潘传辉 陈安安
杭州居安地质技术开发有限公司 浙江省杭州市 311700
摘要：土力学被广泛应用于岩土工程建设之中，土力学的相关问题会影响工程项目的后期建设进度，由于土体是非连续介质，其力学性状复杂，加之土力学的理论推导及基本假定较多，往往让学习者产生很多困惑。本文旨在对土力学的主要内容和基本问题进行梳理阐释，以期对土力学教学、学习和工程技术人员从事相关工程建设提供帮助。
关键词：岩土工程；实践工作；土力学；相关问题
引言
土壤对于人们来说熟悉而又陌生，除了给植物作物等提供根基以外，人们更多的是在土壤中建造各种人造设施，比如建筑房子需要在土壤中修建基础，铺设管沟需要在土层中放置构筑物，此时，土壤已经转变为一种工程材料，需要人们对于其力学特性具有足够多的认识。在长期的生产实践中，早已经形成了或多或少的感性认识，因此在早期也只是完全由感性认识以及经验来确定工程方案。首先作为一种摩擦性材料，法国工程师库伦最先利用类似于直剪仪的装置对土样进行一维直剪试验，以测试其剪切强度。这标志着人们开始有意识的采用定量方法来描述土壤的力学行为。此后，直到太沙基系统的对土壤进行各方面的归纳总结，得到了比较全面的认识。然而，随着各种岩土工程实践的不断扩展深入，在生产实际中遇到越来越多的岩土工程问题。比如，高层建筑下地基与基础相互作用问题，预应力管桩在成桩过程中桩土相互作用问题，交通车辆荷载下路基内土层的循环荷载下的变形问题，高土石坝内粗石料在高围压下的颗粒破碎现象，这些都亟需发展一些相对成熟的理论与相应的技术手段来解决上述问题。本文针对岩土工程实践中出现的一些基本问题，将其引申为土力学中的基本理论问题，加以讨论，或许对于岩土工程师以及岩土专业工作者都有一定的积极意义。
1土力学概述
在早期，当时虽然未出现土力学理论，但是土力学已经被应用到了实际的工程施工之中，而且在长期的实践过程中，经过大量知识的积累，慢慢便发展成为了土力学理论。土力学并非完全是一门理论性的学科，其拥有非常强的实践性，和实际的工程建设存在紧密联系。在现代土力学中，构建的本构模型主要有结构性模型、线弹性模型、刚塑性模型以及非线性弹塑性模型。将土体发生塑性变形看成是土体颗粒滑移的结果，由于土体颗粒的滑移而导致剪胀以及剪缩。土体的变形与金属材料对比而言，增加了体应变，不过，在大量的实践中得出，当土体变形时，不仅会出现滑移现象，同时也会出现土体颗粒的破碎以及转动现象。因此，要求我们应当进一步的对土体应力-应变模型进行优化，才能更好的指导实际应用。
2土力学相关问题
2.1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。
2.2原生各向异性与应力诱导各向异性问题
土体是地质产物在自然风化下逐步沉积得到的一种材料，其显著区别于其他材料的一个特征是具有横观各向同性和纵观各向异性特性，由于在初始沉积过程中只受到重力场的作用，因此土壤颗粒无论何种形状，由于在水平沉积面内其受到的重力作用相同，因此，同一水平面内颗粒排布以及颗粒之间接触关系大致相同，形成了在平行于沉积面的各个方向上的力学特性大致相同的基本特点，而在垂直于沉积面方向则具有轴对称特性。大量的各类岩土试验表明，在垂直于沉积面方向上的压缩性要小于在横向方向上的压缩性。在受力过程中，土颗粒优势排布变化很小，颗粒的定向排列不仅会对土体的压缩模量产生一定程度的影响，同时也会对内摩擦角造成相当可观的影响。要合理考虑这种横观各向同性性质，需要综合考虑两个因素：应力大小方向；材料横观各向同性性质。目前对于上述综合性问题考虑的主流方法又组构张量法和微观结构张量法、主应力空间坐标轴旋转法和一些岩土破坏准则的扩展等方法。上述方法各有利弊，组构张量法无法描述三轴压缩路径下强度的非单调特性，微观结构张量法用于确定微观结构的参量缺乏物理意义。基于岩土破坏准则的扩展方法需建立主应力与物理空间特征面之间的夹角等变量，由于此变量是与主应力相关的，因此，这个变量物理涵义不明朗，另外在应力应变关系计算中需要用到其对应力的偏导，就形成了计算上繁琐的不利方面。
2.3强度问题
土的强度理论不仅在边坡稳定分析、而且在建筑物地基承载力检测、挡土墙稳定性分析中都是重要的理论支撑。在过去几十年里，有很多针对土强度问题的研究和试验，这些研究主要以抗剪强度为主。饱和土的莫尔库仑抗剪强度表达式为：τ=c+σtanφ，从这个公式中可以得知，土的抗剪强度与土体法向应力的大小呈正相关。影响土体抗剪强度的主要因素是粘聚力c和内摩擦角φ，其中，c值是土粒之间各种物理化学键力之间相互作用的结果，其大小与涂颗粒之间的空隙大小有关，φ值的大小则主要受土颗粒所含的成分、土体密度、土体结构、含水率及地质年代等因素影响。土体在其形成过程中产生了一定的结构性，因此土的强度与土颗粒之间的胶结作用和颗粒组构分布方式关系较大。针对不同地区黏土的结构性分析发现，天然结构性软粘土的强度包络线在结构屈服应力附近有明显的转折，呈现出分段特征。当固结压力较小，结构强度保持完好，此时软黏土峰值强度主要受结构性主导；而当固结压力超过其结构屈服应力时，此时天然软枯土的结构性遭到破坏，软黏土的峰值强度则受固结应力控制，强度性状趋于相应的重塑土，对应的强度包络线为过原点直线。作为影响土体抗剪强度最活跃的物质，地下水对土体抗剪强度的大小有着重要的影响。鉴于地下水不是一种单一的纯净物，而是一种含有多种矿物质且具有一定PH值的酸碱性溶液，因此土体强度的改变受地下水发生的物理及化学作用影响明显。通常来说，地下水对土体的强度具有削弱作用，主要是由于地下水通过土颗粒的空隙，形成一定的孔隙水压力，与土体有效应力方向相反，从而导致土体压实度不足，抗剪强度较低。另外，地下水通过土颗粒空隙，与土体内矿物质发生一些化学作用，矿物阳离子多发生置换反应，导致土颗粒矿物含量减少，抗剪强度降低。
结束语
综上所述，目前，人们对于土力学的认识仍然处于不断深化不断拓展的过程中，岩土工程的实际问题以及人们对于客观材料的探究渴望等双重需求，使土力学始终处于发展的推进状态。虽然解决问题以及采用的手段五花八门，将各种其他学科的最新研究进展引申到土力学中来，以期收到他山之石可以攻玉的效果，但是对土壤材料认识的局限性以及其他学科的特殊性，使其很难达到预期效果，其应用更是无从谈起。因此，切实可行的做法仍应该坚持以实验为主，采取对各类型土壤的主要特性进行研究的方式，摒弃掉可以忽略的细节特性，重点发展某一类型土的实用模型才是实践的重点。
参考文献
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