（地质工程专业论文）颗粒介质传力特性及其在岩土工程中的若干应用问题.pdf

摘要 颗粒材料的力学性质本质上不同于连续介质，它的研究是当前岩土工程 学、力学和物理学等领域新兴的前沿课题之一，有着重要的工程应用前景和 基础科学意义本文作者在阅读和分析文献资料的基础上，以散体材料岩土 结构为背景，开展了散体颗粒材料的实验与分析研究，探讨了如何将颗粒介 质的力学特性与散体结构工程的设计结合起来的问题。 1 、设计并开展了大尺度颗粒( 钢球、砾( 碎) 石) 三维堆体受集中荷载作用 时的定量实验，统计和分析了颗粒堆对荷载力的响应情况，研究了颗粒堆内 部力传递的扩散加传导效应、分布特性、力链形成、各种物理特性对力传递 与分布的影响、搭拱效应作用下最大横向挤压力出现的位置、侧峰现象、低 围压和高围压下颗粒堆内主要的应变形式、力峰值的变迁规律、有序对称密 实排列和无序堆积中力传递路径的不同，以及力随着深度衰减的规律。 2 、运用随机理论分析实验结果。研究实验值的涨落区问，以及设备和人工 因素对实验的影响。建立了与实验结果在定性上相吻合的二维颗粒堆中力传 递的模型及其随机方程，应用该模型描述了力随颗粒堆深度分布的变化及衰 减规律，并初步探讨了建立三维颗粒堆中力传递模型的可能性。 3 、研究颗粒材料应用于地基加固的工程响应特性及各种影响因素下的传力 特性，探讨了不同于传统连续介质理论设计思想的散体材料工程参数设计方 法，分析了散体结构的破坏机理，并尝试提出了铁路路基在运营中的有关力 学问题。 关键词：颗粒材料，传力特性，随机理论，地基处理 颗粒介质传，j 特性及1 e 柙- 岩十t 程中的若干应用问题 a b s t r a c t m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f g r a n u l a r m a t e r i a l sa r e e s s e n t i a l l y d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fc o n t i n u o u sm a t e r i a l s b e i n gan e w c h a l l e n g ei n t h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，m e c h a n i c sa n dp h y s i c s ，t oi n v e s t i g a t e t h e mi ss i g n i f i c a n tf o r t h es t u d yo ff u n d a m e n t a ls c i e n c ea n dh a sa w i d ep r o s p e c to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so fo b s e r v a t i o n a n da n a l y s i so fn u m e r o u sr e l e v a n tl i t e r a t u r e s ，t h ea u t h o rc a r r i e do u t m a n ye x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n sa n dd i s c u s s e dh o w t oc o m b i n em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f g r a n u l a r m e d i aw i t ht h e c o n f i g u r a t i o np r o b l e m si nt h eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g ，t a k i n gt h e c o l l e c t i o n so fg r a n u l a rm a t e r i a l si nt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga st h e b a c k g r o u n d 1 、m a n ye x p e r i m e n t so nt h et h r e e d i m e n s i o n a lp i l e sw i t hl a r g e - s i z e d p a r t i c l e s ( s u c ha ss t e e lb e a d s ，g r a v e la n dc r u s h e ds t o n - s ) s u b m i t t e dt o c o m p r e s s i v el o a d ，w e r ed e s i g n e d a n dc a r r i e do u t t h es t a t i s t i c a n a l y s i so ft h ec o l l e c t i v er e s p o n s eo ft h ep i l e s i sp e r f o r m e di nd e t a i l t