岩土工程实践工作中土力学相关问题研究

陈 强

（中国华西工程设计建设有限公司，四川 成都 610000 ）

土壤是人们生活中常见的物质，为植物提供养分及载体的同时，人们在土壤基层建立房屋等设施，或者在土层中铺设管道，对此，土壤成为一种工程材料，需要人们对岩土工程力学特性有足够认识。在长期实践中，人们已经形成对岩土工程的感性认识，比如，人们利用直剪仪测试土壤力学。后续的研究中开始对土壤各项性能总结规划，让人们对土壤有全面认识。随着岩土工程实践不断深入，在生产中越到更多的问题。比如，高层建筑低下基础相互作用问题，预应力管桩荷载变形问题等，此类问题均需要通过有效的措施解决，才能为岩土工程顺利开展奠定基础。

1 岩土工程新理论及方法

1.1 表现不合格土力学理论

相关研究人员对现代岩土工程垮塌及灾难事件进行分析，探究岩土工程施工中的不合格问题，在工程中经典力学理论的适用范围不足，单纯适用于岩土体受到压减应力荷载，属于压剪土力学理论内容。对此，这种压剪土力学理论只能预测外部土体压剪力及孔隙缩减率、土体强度及岩土稳定性。在外部卸载引发的土体张拉及土体强度减少等工程中并不适用。现代岩土工程在设计过程中建立在压剪土力学基础上，这种设计方法也存在本质上的缺陷。这种安全缺陷会使岩土工程安全设计达到基本标准，但在日后的运营过程中，容易发生滑垮问题。比如，对汶川地震地质灾害进行调查，主要是滑坡及泥石流灾害，发生灾害的原因便是一旁坡体在雨水冲刷下发生滑坡，其中便呈现岩土工程中的土力学知识。一旦发生滑坡便容易引发灾害，比如，在地下施工中，一旦地下条件与设计条件出现偏差，容易发生地震及塌陷等问题，与自然因素、地质因素、建设因素等息息相关，人为因素也会发生工程斜坡失稳问题，比如，隐蔽工程偷工减料，导致岩土工程稳定性不足。经典土力学理论建立在完全剪应力状态，为σ1≥σ2≥σ3＞0。该公式中，σ1、σ2、σ3分别表示三个正交主应力点，且剪切应力为0，一般情况下，压缩正应力为正值，拉张性正应力为负值。该理论为基本假设，但研究人员均认识到，土体无法承受拉应力，土体抗拉强度基本为0.经典土力学理论单纯适用于土体受到压剪力作用的岩土工程。

1.2 多场多相耦合理论

传统土力学研究中主要针对固体、气体及液体，对三种物质力学关系进行研究，岩土过程中逐渐开始增加生化物质，关注生化物质在土体介质的活动及反应。我国部分研究团队在岩土工程研究中提出多场多相耦合理论，该理论与连续介质理论相关，其中深度说明固体废弃垃圾对土体的污染及化学反应、骨架变形、溶质迁移等，并结合耦合变化规律，将理论中的物质变化规划为三个层次，分别为生化反应、物理反应及机械运动。

1.3 城市固废填埋沉降耦合理论

固结沉降作为常见的灾害类型，相比传统固结变形理论，其他特殊性在于关注固体及气体、液体的三者耦合作用，并探究生化及浓度、水、力逐渐的耦合反应。研究团队探究液相溶质迁移性质的同时，建立完善的城市固废生化水汽运行模型，揭露不同分组固废在不同环境下降解反应，思考生化降解对岩土工程的影响，包括水汽渗透特性及孔隙水体变化等。

2 岩土工程土力学研究进展

岩土工程是人们生活中经常见到的工程类型，土力学是改善岩土工程建设现状的研究学科，在研究过程中，通过土力学可分析工程建设情况，分析地下因素，比如，在建设一项工程时，先要考察地质，若地质存在问题，则无法顺利完成工程建设，若地质没有问题，可以此建设地基，从而建设高楼大厦。对此，还需对岩土工程土力学理论的研究情况进行分析。

