2007年8月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2007
收稿日期：2005-09-07 修改稿收到日期：2006-01-23 基金项目：国家自然科学基金项目(No. 10272062, No. 50479007)。
作者简介：李建红，男，1979年生，博士研究生，主要从事结构性本构研究。E-mail: ljhz@https://www.doczj.com/doc/513975343.html,
文章编号：1000－7598－(2007) 08―01525―08
结构性土的微观破损机理研究
李建红，沈珠江
（清华大学 水利水电工程系/水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）
摘 要：在前人研究的基础上，针对凸多面体相互接触的性质，推导了三维状态下的微观接触力和宏观应力的关系，并应用于结构性土的研究中。对结构性土，采用以土颗粒之间的胶结和组构为基本研究对象的研究方法，在二元介质理论框架内推导出结构性土破损规律及迭代公式，提出3种破损方式（剪碎、压碎、混合型），同时推导了宏观的柔度张量；对各向同性的结构性土，在球应力加载条件下的破损规律以及变形规律进行了研究，得到了解析解，简单分析的结果与实际相符。 关 键 词：结构性土；微观接触力；组构；破损规律 中图分类号：TU 443 文献标识码：A
Study on mechanism of micro-failure of structured soils
LI Jian-hong, SHEN Zhu-jiang
(Department of Hydraulic and Hydropower Engineering, Tsinghua University, State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, BeiJing 100084, China)
Abstract : Based on previous study, the authors deduced the three-dimensional relationship between micro-contact force and the macro-stress on convex polyhedron. Meanwhile the authors proposed the way dealt with the structured soils through investigating the properties of soil fabric and bonding between soil granulae. Following the conception of binary medium of structured soils presented by SHEN Zhu-jiang, this paper presents three models of failure of bonding under macro-stress and provides the equation for iterative calculation to derive the macro-compliance tensor. As an example, the structured soil behavior with the isotropic bonding and isotropic fabric under the isotropic loading has been studied and the closed-form solution of the failure development and the stress relationship has been derived. The investigations show that the failure of structured soils is caused by both of micro-shearing and micro-tension, which is corresponding with the real experimental study. Key words: structured soils; micro-contact force; fabric; models of failure
1 引 言
结构性土在天然形成的过程中其颗粒表面相互接触的地方形成了物理化学胶结，这种胶结使得结构性土不再是单个的散粒体，而形成相对完整的连续体（准连续体），这种准连续体使得其力学性质介于连续介质和土颗粒等碎散介质的力学行为之间。由于这种研究对象的特殊性，这里有两种方法研 究：宏观损伤力学和碎散介质土力学。
宏观损伤力学是从宏观连续介质出发，以损伤力学为基本出发点进行研究[1, 2]，但这种方法没有 考虑到结构土体损伤后转化为碎散土体的力学行为，在机理方面并不能很好地解释结构性土的力学
行为。碎散介质土力学从散粒体出发，以摩擦材料为基本研究对象，考虑颗粒胶结的影响，这种方法主要在弹塑性理论的框架内进行修正，已被国内外很多学者研究[3-5]。
鉴于结构性土是一种力学性质非常特殊的物质材料，沈珠江[6, 7]总结了以上两种力学研究方法，提出了针对这种物质材料的新的研究思路——破损力 学。在这个力学框架内，结构性土被看作是两种介质材料，即胶结体和碎散体，其力学行为为胶结体逐渐破碎转化成碎散体。这个框架理论目前的工作仅仅在宏观力学方面，其机理研究还有待于完善，而且，其参数的演化规律目前还只能靠假设后判断其结果与试验结果的符合程度来确定，缺乏一种系
统和理论的分析研究[8]。
本文的研究重点是，在破损力学的框架内，从结构性土的微观结构出发进行力学分析，推导出宏观的力学特征以及宏观力学行为在微观层面上的表现，真正把宏、微观的研究方法结合起来。这里，对超固结土进行力学分析，结构性黏土的研究方法有些特别，将在以后的文章中进一步研究。
2 超固结土的微观结构及其微观力学模型的抽象
超固结土的结构性主要体现在两个方面：颗粒之间的排列和颗粒之间的胶结[9]
，如图1所示。
图1 颗粒胶结的性质
Fig.1 The property of bonding between soils
2.1 颗粒之间的排列
没有发生胶结之前，结构性土是一个个散粒体垒积起来的，它的性质与通常所说的重塑土的性质相差无几。在天然重力作用下，它的排列有一定的规律，很多学者[9]都对它进行了研究，并提出了反映土颗粒排列的各种组构张量，比较著名的有Oda,Nemat-Nasser&Mehrabadi [10]提出的ij F = i j N l n n ∧
<>；Nemat-Nasser& Mehrabadi [11]提出的 ><=j i ij n alm N H 等，其中<>代表着在代表性单
位体积内的平均或积分；l 为2个颗粒质心的距离；
m 、n 分别为颗粒质心连线和颗粒接触面的法线
方向。
通过试验和数值计算结果表明，这些组构张量的主方向和它所受应力的主方向一致[12, 13]。对于结构性土而言，颗粒之间的排列就取决于形成初期的主应力的大小和方向。 2.2 胶结
在天然堆积的力学以及物质交换等化学作用下，相互接触的颗粒之间形成了胶结[9]，这种胶结可以承受外部荷载，这是结构性土的强度高于非结构性土的强度的原因。根据胶结形成的原因和过程，
笔者假定某个胶结面上的胶结力()f c τσ=+，其中，σ为两个土颗粒之间的初始接触应力；()f σ为反映物理作用形成的胶结；c 为反映土颗粒所处的环境造成的化学胶结。这个胶结力就可以反映应力历史和环境的作用。
3 组构张量与微观结构之间的作用力
通过分析散粒体任意两个颗粒之间的作用力，Christoffersen,Mehrabadi&Nemat-Nasser [14]以及其它一些学者根据虚功原理，推导出了微观应力和宏观应力之间的关系：
1
/N
a a ij i j a f d V σ==∑ (1)
式中：V 为代表性单元的体积；ij σ为宏观的应力；
a i f 为代表性单元内的第a 个接触的i 方向的接触
力；a j d 为第a 个接触的两个颗粒质心连线j 方向上
的距离。
以此为基础，通过对a i f 和a
j d 的各种简化和假设，Oda,Nemat-Nasser&Mehrabadi [10]；Nemat- Nasser
&Mehrabadi [11]等利用所提出的各种组构张量，计算碎散土体的力学行为，并得出了一些很有意义的结论，这里不再仔细阐述。下面来分析结构性土的宏微观力学特性。
为了研究的方便，这里先考虑土颗粒均为凸面体（这样任意两个接触的土颗粒就只有一个接触面）。如图2所示的结构性土体，考察试样中的任何一个平面（法线方向为)
(n v
）。把所有互相接触的两
个土颗粒的质心连接起来，如果此连接线与所考察的平面相交，则称为相关联接触，图中，相接触的颗粒质心连线只有c1、c2、c3、c4和平面相交，它们相对应的接触1，2，3，4也被称为与平面相关联接触。
图2 微观颗粒的组构排列
Fig.2 The arrangement of micro-soils(fabric)
1
第8期 李建红等：结构性土的微观破损机理研究
基于这种模型，Oda et al.[10]推导了球体的宏微观应力关系，按这种思路，下面推导基于任何凸面体的接触宏微观应力关系。
取某一体积为V 的代表性单元为研究对象，设其所有的胶结面的总数为N ，定义胶结面的密度
V N /=ρ，与平面相交的质心连线长度为l ，其连
线方向为m ，定义质心连线的方向分布函数为
),(m l E ，则有
(,)d d 1l
E l l ?
=∫∫ m m （2） 设代表性单元中这个平面的面积为A ，则在
(,d )l l l +，(,d )+m m m 区间内与此平面相关联的胶结数目为：()(,)()d d n E l Al v l ρ×m m m ，在所考虑的代表性单位体积单元里进行积分，就可以得到与这一平面相关的胶结总数，即
()
(,)()d d n l N E l Al v l ?
ρ=×∫∫ m m m （3）
现在考虑颗粒之间的作用力，考虑力的大小为
f ，方向为'n ，假设此时在(,d )l l l +，(,d )m m m +区间内的接触中，接触力的方向分布为(,,')l m n Γ，那么这些力对宏观的作用力的贡献为(,)E l Al ρ×m ()()
()d d (,,')(')d 'n s v l l f v ?