h eo u t e re n v e l o p eo ft h er e s p o n s e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ef o r c e ，t h e e v o l v e m e n to fs t r e s sc h a i n s ，t h ei n f l u e n c eo fp h y s i c a lb e h a v i o r so nt h e r e s p o n s e ，t h ep o s i t i o n o ft h em a x i m a lt r a n s v e r s e p r e s s u r e u n d e r a r c h i n ge f f e c t s ，s i d ep e a kp h e n o m e n o n ，m a j o rf o r m so ft h e s t r a i n w i t h i nt h e g r a n u l a rp i l eu n d e rl o w a n d h i g h s u r r o u n d i n gp r e s s u r e ， c h a n g i n go ff o r c ep e a k ，d i f f e r e n c ei nf o r c et r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h e g r a n u l a rp i l e b e t w e e n o r d e r l ys y m m e t r i c d e n s e a r r a n g i n g a n d d i s o r d e r l yp i l i n g ，a n da t t e n u a t i o nd e g r e eo ft h ef o r c ew i t ht h ed e p t h a r ep r e s e n t e d 2 、t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s e sa r ea n a l y z e dw i t hs t o c h a s t i ct h e o r y t h ef l u c t u a n t r a n g e o f e x p e r i m e n t a lp e a kv a l u e s ，i n f l u e n c e o f e q u i p m e n t a n dm a n u a lf a c t o r so nt h ee x p e r i m e n t ，a n df o r c e 1 i t r a n s m i s s i o nm o d e la r ei n v e s t i g a t e d at w o d i m e n s i o n a lm o d e lw h i c h i sw e l lc o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s q u a l i t a t i v e l y a n d d e s c r i b e st h ea t t e n u a t i o nl a wo ff o r c ea l o n gt h ed e p t hi nt h eg r a n u l a r p i l e si se s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，at h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ff o r c e t r a n s m i s s i o nw a sd i s c u s s e d 3 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gr e s p o n s ei n s t r e n g t h e n i n gt h e g r o u n d w o r kb yg r a n u l a rm a t e r i a l sa n dv a r i o u si n f l u e n c e so nf o r c e t r a n s m i s s i o na r e i n v e s t i g a t e d t h ed e s i g nm e t h o do fe n g i n e e r i n g p a r a m e t e r s i n g r a n u l a rm a t e r i a l s w h i c hi s q u i t e d i f f e r e n tf r o m c o n v e n t i o n a lc o n t i n u u mw a sd i s c u s s e d n ed e s t m c t i o nm e c h a n i s mo f t h ec o n s t r u c t i o nw i t h g r a n u l a