巖土工程實(shí)踐工作中土力學(xué)相關(guān)問(wèn)題研究

陳 強(qiáng)

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，四川 成都 610000 ）

土壤是人們生活中常見(jiàn)的物質(zhì)，為植物提供養(yǎng)分及載體的同時(shí)，人們?cè)谕寥阑鶎咏⒎课莸仍O(shè)施，或者在土層中鋪設(shè)管道，對(duì)此，土壤成為一種工程材料，需要人們對(duì)巖土工程力學(xué)特性有足夠認(rèn)識(shí)。在長(zhǎng)期實(shí)踐中，人們已經(jīng)形成對(duì)巖土工程的感性認(rèn)識(shí)，比如，人們利用直剪儀測(cè)試土壤力學(xué)。后續(xù)的研究中開(kāi)始對(duì)土壤各項(xiàng)性能總結(jié)規(guī)劃，讓人們對(duì)土壤有全面認(rèn)識(shí)。隨著巖土工程實(shí)踐不斷深入，在生產(chǎn)中越到更多的問(wèn)題。比如，高層建筑低下基礎(chǔ)相互作用問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力管樁荷載變形問(wèn)題等，此類(lèi)問(wèn)題均需要通過(guò)有效的措施解決，才能為巖土工程順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

1 巖土工程新理論及方法

1.1 表現(xiàn)不合格土力學(xué)理論

相關(guān)研究人員對(duì)現(xiàn)代巖土工程垮塌及災(zāi)難事件進(jìn)行分析，探究巖土工程施工中的不合格問(wèn)題，在工程中經(jīng)典力學(xué)理論的適用范圍不足，單純適用于巖土體受到壓減應(yīng)力荷載，屬于壓剪土力學(xué)理論內(nèi)容。對(duì)此，這種壓剪土力學(xué)理論只能預(yù)測(cè)外部土體壓剪力及孔隙縮減率、土體強(qiáng)度及巖土穩(wěn)定性。在外部卸載引發(fā)的土體張拉及土體強(qiáng)度減少等工程中并不適用?，F(xiàn)代巖土工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立在壓剪土力學(xué)基礎(chǔ)上，這種設(shè)計(jì)方法也存在本質(zhì)上的缺陷。這種安全缺陷會(huì)使巖土工程安全設(shè)計(jì)達(dá)到基本標(biāo)準(zhǔn)，但在日后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，容易發(fā)生滑垮問(wèn)題。比如，對(duì)汶川地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查，主要是滑坡及泥石流災(zāi)害，發(fā)生災(zāi)害的原因便是一旁坡體在雨水沖刷下發(fā)生滑坡，其中便呈現(xiàn)巖土工程中的土力學(xué)知識(shí)。一旦發(fā)生滑坡便容易引發(fā)災(zāi)害，比如，在地下施工中，一旦地下條件與設(shè)計(jì)條件出現(xiàn)偏差，容易發(fā)生地震及塌陷等問(wèn)題，與自然因素、地質(zhì)因素、建設(shè)因素等息息相關(guān)，人為因素也會(huì)發(fā)生工程斜坡失穩(wěn)問(wèn)題，比如，隱蔽工程偷工減料，導(dǎo)致巖土工程穩(wěn)定性不足。經(jīng)典土力學(xué)理論建立在完全剪應(yīng)力狀態(tài)，為σ1≥σ2≥σ3＞0。該公式中，σ1、σ2、σ3分別表示三個(gè)正交主應(yīng)力點(diǎn)，且剪切應(yīng)力為0，一般情況下，壓縮正應(yīng)力為正值，拉張性正應(yīng)力為負(fù)值。該理論為基本假設(shè)，但研究人員均認(rèn)識(shí)到，土體無(wú)法承受拉應(yīng)力，土體抗拉強(qiáng)度基本為0.經(jīng)典土力學(xué)理論單純適用于土體受到壓剪力作用的巖土工程。

1.2 多場(chǎng)多相耦合理論

傳統(tǒng)土力學(xué)研究中主要針對(duì)固體、氣體及液體，對(duì)三種物質(zhì)力學(xué)關(guān)系進(jìn)行研究，巖土過(guò)程中逐漸開(kāi)始增加生化物質(zhì)，關(guān)注生化物質(zhì)在土體介質(zhì)的活動(dòng)及反應(yīng)。我國(guó)部分研究團(tuán)隊(duì)在巖土工程研究中提出多場(chǎng)多相耦合理論，該理論與連續(xù)介質(zhì)理論相關(guān)，其中深度說(shuō)明固體廢棄垃圾對(duì)土體的污染及化學(xué)反應(yīng)、骨架變形、溶質(zhì)遷移等，并結(jié)合耦合變化規(guī)律，將理論中的物質(zhì)變化規(guī)劃為三個(gè)層次，分別為生化反應(yīng)、物理反應(yīng)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

