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1、粘性土的强度和变形机理,七、粘性土的强度机理,1 颗粒强度 粘土矿物颗粒晶格内的原子、离子的相互作用是使固体具有力学强度的根本原因。粘性土的颗粒强度，大致上象化学连接的强度一样，由分子内力（离子键、共价键、极性键等）连接的，分子内力的影响范围在12A，分子键的键能大约20 200千卡/克分子。这个键能在普通工程荷载作用下基本不引起变形。,2 土体强度,粘性土的颗粒之间，通过凝聚力连接着，使其宏观上出现了力学强度和抗水性。力学强度表现在土体能抗压、抗剪、抗拉等强度方面，抗水性表现在能抵抗渗透力的破坏作用。3 土体的凝聚力 土体的凝聚力按照产生的机理和时间分为原始凝聚力和固化凝聚力。 重塑土的凝聚
2、力为土的原始凝聚力，它的大小与土的颗粒成分、密度、含水率等有关； 原状土与重塑土之间凝聚力的差为土的固化凝聚力。固化凝聚力是土体形成后，在密度、含水率不变的条件下的强度增长部分。,（1）原始凝聚力 土的原始凝聚力是由于分子间的作用，即范德华力引起。是由于带电荷的离子运动中产生的定向作用、诱导作用、分散作用等方式形成的。 分子间的范德华力影响距离可超过5A，键能约在0.5 5千卡、克分子。原始凝聚力的大小与颗粒性质有关（是否带电荷、带电荷数量等）、还与颗粒间的距离有关。在外力压密过程中，颗粒间距减小，原始凝聚力将增加。,（2）固化凝聚力 天然的粘土沉积物，从它形成的那一刻即开始了岩化作用过程。在
3、岩化阶段，除去压密作用外，还进行着各种化学的、物理化学的和生物化学的作用过程，这些作用促进了沉积物的石化作用，使土体的凝聚力不断增加。这种增加的凝聚力称作固化凝聚力。其产生机理主要有： 1）胶结作用：土的孔隙中的硅、铁等氧化物，借助于某种化学方法沉淀下来就可形成连接粘土颗粒的薄膜。此外还有碳酸盐等微溶、可溶盐的沉淀也能形成颗粒间的连接，还有生物化学作用也能形成土粒间的有机、无机胶结。 2）再结晶作用：细粒粘土矿物和次生氧化物在成土后从非晶体到晶体，从隐晶、微晶到细晶和晶体的结晶过程，能使粘土矿物团聚成团聚体。,3）后来物质的胶结作用 陆上岩石风化后，经水流搬运到先前沉积的土的区域，从水中析出的
4、方解石、次生氧化物胶体，可溶盐等胶结物在土中沉积，是土体的连接不断增强。 粘性土层的固化凝聚力是非常大的，它不仅增加了土体的强度，还阻止了土体在上复土层作用下压密。固化凝聚力可以是抗水性的，也可以是非抗水性的。粘性土有抗水性的固化物胶结时，单个土块在水中可以长时间浸泡而不会崩解；若是非抗水性胶结，土块浸泡在水中会较快崩解。,土体在沉积后，固化凝聚力可以增长很快，表现在抗剪强度不断增长，这种增长可以用土体完全扰动后的静置期间强度增长来体现。,一种带状粘土的强度随时间的变化,实际上，不仅仅粘性土在沉积后，土体强度会随时间增长，砂性土在自然环境下，沉积后强度也会随时间增长。由下图可见：相同干密度的砂
5、土，天然土不人工填砂的强度高。,贯入针插入土10cm所需击数,砂土的干密度,天然冲击砂层,人工填砂,粘性土在天然状态下的强度由原始凝聚力+固化凝聚力组成。由于这一缘故，引起粘性土的结构特性。 由于粘性土具有原始凝聚力，使土体具有可塑性和流变特性。 由于粘性土具有固化凝聚力，使土体在比较低的压力作用下，产生类似于固体的弹性变形；当压力超过一定值后，产生流动变形。 固化凝聚力是分散的土颗粒连接成团聚体。粘土的团聚体破坏的过程，也是固化凝聚力消失的过程，称为胶溶作用。,八、粘性土的变形特征,1 一般固体的变形特征 当固体受力时，就逐步发生弹性变形和塑性变形，直到破坏。 弹性压缩变形的实质是原子（离子