r m a t e r i a l sw a s a n a l y z e d ，a n d t h e p r o b l e m o fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fr a i l r o a db e dw a s t e n t a t i v e l y p r e s e n t e d k e y w o r d s ：g r a n u l a rm a t e r i a l s ，f o r c e t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s ， s t o c h a s t i ct h e o r y , g r o u n d w o r kt r e a t m e n t 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位 i 含文，足在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中儿引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观，、1 i ：等，均已明确注明h ；处。除义， t 已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰。2 j 过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贞献的个人和集体，均已在文 扣以明确力式标明。 本声明的法律责任由木人承柏 论文竹群溉旌杰墓 f 舰2 丝包，7 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指学r + 所完成的论文发相关的职务作品，知识产权归属兰 卅1 火学。本人完全j 7 解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向圈家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 套阅和借阅：本人授权兰州大学i j 以j 恪本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据乍进行榆索，n j 以采f f j 任佃复制于殴保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与咳论文斑接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后虑遵守此规定。 沦文作酸名：叠缀铷签名：当至绐 期：! ! 三二! 彤 兰舯f 人学溥j j 学位论空 1 1 引言 第一章绪论 在岩土工程中有许多地基、路基处理都是利用离散的颗粒材料堆积进行加 固的，如垫层、抛石路基、砂桩、石桩、灰土桩等。许多工程应用也己证明了 上述方法是处理软弱地基、路基或湿陷性土、膨胀土、冻土等的有效措施之一， 它们既有较好的加固效果，又有良好的经济效益。 离散的颗粒材料有着许多与其他物质不同的奇妙特性，其力学特征可概括 为“散”和“动”，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， 颗粒材料的物理性质介于固体和液体之间，它的行为在二者之间转变，在静止 状态时，它的行为象固体，有一定的形状，可以承受较大的剪切力；在流动状 态时，它的行为象流体。因此，颗粒材料堆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，理想 的颗粒系统无抗剪强度，具有压硬性、剪胀性。 颗粒系统有着许多与连续介质材料不同的力学特性“。3 1 ：1 ) 从细观分析来看， 颗粒系统的变形是由颗粒移动所产生的结构变形和颗粒体的自身变形所引起，结 构变形是不可恢复的，且在加载和卸载时都会产生，这与理想的连续介质材料卸 载时只有弹性变形有很大的区别；2 ) 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，而颗粒材料系统恰恰相反；3 ) 理想的线性连续介质材料的静水压力与剪应变以及剪应力与体应变之间无藕合 关系，颗粒材料系统则具有压硬性和剪胀性；4 ) 同一种颗粒系统在不同初始密度 情况下可表现出硬化特性或软化特性，其软化特性是一种结构软化；5 ) 理想的连 续介质材料的弹塑性有明显的分界面，而颗粒集合体则没有明显的弹塑性阶段， 因此，颗粒的散、动特征常与均匀连续等假定冲突，导致理论与实际的偏离。 颗粒之间存在着典型的非弹性相互作用，其作用力也不同于原子和分子之间 颇柱介质传力特十+ 灶l “岩十r 程中的若十心用问题 的作用力而是以摩擦力为主，摩擦力的大小和颗粒体系如何堆积密切相关。颗粒 之删发生的相对运动是粘滑运动，需要克服颗粒之蚓摩擦强度( 颗粒表面的摩擦 力及颗粒爬越阻力) 。当系统处于随遇平衡的非稳定静止状态时，颗粒之间的摩 擦为静摩擦，静摩擦系数为以，当一些颗粒之间发生的相对运动时，局部不稳 定开始，一部分静摩擦变为动摩擦，动摩擦系数为心，其中心，。 