起來由于散體散體材料之間工程中散體材料研究淺析的碰撞屬非彈性碰撞，它們會導(dǎo)致顆粒的分離和簇聚現(xiàn)象，顆粒物質(zhì)的研究者們發(fā)現(xiàn)顆粒氣體中也存在一個類似麥克斯韋妖的積聚現(xiàn)象151603.2 豎向荷載下的響應(yīng)分析散體材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征可概括為“散”和“動”兩種特性，前者指顆粒物性、粒度和形狀的分散性，后者指運動的瞬態(tài)、波

12、動、碰撞、顆粒凝聚以及團(tuán)聚破裂和粉碎。由于系統(tǒng)由大量的個體顆粒組成，散體材料的物理性質(zhì)介于固體和液體之間，它的行為在二者之間轉(zhuǎn)變。在靜止?fàn)顟B(tài)時，它的行為像固體，有一定的形狀，可以承受較大的剪切力；在流動狀態(tài)時，它的行為像流體。因此，散體材料結(jié)構(gòu)也具有液態(tài)物質(zhì)的特性，具有流動性，但比液態(tài)物質(zhì)的流動性差。顆粒之間只是在接觸時，才有力的作用，顆粒之間存在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，但其規(guī)律性比固態(tài)物質(zhì)復(fù)雜的多，具有對邊界面產(chǎn)生壓力的性質(zhì)，難以抵抗拉力，抗剪強(qiáng)度取決于圍壓的大小。無圍壓時，光滑的、無棱角的顆粒堆無抗剪強(qiáng)度，粗糙的、帶棱角的顆粒堆有一定的無抗剪強(qiáng)度。理想的連續(xù)介質(zhì)材料在常規(guī)靜水壓力作用下只產(chǎn)生彈性變

13、形而不產(chǎn)生不可恢復(fù)的體積變形，而散體材料結(jié)構(gòu)恰恰相反；理想的線性連續(xù)介質(zhì)材料的靜水壓力與剪應(yīng)變以及剪應(yīng)力與體應(yīng)變之間無藕合關(guān)系，散體材料結(jié)構(gòu)則具有壓硬性和剪脹性；散體材料結(jié)構(gòu)在不同初始密度情況下可表現(xiàn)出硬化特性或軟化特性，具軟化特性是一種結(jié)構(gòu)軟化;理想的連續(xù)介質(zhì)材料的彈塑性有明顯的分界面，散體材料結(jié)構(gòu)則沒有明顯的彈塑性階段。因此，散體材料結(jié)構(gòu)的散、動特征常與均勻連續(xù)等假定沖突，導(dǎo)致理論與實際的偏離。諸多學(xué)者通過金屬材料“鋼球”，來模擬散體材料結(jié)構(gòu)，研究豎向變化荷載作用下的散體材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，取得了一定的成果。對于理想的金屬材料，其整體結(jié)構(gòu)與單個材料都與現(xiàn)實的散體材料結(jié)構(gòu)有一定的差異，本實驗

14、將通過對不同粒徑的碎石材料進(jìn)行豎向加壓，分析其在勻速加載作用下的力學(xué)特性。3.3 水平荷載下的響應(yīng)分析由于自然和人為因素，建筑物經(jīng)常遭受動荷載的作用，如眾所周知的地震就是最重要的自然動荷。隨著人類的進(jìn)步和科技！社會的發(fā)展，各種動荷載相繼出現(xiàn)，動荷載對地基和上部建筑物的影響也越來越引起人們的關(guān)注。建筑物是由上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)，及地基三者所組成的共同工作體系。在正常情況下，上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)傳遞至地基，地基土產(chǎn)生附加應(yīng)力和應(yīng)變。如果地基土能夠經(jīng)受住這種應(yīng)力應(yīng)變，即不發(fā)生強(qiáng)度破壞或過大沉降，則建筑物能正常工作。如果建筑物遭受突如其來的動荷載，地基土的形狀將發(fā)生很大的變化，可能導(dǎo)致地基失穩(wěn)，乃至破壞。工

15、程中散體材料研究淺析現(xiàn)今許多學(xué)者研究振動作用下土的動變形，包括振動壓密和震陷；也有許多學(xué)者在研究顆粒的在振動作用下的分離現(xiàn)象，包括巴西果效應(yīng)，反巴西果效應(yīng)以及三明治效應(yīng)等等。文獻(xiàn)17研究了振動混合顆粒形成的反巴西果分層，苗田德在顆粒介質(zhì)的Maxwell實驗的基礎(chǔ)上，對垂直振動作用下兩種顆?；旌衔锏膭恿W(xué)特性進(jìn)行了實驗研究。姜澤輝研究了垂直振動顆粒物厚層中對容器底部的壓力分布。所有這些散體材料結(jié)構(gòu)在振動作用下的試驗研究都可以對建筑物地基遭受動荷載的響應(yīng)提供理論依據(jù)。目前國內(nèi)外對動荷載作用下散體材料結(jié)構(gòu)作用下的研究比較少，而水平振動作用下的研究更少，主要研究的是通過模擬水平地震力作用，分析散體材料

16、結(jié)構(gòu)在水平振動作用下的沉降和顆粒分離現(xiàn)象。4散體材料樁復(fù)合地基研究4.1 復(fù)合地基固結(jié)理論研究相對于砂井的工程應(yīng)用和理論研究的發(fā)展，散體材料樁因其自身具有的優(yōu)勢，甚至更早地被人們意識到并應(yīng)用于工程實踐。復(fù)合地基的理論研究甚至更晚一些，直到最近20多年,這方面的工作才有了快速發(fā)展。而散體材料樁是砂樁、碎石樁以及粗顆粒土柱等豎向增強(qiáng)體的統(tǒng)稱。散體材料樁復(fù)合地基固結(jié)理論的發(fā)展和豎井地基固結(jié)理論的日臻完善有著密切的關(guān)系。由于豎井地基固結(jié)理論研究起步時間較早，其理論研究成果非常豐碩，這就為散體材料樁復(fù)合地基固結(jié)理論研究提供了一些理論支持和經(jīng)驗方面的借鑒，以避免走不必要的彎路。目前,在理論研究方面，復(fù)合地