6、、分子）间的距离缩短、斥力增加的过程。外压力被固体颗粒间的斥力平衡着。 塑形体是这样的物质：在不太大的外力作用下能保持自身的形状不变，可是当剪力大于某一极限时，它就发生随时间逐渐增长的剪切变形，这叫塑性变形。 弹性变形和塑性变形是晶体结构具有的特点。非晶质的特点是在压力作用下能够发生粘滞流动变形。 粘滞流动与塑性变形的区别：（1）粘滞流动是各向同性的；（2）由于温度改变，粘滞流动变化非常剧烈，还没有固化作用。,若物体在同一应力作用下，不仅发生可逆的弹性变形，还发生不可逆的粘滞流动，我们称之为粘弹性体。 粘弹性体的变形究竟以弹性变形为主还是以粘滞流动为主，随观测历时而定，或者确切地说随观测历史与
7、其松弛周期的比而定。 松弛：设物体在t=0的时刻，由作用力P产生的变形为s。为保持s不变，作用力P要不断减小，这种应变恒定，应力不断减小的过程叫松弛。 松弛周期：引起某一给定变形s的应力 p从初始值减小到它的1/e(e2.718)所需要的时间叫松弛周期T.,粘滞系数,剪切模量,松弛周期对粘弹性体是一个重要指标。物体的松弛周期越长，为发现该物体的流变特性需要的时间越长。如水的松弛周期为10-11s，只有当水上作用的荷载作用时间短于10-11s时，才主要表现出弹性变形，否则只能看到它的流动特性；玻璃的松弛周期T为几百年，因此，在玻璃上作用荷载在几年时间内，发生的基本为弹性变形，若观测时间达几千年，
8、玻璃主要表现为粘性流动。,2 粘性土的变形特征 粘性土颗粒具有很高的强度，有试验显示，即使受到23.6GPa的压力，颗粒大小仍几乎没有改变。 但粘性土体在几十到几百kPa的压力作用下都会产生较大的压缩和剪切变形。粘性土的变形首先是具有不均匀性特征： （1）晶体颗粒的强度远大于颗粒间的连接强度，粘性土的变形基本由连接强度破坏引起； （2）土体中颗粒之间的连接强度差别很大，有些连接很强，有些连接很弱，因此在外力作用下，颗粒间的连接破坏是从连接弱的到连接强的逐渐破坏过程；（3）土体孔隙所占体积与土颗粒所占体积是同阶的，土体变形基本有孔隙体积减小产生的； （4）粘土颗粒外和连接点被吸着水包围，吸着水在
9、外力作用下逐渐转化成自由水，使土体不断发生变形。,2.1 粘性土的弹性变形 当粘性土的固化凝聚力还没有消失以前，土在荷载作用下的行为原则上与一般固体没有本质区别。若土体颗粒间的剪应力小于土体的凝聚力（原始凝聚力+固化凝聚力）时，土体仅发生弹性变形，这时的变形量很小。2.2 粘性土的结构变形 当采用重塑土进行压缩试验时，即使在很小的压力下，也会产生较大的压缩变形，通过加压-卸载试验发现，发生的变形基本都是不可恢复的变形，同时，完成变形需要相当长的时间，与土是否饱和没有太大关系。这种与时间有关的不可恢复的变形叫做结构变形。,土的结构变形的最大特点是：单位体积内颗粒数目的不断增多。土体在压密过程中，