颗粒系统内的碰撞一般是非弹性碰撞，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，颗粒系统是个耗 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。 颗粒之间力的传递是不均匀的，当受到外力的作用时，颗粒系统中处于同一 层上的颗粒，有的接触到的力相对于其他颗粒受到的平均力大的多，甚至大到使 这些颗粒自身变形带有塑性变形的性质，而另一些接触不到力，同时颗粒之间接 触面随着力的增加而增大，因此，作用在颗粒上的力、变形和位移之间的关系是 非线性的。由于颗粒之问能量的耗散相当强烈，使颗粒材料可以具有无穷多的随 遇平衡状态。 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起的，为颗粒之间 位置相互转移的结果，是不可恢复的，但与塑性变形不同。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，因为颗粒 自身是连续介质。连续介质必须满足平衡方程、变形协调方程、本构方程和边界 条件，变形协调方程保证介质的变形连续：本构方程显示了应力和应变之间的关 系。而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 兰大学博l ：学位沦义 递作用力，至于静与动，只需满足平衡方程，当不平衡力或不平衡力矩( 合力或 合力矩不为零) 作用在颗粒上时，颗粒，r 始运动，它的运动可以是线性的，也可 以是非线性的，直到得到的能量耗散尽为止。 在岩土工程中，人们常采用离散颗粒材料的一些鲜为人知的特性解决某些工 程问题。例如：在地基处理中，常用颗粒材料的扩散作用，减少天然地基的压力。 虽然离散颗粒材料的应用日趋广泛，其设计理论也有一些，然而，由于许多的不 确定性、材料的离散性、没有变形协调的约束性、很强的动态性和多变性等影响， 使得工程施工中存在许多问题，设计中也出现保守的倾向。工程中通常以经典的 连续材料或岩土力学作为理论指导，采用传统的定值设计法，所有的变量和参数 都是被考虑为定值计算模式及许多不确定的对象均被视为确定不变的。但实际上 计算中的许多参数是可变的和随机的，同时在计算中引入的许多假定也往往具有 不确定性。通常所采用的定值法是在大量的不确定因素中进行的，不能真实反映 实际情况。因此，离散颗粒材料地基加固工程中的力学响应分析和工程监控不能 以经典的连续介质或岩土力学作为理论指导。长期以来，人们用连续介质的观点 和方法研究工程中的颗粒材料系统静力学和动力学问题，总是遇到了难于解决的 困难。这意味着工程中一直沿用的基于理想弹性- - n 塑性体或非线性弹性一弹塑 性体而建立的各种工程力学模型需要从新的角度进行认识与发展。 1 2 离散颗粒材料研究的意义 离散颗粒材料集合的研究及其工程应用是近年来由多学科交叉发展起来 的一门新兴学科，它由大量的基础科学和许多相关的应用技术组成。颗粒系统 不同于连续介质材料，颗粒材料的研究涉及颗粒的测量和标定，颗粒堆的形成 与团聚，颗粒与气、液的分离，固体颗粒的输送，流态化；戳碎，等许多独特 颗粒介j 贞传j j 特性驶j e d ：岩f ：t 程中的若十撕川问题 的性质，例如：力分布具有明显的空问不均匀性和加压膨胀的特性”：外界力或 颗粒重力作用可以在颗粒系统内形成力链，在承受压力的石块堆中，一些石块 已被压碎，另外一些石块根本4 i 受力：当受到外界对其施加的压力时，它的体 积反而会膨胀；有搭拱效应”1 ：颗粒在漏斗或长管中流动会自发的排列成拱形 结构，出现卡塞现象；由措拱效应引起的谷仓现象“1 ：颗粒堆的深度超过某一 值时，底部压力不再随深度的变化而变化；侧峰效应”1 ：堆放在刚性地面上的 沙堆对地面的正压力，在中轴线的下方存在着一个局域的极小值；在一堆水果 中，锥底的水果往往不是被最先压烂的；混合颗粒自发的有分离、分层现象“ 谷物装入簸箕，上下扇动旋转，较轻的谷壳和秕粒就会从上面分离出来，而较 重的沙粒则沉入底部；河沙中的掏金，通过颠、摇、晃等动作，将金子与沙子 分离开；颗粒集合存在自组织临界现象“1 ：例如，无数沙粒在风力的吹扬下可 以孕育出由沙纹、沙丘和沙山嵌套构成的具有分形特征的多尺度地貌形态；一 个静止的沙堆存在着一个临界倾斜角度口。；，当沙堆表面倾斜度小于口。时， 沙堆象固体一样保持稳定，一旦沙堆表面倾斜角度超过p 。，沙堆就会坍塌， 颗粒开始流动，但流动只发生在沙堆表面，沙堆内部的颗粒几乎静止不动，这 流动直到沙堆表面倾斜度小于口。；或等于一个静止角为止， “自组织”现象在 自然界中普遍存在，例如：河流的涨落，表面波及内部对流、斑图现象，生物 的进化，山体滑坡，地震强度的变化，股票指数的升降等。“自组织”的另一 现象：当大小颗粒混合时，当受到外部振动、倾倒、流动等时，会导致颗粒材 料的分离和簇聚现象。“自组织”现象没有形式化的主题和明确的定义，通 常统计规律服从幂律分布；等等。这都是由于颗粒系统自身具有的特点( 离散 兰州人学搏l 学位论文 性，耗敞性，形态的多样性等) 而造成的，使得研究者们不能用传统的理论揭 示颗粒系统的普遍规律。 颗粒材料研究具有重大的基础科学意义和工程应用背景“，就后者而言， 颗粒材料的研究在工业、农业、建筑业、运输业、制药业等都发挥着重要的作用， 相关的现象的研究不但对环保、国防和人类健康非常重要，而且对化工、冶金、 能源和轻工业也同样提供科学技术基础。