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摘要：針對目前巖土工程實踐工作中土力學方面存在的一些問題，如宏細觀結合研究問題、土的原生各向異性以及應力誘導各向異性問題，土的屈服破壞特性、非飽和土問題等，將以往的解決方法進行了類比歸納，并分析各種方法的不足以及有待完善之處，針對一些問題給出了研究方法的建議。
關鍵詞：各向異性；應力誘導各向異性；破壞；非飽和土
土壤對于人們來說熟悉而又陌生，除了給植物作物等提供根基以外，人們更多的是在土壤中建造各種人造設施，比如建筑房子需要在土壤中修建基礎，鋪設管溝需要在土層中放置構筑物，此時，土壤已經轉變為一種工程材料，需要人們對于其力學特性具有足夠多的認識。在長期的生產實踐中，早已經形成了或多或少的感性認識，因此在早期也只是完全由感性認識以及經驗來確定工程方案。首先作為一種摩擦性材料，法國工程師庫倫最先利用類似于直剪儀的裝置對土樣進行一維直剪試驗，以測試其剪切強度。這標志著人們開始有意識的采用定量方法來描述土壤的力學行為。此后，直到太沙基系統的對土壤進行各方面的歸納總結，得到了比較全面的認識。然而，隨著各種巖土工程實踐的不斷擴展深入，在生產實際中遇到越來越多的巖土工程問題。比如，高層建筑下地基與基礎相互作用問題，預應力管樁在成樁過程中樁土相互作用問題，交通車輛荷載下路基內土層的循環荷載下的變形問題，高土石壩內粗石料在高圍壓下的顆粒破碎現象，這些都亟需發展一些相對成熟的理論與相應的技術手段來解決上述問題。本文針對巖土工程實踐中出現的一些基本問題，將其引申為土力學中的基本理論問題，加以討論，或許對于巖土工程師以及巖土專業工作者都有一定的積極意義。
1宏細觀結合問題
受到固體材料如金屬材料彈塑性力學的發展歷程影響，借鑒了固體材料的理論體系，巖土材料也采用了彈塑性理論來描述巖土體的應力應變行為。然而，由于凝聚性材料如金屬等都是晶體材料，其變形特性受細觀晶體的影響很小，而巖土體屬于摩擦型材料，巖土顆粒之間不僅存在相對滑移，而且還有翻滾、破碎等現象，這些都會影響其后續的應力應變關系。因此，基于宏觀力學特性得到的一系列參數以及方程式，能夠部分或者局部的反映細觀土體的力學特性，而無法完全反映全部微觀結構特性。因此，建立一個能夠反映細觀力學特性的本構模型以及相應定量化參數的研究方法都是關系到宏細觀如何結合的問題。
2原生各向異性與應力誘導各向異性問題
土體是地質產物在自然風化下逐步沉積得到的一種材料，其顯著區別于其他材料的一個特征是具有橫觀各向同性和縱觀各向異性特性，由于在初始沉積過程中只受到重力場的作用，因此土壤顆粒無論何種形狀，由于在水平沉積面內其受到的重力作用相同，因此，同一水平面內顆粒排布以及顆粒之間接觸關系大致相同，形成了在平行于沉積面的各個方向上的力學特性大致相同的基本特點，而在垂直于沉積面方向則具有軸對稱特性。大量的各類巖土試驗表明，在垂直于沉積面方向上的壓縮性要小于在橫向方向上的壓縮性。在受力過程中，土顆粒優勢排布變化很小，顆粒的定向排列不僅會對土體的壓縮模量產生一定程度的影響，同時也會對內摩擦角造成相當可觀的影響[1]。要合理考慮這種橫觀各向同性性質，需要綜合考慮兩個因素：（1）應力大小方向；（2）材料橫觀各向同性性質。目前對于上述綜合性問題考慮的主流方法又組構張量法[2]和微觀結構張量法[3]、主應力空間坐標軸旋轉法[4]和一些巖土破壞準則的擴展[5]等方法。上述方法各有利弊，組構張量法無法描述三軸壓縮路徑下強度的非單調特性，微觀結構張量法用于確定微觀結構的參量缺乏物理意義?；趲r土破壞準則的擴展方法需建立主應力與物理空間特征面之間的夾角等變量，由于此變量是與主應力相關的，因此，這個變量物理涵義不明朗，另外在應力應變關系計算中需要用到其對應力的偏導，就形成了計算上繁瑣的不利方面。另外一種處理原生各向異性的方法是，采用應力誘導各向異性方法[6-9]來考慮。即認為在加載過程中，土顆粒的內部組構以及排布已經產生變化，這個變化進一步會影響到下一步的加載過程中，并與下一步的加載步共同影響下一步的變形，其最終的強度也是由此過程中應力誘導各向異性以及主應力大小、方向等因素共同實施所形成的。通常描述應力誘導各向異性的方法是建立一個可以考慮影響屈服面參量的塑性應變的增量關系式，用來反映當前步對于后期變形以及強度特性的影響。但采用移動硬化規則來反映這種應力誘導各向異性存在先天不足，在理論完備性上，違反了熱力學第二定律，即無論何種路徑下，加載始終是一個單向耗散過程，在這個過程中存在不可逆的參量，而移動硬化則有悖于此。另外，移動硬化規則多是基于試驗規律由人拼湊提出的關系式，并非基于公理化體系推導得到的公式。