Γ∫
m m m n n n ，把它们积分起来，就得到了宏观的边界作用力：
()()(,)()(,,')(')n s l
E l Al v l f v ??ρΓ×∫∫∫
i m m m n n d d 'd i i ij j l T v v A σ==m n （4）
由此可得到宏观应力与微观接触力的关系式：
(,)(,,')'d d 'd i j ij l
E l l l f l ??ρΓσ=∫∫∫ m m n m n m n （5）
如果假定l 的分布独立于m 、'n 的分布，则 式(5)可以写成：
?()(,')'d d ';?'()'()d i j ij l E m m n m fn m n l E l l l l
??
?
ρΓσΓ?
=?
?=??
∫∫∫ （6） 式(5)和式(6)的第一个式子实际上与式(1)有着相同的内核，把式(1)展开积分就得到了式(5)。
在式(6)中没有假定f 的大小的分布，因为如果排列一定，其大小是一个定值。H.Ouadfel &
L.Rothenburg [15]
基于光弹颗粒的模拟，提出应力分
布为
{}0
()1n
n
ij
i j f m f
a
m m =+ （7）
Emeriault&Chang [16]利用虚功原理提出以下式
表达微观作用力：
j ij ik k f A m σ= （8） 1
(0.5)?10.25det ij ij ij V lN
δ=
?+ΦΦA （9）
式中：ij A 为与颗粒排列组构相关联的一个张量参数；k m 反映相接触的两个颗粒的质心连线方向；Φ为反映颗粒排列的组构张量，它满足如下的等式：
1
()(1)2π
i ij j E m m m =
+Φ （10） 式（10）表明了颗粒之间的力的分布与宏观应力、颗粒的排列和颗粒质心连线的方向有关。
现在讨论方向m 和'n 之间的关系，m 和'n 之间的关系影响这分布函数(,,')l n Γm 的积分。虽然，对于某一宏观应力ij σ，一定的组构参数ij A ，'n 的方向是可以确定的，但它依赖于宏观应力ij σ的变化，在物理测量上是相当困难的。但在这里，胶结面的法线方向是通过物理方法（例如显微镜等）得到的，它与m 之间的关系也可以得到，这个关系对于以后分析问题是相当重要的。
4 胶结破碎准则
4.1 胶结剪切破碎准则
4.1.1 微观胶结剪切破碎准则
由于计算颗粒之间的相互作用力，是力的单 位，而非应力的单位，故在以后的分析中要把这个力除以胶结面积S 。把这个力沿接触面法线方向和接触面的方向分解，可以得到'/fn S n Q Σ=+s ，其中n 和s 分别为接触面的法线方向和接触面内剪切力的方向；Σ和Q 分别为这两个方向力的大小。
由方程（8）可以得到'n 的方向，即
'n =
Am
Am
σσ （11） 只有在等向荷载和各向同性条件下，'n 才能与m 同方向。
对于n 的方向，与m 并无固定的联系，不同的颗粒，应该有不同的概率分布，对于实际的结构性土，可以通过显微镜观察来求得。这里主要考察它们的点积分布，定义
11
(1),(01)()(,)
0,(other)q r P B q r ξξξξξ?????
==??=?≤≤mn （12） 则它可以规定n 与m 的任意关系。式中q 、r 为概率参数。对于s 的方向，与m 、'n 、n 三者的方向均有关，其表达式为
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岩 土 力 学 2007年
T T ()()?=?Am n Am n
s Am n Am n
σσσσ （13）
式中符号 为求范数符号，在此求剪应力数值的大小。
很明显，s 、m 、n 三者的方向不一定在同一个面内，但是s 的方向分布概率应与n 的分布概率相同。
以前的很多研究都只是囿于二维，因为s 的方向不好确定，现把它拓展到三维。
通过这些方向变换，可得出Σ和Q 的值分别为
T /S Σ=n Am σ；T ()S =?Q Am n Am n σσ （14）
很显然，如果某个接触面上发生破坏，则必须有如下的关系：
max t ≥Q （15）
式中max t 为胶结面上的最大抗剪胶结应力，是天然形成的胶结作用力。一旦接触面上的胶结发生破 坏，则胶结力max t 就消失，颗粒之间的作用力变为
ΣΣ+n s μ，μ为胶结面上的滑动摩擦系数，是材料参数。把已经破坏的方向域定为*?，未发生破坏的方向域为?，则有：*???=+。为了区别
对待m 和'n 分别破坏，需要对他们的方向域分别加上下标。
把接触力沿法线方向和剪应力方向分解，式（5）就变成了
?()(,)d d ?()(,)d d i j i j ij
lS E lS E s Q s s ??
??
ρΓΣρΓσ+
=∫∫∫∫ m m n m n m n m m m m （16）
在域*?内把Q μΣ=带入式（16），则可以得出：
'**
'**'?()(,')'
d d '?()(,)d d ?()(,)d d n m
n m
n m
i
j
i
j
i j
ij
l E f lS E lS E ??????ρΓρΓΣρΓμΣσ
+
+=∫
∫∫∫∫
∫ m m n m n m n m m n m n m n m m s m s m s （17）
在这里，定义t μΣ=?Q 。在式（17）两边加上因胶结发生破坏而发生重分布的胶结应力：
**
'?()(,)d d n m
i j
lS E t ??ρΓ∫
∫ m m s m s m s （18）
则可以得到
**'(,)(,,')'d d 'd ?()(,)d d n m
i j l
ij i j E l l l f l lS E t ????ρΓρΓ=
+∫∫∫∫
∫ m m n m n m n m m s m s m s
σ （19）
式（19）左边的项实际为*
ij σ，于是得到： **
'*?()(,)d d n m
ij ij i j lS E t ??σρΓ=+∫∫ m m s m s m s σ （20）
很显然，利用式(8)，已经能够判断在外荷载作用力下单个胶结面的应力了，一旦单个胶结面上的应力满足破碎条件式(15)，就必须进行应力重分布的计算。因为只要结构性土没有发生整体破碎，其颗粒的排列不会发生改变，也就是ij A 未发生改变，因此，对于部分破碎后颗粒间的作用力仍然可以用式(8)进行计算，只是需要代入式(20)的应力表达 式。
4.1.2 整体破碎准则
在利用式(8)，(15)，(20)反复的迭代计算过程 中，最终的应力能够得到收敛，也就说明结构性土没有发生整体破碎。如果计算的应力不能得到收敛，说明结构性土已经破坏，如果迭代的过程中，计算的破碎域*?只是部分，则会发生剪切破碎；如果迭代的过程中，计算的破碎域是整体?，那么结构性土就发生体积压碎破坏。
由于所涉及到的计算公式特别多，除了很特殊的情况（球应力状态下，下面单独论述）外，这里很难得出一个数学上的精确解，往往需要进行数值解。下面用一个图形来直观地表述这一个破碎的过程。
图3 胶结面的破坏趋势
Fig.3 The tendency of failure of bonding
如图3所示，在代表性单元内任选3个胶结面上的应力分别为矢量1，2，3，n ，s 分别为胶结面的局部坐标，线段OB 的长度代表着胶结面上的胶结力的大小。随着外部荷载的增加，应力矢量 1～3相继与BA 线相交，即达到了破碎。但是总有
些区域，比如无限靠近方向n 的矢量，不会被剪切破坏，这一情况往往出现在各向同性加载条件下。于是就有下面的破碎准则。 4.2 胶结压碎准则
当一些微观作用的胶结面上的作用力相当大，超过了其正常的强度，就会发生胶结的破碎。为了
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第8期 李建红等：结构性土的微观破损机理研究
简便起见，胶结面的抗压强度定为max p ，则其压碎判断准则为： T *max /S p Σ=≥n Am σ （21）
破碎后其胶结面强度变为0，在颗粒内部要发生应力重分布。假定发生破碎的区域为f ?，未发生破碎的区域为i ?，则有
'
?()(,)d d i
i m n i j ij l E f ??ρΓ′′=∫∫ m m s m n m n σ （22）
如果方程的两边分别加上破碎部分的应力，则有
'
*
?()(,)d d ?()(,)d d '
f f m n ij
i j ij i
j
l E f n n l E f n n ??