在诸多领域中需要处理大量的颗粒物 质，对颗粒加工可分为分选、凝聚、混合、装填和压制、推铲、储运、粉碎、爆 破、流态化等过程，自然界的风蚀、崩塌、山体滑坡和泥石流等都可以视为颗粒 物质的相互作用与运动，如：采矿业中煤和矿石的开采运输，建筑业中地基、路 基以及铁路道渣，制药业中药片和药丸的加工生产，制陶业中高抵抗力陶器的制 作，化学工业中催化剂和火药的生产应用，食品工业和农业中粮食、种子等颗粒 物质的储存和运输，地质运动过程中山崩、侵蚀、雪崩、滑坡的监测，材料工程 中制造的微观非均匀材料( 颗粒改性复合材料) ，就是利用不同颗粒材料的特殊 性，创造出单一材料所没有的特殊优异性能等等。此外，颗粒物质在纳米技术， 信息科学及若干其它高科技领域也有重要运用。颗粒物的性质给我们带来了困扰 也带来了可以利用的价值j 制药业中如何使药丸的各种成分均匀混合；采矿业里 如何避免卡塞现象的出现；处理细小颗粒时如何防止颗粒之间由碰撞而产生的静 电；分散在空气中的带电颗粒如何避免发生爆炸；铁路路基要求在列车的荷载下 塑性变形不得过大，以保障道床的稳固，抛石路基如何保证列车有好的运营状态 颗粒材料加固地基如何能具有高的承载力和少的沉降量；沙漠化、泥石流自然灾 害如何有好的防治等等都是研究者们需要进一步很好解决舳问题，而这些问题的 解决有待于颗粒材料研究的深入。 颗枝介质传力特性驶j n 岩十t 程中的替十f 4 f l j 问题 1 3 颗粒材料在岩土工程中的应用研究 在岩土工程中接触到的离散颗粒材料很多，如：醉石道床、路基填料、堆石坝、 坡面松散堆积物、岩堆、矿渣、无粘性粗粒土、河流泥沙等人工或天然的多尺度 散粒体类型。离散颗粒材料集合与固体的不同就在于其散。离散颗粒堆崩塌的机 理，反映了在外界干扰作用下的岩体崩塌、边坡失稳、坡面泥石流等诸多自然现 象的一种能量耗散过程。 就泥石流而论，泥石流属于颗粒运动范畴。泥石流中含有大量颗粒碎屑，固 相浓度很高，属多相非均质体。泥石流不仅包括沟谷泥石流，也包括山坡泥石流 既有稀性泥石流，也有粘性泥石流和水石流。滑坡与泥石流、地震、火山爆发、 台风以及特大洪水一样，是一种突发、多发的自然灾害，它是一种超强度高速运 输泥砂石块的过程，可以在几分钟、几十分钟或数小时之内将大量的泥砂石块倾 泻到沟口，顷刻之间给人类造成巨大灾难。不仅造成人员伤亡及工农业的巨大经 济损失，而且还大大恶化了生态环境。弄清滑坡泥石流的形成、发展和运动机理、 分布规律、力学特性，加强预测预报和预防治理的研究，有效的治理滑坡泥石流， 尤其是防止泥石流堵江，稳定中上游村宅临近的滑坡，将对人类生存，生态环境 和整个国民经济建设健康持续稳定发展具有极为重要的理论意义和实践价值。 颗粒材料具有压实性能好、透水性强、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高 且在地震荷载作用下不易产生液化等优良工程特性，因此，在岩土工程的应用相 当广泛，如：采矿业中煤和矿石的开采运输，建筑业中地基、路基以及铁路道渣 等。在公路建设中，通常用天然砾石按一定的级配组成的混合料作为道路基层， 形成级配型结构，以填充原理来获得稳定，即每种颗粒粒径之间有一定大小的孔 隙。用适合于此孔隙大小和数量的颗粒填充之后，余下更小的孔隙，再用小一级 颗粒填充，致使孔隙逐级填满。在掺有粘土的砂砾石混合料中，粘土填充砂砾石 中更小的孔隙。这样砂砾石与粘土混合料就形成了级配密实结构。在位于河 兰州人学博i 。学位论义 滩、河谷等砂砾石很丰富的地区，可用天然砂砾石直接铺设公路的最基层。路堤 边坡也是一种用填石、填土等散体材料填筑的工程，破坏的主要形式：边坡的碎 落、崩塌、深层蠕动与滑坡，均山颗粒材料的力学特性所决定。在青臧铁路的建 设中，铁路穿越永久冻土区时，采用碎石组成的抛石路基，已初步证明这是最有 效地保护冻土带的工程措施之一。在建筑物、构筑物的基础工程中，有许多地基 处理方法都是利用离散的颗粒材料进行地基加固的，如：垫层、散体材料桩及复 合地基中褥垫层等，垫层是浅层地基处理的方法之一，是将基础下面一定范围内 厚度不太大的，不能满足设计要求的地基土挖除，然后分层回填砂、碎石、粉煤 灰等性能相对稳定、无腐蚀性的散体材料，分层压密，形成双层地基，以作为建 筑物的持力层。散体材料桩是用砂、石、灰土等离散颗粒材料与土体一起形成复 合地基，作为多种颗粒材料组合的地基结构：复合地基中褥垫层是通过散体材料 的作用将荷载按一定比例在桩与桩间土之间合理分配，充分发挥桩与桩周土的承 载能力。这些都是很实用的方法，也是地基处理中重要的发展方向许多工程实 例已经证明了上述方法是处理软弱地基或湿陷性土、膨胀土、冻土等的有效措施， 其优点是能就地取材、施工方便、工期短、造价低，因此得到广泛的应用， 然而，岩土独特的变形性质与颗粒组合形成的结构分不开，岩土结构所表现 出来的各种变形和强度特性取决于内部材料颗粒之问和颗粒与孔隙及其他边界 之间的相互影响是其系统内部各种材料结构要素共同作用的结果。在长期的工 程实践中，人们发现岩土体的宏观工程性状在很大程度上受到微细结构的系统状 态或行为的控制，复杂的物理力学性状是其微细结构特性的宏观体现，任何一种 基于适度均匀化处理的连续材料模式都很难准确地表述其结构的复杂性，难以逾 越岩土体微细结构的多样性和不确定性这一巨大的障碍“。通常人们以经典的连 续材料或岩土力学作为理论指导，用宏观力学的方法来建立岩土体变形和强度的 模型，这些模型在工程实践中起到了一定的作用。