2.1 土的动剪切模量

土的动剪切模量作为土力学中的关键性参数，涵盖最大剪切模量及应变退化曲线，在过去研究中，国内外研究利用共振柱试验及现场剪切波速度试验对土的动剪切模量进行分析，获得影响土的动剪切模量因素，并获得大量公式，随着压电陶瓷弯曲元波测试技术不断发展，土体土的动剪切模量试验研究进入全新阶段。相比土的动剪切模量，模量退化曲线通过室内共振试验及扭剪试验获得结果，并建立对应的经验公式。近几年，我国研究人员开始利用离散元方法自微观层面探究土的动剪切模量特点，从而揭示微观机理。

2.2 土体模量特性微观机理

室内、现场试验揭露土体模量宏观特性及相关影响因素，但此类无法因素揭露模量特性及本质，近几年，国内外通过离散元方法对岩土工程微观动力特性进行研究，砂土最大剪切模量及模量退化等研究中已经取得全新进展。比如，通过模拟弯曲元波试验及单剪试验确定颗粒试验最大模量，对围压及密实度、细颗粒含量等对土的动剪切模量进行研究，观察到颗粒配位数及颗粒法向接触力的大小会对最大剪切模量产生影响。该研究记过也为岩土工程最大剪切模量及剪切波速等特性分析奠定理论基础。

3 岩土工程实践中的土力学相关问题

岩土工程在实践过程中主要包括建筑工程、隧道工程等，在土力学研究中也存在一些问题，比如，宏微观相关问题及原生各向异性及应力诱导相关问题等，此类问题是研究土力学的重点问题，若突破此类问题，岩土工程进展将进入全新的阶段，对此，以下是对岩土工程土力学问题的相关分析。

3.1 宏微观结合问题

固体材料弹性力学在发展过程中，对固体材料理论进行分析，岩土材料也通过弹性理论描述应力变化，岩土材料通过弹性塑模理论对岩土应力变化进行描绘，但凝聚性金属材料一般是晶体，变化特性与岩土土体不同，岩土土体属于摩擦型材料，岩土颗粒中不只存在相对滑移，也存在翻滚及破碎等问题，此类问题都会对后续应力应变关系产生影响。对此，基于宏观力学理论可获得相关的方程式，反映局部及全部微观结构特性。对此，建立能反映微观力学特性的模型对探究岩土工程土力学宏观微观结合问题具有重要意义。

3.2 原生各向异性与应力诱导异性问题

土体作为地下物质在风化后形成的结构，属于沉积性材料。与其他材料的显著区别在于初始将诶单沉积过程中受到重力场影响，对此，土壤颗粒无论是哪种形状均会在水平沉积面发生颗粒之间的接触，并形成平行沉积面各个方向力学特性基本特点，在垂直沉积面体现轴对称性。大量岩土试验结果显示，垂直沉积面方向的压缩力比横向压缩力小。受力过程中，土颗粒排布变化也不会产生巨大变化，土体颗粒定向排列不只对土体压缩模量产生影响，也会对摩擦角产生影响。好虚思考横观同性质相关因素。第一，应力大小方向，第二材料横观性质。现阶段，针对综合性问题还需思考主流方法及微观结构方法等，上述方法各有利弊，微观结构方法确定微观结构参量上物理意义不足，岩土破坏准则拓展方法建立在主应力及物理空间特性中，属于特征面的夹角变量，该变量与主应力具有相关性，对此，该变量物理含义并不明确，应力病变关系计算过程中还需应用应力偏导，整体计算过程较为复杂。