1.3 城市固廢填埋沉降耦合理論

固結(jié)沉降作為常見(jiàn)的災(zāi)害類(lèi)型，相比傳統(tǒng)固結(jié)變形理論，其他特殊性在于關(guān)注固體及氣體、液體的三者耦合作用，并探究生化及濃度、水、力逐漸的耦合反應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)探究液相溶質(zhì)遷移性質(zhì)的同時(shí)，建立完善的城市固廢生化水汽運(yùn)行模型，揭露不同分組固廢在不同環(huán)境下降解反應(yīng)，思考生化降解對(duì)巖土工程的影響，包括水汽滲透特性及孔隙水體變化等。

2 巖土工程土力學(xué)研究進(jìn)展

巖土工程是人們生活中經(jīng)常見(jiàn)到的工程類(lèi)型，土力學(xué)是改善巖土工程建設(shè)現(xiàn)狀的研究學(xué)科，在研究過(guò)程中，通過(guò)土力學(xué)可分析工程建設(shè)情況，分析地下因素，比如，在建設(shè)一項(xiàng)工程時(shí)，先要考察地質(zhì)，若地質(zhì)存在問(wèn)題，則無(wú)法順利完成工程建設(shè)，若地質(zhì)沒(méi)有問(wèn)題，可以此建設(shè)地基，從而建設(shè)高樓大廈。對(duì)此，還需對(duì)巖土工程土力學(xué)理論的研究情況進(jìn)行分析。

2.1 土的動(dòng)剪切模量

土的動(dòng)剪切模量作為土力學(xué)中的關(guān)鍵性參數(shù)，涵蓋最大剪切模量及應(yīng)變退化曲線，在過(guò)去研究中，國(guó)內(nèi)外研究利用共振柱試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)剪切波速度試驗(yàn)對(duì)土的動(dòng)剪切模量進(jìn)行分析，獲得影響土的動(dòng)剪切模量因素，并獲得大量公式，隨著壓電陶瓷彎曲元波測(cè)試技術(shù)不斷發(fā)展，土體土的動(dòng)剪切模量試驗(yàn)研究進(jìn)入全新階段。相比土的動(dòng)剪切模量，模量退化曲線通過(guò)室內(nèi)共振試驗(yàn)及扭剪試驗(yàn)獲得結(jié)果，并建立對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。近幾年，我國(guó)研究人員開(kāi)始利用離散元方法自微觀層面探究土的動(dòng)剪切模量特點(diǎn)，從而揭示微觀機(jī)理。

2.2 土體模量特性微觀機(jī)理

室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)揭露土體模量宏觀特性及相關(guān)影響因素，但此類(lèi)無(wú)法因素揭露模量特性及本質(zhì)，近幾年，國(guó)內(nèi)外通過(guò)離散元方法對(duì)巖土工程微觀動(dòng)力特性進(jìn)行研究，砂土最大剪切模量及模量退化等研究中已經(jīng)取得全新進(jìn)展。比如，通過(guò)模擬彎曲元波試驗(yàn)及單剪試驗(yàn)確定顆粒試驗(yàn)最大模量，對(duì)圍壓及密實(shí)度、細(xì)顆粒含量等對(duì)土的動(dòng)剪切模量進(jìn)行研究，觀察到顆粒配位數(shù)及顆粒法向接觸力的大小會(huì)對(duì)最大剪切模量產(chǎn)生影響。該研究記過(guò)也為巖土工程最大剪切模量及剪切波速等特性分析奠定理論基礎(chǔ)。

3 巖土工程實(shí)踐中的土力學(xué)相關(guān)問(wèn)題

巖土工程在實(shí)踐過(guò)程中主要包括建筑工程、隧道工程等，在土力學(xué)研究中也存在一些問(wèn)題，比如，宏微觀相關(guān)問(wèn)題及原生各向異性及應(yīng)力誘導(dǎo)相關(guān)問(wèn)題等，此類(lèi)問(wèn)題是研究土力學(xué)的重點(diǎn)問(wèn)題，若突破此類(lèi)問(wèn)題，巖土工程進(jìn)展將進(jìn)入全新的階段，對(duì)此，以下是對(duì)巖土工程土力學(xué)問(wèn)題的相關(guān)分析。