但是事实证明用这种方法建立 的模型所计算的结果同现场监测的结果往往有较大的偏差，有时甚至会给工程建 设造成一些麻烦和损失。原因在于这种“纯”宏观力学的建模方法对岩土体微细 结构缺乏了解，一些模型参数的物理含义模糊。沈珠江“”先生强调指出：土体结 构性数学模型的建立将成为2 l 世纪土力学的核心问题。这一问题的突破将意味着 人们在深化土力学的本质性认识方面完成第二次飞跃。谢定义”先生认为，岩土 颗粒介质传力特性发j c “奋卜t 程中的若十应用问题 结构的微细观研究与宏观力学特性的结合。使人们不再把岩土作为一个简单的宏 观体，而是把它作为一个具有复杂力学、化学特性的结构体解释了一系列关于岩 土结构特性发生和发展的机理，为岩土在荷载作用下的变化，为力学特性的定向、 滑动、破损、压密等的研究和分析提供了有力的根据。此外，颗粒材料理论用于 岩土损伤力学特性研究也是当前岩土力学领域中广泛关注的前沿课题之一，孙广 忠“”先生将离散的颗粒材料的研究应用于碎裂了的结构岩体，指出：其变形是不 连续的，应力传递具有强烈的结构效应，不遵从连续材料力学法则。由于宏观的 变形破坏为微细颗粒结构变形的积累扩展而成，微细颗粒结构演化规律的实验研 究可以为岩土体宏观理论提供重要的依据，有利于对岩土材料微细应力场和位移 场变化的认识及其本构关系的建立。 因此，运用颗粒材料理论去掌握微细应力传递、变形破坏规律，研究颗粒之 间和颗粒与孔隙及外界之间各种作用力的相互影响，可以为岩土工程出现的问题 给予更科学的解释并加以解决，也有助于岩土工程材料以及土体固结、流变机理 的深入研究。但是，由于其复杂的力学特征使岩土工程中颗粒材料的实验及理论 研究远远落后于工程实践。 1 4 国内外关于颗粒材料中力传递的研究现状 有关颗粒材料的研究历史在物理学中至少可以追溯到十八、十九世纪， c o u l o m b “3 1 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 c o u l o m b 定律； j a n s s e n “”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。尽管对颗粒材料的研究很早就已经开始，但对其广泛深入研究是近十多年来 才引起科学工作者普遍关注的。因此，颗粒材料是近年来由多学科交叉发展起来 的- - f 新兴学科。近年来国外力学、物理及工程界一些实验和理论研究：如j a c e o h s n o c i j e r m 3 研究均匀小球堆积体在自重的作用下，应力分布的不均匀性； m i g u e d as i l v a j e a nr a j c h e n b a c h 指出在集中力p 作用下，颗粒材料堆 兰州人学博i 一# 位论文 中呈现出力点的分布为抛物型，其顶点就是受力点p ；d a n i e lm m u e t h 9 1 描述 颗粒材料具有搭拱效应，通过用复写纸测量压力的斑痕，发现当作用在颗粒上压 力大于系统平均压力时( f ，f ) ，力的概率分布p = p ( f = f f ) ( f 是无量纲 化了的力) 成指数衰减，衰减因子为( 1 54 - 0 1 ) ，当作用在颗粒上压力小于系统 平均压力时( fcf ) ，力的概率分布函数是个幂律关系；j o e n g l 5 】等用光弹影 像中像素的密集度来决定力的大小，分析了圆形与五边形颗粒组成的颗粒堆内部 的应力，并得出了相应的定量结果，他们发现由规则的圆盘组成的颗粒堆具有明 显的双峰效应，而对于由两种尺寸圆盘或五边形颗粒组成的颗粒堆没有双峰效 应t 相压的压力分布函数是条单峰曲线，峰的宽度与颗粒堆的深度成正比。 r o w e i n 也从砂土颗粒的受力和运动规律出发，研究了其多变性和剪胀性，得到 很有意义的结果；b o r s tr 等启用c o s s e r a t 早年提出的颗粒状材料理论( 偶应 力理论) n 8 3 ，在原来对连续材料定义的应力之外还需要增加力偶项，而应变之 外还需补充旋转项。针对二维棒状颗粒集合体，m u h l h t a u s d g 等根据虚功原理推 导了宏观应力和应变增量与微观接触力及接触点变位增量之间的关系：o t t o 啪1 等在经典弹性理论的基础上，考虑到应力链的特点，提出了各向异性弹性理论； b o u c h a u d ，c a t e s 和c l a u d i n ( b c c ) 叫等则设立了一个特别的“连续”关系式 盯；。s ：= k ( k 为常数，盯。、盯。为二维应力张量的两个正应力分量) ，将之代入 应力平衡方程，得到应力场的一系列双曲偏微分方程。c o p p e r s m i t h 吲等则将应 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g 。模 型，每一个颗粒将承受的力传递给下面的n 个l f i ；i 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( q 在01 之间) ，即 假设第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g 且满足 颗粒介质传山特忡及j e n - 岩十1 + 程中的若十戊用问题 归一条件 q ( ，= 1 , 2 ，n ) ， ：q ，= 1 。 