??ρΓρΓ′′==
′+∫∫∫
∫ m m s m m m m s m m σσ （23）
式中*fn ′=Am σ。
如果胶结面发生破碎，上述静力平衡方程不能满足，则结构性土发生整体破碎。
值得一提的是，这种破碎方式很难发生的，只有在各向同性的结构性土在各向胶结相同的情况下，在球应力的加载条件下才有可能发生。 4.3 混合型破碎准则
这里分两种情况
（1）如果压碎和剪碎在不同的方向范围内发生，即f *??φ=∩，则两个区域内胶结分别满足各自的微观破碎准则，整体破碎准则变为
'
**
'*?()(,')'d d d ?()(,)d d f f m n s m
ij ij i j i j
l E fl l lS E t ????σσρΓρΓ=++
∫
∫
∫
∫ m m n m n m n m m s m s m s
（24）
如果在某一应力状态下，上述方程不能满足，则4.1和4.2所述的剪切破碎和压碎破坏都有发生，称为宏观混合型I 破碎。
（2）如果压碎和剪碎在某些方向区域都发生，即剪切和压碎发生的方向域存在交集，设
f *f*???=∩，则在区域*
f ?
内用压碎准则，其
他区域满足各自微观破碎准则。令***
f ???
=?，
于是整体破碎准则变为
'
**
*
?()(,')'d d ?()(,)d d f f m n s m
ij ij i j i j
l E f lS E t ????σσρΓρΓ=++
∫
∫
∫
∫ m m n m n m n m m s m s m s
（25）
如果在某一应力状态下，上述方程不能满足，则剪切和压碎两种破碎方式均发生，而且破坏方向域有交集，称为混合型II 破碎。
如果通过微观显微镜的观察，可以得到()E m 、(,)m n Γ、?l 、S 、ρ等的值，也可以解答上述方程。
5 结构性土在发生破碎前的应变规律
对于碎散土体的宏观应变的4种微观反映，有学者把碎散体颗粒的变形分为4种[9]：颗粒的压缩、颗粒之间的滑移、颗粒之间的转动、颗粒的滑移和转动。结构性土体在没有发生破碎前是没有颗粒的转动的，只有滑移和颗粒本身的压缩两种变形方 式。
结构性土体内部颗粒之间的滑移只体现在胶结
面发生破坏时颗粒之间的互相错动，但这个幅度是有限的，因为它要受控制并协调于相邻胶结面的运动。对于没有发生破碎的结构性土而言，它们的变形主要体现在颗粒的压缩和胶结面的剪切变形。
F. Emeriault&C. S. Chang [16]和S. Yimsiri&K. Soga [17]分别推导了散粒体小应变下的宏观应变及其增量的微观表示：
1
a a ij i k kj a
U m A V ε=∑ （26）
∑=
a
kj a k a i ij A m U
V
δδε1
（27）
式中：a k m 为两个相互接触的颗粒质心的连线的方向矢量分量；a k U 为相互接触的两个颗粒之间的相对位移。两种表达方式的形式是一致的，在这里采
用全量的形式。
这里重点要研究a k U 的值。如果胶结没有发生破坏，则两个颗粒之间的变形由两个颗粒之间的接触力产生；如果胶结发生破坏，两个颗粒在胶结面上变成了机构，胶结面内发生任意方向和大小的滑移，但同时受控制于周围颗粒的位移。
如图4所示的两个颗粒，在力f 的作用下产生变形。因为力f 在平面N -S （胶结面法线-剪切力最大方向）内，故两个颗粒之间的变形Ｕ也在平面N -S 内，这里因为结构性土的组构没有发生改变，故没有转动发生。由图4可以明显的看出如下的几何关系：
()()n s U l l εγ=?×+?×m n n m n s （28）
式中n ε、
s γ分别为相接触的两个颗粒的压缩应变和剪切应变，其方向为垂直于接触面和平行于最大剪切力方向。
如果对于胶结已经发生破坏的胶结面，胶结面上的正应力仍然产生变形，则上式的位移公式应为
()n U l εχ=?×+m n n s （29）
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式中χ为破碎的剪切面为了满足宏观的应变协调而产生的位移。
将式（28）、式（29）代入式（26）则有
**
*11a a a a ij i k kj i k kj c
U U V V ε=
+∑∑m A m A （30） 写成积分的形式，则为
[][**
s ?()(,)()()?d d ()(,)()ij n i i k kj n i l E A l E l ??
??ερΓεγρΓε=?×+?×+?×+
∫∫∫
∫i
m m n m n n m n s m m n m m n m n n ]d d i k kj s m A m n χ
（31）
图4 颗粒之间的位移、应变规律
Fig.4 The strain and displacement rule between soils
已经破碎的部分的剪切应变未知，但是对于均匀的结构性土，已经破碎的胶结面周围还有没有达到破碎的结构面，也就是整体还没有达到破碎，此时，破碎部分的应变并不是很大，它主要是协调周围颗粒的变形。进行一下简化，式（31）可写成：
[?()(,)()ij n i l E ??
ερΓε=?×+∫∫ m m n m n n
]s ()d d i k kj A γ?×m n s m m n
（32）
现在推求微观的n ε、s γ与微观作用力f 之间的关系。一般而言，它们之间的关系为非线性的，典型的如Hertz 理论的解，但Hertz 理论对于非旋 转体的几何形状的接触力及变形的解并不存在解析解，因此采用近似的等模量来模拟，而且还用两个颗粒胶结面上的应力来代替颗粒内部的应力，其比例通过模量来调整。
假定颗粒之间的压缩模量为n K ，抗剪模量为s G ，颗粒之间的胶结面积为S ，于是
n *
n n n *s s //;//j ij ik k s
j ij
ik k s
f E n A m SK f G s A m SG εγ?==?
?==??
σσ （33） 这里用到了方程式（8），*
ij
σ的定义如式（20）。 把式（33）代入到方程式（32）中，可以得到：
*
?()(,)ij rs l E ??
εσρΓ=∫∫i i m m n m n
n d d r ks k r ks k i
i l lj s n A s A s A SK SG ?
?+?????
m m n m m n （34） 再把定义式（20）代入式（34）有
*
ij ijrs rs ij εε=+c σ （35）
式中柔度矩阵ijrs c 定义为 n s ?()(,)d d ijrs r ks k r ks k i
i l lj l E n A s A s A SK SG ??
ρΓ=??
+????
∫∫i i
c m m n m n m m n m m n （36）
它显然是应力的函数，也是结构性黏土的组构的函数。*
ε为因破碎引起应力重分布而导致的应变增量，它为微观应力和结构性土的组构的函数，定义为
**
'*
2r s
s ?()()(,)d d ()(,)n m
ij r ks k r ks k i i n l E t s s n A s A E s K G ????
ερΓΓ=??
?+????∫
∫∫∫i
i m m s m m m m m m n m n n d d l lj A m m n （37）
从式（36）、式（37）可以看出，很难写出一个明确的表达式，但能够明确看出它们中间的一些关系，破碎域取决于当前的应力状态和结构性土的组构(起始的应力状态)。对于柔度张量ijrs c 而言，它的变化趋势取决于组构张量ks A 的二次方和应力张量
rs σ（它影响破损域的变化）的一次方；对于*ij ε而言，它取决于组构张量ks A 的二次方和应力张量rs
σ的二次方。下面就一个特殊的情况下给出相应的理论解。
6 组构胶结各向同性的结构性土在球
应力加载条件下的变形规律
这是可以给出解析解的一个特例。因为是各向
同性，0ij
Φ=，因此，)?/(ρδl A ij
ij
=，其中l
?为结构性土两个颗粒之间的平均半径；ρ为结构性土胶结的密度。设球应力为ij m ij σσδ=，其中，m σ为球
应力的大小。在这种情况下，m 与n ′同向，而且s 、
m 、n ′、n
四者在同一平面内，?=s m
在这种加载方式下，能求出*
/()m l S Σξσρ=
，*?)Q l S σρ=，可以得出胶结初始发生破碎
的条件为
*
max ?)Q l S t σρ=≥ （38）
对于胶结各向同性而言，max t
在各个方向上都
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是定值。对于式（38）而言，胶结开始破坏时0ξ→，于是*max
?m
l St σρ=。
一旦胶结开始破坏后，就存在应力重分布。由破坏条件式（38）可知，
*
I m ξ （39）
可以看出破坏的程度与方向m 没有任何关系，因此，方程式（31）中，()E m 的分布并没有发生改变，仍为各向同性。
**'0
*
?()(,)d d ?()()d d ()n m
I
m
i j
i j m I ij
lS E t s s lS E M ??ξ?ρΓρξξσξδ=
=∫
∫∫∫
m m s m m m m m m （40） 式（40）中，用到
了's =+m ，0′?=m m ，0d ?
′=∫ m m m 。式'd '0?