3.1 宏微觀結(jié)合問(wèn)題

固體材料彈性力學(xué)在發(fā)展過(guò)程中，對(duì)固體材料理論進(jìn)行分析，巖土材料也通過(guò)彈性理論描述應(yīng)力變化，巖土材料通過(guò)彈性塑模理論對(duì)巖土應(yīng)力變化進(jìn)行描繪，但凝聚性金屬材料一般是晶體，變化特性與巖土土體不同，巖土土體屬于摩擦型材料，巖土顆粒中不只存在相對(duì)滑移，也存在翻滾及破碎等問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題都會(huì)對(duì)后續(xù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生影響。對(duì)此，基于宏觀力學(xué)理論可獲得相關(guān)的方程式，反映局部及全部微觀結(jié)構(gòu)特性。對(duì)此，建立能反映微觀力學(xué)特性的模型對(duì)探究巖土工程土力學(xué)宏觀微觀結(jié)合問(wèn)題具有重要意義。

3.2 原生各向異性與應(yīng)力誘導(dǎo)異性問(wèn)題

土體作為地下物質(zhì)在風(fēng)化后形成的結(jié)構(gòu)，屬于沉積性材料。與其他材料的顯著區(qū)別在于初始將誒單沉積過(guò)程中受到重力場(chǎng)影響，對(duì)此，土壤顆粒無(wú)論是哪種形狀均會(huì)在水平沉積面發(fā)生顆粒之間的接觸，并形成平行沉積面各個(gè)方向力學(xué)特性基本特點(diǎn)，在垂直沉積面體現(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)性。大量巖土試驗(yàn)結(jié)果顯示，垂直沉積面方向的壓縮力比橫向壓縮力小。受力過(guò)程中，土顆粒排布變化也不會(huì)產(chǎn)生巨大變化，土體顆粒定向排列不只對(duì)土體壓縮模量產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)摩擦角產(chǎn)生影響。好虛思考橫觀同性質(zhì)相關(guān)因素。第一，應(yīng)力大小方向，第二材料橫觀性質(zhì)?，F(xiàn)階段，針對(duì)綜合性問(wèn)題還需思考主流方法及微觀結(jié)構(gòu)方法等，上述方法各有利弊，微觀結(jié)構(gòu)方法確定微觀結(jié)構(gòu)參量上物理意義不足，巖土破壞準(zhǔn)則拓展方法建立在主應(yīng)力及物理空間特性中，屬于特征面的夾角變量，該變量與主應(yīng)力具有相關(guān)性，對(duì)此，該變量物理含義并不明確，應(yīng)力病變關(guān)系計(jì)算過(guò)程中還需應(yīng)用應(yīng)力偏導(dǎo)，整體計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

另一種原生各向異性方法為應(yīng)力誘導(dǎo)各項(xiàng)異性方法，在加載過(guò)程中，土體顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列存在變化，該變化對(duì)下一步加載過(guò)程產(chǎn)生影響，并參與到下一步變形中，對(duì)土體最終強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此，應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性及主應(yīng)力大小及結(jié)構(gòu)等因素是共同形成的，一般情況下，描述應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性方法是建立屈服面參量的增量關(guān)系式，從而反映目前對(duì)后期變形強(qiáng)度的影響，移動(dòng)硬化規(guī)則無(wú)法反應(yīng)各項(xiàng)異性誘導(dǎo)問(wèn)題，在理論基礎(chǔ)上，與熱力學(xué)定律向背離，無(wú)論基于哪種路徑，加載過(guò)程作為單向耗散過(guò)程，存在不可逆參數(shù)。移動(dòng)硬化與此不符。移動(dòng)硬化規(guī)則一般是基于實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行拼湊獲得的關(guān)系式，并非是基于公理化體系獲得的公式。

3.3 屈服面及破壞面的銜接問(wèn)題

土體在任意應(yīng)力路徑上，經(jīng)過(guò)加載發(fā)生塑性流動(dòng)變化，屈服面由破壞面代替，屈服準(zhǔn)則也由破壞準(zhǔn)則代替，SMP 準(zhǔn)則及Lade 準(zhǔn)則獲得與此面的流動(dòng)方向，屈服準(zhǔn)則及破壞準(zhǔn)則存在差異，破壞面作為屈服面的一點(diǎn)，土體經(jīng)過(guò)加載達(dá)到屈服面時(shí)，塑性應(yīng)力發(fā)生改變，開(kāi)始垂直屈服面，受到土體微觀結(jié)構(gòu)影響，土體顆粒在翻滾過(guò)程中會(huì)發(fā)生應(yīng)力增量變化，該因素與主應(yīng)力方向存在差異。但相關(guān)研究顯示，塑性應(yīng)變流動(dòng)方向變化在不斷增加，逐漸偏離平面圓法線，對(duì)此，可理解為屈服面形狀在發(fā)生變化，并非簡(jiǎn)單的構(gòu)成相似比，因此，可根據(jù)土力學(xué)原理獲得土體在流動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)變?cè)隽?。土體應(yīng)變塑性增量流動(dòng)方向與土體主應(yīng)力大小及方向相關(guān)的同時(shí)，同樣與三個(gè)主應(yīng)力增量大小及方向相關(guān)，最終確定塑性最大最小原理，滿足物理意義。