铝 s i l v a 和j r a j c h e n b a c h “等的块状颗粒堆实验则验证了抛物线型方程的正确 性：d eg e n n e s “1 等发现散沙子堆积的形状与其沙堆内部应力分布与其成堆的历 史有关；o r o n “”等用颗粒堆实验观察到了密集的颗粒堆中形成的无序的空间构 形，由于颗粒堆内部可以形成力拱或力网，使堆内部应力的分布不均 匀，j d u r a n 曲1 等认为颗粒堆内部形成拱是自发的随机过程，它不但与摩擦力有 关，且与容器直径和颗粒直径之比及颗粒排列情况等因素有关；e l o y ，c l e m e n t ” 和s o c o l a r 提出了矢量模型一a 模型，a 模型的竖直力在向下传递中会左右 传播，在围压的作用下会自然形成拱结构。p h i l i p p e 。7 1b o u c h a u d 强调了颗 粒材料的力传递中存在着特殊的途径；刘源啷1 也实验研究了受集中荷载作用的 二维弹性正方块颗粒堆内的应力应变范围，并得到了不同深度下法向力半定量的 分布曲线。特别是最近，国外的许多实验工作致力于颗粒材料的特性问题。这些 实验有利于离散颗粒力学模型的建立。在近几十年来，描述离散颗粒力学特性的 研究有了很大的进展。人们在颗粒系统宏观应力应变关系的研究中引入各种各样 的概念，如双屈服面、边界面、各向异性的硬化规则等等，还出现了以本构 方程的张量函数表示理论为框架的亚弹性、亚塑性模型来描述颗粒材料的力学特 性。“1 。其主要目的都是为了反映颗粒系统的主要力学特性，如非线性、非弹性、 剪胀性、硬化与软化特性等。但由于有着很强的复杂性，随机性以及大量的不确 定因素，颗粒材料的研究目前仍属初级阶段，一些有关颗粒介质的问题一直还在 干扰着人们的生活。正如诺贝尔物理奖得者d eg e n n e s 所言：“当今科学家对颗 粒材料的认识水平仍处于上世纪3 0 年代对固态物理的认识水平。”在力学方面， 过去人们提出了许多不同的理论框架，大体上可以把它们划分为：线弹性模型、 刚塑性模型及理想弹塑性模型( 常见的表达形式是用弹性理论中的广义虎克定 律，不能反应离散颗粒体的许多变形特征) ；非线性弹性模型( 没有反应散体材 料的塑性特性) ；弹塑性模型( 没有突破经典弹塑性理论的框架，总的变形分解 为弹性变形和塑性变形) ，均具有大的近似性和局限性。还没有发现任何一个理 论和模型能够完善的解释颗粒系统中的各种特性：弹性力学中的广义虎克定律， 兰州人学博“f 学位论文 具有形式简单，工程实用方便的特点，但不能反映颗粒材料的许：多变形特征：非 线性弹性模型用来描述加载条件的应力一应变关系，没有反映颗粒材料的塑性特 征。经典弹塑性理论中的总变形要求分解为弹性变形和塑性变形两个部分，同时 还依赖于屈服面或塑性势以及流动法则。而颗粒材料在压缩或剪切时都没有明显 的屈服点，而且往往从加载- 丌始就出现残余变形，因此对于颗粒材料不易判断总 变形中的弹性部分和塑性部分以及弹性阶段和塑性变形阶段的转变点，在弹塑性 模型假定的弹性范围内存在着塑性变形。 当今，颗粒材料研究已受到了越来越多科学家的关注，颗粒材料研究及工程 应用研究正在悄然成为新的国际科研热点领域之一“1 ”，经过研究者们的努力，人 们对颗粒材料体现的丰富多彩的现象已有了初步的认识，得到了一些规律。探索 颗粒材料的一般力学规律具有基础性的科学意义和十分重要的现实意义，从微观 力学角度来探讨离散颗粒的特性，建立颗粒系统宏观的响应与细观的颗粒分布、 颗粒之间的摩擦、颗粒群的密度以及颗粒的力学特性等因素的联系。反映了离散 材料力学特性的内在机理，也是离散力学研究中的方向之一。 1 5 地基处理中离散颗粒材料应用的研究现状 无粘或微粘离散颗粒材料( 砂、碎石等) 在地基处理工程中应用的很多，如砂 石垫层、抛石路基、砂桩、石桩、灰土桩等。许多工程应用已证明了上述方法是 处理地基、路基的有效措旌，它们既有较好的加固效果，又有良好的经济效益。 散体材料垫层法作为建筑物的持力层是地基处理中一个重要的发展方向其优 点是能就地取材、旌工方便、工期短、造价低，因此得到广泛的应用。在刚性桩 复合地基中应用颗粒材料起到调整桩土荷载分担比的作用，是其他连续介质材料 取代不了的。但关于用离散颗粒状工程材料( 砂、石、灰土等) 加固地基，应力 分布的研究资料很少。目前其应用基础研究远远落后于工程实践，在工程设计中， 颗粒介质传山特性段j e 相：岩卜下程中的若十心用问题 通常视离散颗粒材料加固层为一均质材料层，假设基底附加应力在挚层内以连续 介质的扩散形式均匀向下扩敞，或把挚层视为”上硬下软”的双层地基，作为 对把垫层视为均质材料层算法的补充。对于离散颗粒状工程材料构筑物中应力分 布的研究，通常是以弹性理论为基础。用弹性理论的公式或采用一些半经验公式。 散体材料桩主要包括碎石桩和砂桩。碎石桩和砂桩于1 9 世纪3 0 年代起源于欧 洲，但长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和设备而影 响了它的发展砂桩在5 0 年代引入我国，近2 0 年来，我国在松散砂土地基、软弱 土地基、大坝、道路、桥涵、大型厂房及工业与民用建筑地基上广泛采用碎石桩、 砂桩加固地基取得实效。各种不同的施工工艺相继产生，如沉管法、振动冲法、 袋装碎石桩法、强夯置换法等陆续出台。