=∫ m m m 的推
导：因为T
0′=m m ，建立局部坐标系，以m 和与m 垂直的面内坐标为坐标轴，其向量在局部坐标系内
的表达为：{}{}T T
1,0,0,0,sin ,cos θθ′==m m ，此局部坐标系和全局坐标系之间的转换矩阵为ij β，于是 有123,sin cos i i j j j ββθβθ′==+m m ，于是d j i ?
′′=∫ m m m
2π
1230
(sin cos )d 0i j j ββθβθθ+=∫
毕。
其中
**
1()(()d 3I I m M ξξσμξσξξ=
∫ （41）
当1q =，1r =时，
1,
(01)
()0,
(other)
P ξξξ??==?
=?≤≤m n （42）
得到，323/21
()(3(1))9
I I I I M ξξξμξμ=?+??，于
是就得到了式（20）的简化表达式：
**()ij ij m I ij M σσσξδ=+ （43）
通过这个表达式，就能求出在宏观应力ij σ的作用下，真正作用在颗粒之间的平均应力*
ij
σ，从而判断颗粒之间的胶结有没有发生破坏。
在各向同性球应力荷载下，如果颗粒之间的作用力的方向（见图3，射线1，2，3）垂直于胶结面的方向，那么这个胶结面就永远不会发生剪切破碎。 由压碎准则可以知，破碎的区域满足：
*
II ?/m pl S ξρσ≥。当1ξ→时，其破碎的初始应力为
*?m pl S σρ=，重分布的应力为
II
1
**
?()(,')d d ()d ()d ()f
f
m n
i
j
m i j m
ij
l E f P E m m m N ??ξ
?
ρΓσ
ξξξσξδ′=
=∫
∫∫∫ m m n m n m n m （44）
式中II
1
1()()d 3II N P ξξξξξ=
∫。 对于整体的静力平衡方程为
***
II ()()ij ij m I ij m ij M N σσσξδσξδ=++ （45）
只要式（45）能够满足，则代表性单元内结构性土整体上并没有达到破坏；如果式（45）不满足，则结构体土体整体上达到破坏。从式（45）就可以得到此种情况下代表性单元内结构性土发生整体破碎的宏观应力ij σ。
从以上的分析可以看出，各向同性胶结均匀的结构性土在球应力加载条件下，代表性单元内存在着胶结剪切破碎和胶结压碎破碎两种现象。剪切破碎导致应力重分布，从而使结构体承担的荷载加 大；压碎破碎也导致应力重分布，加重了未破碎的结构体负担，最后在压碎情况下结构体达到了整体破碎。
下面来分析这种加载模式下柔度矩阵，由方程式（45）有
II I
II
II
I
I s 3
2s 23
s ?()(,)1
()d d ()d d ()(1)d ()?5(1)//d r ks k r ks k ijrs i i n l lj r s i j n ijr s n n A m s A m l E l n s SK SG P m A E K l S I P P G l S
G K ??ξξξξξ
ξρΓξξξρξξξξξρξξξξ
??
=?+?????=+??
??=?????+??∫∫∫∫∫∫i i c m m n m n m n m m m m m m （46）
式中1
()3
ijrs ij rs ir js is rj I δδδδδδ=++。
由式（37）有
**'*2?()()(,)d d n m
ij r s
l E t ??ερΓ=∫
∫i m m s m s m s
I II 23
*
()(,)d d (()())()(1)//d ?5II I r ks k r ks k i i l lj n s ijrs s n m ij n A m s A m E Γn s A K G M N I P G E lS ??
ξξξξξξξξξσδρ??
?+=????+?????+??????
∫∫∫ m m n m n m m n （47）
1531
得出了如下的应力-应变方程：
II I II I II
I
23s n 23I II s n 23**
m s
n ()(1)//d ?5(()())(1)()d ?5(1)()d ?5ijrs ij ij ijrs ijrs
m
ij ij
I P G E l S M N I P G E l S I
P G E l S
ξξξξξξ
εξξξξξσρξξξξξξξρξξξσδξξσδρ????
??=?++???
?????
??
+???+?????????????=+????∫∫∫i （48）
从式（48）可以看出，在球应力作用下，均匀的各向同性的结构性土，虽然发生了剪切破坏，但不会出现剪应变，这与实际的情况是相符的。
通过以上的分析可以看出，各向同性的结构性土在发生整体破碎以前，微观的胶结破碎就已经发生，而且更容易发生剪切破碎。微观的胶结发生破碎后，由于应力重分布，未破碎的胶结承受的平均应力比宏观应力要大。
很多与组构有关的试验数据尚缺，先假设一些参数来计算各向均匀的结构性土在球应力作用力下的破碎情况。本文定义材料参数?B l S ρ=，是一个无量纲的量，在球应力状态下是一个常数。定义
max Bt 为一个单位压力值，设定max max /10p t =，
2.0=μ，进行迭代时，步长取max 0.1Bt 。如果按ξ均
布(也即1q =，1r =)来计算，计算出来的破碎体积和作用在结构性土上的平均应力随宏观应力的变化趋势如图5所示。如果改变其微观分布，让m 、n 按照其他的概率分布，可以求出其相应的平均作用力和体积破损的规律（图5）
。从图5可以看出，即使结构性土的各种参数相同，因为其组构不一样，其宏观力学表现也不一样(其破碎时的宏观应力不一样)。
7 结 论
本文从微观颗粒的接触力学来分析结构性土的力学变形性质，得到了如下主要结论：
（1）提出了表征结构性土性质的物理量，对结构性土以颗粒组构和胶结为研究对象。
（2）基于凸多面体推导了三维宏观应力和微 观接触力之间的关系。
（3）从微观的角度对结构性土提出了3种整 体和局部的破损规律。
（4）从微观的角度对结构性土进行了应变分析，得出了柔度矩阵。
（5）对各向同性的结构性土在等向荷载下进 行分析，得到了破损规律和应变的解析解，并得出其破坏形式。
图5 结构性土的破损规律
Fig.5 The relationship between failure development and
the macro-stress
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断口分析及其微观机制 研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。 断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。 对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。 断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行。 脆性断口和延性断口。根据断裂的性质，断口大致分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成；延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成.
