巖土工程實踐工作中土力學相關問題研究

陳 強

（中國華西工程設計建設有限公司，四川 成都 610000 ）

土壤是人們生活中常見的物質，為植物提供養分及載體的同時，人們在土壤基層建立房屋等設施，或者在土層中鋪設管道，對此，土壤成為一種工程材料，需要人們對巖土工程力學特性有足夠認識。在長期實踐中，人們已經形成對巖土工程的感性認識，比如，人們利用直剪儀測試土壤力學。后續的研究中開始對土壤各項性能總結規劃，讓人們對土壤有全面認識。隨著巖土工程實踐不斷深入，在生產中越到更多的問題。比如，高層建筑低下基礎相互作用問題，預應力管樁荷載變形問題等，此類問題均需要通過有效的措施解決，才能為巖土工程順利開展奠定基礎。

1 巖土工程新理論及方法

1.1 表現不合格土力學理論

相關研究人員對現代巖土工程垮塌及災難事件進行分析，探究巖土工程施工中的不合格問題，在工程中經典力學理論的適用范圍不足，單純適用于巖土體受到壓減應力荷載，屬于壓剪土力學理論內容。對此，這種壓剪土力學理論只能預測外部土體壓剪力及孔隙縮減率、土體強度及巖土穩定性。在外部卸載引發的土體張拉及土體強度減少等工程中并不適用。現代巖土工程在設計過程中建立在壓剪土力學基礎上，這種設計方法也存在本質上的缺陷。這種安全缺陷會使巖土工程安全設計達到基本標準，但在日后的運營過程中，容易發生滑垮問題。比如，對汶川地震地質災害進行調查，主要是滑坡及泥石流災害，發生災害的原因便是一旁坡體在雨水沖刷下發生滑坡，其中便呈現巖土工程中的土力學知識。一旦發生滑坡便容易引發災害，比如，在地下施工中，一旦地下條件與設計條件出現偏差，容易發生地震及塌陷等問題，與自然因素、地質因素、建設因素等息息相關，人為因素也會發生工程斜坡失穩問題，比如，隱蔽工程偷工減料，導致巖土工程穩定性不足。經典土力學理論建立在完全剪應力狀態，為σ1≥σ2≥σ3＞0。該公式中，σ1、σ2、σ3分別表示三個正交主應力點，且剪切應力為0，一般情況下，壓縮正應力為正值，拉張性正應力為負值。該理論為基本假設，但研究人員均認識到，土體無法承受拉應力，土體抗拉強度基本為0.經典土力學理論單純適用于土體受到壓剪力作用的巖土工程。

1.2 多場多相耦合理論

傳統土力學研究中主要針對固體、氣體及液體，對三種物質力學關系進行研究，巖土過程中逐漸開始增加生化物質，關注生化物質在土體介質的活動及反應。我國部分研究團隊在巖土工程研究中提出多場多相耦合理論，該理論與連續介質理論相關，其中深度說明固體廢棄垃圾對土體的污染及化學反應、骨架變形、溶質遷移等，并結合耦合變化規律，將理論中的物質變化規劃為三個層次，分別為生化反應、物理反應及機械運動。

1.3 城市固廢填埋沉降耦合理論

固結沉降作為常見的災害類型，相比傳統固結變形理論，其他特殊性在于關注固體及氣體、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。研究團隊探究液相溶質遷移性質的同時，建立完善的城市固廢生化水汽運行模型，揭露不同分組固廢在不同環境下降解反應，思考生化降解對巖土工程的影響，包括水汽滲透特性及孔隙水體變化等。

2 巖土工程土力學研究進展

巖土工程是人們生活中經常見到的工程類型，土力學是改善巖土工程建設現狀的研究學科，在研究過程中，通過土力學可分析工程建設情況，分析地下因素，比如，在建設一項工程時，先要考察地質，若地質存在問題，則無法順利完成工程建設，若地質沒有問題，可以此建設地基，從而建設高樓大廈。對此，還需對巖土工程土力學理論的研究情況進行分析。