随着工程实践的大量应用，推动了散体 材料桩理论研究的发展，复合地基计算方法也有很大发展。国内外学者h u g e h e s w i t h e s 和w o n g “2 1 等都提出碎石单桩的承载力计算公式；b r a u n s “”基于某些假设 和极限平衡条件，推导出了碎石桩极限承载力计算公式；盛崇文“”将这个理论推 广到复合地基，导出加固碎石桩的复合地基承载力，并且采用桩或土的载荷实验 资料、置换率及按经验估计桩土应力比来推算复合地基的变形模量，以此计算复 合地基承载力和沉降量“；。林孔锚“”用圆弧滑动法计算复合地基的极限承载力 郭蔚东、钱鸿绪“7 1 研究了塑性能量，求解柔性碎石桩发生鼓胀破坏、整体剪切破 坏及相应破坏形式的复合地基承载力；王余庆“8 1 等利用现场静载荷资料对圆筒形 孔扩腔理论、被动土压力理论、极限平衡理论等进行了可行性验证；h u g h e s “9 假设桩侧向膨胀时体积不变，指出：碎石桩的主要破坏形式是鼓胀破坏，桩顶以 下一倍桩径范围内容易发生较大的鼓胀变形。在沉降过程中桩的垂直应力和侧向 应力不变时，得到了碎石桩的沉降量计算式；p r i e b e “”基于半无限弹性体中园柱 1 2 兰州人学博i 学位论文 孔横向变形理论，提出了碎石桩复合地基沉降汁算方法；j u r a n ”“在改装后的三 轴实验仪一i x 分别进行了围压和侧限为常量的两种条件f 碎石桩复合体、胶结碎石 桩复合体实验，并指出：对于碎石桩复合体、桩和土都有径向膨胀的趋势，要约 束径向变形，需增加径向压力，在较高置换率下，群桩效应可限制桩的横向变形， 从而能有效地降低地基的沉降。g o u g h n o u r “2 1 提出了应变折减法来确定碎石桩加 固区的压缩量；b a l a a m ”1 提出了碎石桩复合地基有限元分析方法，将桩及其影响 范围内的土体组成的园柱体作为一个代表性的单元来考虑，按轴对称问题求解； p o r o o s h a s b ”1 在假设系统几何非线性，材料线弹性，桩体底部座落在硬土层上、 在桩规则分布的前提下，通过理论分析得到了碎石桩复合地基荷载一沉降关系， 等等。 对于刚性桩复合地基，黄熙龄先生提出在承台下设置颗粒材料褥垫层，即设 置一定厚度离散颗粒材料组成的垫层，以调整地基土中桩土荷载的分配，充分发 挥地基土的承载能力。由于桩的模量远大于土的模量。桩间土表面变形大于桩项 变形，在荷载作用下，桩向垫层刺入，伴随这一变化过程，颗粒材料不断调整补 充到桩间土表面上，基础通过垫层始终与桩间土保持接触，桩问土始终参与工作， 桩间土承载能力可以得以发挥“5 自4 0 年代以来，国内外学者在颗粒材料强 度和变形特性、渗透、实验材料的模拟方法和尺寸效应等方面对颗粒材料的工程 性质进行了系统研究。 上述这些都是现阶段离散颗粒材料在地基处理工程中的应用情况，其理论基 础，力学响应分析均以经典的连续材料或岩土力学作为理论指导，对离散颗粒材 料实际承载过程中桩和土的应力应变的变化规律缺乏深入的研究。散体材料桩复 合地基及离散颗粒材料组成的垫层均属于离散颗粒材料集合。离散颗粒材料集合 是一种特殊的变形材料，它具有特殊的应力一应变关系和特殊的强度一变形规律。 静力一动力响应性质具有复杂而奇异的非线性效应。受荷后，内部结构发生变化， 在宏观上表现出复杂的变形特性。在多年的摸索中人们认识到，不深入探究地基 变形与细微结构改变之间的关系，而仅仅限予从宏观上假设屈服面、塑性势等办 颗粒介质传力特性艘j c n ：岩十t 程中的若十心用问题 法，是不可能建立起真正符合实际的本构模型的。因此，把颗粒介质力学研究与 地基应力、应变和强度关系结合起来，把地基的变形、强度机理与工程性质指标 结合起来，力+ 能有效地解释颗粒材料加固地基工程中的许多特性。离散颗粒材料 处理地基正是种方兴未艾的地基处理方式。它不仅能在一定程度上解决地基承 载力问题，而且能改善地基的变形性能。但目前还没有简单而实用的计算方法。 虽然近年来有一些文献从细观力学角度来探讨散粒体的力学特性，但这些用于反 应不同背景下的工程中离散颗粒体的应力分布及变化规律，对于离散颗粒材料地 基加固工程的设计、可靠性的预测和有效的控制问题等是远远不够的。应用这一 方法研究岩土工程问题还刚刚开始，成果不多，进一步深入、拓展这一研究方向 具有优先价值和广泛的应用前景。 1 4 本文的主要工作 本文在广泛调研国内外文献资料的基础上，以离散颗粒材料地基加固工程及 铁路道渣工程应用为背景，研究颗粒材料传力特性，本论文在几个方面进行了研 究，内容如下： 1 、实验研究 颗粒集合中力传递及分布规律的定量实验研究：分别以理想颗粒( 钢珠) 和天 然颗粒( 砾、碎石) 作为颗粒材料，研究了外部集中荷载力在有序对称排列和无序 堆积中的传导、扩散规律及不同的定量方法。对颗粒堆中力传递特性、力的分布 规律，扩散范围，以及设备及人工因素对实验的影响进行了定性与定量分析。 2 、理论研究 应用随机理论和非线性科学方法，对实验数据进行统计分析，分析实验的随 机性、传力的波动性及各种因素对力传递的影响，建立了初步的随机数学模型。 根据离散颗粒堆力传递特性，分析了垫层中的力扩散及物理特性对颗粒堆中力传 递的影响。 3 、应用研究 从离散颗粒介质力学特性出发，探讨了垫层设计中的几个重要参数( 如：垫 层底部的附加压力、自重应力、垫层的宽度及垫层的厚度等) 的计算模型。分析 了复合地基褥垫层及铁路道渣中颗粒材料传力特性及相关的影响问题。