另一种原生各向异性方法为应力诱导各项异性方法，在加载过程中，土体颗粒内部结构排列存在变化，该变化对下一步加载过程产生影响，并参与到下一步变形中，对土体最终强度产生影响，因此，应力诱导各向异性及主应力大小及结构等因素是共同形成的，一般情况下，描述应力诱导各向异性方法是建立屈服面参量的增量关系式，从而反映目前对后期变形强度的影响，移动硬化规则无法反应各项异性诱导问题，在理论基础上，与热力学定律向背离，无论基于哪种路径，加载过程作为单向耗散过程，存在不可逆参数。移动硬化与此不符。移动硬化规则一般是基于实验规律进行拼凑获得的关系式，并非是基于公理化体系获得的公式。

3.3 屈服面及破坏面的衔接问题

土体在任意应力路径上，经过加载发生塑性流动变化，屈服面由破坏面代替，屈服准则也由破坏准则代替，SMP 准则及Lade 准则获得与此面的流动方向，屈服准则及破坏准则存在差异，破坏面作为屈服面的一点，土体经过加载达到屈服面时，塑性应力发生改变，开始垂直屈服面，受到土体微观结构影响，土体颗粒在翻滚过程中会发生应力增量变化，该因素与主应力方向存在差异。但相关研究显示，塑性应变流动方向变化在不断增加，逐渐偏离平面圆法线，对此，可理解为屈服面形状在发生变化，并非简单的构成相似比，因此，可根据土力学原理获得土体在流动过程中的应变增量。土体应变塑性增量流动方向与土体主应力大小及方向相关的同时，同样与三个主应力增量大小及方向相关，最终确定塑性最大最小原理，满足物理意义。

3.4 主应力轴旋转问题

土体与金属的差异在于土体是颗粒物质，黏土在水的影响下，会形成类似其他材料的结构。土体具有固结作用，土体在沉积过程中与水平方向性质不同，在这种各项异性的影响下，导致土体主应变力轴不断旋转时依旧存在塑性应变及塑性剪应变，解决主应力旋转轴过程中，核心问题应当明确各项异性指标，通过简单的实验，明确其中物理意义，在表示主应力旋转轴塑性应变公式中，将各项异性指标有效应用。现阶段，多数试验模型为但屈服面，双屈服面及三屈服面处于固定位置，在形状不变的情况下，根据比例完成运动，部分学者利用旋转硬化模型使屈服面围绕中心产生变化，但多数屈服面依旧呈现比例，在构造屈服面函数过程中，部分函数利用变换参数的方法对函数类型进行调整，比如，水滴类屈服面调整变换参数后，逐渐形成椭圆形屈服面，该函数是解决椭圆形屈服面渐变的新途径，也能解决模型存在的畸变问题。

3.5 非饱和土变量选择问题

非饱和土变形及强度问题是岩土工程面对的常见问题，自然界中土体多数是非饱和土，饱和土也能称之为非饱和土的另一外一种形态，土体中均会含有一定量的空气，非饱和土在融入空气后性质后更加复杂。研究人员认为结合双变量体系能构建饱和土的土力学基本理论，非饱和土可与之形成不同的理论，比如，探究基质吸力过程中，思考土壤结构相关问题，土体受力问题变得更加复杂，在研究过程中，部分学者认为基质吸力属于土体的约束性问题，不会影响土体基本形态，引发变形的因素是受到应力的影响，因此，人们在研究过程中开始关注土体结构的变量问题。土体及水体可看作为一种材料，不思考空气的价值，对含水量进行分析是探究非饱和土中土材料属性的一项因素，在一定的条件下，土体研究会采集各种指标，这也是观察土体含水量及获得变形强度的关键性因素。在各类实验中，针对双变量体系问题还需结合对应的设备，展开特性基质吸力剪切力试验的同时，已经取得丰硕的结果。对此，非饱和试验目前还局限在实验室，并未在岩土工程中有效应用。

4 结束语

岩土工程土力学研究不断进展，人们对土力学的认识处于深化探索阶段，岩土工程实际问题及人们对客观材料有深层渴求，对此，还需认识土力学发展状态，将各种研究结果引申到土力学中，从而达到接近岩土工程建设相关问题的结果。对此，采取切实可行的实验研究较为必要，明确实用模型，为岩土工程进展提供帮助。