3屈服面與破壞面的銜接問題
針對土體在真三軸條件下經過任意應力路徑的情況，土體在加載后進入塑性流動狀態，屈服面通常由破壞面來替代，屈服準則也由破壞準則代替，這樣，直接由SMP準則或Lade準則得出垂直與此面的流動方向，事實上，屈服準則與破壞準則不同，破壞面是屈服面在破壞時的一點狀態，土體在加載之初進入初始屈服面之時，塑性應變流動方向應垂直于初始屈服面，由于土顆粒微觀結構的原因，如土顆粒翻滾所造成的應變增量流動方向與主應力方向不一致，但由Nakai[10]的試驗結果可看出，塑性應變流動方向的變化是持續不斷增加的，即越來越偏離平面圓的法線方向，因此可認為屈服面的形狀在發生變化，不是簡單的相似成比例，這一點在金屬的流動試驗中也出現過。因此，可由分岔或潘家錚最大最小原理來確定流動過程中的塑性應變增量流動方向，沈珠江院士認為，土體的塑性應變增量流動方向不僅與土體的主應力大小、方向相關，而且也與三個主應力增量的大小、方向相關，確定其流動方向原則則由塑性理論中的最大最小原理來確定，符合物理意義。
4主應力軸旋轉問題
土體區別于金屬的本質原因在于土體是一種散粒體物質，黏土在水的膠結作用下，會形成類似于其他材料的固體結構。由于土體的固結作用，使得土體在沉積方向上的特性有別于在水平方向上的性質，正是這種各向異性，導致土體的主應力軸發生旋轉時，仍然存在塑性體應變與塑性剪應變，因此在解決主應力軸旋轉時，核心問題是如何簡單、合理地確定表示各向異性的指標，所求指標應通過常規試驗簡單測定，有明確的物理意義，能用在表示主應力軸旋轉而引發的塑性應變公式中，最終將其用在模型中。
5屈服面形狀
現存大多數模型所用的單屈服面、雙屈服面或三屈服面都是位置固定，形狀不變，僅大小成比例的簡單移動，一些學者采用旋轉硬化模型，讓屈服面繞中心旋轉，但大多數屈服面仍然相似成比例，張峰的橢圓形狀還變化，但僅限于橢圓。在構造屈服面函數時，有一類函數可通過一個變換參數控制函數類型，比如有一類水滴形屈服面，通過適當調整變換參數，可將其漸變為橢圓形屈服面，這可能是一條解決塑性應變流動增量方向的新途徑，另外也可解決模型中產生畸變的問題。
6非飽和土變量選取
非飽和土變形與強度問題，自然界中普遍存在的土體狀態是非飽和土，飽和土只是非飽和土的一種特殊形態。由于大氣中的空氣混在了土體中，使得非飽和土性質更為復雜。以Fredlund為首的學派主張應用雙變量體系，這樣就形成了有別于太沙基創立的單變量飽和土理論，使得非飽和土形成另外一套理論體系。因為基質吸力的存在，使得土體的受力復雜化，有學者主張基質吸力只是約束條件，對土體變形無影響，起到變形作用的還是有效應力，因此推崇單變量在非飽和土中的應用。事實上，將土體與水體視為主要材料，忽略空氣的作用，含水量的變化成為度量非飽和土材料屬性的硬性指標不失為一條解決途徑。試想，如果在特定的含水量情況下，對此屬性的土體施行各種試驗，在多選用各個含水量的基礎上，得出各個含水量所對應的變形與強度特性是一種解決問題的思路。試驗室中基于這種雙變量體系發展了相應的非飽和土三軸儀等試驗設備，可以進行特定基質吸力下的剪切試驗工作。目前，針對這種試驗研究，已有大量的成果出現，但由于選用的變量為基質吸力作為控制變量，因此，這種非飽和土的試驗只能局限于試驗室中。而針對非飽和土本構模型的研究進展，目前大體框架仍然基于20世紀90年代初期的巴塞羅那模型基礎上，巴塞羅那模型雖然物理意義足夠明確，但是沿襲了基質吸力作為一個獨立變量的做法，在參數確定上只能通過非飽和土試驗室來確定，這限制了其在工程上的應用，由于一種實用化程度更高的簡單模型更符合實際工程上的需要，因此，需要采用一種代替基質吸力的獨立變量來反映上述非飽和土的基本變形以及強度性質，比如濕化體縮、干化強度提高等特點，這樣就能去掉繁雜的不必要的細節，突出主要特性。
7結束語
目前，人們對于土力學的認識仍然處于不斷深化不斷拓展的過程中，巖土工程的實際問題以及人們對于客觀材料的探究渴望等雙重需求，使土力學始終處于發展的推進狀態。雖然解決問題以及采用的手段五花八門，將各種其他學科的最新研究進展引申到土力學中來，以期收到他山之石可以攻玉的效果，但是對土壤材料認識的局限性以及其他學科的特殊性，使其很難達到預期效果，其應用更是無從談起。因此，切實可行的做法仍應該堅持以實驗為主，采取對各類型土壤的主要特性進行研究的方式，摒棄掉可以忽略的細節特性，重點發展某一類型土的實用模型才是實踐的重點。
作者:李自強 單位:中核房地產開發有限公司