10、单位体积内颗粒数量不断增加，扁平的颗粒会逐渐把它的主面调整到垂直压力作用线的方向上。,孔隙比,压力,具有结构凝聚力的原状土要发生结构变形，所受的剪应力必须大于凝聚力，同时因压力作用而形成的脱离原连接的颗粒或结构单元必须小得足以落入土的孔隙内，即：,压力增加前颗粒接触处的剪应力；,压力增加后颗粒接触处的剪应力增量；,原始凝聚力；,固化凝聚力；,脱离原连接的颗粒或结构单元的直径；,接受颗粒或结构单元落入的孔隙直径；,上面的两个条件一个不满足时，结构变形即终止。,(a),(b),若是土体因条件(a)不满足而终止结构变形，土体在压密过程中的强度会增长；若是土体因条件(b)不满足而终止结构变形，则土体即
11、使发生压密，强度却不增长。,2.3 粘性土的吸附变形 对于均质固体，受力后立即产生压缩，外力消失时，变形立即恢复。 对于非均值的粘性土，受到外力作用时，外力由一个颗粒传递到另一个颗粒上去，颗粒间的接触面通常很小，这些地方总发生应力集中，所以即使外力不大，颗粒接触处的应力也会使薄膜水发生移动，水膜不断变薄，土体颗粒间的距离缩小，发生体积压缩；当外力消失后，颗粒接触处的接触力减小，水分子又向颗粒接触处一定，颗粒间距增加，土体体积膨胀。 这种压缩和膨胀都是一个缓慢的时间过程，这种可恢复的变形称作粘性土的吸附变形。,3 结构变形的历时,土力学中，一般用固结理论来确定粘性土压缩变形所需要的时间。固结理论
12、的基本假设是：当土体中没有水的时候，土骨架变形立即发生，当有水的时候，骨架变形出现延迟，同时，在压缩刚开始的时候，荷载全部由孔隙水承担。 首先从工程实例来看，无水的时候，土的变形是不是立即完成。某堆石坝在施工期间由于堆筑体在上复压力作用下体积压缩产生的最大沉降达到坝高的8%，进入运行期后，该坝最大沉降在两年内又增加了最大坝高的0.61%。某些造在黄土地基上的建筑物，沉陷可达到1m以上，同时需要几个月到数年才完成。,上面的工程实例表明，即使土体中没有水或不饱和，土体的压缩变形也需要很长时间才能稳定。这是因为，土体的变形主要是结构变形，在结构变形期间，土颗粒需要移动比较大的距离并进入另外一些颗粒组
13、成的孔隙中。土颗粒位移和克服阻力进入孔隙都需要时间。 用风干的土粉末和饱和土进行压缩试验，结果显示，干粉末土的压缩稳定时间并不比饱和土快。,孔隙比,固结时间,干粉末,饱和土膏,4 粘性沉积层的天然压缩和固化,（1）粘性土的压缩与颗粒成分的关系 如右图，塑性指数高的土初始孔隙比大，压缩性高，但压力大到一定的时候，几种土的压缩曲线将重合。,孔隙比,压力（kPa),高液限粘土,低液限粘土,粉质粘土,（2）粘性土的压缩与介质的关系 粘性土在自然界中的含水率在大范围内变化，含水率不同会影响粘土的压缩过程，我们看两种极端的情况： 1）空气介质：将干土试样碾成粉末，让其在空气中堆积作为处于风干状态的土样进行压缩； 2）饱水介质：将同样的粘土粉末加水搅拌成悬液，然后在经水中沉积，再受力压缩； 上述两种极端情况的压缩曲线见下图：,孔隙比,压力,风干土粉末,饱和土,（3）粘性土的结构性对压密的影响 下图中ab为重塑土膏的压缩曲线，cd 为同种土的原状土压缩曲线。可见原状土的压缩性小。,pe,原状结构性土,重塑土膏,孔隙比,压力,（4）沉积环境对粘性土压密的影响 粘性土在淡水中沉积时，以单粒分散系为主，而在含盐度高的海相沉积时，颗粒在沉积过程中不断结成团聚体沉积，形成絮凝团聚结构。,孔隙比,压力,海相沉积土,淡水沉积土,