土压平衡盾构土体改良微观机理试验研究 马超 摘要 土压平衡盾构通过改良土体的流塑性建立土压舱的动态土压平衡和保证螺旋输土器把渣土顺利排出。施工中土体具有良好塑流性，成为确保土压平衡盾构顺利、高效施工的重要一环。目前，在盾构隧道施工中常采用泡沫等外加剂改良土体，达到盾构施工所需要的效果。国内外很多学者对泡沫的性质和泡沫改良土体做了室内试验研究和现场研究。本课题参考国内外关于泡沫改良土体最新的研究结果，通过发泡装置产生满足盾构施工要求的泡沫，使用该泡沫对土试样进行了改良试验研究，以及泡沫混合土体的塌落度试验，得出了不同含水率下不同泡沫注入比的泡沫改良土体的塌落度值等反映混合土体宏观特性的试验参数。参考塌落度试验的结果，取得最优化的改良后的混合土样，借助工业CT扫描成像系统从微观角度对土压平衡盾构中泡沫改良土体的机理开展了研究。试验中拍摄得到了
泡沫改良后混合土的微观结构图像，并用编制的计算机程序分析其微观结构相关参数（孔隙率、最大孔径、平均孔径、孔隙方向角等）,从微细观的角度对泡沫混合土体进行描述。通过对改良土体微观结构参数的总结分析，验证了塌落度试验结果。本课题中，通过试验研究，从泡沫混合土体的宏观试验和微观结构扫描试验两个角度对改良土体进行研究，总结得到泡沫剂改良土体原理，以及混合土体微观结构的特征，为盾构施工中合理使用泡沫改良土体提供理论依据。 1.两个卵石土的试验结果揭示出这样的规律：在含水率和泡沫注入比比较合理的状态下，混合土的结构比较松散。在含水率和泡沫注入比不太合理的状态下，混合土的细观结构密实 2.三种不同类型的土，黏性土，砂土和卵石土因为其颗粒大小差异，其细观结构也呈现一定的差异。黏性土的黏粒粘结一起，包裹其内部的气泡；砂土颗粒和气泡分布均匀，砂土颗粒和气泡间错排列。卵石土中含有较大颗粒和黏性颗粒，其细观结构往往是以一个较大颗粒为中心，黏性颗粒粘结在大颗粒周围，外面被气泡包围。 关键词：土压平衡盾构;微观机理;土体改良;工业CT
混凝土结构耐久性 1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性 钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，且一直被认为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范围非常广泛。 然而，从混凝土应用于建筑工程至今的150年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏，丧失了结构的耐久性能，已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。 国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。 因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。 正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要，近年来世界各国均越来越重视混凝土结构的耐久性问题，众多的研究者对混凝土结构耐久性展开了研究，取得了系列研究成果，而材料层面的成果尤为显著。迄今为止，已经形成了混凝土结构耐久性研究框架，如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。 图1-1 混凝土结构耐久性研究框架 ?????????????????????????????????????????????????耐久性评估耐久性设计结构层次构件承载力的变化粘结性能衰退模型混凝土锈胀开裂模型构件层次钢筋锈蚀碱－集料反应冻融破坏氯盐腐蚀混凝土碳化材料层次工业环境土壤环境海洋环境大气环境环境层次混凝土结构耐久性
季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法 季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法 摘要： 改革开放以来，我国的经济建设有了突飞猛进的发展，公路、铁路、水利水电等设施的建设大规模地开展，作为所有工程用作基础的土，明确其在各种环境及人为因素下的物理力学性质，对于保证工程的稳定性和安全性是极其必要的。由于土是自然界各种岩石风化形成的，没有哪一种人为作用能控制土的性质，土的物理及力学特征亦因其形成过程而异有很大的不同，因此，不同地区不同种类的土会在相同条件下呈现出各异的力学特征，尤其在多年冻土和季节性冻土区，由于环境影响因素复杂，土的性质更加难以掌握。季冻区路基土冬季冻胀，春季融化，在交通荷载作用下容易发生路面病害，如：鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泥等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害，严重影响整个交通运输事业的发展。 可以说，季冻区路基冻害问题一直是困扰东北地区道路建设的一个重要问题，而路基冻胀是道路冻害产生的最主要影响因素。由于东北地区冬季气候寒冷，细颗粒土路基冻结产生水分集聚（即冻结面下水分向冻结面迁移）并冻结成冰，引起路面冻胀；春季路基解冻，集聚的冰晶体开始融化，由于细颗粒土排水能力差，路基土处于饱和或过饱和状态，承载力极低，在交通车辆作用下容易发生路面鼓包，弹簧，断裂和翻浆冒泡等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害。 下图为由冻胀引起冻害的照片
由此可见，路基冻害现象比比皆是，工程上迫切需要专门有效的措施，以防治由于路基冻胀引起的冻害问题，对季冻区路基土的研究具有十分重大的工程实际意义，刻不容缓。 冻土概念： 当温度低于0oC 时，土中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊连结的土，称为冻土。根据冻结状态持续时间不同，冻土分为瞬时冻土、季节冻土和多年冻土。瞬时冻土是指的冻结状态保持几个小时至半月的土；季节冻土是指的冻结状态保持半月至数月的土；多年冻土是冻结状态持续多年（从几年到上千年）的土。冻土广泛分布在地球表层，是一种低温地质体且冻土区有丰富的土地、森林和矿藏资源，它的存在及演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发展具有重要影响。 冻土分布概况： 多年冻土分布面积约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我国多年冻土面积约206×104km2，约占全国国土面积的21.5%，是世界第三冻土大国，仅次于前苏联，主要分布在青藏高原、帕米尔、西部高山（包括祁连山、阿尔金山、天山、西准噶尔山地和阿尔泰山等）、东北大小兴安岭、松嫩平原北部以及东部地区一些高山顶部（诸如山西五台山、内蒙古大石山、汗山、吉林的长白山和张广才岭等）。季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区，主要分布于北纬30o以北的地区。
混凝土结构耐久性研究现状 由于钢筋混凝土结构结合了钢筋抗拉与混凝土抗压的优点，表现出良好的受力性能，成为应用最普遍最广泛的结构形式，近年对水工结构、港工结构、桥梁结构、建筑结构的大量工程调查显示，钢筋混凝土结构表现出了严重的耐久性问题，许多既有钢筋混凝土结构工程往往达不到设计使用年限就需要进行加固修复，其中耐久性的降低是一大影响因素。钢筋混凝土结构耐久性问题的日益突出，引起了世界各国对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视。 耐久性是指在确定的环境和维修、使用条件下，构件在设计使用年限内保持适用性、安全性的能力。钢筋混凝土结构在其使用过程中经常会受到各种各样的腐蚀和损伤，降低了构件的耐久性和结构的可靠度，导致工程的实际使用寿命往往短于设计使用年限。 影响耐久性的因素，混凝土的碳化，钢筋锈蚀，混凝土的冻融，碱－骨料反应等。 我国在钢筋混凝土耐久性问题上尚缺少全国性的系统资料,但从一些调查资料和发表的有关文献来看,钢筋混凝土耐久性问题也是极其严重的。中国建筑科学研究院的调查表明,我国现役工业建筑物损坏严重,其结构的使用寿命一般不能保证50年,多数在25-30年左右就必须进行大修或加固。1994年铁路部门的统计表明,我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2675座,其中的722座发生裂损；仅使用20年的北京西直门立交桥,由于长期在冬季使用化冰盐,部分梁柱锈蚀严重,现己拆除重建。从发达国家所取得的经验来看,钢筋混凝土耐久性问题造成的损失己是惊人的。美国标准局(NBS)1975年的调查表明,美国每年因腐蚀造成的各种损失为700多亿美元,蚀破坏的修复费,1998年度就需要2500亿美元。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀与防护问题和修复已损伤的钢筋混凝土结构,每年耗资将近200亿英镑,而日本引以为自豪的新干线,在运行10年后也出现大面积的混凝土开裂、剥蚀现象,日本运输省曾检查了其103座混凝土港口码头,发现使用20年以上的都有大量的顺筋裂缝,目前日本每年用于房屋结构维修的费用就达400亿日元。 混凝土结构耐久性降低首先起源于材料性能劣化，继而引起混凝土构件强度、刚度衰减，最后影响整个结构安全。由于客观条件，很多研究基于一般假设，如先钢筋锈蚀后加载试验，忽略荷载对混凝土力学性能劣化影响。在实际工程中绝大多数混凝土结构经受荷载和环境因素同时作用，混凝土在承受荷载时，混凝土本身力学性能退化；同时对钢筋保护作用降低，加速钢筋锈蚀，有效钢筋截面面积减小致使构件承载力降低，钢筋与混凝土黏结性能退化使得钢筋塑性不能充分发挥，降低结构延性。混凝土结构经受荷载和环境因素共同作用，荷载与环境等各因素产生的交互作用使得实际服役混凝土结构破坏过程复杂。研究荷载与环境综合作用下混凝土结构耐久性问题对实际工程更具有意义。 混凝土结构在荷载与一般大气环境综合作用下，荷载对混凝土碳化影响不容忽视，混凝土碳化与荷载大小(应力水平)和荷载形式(拉、压应力)等有关。当荷载应力抑制混凝土内部微裂缝发展时，混凝土碳化减缓; 而当荷载应力扩展混凝土内部微裂缝时，混凝土碳化加速。 荷载与特定大气环境( 如人工气候环境、盐雾大气环境、海洋大气环境等) 综合作用下构件耐久性研究成果甚少。张俊芝等试验研究了人工气候环境下承受荷载作用混凝土梁受压