3.4 主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)問(wèn)題

土體與金屬的差異在于土體是顆粒物質(zhì)，黏土在水的影響下，會(huì)形成類(lèi)似其他材料的結(jié)構(gòu)。土體具有固結(jié)作用，土體在沉積過(guò)程中與水平方向性質(zhì)不同，在這種各項(xiàng)異性的影響下，導(dǎo)致土體主應(yīng)變力軸不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)依舊存在塑性應(yīng)變及塑性剪應(yīng)變，解決主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)軸過(guò)程中，核心問(wèn)題應(yīng)當(dāng)明確各項(xiàng)異性指標(biāo)，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，明確其中物理意義，在表示主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)軸塑性應(yīng)變公式中，將各項(xiàng)異性指標(biāo)有效應(yīng)用?，F(xiàn)階段，多數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榈?，雙屈服面及三屈服面處于固定位置，在形狀不變的情況下，根據(jù)比例完成運(yùn)動(dòng)，部分學(xué)者利用旋轉(zhuǎn)硬化模型使屈服面圍繞中心產(chǎn)生變化，但多數(shù)屈服面依舊呈現(xiàn)比例，在構(gòu)造屈服面函數(shù)過(guò)程中，部分函數(shù)利用變換參數(shù)的方法對(duì)函數(shù)類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整，比如，水滴類(lèi)屈服面調(diào)整變換參數(shù)后，逐漸形成橢圓形屈服面，該函數(shù)是解決橢圓形屈服面漸變的新途徑，也能解決模型存在的畸變問(wèn)題。

3.5 非飽和土變量選擇問(wèn)題

非飽和土變形及強(qiáng)度問(wèn)題是巖土工程面對(duì)的常見(jiàn)問(wèn)題，自然界中土體多數(shù)是非飽和土，飽和土也能稱(chēng)之為非飽和土的另一外一種形態(tài)，土體中均會(huì)含有一定量的空氣，非飽和土在融入空氣后性質(zhì)后更加復(fù)雜。研究人員認(rèn)為結(jié)合雙變量體系能構(gòu)建飽和土的土力學(xué)基本理論，非飽和土可與之形成不同的理論，比如，探究基質(zhì)吸力過(guò)程中，思考土壤結(jié)構(gòu)相關(guān)問(wèn)題，土體受力問(wèn)題變得更加復(fù)雜，在研究過(guò)程中，部分學(xué)者認(rèn)為基質(zhì)吸力屬于土體的約束性問(wèn)題，不會(huì)影響土體基本形態(tài)，引發(fā)變形的因素是受到應(yīng)力的影響，因此，人們?cè)谘芯窟^(guò)程中開(kāi)始關(guān)注土體結(jié)構(gòu)的變量問(wèn)題。土體及水體可看作為一種材料，不思考空氣的價(jià)值，對(duì)含水量進(jìn)行分析是探究非飽和土中土材料屬性的一項(xiàng)因素，在一定的條件下，土體研究會(huì)采集各種指標(biāo)，這也是觀察土體含水量及獲得變形強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素。在各類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)雙變量體系問(wèn)題還需結(jié)合對(duì)應(yīng)的設(shè)備，展開(kāi)特性基質(zhì)吸力剪切力試驗(yàn)的同時(shí)，已經(jīng)取得豐碩的結(jié)果。對(duì)此，非飽和試驗(yàn)?zāi)壳斑€局限在實(shí)驗(yàn)室，并未在巖土工程中有效應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

巖土工程土力學(xué)研究不斷進(jìn)展，人們對(duì)土力學(xué)的認(rèn)識(shí)處于深化探索階段，巖土工程實(shí)際問(wèn)題及人們對(duì)客觀材料有深層渴求，對(duì)此，還需認(rèn)識(shí)土力學(xué)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，將各種研究結(jié)果引申到土力學(xué)中，從而達(dá)到接近巖土工程建設(shè)相關(guān)問(wèn)題的結(jié)果。對(duì)此，采取切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)研究較為必要，明確實(shí)用模型，為巖土工程進(jìn)展提供幫助。