17、基固結(jié)計算中的基本假設(shè)和基本固結(jié)方程均利用了豎井地基固結(jié)理論研究的一些成果。因此，為了更好地理解復(fù)合地基固結(jié)理論發(fā)展?fàn)顩r，需要對豎井地基固結(jié)方面的研究現(xiàn)狀有所了解。散體材料樁復(fù)合地基固結(jié)研究始于上世紀(jì)七十年代。三十多年來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗。解析理論和數(shù)值計算（如FEM）等研究工作，使復(fù)合地基固結(jié)理論和數(shù)值計算有了很大發(fā)展。時至今日，復(fù)合地基固結(jié)理論和計算方法的研究己不再滯后于豎井地基，而是基本保持同步發(fā)展。上面只限于打穿軟土層的散體材料樁復(fù)合地基，尚未涉及到在實際工程中常見的未打穿散體材料樁復(fù)合地基。實際工程中，采用未打穿軟土層的散體材料樁復(fù)合地基嗎，通常是出于軟粘土層較厚，或

18、受施工機(jī)械所限，或是由于工程需要等原因。此時，固結(jié)計算分為兩部分：樁體長度范圍內(nèi)的土層的固結(jié)以及樁端以下土層（下臥層）的固結(jié)。因此，如何確定這兩工程中散體材料研究淺析部分土層的固結(jié)度，對整個未打穿復(fù)合地基固結(jié)計算結(jié)果的合理性有著重要影響。國內(nèi)外學(xué)者在未打穿砂井地基研究方面已取得了不少成果，這同樣為未打穿復(fù)合地基固結(jié)問題的研究提供了借鑒作用。4.2 散體材料樁復(fù)合地基的應(yīng)用砂石樁法最早出現(xiàn)在19世紀(jì)的歐洲，最初用于處理松散的砂上地基，后來逐步發(fā)展到處理軟弱粘性上地基。1835年，法國用擠密碎石樁來加固海灣相沉積的軟土地基，工程設(shè)計樁長2m,直徑僅0.2m,每根樁承載能力達(dá)10kN。上世紀(jì)50年代

19、，砂石樁法引入我國，在工業(yè)與民用建筑、水利水電工程、交通工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1959年，我國上海重型機(jī)器廠首次采用錘擊沉管擠密砂樁法處理飽和軟粘土地基，1978年寶山鋼鐵廠采用振動重復(fù)壓拔管砂樁施工法處理原料堆場的飽和軟粘土地基。這兩項工程為我國開展砂石樁加固飽和軟弱粘性土積累了豐富的經(jīng)驗?？偟膩碚f，散體材料樁適用于松散砂土和人工填土地基的處理。在加固軟粘土地基中，國內(nèi)外雖有一些應(yīng)用實例，但一般認(rèn)為，粘性土滲透性小，在成樁過程中，引起的超孔隙水壓力難以消散，故加密效果欠佳；同時，軟粘土靈敏度高，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，施工時極易破壞地基土的天然結(jié)構(gòu)，造成土體抗剪強(qiáng)度下降；另外，散體材料樁在承受荷載后，

20、其抵抗荷載的能力，完全依賴于樁周土體的徑向支撐力，由于軟粘土抗剪強(qiáng)度小，往往難以提供給樁體足夠的徑向支撐力，致使不能獲得滿意的加固效果。因此，在采用散體材料樁處理飽和軟粘土地基時應(yīng)慎重，最好加固前能進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以獲得必要的資料加以論證。4.3 散體材料樁加固可液化地基的研究上世紀(jì)70年代，散體材料樁開始應(yīng)用于可液化土層加固，大量實際工程證實，此法具有施工方便、成本低廉等優(yōu)點。目前不僅用于自由場地的液化土加固，而且也用于已有建筑物的液化砂基處理，逐漸成為一種應(yīng)用廣泛的抗液化加固手段。幾十年來，學(xué)術(shù)界和工程界對散體材料樁加固可液化地基進(jìn)行了理論和試驗研究，主要內(nèi)容有散體材料樁復(fù)合地基的抗液化機(jī)理

21、、液化檢驗和判別、設(shè)計方法及施工工藝等。5結(jié)語散體材料是不同與連續(xù)介質(zhì)材料，這些散體材料結(jié)構(gòu)受到外界干擾時其結(jié)構(gòu)形式會改變，具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)。由于散體材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、多樣性、隨機(jī)性，使得散體材料結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)研究比較困難，而涉及到散體動力學(xué)方面的研究更為復(fù)雜。在地基加固工程中，因工程中散體材料研究淺析為散體材料具有耗散性，所以散體材料墊層對抵御水平地震荷載有著良好的效果，并有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。總之，散體材料結(jié)構(gòu)的研究是研究者們面臨的一個新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在這領(lǐng)域里，讓我們積極參與，一點一滴探索，發(fā)現(xiàn)、積累、總結(jié)，為巖土工程貢獻(xiàn)一份力量。參考文獻(xiàn)1克列因TK.散粒體結(jié)構(gòu)力學(xué)M.北京：中國鐵道出版

22、社,1983.2管樹容.鐵路散粒體M.北京：中國鐵道出版社,1997.3 C.A.coulomb,AeadRoyJSei.Mem.phys.DiversSavants.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