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[分享]清华教授李广信:谈谈土颗粒与土骨架

发表于2017-12-27    670人浏览    1人跟帖    筑龙币+50  复制链接  只看楼主

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作者简介 

李广信:清华大学教授,主要研究方向:土的本构关系,高土石坝筑坝材料,基础工程,土工合成材料等。


土力学中有一个常用的概念,即土骨架,但多数教材与教师没有讲清何谓“土骨架”,它与土的颗粒有什么关系。一些人似乎认为土骨架就是土颗粒,这对吗?

其实土骨架与土颗粒的关系就像钢丝网与钢丝的关系一样,是完全不同的概念。正确的理解应当是:土骨架是由土颗粒相互接触形成的构架体,其孔隙中充满了孔隙流体(液态或气态)。土骨架据有整个土体的体(面)积。

土骨架像一个丝瓜瓤一样是一个宏观的整体。或者恐怖一点说,就像一个人的骨架,比如白骨精披一张皮,就是一个人:一个美女,一个老太婆,或者一个老大爷。所以对于干土,土骨架的密度就是土的干密度;而土颗粒的密度等于颗粒矿物的比重乘以

的纯水的密度,即土骨架的密度等于
,而土颗粒的密度则等于
,见图1。

把一个单位体积的土骨架放入水中,亦即在饱和土中,土骨架的重量扣除土骨架中的颗粒的浮力后

 ,可见土骨架的浮重度就是土体的浮重度
 。

图1 饱和图三相换算草图

应当注意的是,在以土骨架为隔离体时,不能计入其中包含的孔隙水、气。我们知道渗透力j是渗透水流作用于单位体积土骨架上的力。在有向上的渗流时,取单位体积的土骨架为隔离体,其竖向的平衡条件是

从此可以推导出流土的临界水力坡降

为:

可见在饱和土中,单位体积土骨架的重量为

而不是
,也不是

其实在土力学中,土的变形、强度、渗流特性都决定于土骨架的变形、强度和结构特性。而土颗粒的变形几乎可以忽略;土颗粒的强度为组成颗粒的矿物的强度,远高于土的强度;颗粒也是不透水的。因而有效应力原理认为:影响土体变形与强度的是作用于土骨架上的有效应力,而有效应力正是作用于单位土骨架面积上的力。

土骨架与土颗粒在很多情况下所起的作用是不同的。我指导研究生作过模拟碎石桩复合地基的试验,见图2。这是把直径为20mm的碎石柱放在直径为100mm的黏性土试样中心,组成大三轴复合试样,研究碎石桩复合地基承载力提高的原理。

这个试验的顶帽下部有一圆形橡皮膜,膜后是一个充水的压力室,控制碎石柱与整个试样有相同的应变,同时量测碎石柱上的竖向应力。

图2 碎石桩复合地基模拟试验

图3表示的是试验测得的5种不同的应力应变关系曲线:①是复合试样中碎石的应力应变曲线,②是与复合试样同密度,同围压纯碎石试样的曲线,③是与复合试样同密度纯黏性土试样的曲线,④是复合试样中黏土的曲线,⑤是平均重度与复合试样相同的碎石颗粒+纯黏土混合试样的曲线。

这里有一个奇怪的现象,那就是混合试样的曲线⑤既低于复合试样中黏土的曲线④,也低于纯黏土试样的曲线③。对于这一现象我们探讨了很久,后来发现这是有道理的。

图3 不同的应力应变关系曲线

     (a) 混合试样 ⑤                          (b) 复合试样②与④                     (c)纯黏土试样③

图3 三种试样的比较

在图3(b)中,复合试样中的碎石柱干密度为

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,黏土的干密度为
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,复合试样的平均干密度为
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;在图(c)中,纯黏土的干密度为
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;而在图(a)中,混合试样的平均干密度是
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,但由于碎石呈颗粒状“悬浮”在黏土中,颗粒的密度等于颗粒的比重,即单个颗粒的
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,这样算下来黏土的干密度只有
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,由于碎石颗粒悬浮在黏土的基质中,试样的强度由黏土决定,并且其干密度远小于
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,所以图(a)的强度最低就不可避免了。见图4。

图4 混合试样与复合试样中的干密度

这就发现一个有意义的现象,即复合试样中碎石形成骨架,使复合试样抗剪强度远高于同密度的纯黏土,结果是复合试样的强度提高,而在混合试样中,碎石颗粒呈单粒被黏土所包围,没有形成骨架,对整体强度没有贡献,并且拖累得黏土干密度减小,致使强度最低。

这种现象与战争中的军队相似,队伍与作为单兵的战士是不同的。以一个以连排班成建制的队伍,具有战斗力,所谓“建制”就是骨架。而散兵游勇就形不成战斗力。

南北朝时的秦晋淝水之战,前秦皇帝苻坚统帅大军号称百万,到达长江北岸,踌躇满志,自信地说:“滚滚江水,投鞭可断”。而东晋的谢安、谢玄等只以8万兵马在南岸迎敌。他们要求苻坚兵马稍稍后退,以便东晋人马过江决战,结果,骄傲的秦军大兵后退,待东晋过江后两军列阵决战。可是晋军过江立即发起攻击,处于后退中的秦军猝不及防,又赶上大将符融由于在混乱中战马失蹄而被杀,朱序大喊“秦兵败矣!”队伍大乱,成为一群散兵。由土骨架溃散为一堆土颗粒,毫无战斗力,“八公山下,草木皆兵”讲的就是这场战役,其实百万兵马中不少是互相踩踏而亡。可见土骨架与土颗粒的巨大差别。