1试述耐久性极限状态标志及耐久性极限状态的可靠指标取值 答： 混凝土结构发生耐久性破坏可近似认为是当混凝土发开裂到一定程度时混凝土与钢筋之间的粘结力发生破坏从而不能满足受力要求，我国《混凝土结构耐久性设计规》中将混凝土结构构件的耐久性极限状态分为三种：钢筋开始发生锈蚀的极限状态，钢筋发生适量锈蚀的极限状态和混凝土表面发生轻微损伤的极限状态，然而这个破坏程度很难定量描述，同时可知，氯离子浓度是影响钢筋锈蚀的主要因素，所以可以通过对氯离子浓度的定量描述来反映混凝土结构的耐久性能。 在对氯离子侵蚀环境下的混凝土结构进行寿命预测时,保护层内部钢筋表面 的氯离子浓度达到使钢筋开始锈蚀的临界浓度时,即认为结构开始进入失效状态,所以可近似将钢筋表面氯离子浓度达到临界值作为耐久性极限状态的标志。 2.论述混凝土产生裂缝原因及防止方法 混凝土产生裂缝的主要原因可以分为内部材料原因和外部环境作用原因。 1）内部材料原因： 材料原因引起的裂缝各类包括有: 干缩裂缝、中性化伴随钢筋腐蚀产生裂缝、氧化物使钢筋腐蚀产生裂缝、碱集料反应产生裂缝、水泥水化热产生裂缝。 2）外部环境作用原因： 外部环境作用原因引起的裂缝各类包括有：冻融循环作用、干湿交替、盐结晶、施工原因引起的混凝土裂缝、养护条件不当引起的裂缝，结构设计不当引起的裂缝以及建筑物沉降不均引起的裂缝等。 防止措施： 1）合理选择混凝土原材料和配合比，例如骨料品种、水泥品种等。 2）在混凝土中掺加外加剂，提高混凝土的密实度，或配置成高性能混凝土。 3）控制混凝土的搅拌质量和加强混凝土的早期养护条件以及合理的混凝土保护层厚度。4）优化结构设计，加强施工质量。 3.为什么在有盐环境及有干湿交替时耐久性环境等级较差? 答：混凝土是一种多孔材料，内部结构比较复杂，孔洞、微裂缝的分布和形态等对微观特征对混凝土的硫酸盐侵蚀有很大影响，干湿循环对混凝土产生疲劳破坏，干燥状态下水份蒸发，混凝土毛细孔内的硫酸钠溶液浓度上升，溶液过饱和产生析晶，体积膨胀使毛细孔内壁产生微裂缝，降低混凝土试件的抗渗透性；另一方面毛细孔内盐溶液的浓度增大促进了化学反应的速度，侵蚀产物生长速度加快，侵蚀产物富集体积膨胀微裂缝开展，也进一步降低混凝土的抗渗透性。 1）在干湿交替的条件下，潮湿时侵入混凝土孔隙中的盐溶液当环境转为干燥后因过饱和而结晶，还会产生极大的结晶压力使混凝土破坏。 2）盐在混凝土内部孔隙中形成的盐溶液浓度不同，导致渗透压不同，从而在混凝土内部
土的本构关系 土体是天然地质材料的历史产物。土是一种复杂的多孔材料,在受到外界荷载作用后,其变形具有以下特性：①土体的变形具有明显的非线性,如:土体的压缩试验e～p 曲线、三轴剪切试验的应力—应变关系曲线、现场承载板试验所得的p～s曲线等; ②土体在剪切应力作用下会产生塑性应变,同时球应力也引起塑性应变; ③土体尤其是软粘土,具有十分明显的流变特性; ④由于土体的构造或沉积等原因,使土具有各向异性; ⑤紧砂、超固结粘土等在受剪后都表现出应变软化的特性; ⑥土体的变形与应力路径有关,证明不同的加载路径会出现较大的差别; ⑦剪胀性等。为了更好地描述土体的真实力学—变形特性,建立其应力、应变和时间的关系, 在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型,即: 土体的本构关系。 自从Roscoe等人首次建立了剑桥模型以来, 土的本构关系的研究经历了一个蓬勃发展的 阶段, 出现了一些具有实用价值的本构模型。虽然很多的理论为建立土的本构关系提供了有力的工具, 但是由于土是一种三相体材料, 在性质上既不同于固体也不同于液体, 是介于两者 之间的特殊材料, 所以人们常借助于固体力学或流体力学理论, 同时结合工程实践经验来解 决土工问题, 从而研究土的本构关系形成了自己一套独特的方法—半理论半经验的方法。建立一个成功的本构关系关键有两点：第一要建立一个函数能较好地反映土在受力下的响应特征；第二要充分利用试验结果提供的数据比较容易地确定模型参数。模型都需要满足以下基本条件：（1）不违背更高一级的基本物理原理（如热力学第一、第二定律）。（2）建立在一定的力学理论基础之上（如弹性理论、塑性理论等）。（3）模型参数能够通过常规试验求取。从工程应用的角度出发，研究问题的精度就需要进行合理的控制，从而在计算精度与计算设备、计算难度、计算时间以及计算成本之间获得平衡。另外，任何理论、方法都应以实践应用为目的，这样才具有价值。综合上述两点，从工程应用的角度去分析各种土的本构关系是非常有必要的。本构关系是反映材料的力学性状的数学表达式，表示形式一般为应力-应变-强度-时间的关系。土的本构关系十分复杂，除受时间因素影响外，还受温度、湿度等因素影响。时间作为一个主要因素，主要是反映土的流变特性且在大多数情况下可以忽略其影响。同时，强度可以视为土体应力-应变发展的一个特殊阶段，即在发生很小的应力增量下，土体单元将发生无限大的变形。 对于一般的岩土工程问题，稳定问题是主要问题，如地基稳定问题、斜坡稳定问题等，一般采用极限平衡法对土体进行分析。这种分析不考虑土体破坏前的变形过程及变形量，只关心土体处于最后整体滑动时的状态及条件，实际上是刚塑性或理想塑性的理论。20 世纪50 年代末到60 年代初，由于高重土工构筑物、高层建筑以及许多大型建筑物的兴建，使土体变形问题成为主要矛盾。此外，随着计算手段、试验手段的提高，也极大地促进了本构关系的发展。 土的线弹性模型：经典土力学将土体视为理想弹性体,在进行变形计算时采用基于广义虎克定律的线性弹性模型,假定土体的应力和应变关系成正比,通过测定土在不排水条件下的弹性 模量E和泊松比μ,或者体积变形模量K和剪切模量G来描述其应力—应变关系。土的线弹性模型简单,适用于不排水、安全系数较大、土体不发生屈服的情况,工程中可用于:①计算地基中的垂直应力分布; ②计算地基在不排水加荷情况下的位移和沉降; ③基坑开挖问题计算,用于估计基坑在不排水条件下的侧向压力与侧向位移; ④计算软粘土地基在加荷不排水条件下的沉 降和孔隙水压力。 土的非线弹性模型：土体在外荷载作用下一般都要发生屈服,其应力—应变关系具有非线性,土体发生的变形既有弹性变形又有塑性变形,土的非线弹性模型可以较好地描述其变形特性。土的非线弹性模型理论可以分为三类:弹性模型、超弹性(Hyper Elastic)模型(又称Green超弹性模型)和次弹性(Hypo Elastic) 模型。其中影响最大、最具有代表性的主要是邓肯一张
文章编号:1000-6869(2007)01-0007-07 混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展 金伟良,吕清芳,赵羽习,干伟忠 (浙江大学结构工程研究所,浙江杭州310027) 摘要:由混凝土结构耐久性定义入手,首先评述现有的混凝土结构耐久性设计方法,提出耐久性设计的发展应结合结构全生命周期成本(SLCC)的理念;其次总结了结构耐久性的评估和寿命预测方法的研究现状,认为耐久性的评估与寿命预测需要研究确立反映结构使用寿命的耐久性指标,并建立基于动态评估方法的寿命评估体系;最后提出上述方面发展领域尚待解决的一些基本问题,包括:界定给定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;建立耐久性动态检测数据分析理论等。关键词:混凝土结构;耐久性;结构全生命周期成本(S LCC);综述中图分类号:TU375 文献标识码:A Research progress on the durability design and life prediction of concrete structures JI N Weiliang,L B Qingfang,ZHAO Yuxi,GAN Weizhong (Department of Civil Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:This paper starts with the definition of concrete -struc tural durability.Then it presents that durability design method should be combined with the theory of Structural Life -Cycle C ost(SLC C)based on the survey of the recent durability design theories.Moreover,the current situation of evaluation and life prediction of durable concre te structures are summarized,which makes it necessary to determine a durability index reflecting service life and a dynamic life -assessment https://www.doczj.com/doc/513975343.html,st,several basic problems in this domain are brought forth,including definition of durability limit state for c oncrete structures under given environmental condition and usage require ment,determination of inde xes and parameters representing the durability characters of materials as well as structures and establishment of theory for analysis of durability dynamic detection data.Keywords:concrete structure;durability;structural life -cycle cost(SLCC);summary 基金项目:国家自然科学基金重点项目/氯盐侵蚀环境的混凝 土结构耐久性设计与评估基础理论研究0(50538070) 资助。 