2.1 土的動剪切模量

土的動剪切模量作為土力學中的關鍵性參數，涵蓋最大剪切模量及應變退化曲線，在過去研究中，國內外研究利用共振柱試驗及現場剪切波速度試驗對土的動剪切模量進行分析，獲得影響土的動剪切模量因素，并獲得大量公式，隨著壓電陶瓷彎曲元波測試技術不斷發展，土體土的動剪切模量試驗研究進入全新階段。相比土的動剪切模量，模量退化曲線通過室內共振試驗及扭剪試驗獲得結果，并建立對應的經驗公式。近幾年，我國研究人員開始利用離散元方法自微觀層面探究土的動剪切模量特點，從而揭示微觀機理。

2.2 土體模量特性微觀機理

室內、現場試驗揭露土體模量宏觀特性及相關影響因素，但此類無法因素揭露模量特性及本質，近幾年，國內外通過離散元方法對巖土工程微觀動力特性進行研究，砂土最大剪切模量及模量退化等研究中已經取得全新進展。比如，通過模擬彎曲元波試驗及單剪試驗確定顆粒試驗最大模量，對圍壓及密實度、細顆粒含量等對土的動剪切模量進行研究，觀察到顆粒配位數及顆粒法向接觸力的大小會對最大剪切模量產生影響。該研究記過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。

3 巖土工程實踐中的土力學相關問題

巖土工程在實踐過程中主要包括建筑工程、隧道工程等，在土力學研究中也存在一些問題，比如，宏微觀相關問題及原生各向異性及應力誘導相關問題等，此類問題是研究土力學的重點問題，若突破此類問題，巖土工程進展將進入全新的階段，對此，以下是對巖土工程土力學問題的相關分析。

3.1 宏微觀結合問題

固體材料彈性力學在發展過程中，對固體材料理論進行分析，巖土材料也通過彈性理論描述應力變化，巖土材料通過彈性塑模理論對巖土應力變化進行描繪，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滑移，也存在翻滾及破碎等問題，此類問題都會對后續應力應變關系產生影響。對此，基于宏觀力學理論可獲得相關的方程式，反映局部及全部微觀結構特性。對此，建立能反映微觀力學特性的模型對探究巖土工程土力學宏觀微觀結合問題具有重要意義。

3.2 原生各向異性與應力誘導異性問題

土體作為地下物質在風化后形成的結構，屬于沉積性材料。與其他材料的顯著區別在于初始將誒單沉積過程中受到重力場影響，對此，土壤顆粒無論是哪種形狀均會在水平沉積面發生顆粒之間的接觸，并形成平行沉積面各個方向力學特性基本特點，在垂直沉積面體現軸對稱性。大量巖土試驗結果顯示，垂直沉積面方向的壓縮力比橫向壓縮力小。受力過程中，土顆粒排布變化也不會產生巨大變化，土體顆粒定向排列不只對土體壓縮模量產生影響，也會對摩擦角產生影響。好虛思考橫觀同性質相關因素。第一，應力大小方向，第二材料橫觀性質。現階段，針對綜合性問題還需思考主流方法及微觀結構方法等，上述方法各有利弊，微觀結構方法確定微觀結構參量上物理意義不足，巖土破壞準則拓展方法建立在主應力及物理空間特性中，屬于特征面的夾角變量，該變量與主應力具有相關性，對此，該變量物理含義并不明確，應力病變關系計算過程中還需應用應力偏導，整體計算過程較為復雜。