孙悟空棒打白骨精三次,可是都没有把其骨架打散,结果是自己在被念了一通紧箍咒之后,被赶到回了花果山。美国世贸大厦在20世纪70年代初雄踞世界第一高楼,911被撞,钢结构散架后变成一堆建筑垃圾。可见骨架之重要。

可以这么认为:“土力学就是研究土骨架的力学特性及其影响因素的学科”。在土中,颗粒以骨架形态存在,其孔隙中充满液、气相流体,这才叫作土。土是由固、液、气三相介质组成的,但由三相介质组成的却不一定是土。如果在外部因素作用下土骨架溃散为单个颗粒,例如流土、管涌、液化、流沙、流滑,成了泥石流或沙尘暴,那就是流体力学中的多相流和泥沙动力学研究的领域,与土力学无关了。

沈括在《梦溪笔谈》中讲到“流沙”:“人多不晓湴河之义”,“予尝过无定河,度活沙,人马履之,百步之外皆动,澒澒然如人行幕上。其下足处虽甚紧,若遇其一陷,则人马硚车,应时皆没。至有数百人平陷无孑遗者。或谓:此即流沙也。”“湴字亦书作埿,按古文,埿,深泥也。”

沈括是古代知识分子中比较关心自然知识的,更可贵的是他在这里涉及到一个重要的土力学问题,那就是土骨架与土颗粒的区别。这种土骨架溃散可能有几种形式。

流滑  是饱和松散的细砂在扰动下“静态液化”的现象。在三峡工程的科研阶段,由于葛洲坝建成后的库区淤积,在三峡坝址附加淤积了一层极细极松的粉细砂,其干密度只有1.3~1.4g/cm3。我们在室内对其进行三轴试验,小心翼翼地施加一定的真空制成试样,可是用手指轻轻一碰试样的橡皮膜,试样马上化为一滩泥水,真所谓是“一触即溃”。这种现象称为流滑,英文中成为quick,倒是很形象的。

高灵敏度土的扰动破坏   图5(a)表示的是一种高灵敏度土,其原状三轴试样可承受11kg的砝码,在烧杯中搅拌扰动后就变成了泥浆。在北欧就有大面积的高灵敏性土。这些海相淤积的软黏土,在大约20000年前冰河期被压在3000米冰层以下,以后冰层退去,淤积土露出地面,上部形成硬壳层。随后它们被雨水淋洗,盐分减少,阳离子浓度降低,絮凝结构破坏,一旦受到扰动,例如河流冲刷,在很短时间内大面积流动破坏。我曾经看过整个录像,在十几分钟内,地面迅速泥化,树木房屋随之流走,真是触目惊心。如图5(b)所示。

图5 高灵敏度土

上个世纪60年代,我在黑龙江省的松花江支流漂河滩负责修闸挖基坑,当地老百姓讲,这里会“鼓稀泥”,不能挖坑,我想学土力学时,老师就没讲过什么“鼓稀泥”,结果很容易就挖了3米深的基坑。可第二天到现场一看,粗细不等的泥流沿着坑壁缓缓流下,里面已经是半坑泥浆了,这就是可怕的高灵敏度土。

可是沈括所说的“流沙”“活沙”似乎并不是砂土的流滑或液化。倒像是一种欠固结土——沼泽土。那就是表面一层草皮或者塔头,人行其上忽忽悠悠的“澒澒然如人行幕上”,一旦失足或者踏破表面硬壳层,下面是无底的淤泥。这是一些彼此还没有完全接触的极细的悬浮颗粒,远没有形成骨架。在前述的漂河踏查时,我们就走过这些“漂浮”的“塔头”,也常常失足,所幸当时下面淤泥中的冰层还没有化通,没有坠入深渊。所谓的“湴河“与“埿,深泥也。”恐怕就是如此。凡是骨架的溃散,都伴以高超静孔隙水压力,实际上是有效应力的丧失。

一个国家掌管一方土地,自有其规则与骨架,人民和社会也是平和与安定的。美帝国主义总是要把自己的制度与意志强加于人。先是伊拉克,后是利比亚、阿富汗、叙利亚,结果是那里民不聊生,哀鸿遍野,满目疮痍。现在那些流亡的难民冲击着欧盟。看到难民潮,就让人想到了泥石流(图6);那种无序的、盲目的、具有巨大破坏力的可怕的浊流流动着,冲击着人类的秩序。本来是一方土地,一方山河,一旦失去了骨架就变为残破与苦难。

文化大革命风浪汹涌,百万红卫兵如潮水般涌向各地,摧毁一切秩序与骨架。记得在“红色恐怖”的66年8.24,国务院西门接待站,上访人如潮涌,不时抬来被打死的“黑五类”尸体。然后这一浪潮冲向全国,哈尔滨亚洲最大的教堂、孔府的碑石、清华的二校门都被摧毁。一个国家的骨架的溃散真是灾难。

图6 泥石流

  END 

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 当前离线   发表于2018-02-10  | 只看该作者      筑龙币+10

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讲的不错,把常识里以为很清楚实际却不然的知识细致形象的阐述了一遍

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