作者简介:金伟良(1961) ),男,浙江大学结构工程研究所所 长,教授。 收稿日期:2006年8月 0 概述 混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式,由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点,使混凝土 结构不可避免地存在耐久性问题。自混凝土结构问世 以来,大量的混凝土结构提前失效大多源于混凝土结构耐久性的不足。当前欧美等发达国家每年用于已有工程的维修费用都已占到当年土建费用总支出的1/2以上。我国在役以混凝土为主体的结构在数量上居于绝对支配地位,混凝土结构耐久性问题更加突出,存在着/南锈北冻0的耐久性破坏特征。5中国腐蚀调查报告6[1]指出,建筑部门的腐蚀年损失约为1000亿人民币,其经济损失以及对社会安定性的冲击力之大不言而喻。 随着我国东部地区经济的持续增长和西部大开发发展战略的实施,我国正以前所未有的巨大投资进行 7 第28卷第1期建 筑 结 构 学 报 Vol 128,No 112007年2月 Journal of Building Structures Feb 12007
目前土结构层次的划分主要有两种: 一种是按宏观与微观划分为两个层次; 另一种是按宏观、细观和微观划分为三个层次。宏观结构是指可以用肉眼、放大镜或光学显微镜观察到的特征, 如裂隙、孔洞等, 主要着重研究土层赋存状态及不同性状土体在空间的相对位置; 微观结构是土的物质组成在空间排列以及土粒的联结特征, 着重研究颗粒内部的晶体结构、矿物组成、形态及相互关系; 细观结构是指土颗粒或颗粒聚合体之间的相对位置、排列特征、接触状态、粒间连接、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小与形态, 着重研究的对象是颗粒间所发生的作用、结构及内在的原因 试验方法： 仪器设备 体视显微镜（最大放大倍数200倍），沙纸，生物用培养皿 制成月5MM厚，10mm见方的薄片 操作步骤：（1）调试显微镜，并将照相机安装在显微镜接口上，接好快门线 （2）取出制备好的式样放在培养皿中，观察其外观特征是否有微裂缝发育，并调好焦距固定不动。（3）先后观察搅拌前后的试样，并调整至图像清晰，选择有代表性的试样进行显微拍照。 试验结果及讨论： 单一发泡剂对渣土的影响。 不同类型的发泡剂对渣土的影响。 土体微观图像的处理与分析 图像处理 试验取得的原始显微照片为真彩色图像，通过去噪、亮度和对比度调节，使图像更加清晰，再将其转换为灰度图像，通过目测法确定阈值，将其转换为二值图像，运用MATLAB图像处理软件进行图像分析。为了便于孔隙区分及标定，将二值化后的图像反色，即将像素值为1的变为0，像素值为0的变为1。运用MA TLAB图像处理函数库，并编制相应的程序，进行相关孔隙参数计算。 图像分析 通过计算机图像处理得到微观结构参数、几何形态的变化以及土体孔隙的分形特征。 1微观结构参数 主要参数包括：孔隙个数、总面积、总周长、面积分级、平均孔径等。 2微观结构的几何形态 主要指微结构的空间方向性，包括形状系数、圆度和各向异性率。 土体的细观结构是指土颗粒之间的相对位置接触状态、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小与形状。细观结构研究的对象是颗粒间所发生的作用、结构及内在的原因。细观结构与土体宏观结构、土的微观结构研究的重点差异是土体宏观结构着重研究十层赋存状态及不同性状土体在空间的相对位置> 土的微观结构着重研究颗粒内部的晶体结构、矿物组分、形态及相互关系。显然, 从研究对象的空间尺度看, 笔者所定义的土体的细观结构是介于土的微观结构与土体的宏观结构之间。 组成土的细观结构有颗粒、胶结物及孔隙。对于 固相介质, 又以是否易溶于水而分为可溶相与不可溶相。图?? 为细观结构示意图。结构中的孔隙由水或水和气或气所占据, 不可溶相包括难溶矿物颗粒和难溶盐组成的胶结物。
学年论文 混凝土耐久性研究综述 学生姓名叶儒剑 学号10134237 院系工学院 专业土木工程 指导教师杨丽君 完成日期2013-6-9
混凝土耐久性研究综述 摘要: 混凝土结构虽然是一种应用非常广泛的结构形式，但因其材料自身和使用环境的特点，在有些情况下出现较严重的耐久性问题，这已经给各国带来了巨大的经济损失和财政负担。本文主要阐述了国内外混凝土耐久性的研究发展现状，并介绍了提高混凝土耐久性的措施与方法。 关键词:混凝土耐久性；经济损失； 引言 混凝土结构的耐久性是指结构在使用过程中，在内部的或外部的、人为的或自然的因素作用下，保持自身工作能力的一种性能[1]，指结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力[2]。 长期以来，耐久性不足导致结构破坏的事故时有发生，造成的损失也是难以估量的。混凝土结构的耐久性问题十分复杂，常见的破坏因素分为九大类：冻融循环、碳酸化、碱集料反应、钢筋锈蚀、化学腐蚀、海水侵蚀、淡水溶蚀、应力破坏及多因素综合作用，在这些破坏因素的作用下，混凝土的使用寿命大为缩短。 由结构混凝土耐久性不足造成的后果是非常严重的。美国1975年由于腐蚀引起的损失达700亿美元，1985年则达1680亿美元[2]：1991年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元[3]。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达200亿英镑[4]。建国初期的建筑均已达到必须大修的状态；现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修加固[5][6]. 提高混凝土耐久性就是要针对这些内外影响因素采取合理有效的技术措施和管理措施。 1 国内外混凝土耐久性研究现状 1.1 氯离子侵蚀环境下混凝土结构耐久性研究 钢筋腐蚀是影响混凝土耐久性的主要因素，氯离子又是导致钢筋腐蚀的主要原因，而处于海洋及除冰盐等氯侵蚀环境下由于氯离子侵入造成的混凝土结构破坏是最严重的。
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。结构性软土具有结构强度。因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。研究的结果对在软土工程有着重要意义。（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。给出了压缩特性的微观行为，提出了作者自己的一些观点。（4）通过三轴的固结不排水和不固结不排水试验，研究了结构性软土在不同的围压下的应力－应变关系，应力路径对结构性软土的影响以及孔隙水压力的变化规律。（5）论文分别从制备土样、制备拍照样品、SEM图像的拍摄、数字图像处理等方面介绍了软粘土微观分析操作步骤。运用MATLAB对SEM图像的灰度直方图、图像阈值分割和边缘检测进行分析。探讨阈值分割和边缘检测算子对SEM图像的影响。介绍了IPP专业图像分析软件对SEM图像进行测量方法与技巧。（6）采用IPP软件分别对颗粒的面积、颗粒的平均形状系数和孔隙的面积、孔隙的平均形状系数、孔隙的个数、孔隙的等效直径、面孔隙比、面孔隙度、孔隙的圆度、孔隙的定向频率等方面分析了随荷载的变化规律。（7）考虑软土的结构性，引入损伤比概念，对邓肯－张模型进行修正。修正后的模型能够更好的反映结构性软土的应力－应变关系。探讨了结构性软土的应变软化和应变硬化的变化规律，从而得出不同的阶段有着不同的初始弹性模量和K、n值。（8）鉴于土结构的不确定性及其力学性状的非线性表现，采用BP神经网络模型建立结构性参数的非线性模型是一种可行的办法。研究了结构性参数与结构特征参数间的关系。结果表明孔隙总面积、孔隙平均孔径、孔隙圆度与结构性参数有较强的相关性，而孔隙分维数、颗粒总面积、颗粒平均孔径与之则较差。