另一種原生各向異性方法為應力誘導各項異性方法，在加載過程中，土體顆粒內部結構排列存在變化，該變化對下一步加載過程產生影響，并參與到下一步變形中，對土體最終強度產生影響，因此，應力誘導各向異性及主應力大小及結構等因素是共同形成的，一般情況下，描述應力誘導各向異性方法是建立屈服面參量的增量關系式，從而反映目前對后期變形強度的影響，移動硬化規則無法反應各項異性誘導問題，在理論基礎上，與熱力學定律向背離，無論基于哪種路徑，加載過程作為單向耗散過程，存在不可逆參數。移動硬化與此不符。移動硬化規則一般是基于實驗規律進行拼湊獲得的關系式，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題

土體在任意應力路徑上，經過加載發生塑性流動變化，屈服面由破壞面代替，屈服準則也由破壞準則代替，SMP 準則及Lade 準則獲得與此面的流動方向，屈服準則及破壞準則存在差異，破壞面作為屈服面的一點，土體經過加載達到屈服面時，塑性應力發生改變，開始垂直屈服面，受到土體微觀結構影響，土體顆粒在翻滾過程中會發生應力增量變化，該因素與主應力方向存在差異。但相關研究顯示，塑性應變流動方向變化在不斷增加，逐漸偏離平面圓法線，對此，可理解為屈服面形狀在發生變化，并非簡單的構成相似比，因此，可根據土力學原理獲得土體在流動過程中的應變增量。土體應變塑性增量流動方向與土體主應力大小及方向相關的同時，同樣與三個主應力增量大小及方向相關，最終確定塑性最大最小原理，滿足物理意義。

3.4 主應力軸旋轉問題

土體與金屬的差異在于土體是顆粒物質，黏土在水的影響下，會形成類似其他材料的結構。土體具有固結作用，土體在沉積過程中與水平方向性質不同，在這種各項異性的影響下，導致土體主應變力軸不斷旋轉時依舊存在塑性應變及塑性剪應變，解決主應力旋轉軸過程中，核心問題應當明確各項異性指標，通過簡單的實驗，明確其中物理意義，在表示主應力旋轉軸塑性應變公式中，將各項異性指標有效應用。現階段，多數試驗模型為但屈服面，雙屈服面及三屈服面處于固定位置，在形狀不變的情況下，根據比例完成運動，部分學者利用旋轉硬化模型使屈服面圍繞中心產生變化，但多數屈服面依舊呈現比例，在構造屈服面函數過程中，部分函數利用變換參數的方法對函數類型進行調整，比如，水滴類屈服面調整變換參數后，逐漸形成橢圓形屈服面，該函數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題。

3.5 非飽和土變量選擇問題

非飽和土變形及強度問題是巖土工程面對的常見問題，自然界中土體多數是非飽和土，飽和土也能稱之為非飽和土的另一外一種形態，土體中均會含有一定量的空氣，非飽和土在融入空氣后性質后更加復雜。研究人員認為結合雙變量體系能構建飽和土的土力學基本理論，非飽和土可與之形成不同的理論，比如，探究基質吸力過程中，思考土壤結構相關問題，土體受力問題變得更加復雜，在研究過程中，部分學者認為基質吸力屬于土體的約束性問題，不會影響土體基本形態，引發變形的因素是受到應力的影響，因此，人們在研究過程中開始關注土體結構的變量問題。土體及水體可看作為一種材料，不思考空氣的價值，對含水量進行分析是探究非飽和土中土材料屬性的一項因素，在一定的條件下，土體研究會采集各種指標，這也是觀察土體含水量及獲得變形強度的關鍵性因素。在各類實驗中，針對雙變量體系問題還需結合對應的設備，展開特性基質吸力剪切力試驗的同時，已經取得豐碩的結果。對此，非飽和試驗目前還局限在實驗室，并未在巖土工程中有效應用。

4 結束語

巖土工程土力學研究不斷進展，人們對土力學的認識處于深化探索階段，巖土工程實際問題及人們對客觀材料有深層渴求，對此，還需認識土力學發展狀態，將各種研究結果引申到土力學中，從而達到接近巖土工程建設相關問題的結果。對此，采取切實可行的實驗研究較為必要，明確實用模型，為巖土工程進展提供幫助。