·综述· 混凝土耐久性研究现状和研究方向 卢 木 (清华大学土木工程系 100084) 摘 要: 阐述了混凝土耐久性研究的背景、意义和动态,从材料、构件和结构三个层次总结归纳了国内外混凝土耐久性研究的成果,并提出了今后的研究方向。 关键词: 混凝土耐久性 碳化 钢筋锈蚀 冻融 寿命预测 RECEN T STUDY AND RESEARC H DIRECTION S OF CONCRETE DURABILITY Lu M u (Dept.of Civil Eng rg.,Tsingh ua Univ. 100084) Abstract: Presented in this paper is a discription of th e background,significance and present dev elopm ent of concrete du rability s tudies.Recent accomplis hments are summ arized on th ree levels-material,component and structure.Directions of fu tu re res earch are also proposed. Keywords: concrete durability carbonation reinforcing s teel corrosion freeze-thaw s ervicelife p rediction 1 引 言 随着我国现代化进程的加快,各类社会基础设施的建设方兴未艾。这些构筑物大都为钢筋混凝土结构,其设计方法除了传统的强度、刚度等力学性能指标设计,还要考虑耐久性、经济性进行寿命设计。跨世纪的建筑不仅要求具有安全性、功能性,而且要求具有足够的耐久性[1]。 到本世纪末,我国现有房屋将有50%进入老化阶段,也就是说将有23.4亿m2的建筑面临耐久性问题[2]。如何对这些建筑进行科学的耐久性、经济性评定以及剩余寿命的预测,是当今土木工程领域的研究热点。 如何找到一种简便易行的钢筋混凝土结构剩余寿命的预测方法,该方法综合地考虑了结构的耐久性、安全性和经济性,并将其有机地结合起来,从而为在役结构的维修决策和新建结构的寿命设计提供依据,已成为当今混凝土研究的迫切任务。 2 混凝土耐久性研究的背景 所谓混凝土的耐久性,是指在使用过程中,在内部的或外部的,人为的或自然的因素作用下,混凝土保持自身工作能力的一种性 收稿日期: 1996-11-25 DOI:10.13204/j.gyj z1997.05.001
混凝土结构的耐久性研究 由于混凝土结构材料自身特点和使用环境的特点，混凝土结构存在着严重的耐久性问题。本文介绍了混凝土结构的耐久性研究的现状、影响因素及提高混凝土结构耐久性的应对措施等，进而提出了一些针对我国混凝土结构提高耐久性的方法和建议。 标签：混凝土结构耐久性影响因素可靠度 0 引言 混凝土耐久性是指混凝土在使用条件下抵抗周围环境中各种因素长期作用而不破坏的能力。环境对混凝土结构的物理化学作用以及混凝土结构抵御环境作用的能力是影响混凝土结构耐久性的因素，对现有混凝土结构进行的耐久性检测与评估十分重要。 导致结构耐久性失效因素很多，大体可以分为以下几种情况： 1 导致结构耐久性失效的原因 1.1 结构师考虑不周造成的原因 虽然结构设计师最大程度的考虑了结构安全和使用的各方面因素，但技术人员对规范的领悟深度水平参差不齐，而且不同工程具有不同的结构特点、环境和施工质量差异，这些因素都会在建筑结构中留下隐患，引起结构耐久性失效。 1.2 结构在使用过程中遭环境侵蚀或损害以及随意改变建筑物的使用功能 结构使用环境对混凝土的侵蚀可分为物理、化学、生物作用，混凝土的耐久性可分为混凝土碳化、氯离子侵蚀、冻融破坏、碱-集料反应和钢筋锈蚀等例。此外意外灾害也是造成结构损害的一个常见因素，例如火灾便是较为常见及损害最严重的意外灾害，对结构产生损害的原因还可能是由于对建筑物使用不当造成的。 随着社会发展，建筑物在使用过程中有时会对原有使用功能进行调整，使用功能和要求的改变，都将使原有结构可靠性改变，其中结构耐久性不容忽视。因此随意调整建筑物使用功能是影响结构耐久性另外一个原因 由此可见，从混凝土结构的耐久性的定义，要素和失效等方面来看，混凝土结构耐久性的研究应从环境、材料、构件和结构四个层次上加以展开，而结构层次的耐久性检测与评估是极其重要的。 2 结构耐久性评价工程背景
第一章土的物质组成和结构 一、土和土体的概念 1．土(soil) 地球表面30－80km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。 土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固体相、液体相、气体相和有机质（腐殖质）相四相物质组成。 不同的风化作用，形成不同性质的土。风化作用有下列三种：物理风化、化学风化、生物风化。 2．“土体”(soil mass) 土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。 土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。 二、土和土体的形成和演变 地壳表面广泛分布着的土体是完整坚硬的岩石经过风化、剥蚀等外力作用而瓦解的碎块或矿物颗粒，再经水流、风力或重力作用、冰川作用搬运在适当的条件下沉积成各种类型的土体。 再搬运过程中，由于形成土的母岩成分的差异、颗粒大小、形态，矿物成分又进一步发生变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作用形成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。 土体沉积后： a.将经过生物化学及物理化学变化，即成壤作用，形成土壤（1）靠近地表的土体 b. 未形成土壤的土，继续受到风化、剥蚀、侵蚀而再破碎、 再搬运、再沉积等地质作用。 （2）时代较老的土，在上覆沉积物的自重压力及地下水的作用下，经受成岩作用，逐渐固结成岩，强度增高，成为“母岩”。 总之，土体的形成和演化过程，就是土的性质和变化过程，由于不同的作用处于不同的作用阶段，土体就表现出不同的特点。
三、土的基本特征及主要成因类型 （一）土的基本特征 从工程地质观点分析，土有以下共同的基本特征： 1．土是自然历史的产物 土是由许多矿物自然结合而成的。它在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素作用后形成各类土的形成时间、地点、环境以及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，其工程地质性质也就有所不同。 2．土是相系组合体 土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系。相系组成之间的变化,将导致土的性质的改变。土的相系之间的质和量的变化是鉴别其工程地质性质的一个重要依据。它们存在着复杂的物理～化学作用。 3．土是分散体系 由二相或更多的相所构成的体系，其一相或一些相分散在另一相中，谓之分散体系。根据固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分为①粗分散体系（大于2μ），②细分散体系，（2～0.1μ），③胶体体系（0.1～0.01μ），④分子体系（小于0.01μ）。分散体系的性质随着分散程度的变化而改变。 粗分散与细分散和胶体体系的差别很大。细分散体系与胶体具有许多共性，可将它们合在一起看成是土的细分散部分。土的细分散部分具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有较大的表面能。 任何土类均储备有一定的能量，在砂土和粘土类土中其总能量系由内部储量与表面能量之和构成，即： E 总＝E 内 ＋E 表 4．土是多矿物组合体 在一般情况下，土将含有5～10种或更多的矿物，其中除原生矿物外，次生粘土矿物是主要成分。粘土矿物的粒径很小（小于0.002mm），遇水呈现出胶体化学特性。 （二）土体的主要成因类型 按形成土体的地质营力和沉积条件（沉积环境），可将土体划分为若干成因类型：如残积、坡积、洪积…… 现就介绍几种主要的成因类型、土体的性质成分及其工程地质特征。 1．残积土体的工程地质特征 残积土体是由基岩风化而成，未经搬运留于原地的土体。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中剧风化带。 残积土一般形成剥蚀平原 影响残积土工程地质特征因素主要是气候条件和母岩的岩性： 1）气候因素 从而使得不同气候条件不同地区的残积土具有特定的粒 度成分、矿物成分、化学成分。 ①干旱地区：以物理风化为主，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏粘土矿物，具有砾石类土和工程地质特征。 ②半干旱地区：在物理风化的基础上发生化学变化，使原生的硅酸盐矿物变成粘土矿物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有较多的可溶盐类；如碳酸钙、硫酸钙等。 ③潮湿地区：a、在潮湿而温暖，排水条件良好的地区，由于有机质迅速腐烂，分解出CO2，有利于高岭石的形成。b、在潮湿温暖而排水条件差的地区，则往往形成蒙脱石。 可见：从干旱、半干旱地区至潮湿地区，土的颗粒组成由粗变细；土的类型从砾石类
第1章土的物理性质及工程分类 1.1基本要求 1．了解土的形成过程，理解土的基本概念。 2．理解土的三相组成，明确土是由土粒、水和空气组成的三相体。 3．掌握土的粒径级配的分析方法(包括土颗粒组划分、颗粒大小分析试验、粒径级配曲线绘制、级配好坏的判断指标及标准、粒径级配在无粘土分类上的应用)。清楚土的级配曲线及其用途。 4．理解土的三相比例指标的定义并掌握其计算方法。建立土的三相图，掌握各指标的定义和公式，推导换算公式。应区分可直接测定的三个基本物理指标的测定方法。 5．了解土的物理性质，搞清土的物理性状指标的定义并掌握它们之间的换算关系及其用途。 6．了解表征土的状态指标，掌握如何利用这些指标对土的状态作出判断。此外，对于塑性指数、液性指数的定义及其意义也应明确。了解砂土的相对密度的概念与意义。 7．了解土的工程分类方法及其步骤。 1.2 重点和难点 1．重点 土的三相物理指标及换算关系。 土的粒径级配的概念。 土的物理状态的判断。 2．难点 土的三相物理指标的换算。 1.3内容辅导 1.3.1 本章重点和难点解析 本章可分为三部分内容：第一部分是从土的形成入手，定性地讨论土的物理性状。这一部分是比较重要的，因为它从机理上阐明了土的属性以及土中三相物质之间的内在联系，是研究土的物理和力学性状的理论基础；第二部分在第一部分的基础上，进一步从定量的关系上讨论了土的性状，并进一步讨论了土的颗粒特征、土的粒度成分及其分析方法、土的结构特性、粘性土的界限含水量和砂土的相对密度等概念及意义，给出土的级配的定量表达方法。 第二部分是本章的核心内容，因为只有以定量的关系来表征土的性状时，才能对土的