物理力學在土木工程領域的應用分析

王子軒

摘 要：隨著國家經濟的全面發展，各類大型水利工程、交通運輸和城市建筑等工程建設項目越來越多，土木工程作為各類大型基礎設施建設的重要組成部分，其建設規模越來越大，傳統工程材料日益短缺，工程建設中迫切需要新材料的研發或利用。但一些材料由于其物理化學性質尚不明確，其使用受到嚴重限制，另一方面，合成材料的成功率也必須有微觀物理力學的理論指導。因此，近年來，許多學者越來越傾向于嘗試通過對材料的物理力學特性進行分析，以此推動土木工程新材料的應用和推廣。本文從物理力學的學科背景和應用背景為出發點，對其在土木工程各領域的應用進行了深入分析，并以一個實際的案例來闡明物理力學在土木工程新材料開發與應用過程中的基本思路。本文的研究對物理力學的推廣和應用有一定的參考價值。

關鍵詞：物理力學；土木工程；新材料；應用分析

中圖分類號：G634.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0098-02

隨著科學技術的進步，經濟社會的發展，各種工程建設規模越來越大，傳統工程材料日益短缺，工程建設中迫切需要新材料的研發或利用。但一些材料由于其物理化學性質尚不明確，因此未有應用先例，另一方面，合成材料的成功率也必須有微觀物理力學的理論指導。因此，近年來，許多學者越來越傾向于嘗試通過對材料的物理力學特性進行分析，以此推動土木工程新材料的應用和推廣，這將是對物理力學最好的運用，也是對物理力學最好的發展。

1 物理力學的起源與發展

從學科分類的角度上看，物理力學屬于力學的下級學科，它主要關注物質的微觀結構及其運動規律，充分結合近代物理、化學和量子力學等領域的先進成果，采用理論分析及數值仿真的方式對物質的微觀特性進行研究，以解釋材料的宏觀性質和各種物理化學行為。

物理力學起源于上世紀50年代末，其中我國的物理力學發展在著名科學家錢學森的創立和發展下開始進入工程實踐領域。由于當時的科技正處于一個迅速發展的關鍵時間，許多工程技術問題已很難通過傳統的物理學和化學理論進行充分解釋，例如當溫度高達幾百萬開、壓力高達幾百萬帕等，物質的特征尺度與微觀結構的特征尺度基本上已處于同一數量級，必須通過新的理論體系才能進一步支撐科技的發展需求。此外，新材料的研究也迫切需要一種微觀分析方法對特殊功能材料的合成提供理論參考。在這樣的時代背景下，物理力學應運而生。

盡管物理力學已經經歷了半個多世紀的發展，但仍然處于初步探索階段，在理論和應用中還遠未達到成熟的地步，許多理論仍然與傳統的物理學有著密切聯系。當前人們對物理力學的研究主要集中在微觀機理分析、高效運算方法、微觀與宏觀的關系等方面，其中從微觀到宏觀是物理力學這一新興學科分支的最重要的特征。

2 物理力學在土木工程領域的應用分析

2.1 土石壩工程中的物理力學應用

隨著國家經濟的全面發展，各類大型水利工程、交通運輸和城市建筑等工程建設項目得到了迅速的發展，其中大型巖土工程作為各類工程的基礎性工程，是各類土木工程的基礎支撐。上述工程建設都大量涉及到土石壩工程，而土石壩工程的質量不僅與其宏觀結構有關，更與其所采用的材料有著密切關系，也就是說，土石壩是是否牢固，主要取決于其所采用材料的物理力學性能是否滿足相關要求。土石壩建設具有就地取材、節約成本、施工簡單等特點，因此其建設質量的關鍵把握點在于材料性能的發揮。當前土石壩工程中使用的材料比較多，并且沒有固定的材料，本文以自然界中較豐富的粗粒土為例，對物理力學在土石壩建設中的應用進行分析。

粗粒土的優良工程特性已受到業內公認，這種優良性主要表現在其特殊的剪切特性、滲透特性和壓縮特性，因此許多學者近年一直在探索粗粒土的各種物理力學特性，以期在工程建設中發揮其最大作用。在計算機科學、土工試驗技術和數學等學科的帶動下，人們已經可以通過先進的試驗設備進行復雜的實驗，從而尋找最佳的粗粒土物理力學指標。在工程實踐中，人們發現同樣采用粗粒土材料，但不同的工程的其強度測試結果有較明顯的差異，這一度困擾了許多工程師和專家。借助計算機對粗粒土的各項物理力學特性進行全面仿真分析后，才基本弄清楚其內部機理。相關研究表明，在壩體載荷單調遞增的條件下，提高粗粒土的含水量可以進一步加速孔隙比的縮小，從而大大增加了土體的抗壓縮性能。因此，物理力學試驗表明，恰當提高粗粒土的含水量可以使土石壩更穩定牢固[1]。

2.2 古建筑修復工程中的物理力學應用

古建筑是古人智慧的結晶，也是現代社會的寶貴財富，具有重要的人文價值和歷史價值。但由于歷史悠久，古建筑長期處于惡劣的自然環境中，經受各種物理破壞和化學腐蝕，其完整性通常無法保證。因此古建筑的修復成為當今考古界和建筑界的研究熱點之一。古建筑材料與現代建筑材料有很大區別，并且往往是不相容的，人們通常采用膠凝材料來模仿古建筑材料，以保證修復后對其歷史風貌的真實還原。膠凝材料是一種廣泛使用的建筑材料中，它的初始狀態是半流動的槳體，施工后經過眾多復雜的物理化學作用最終膠結為強度滿足工程要求的固體。實際上，工地上的石灰、石膏、水泥等常見的建筑材料都屬于膠凝材料，但他們屬于無機材料范疇。古建筑修復中廣泛采用有機膠凝材料，其中糯米漿三合土因其良好的加固效果及兼容性得到了廣泛利用。

糯米漿三合土通常由石灰、黃泥、砂、糯米等組分混制而成，從物理化學的角度上分析，三合土的粘結固化機理本質在于石灰與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣。但這些組分之間如何進行配比與施工，仍需要通常物理力學原理進行深入分析。相關研究表明，在保持糯米漿三合土同齡期人前提下，恰當增加糯米槳濃度可以大大增強其表面硬度，但濃度超過臨界值后其硬度反而會下降，這是因為糯米中的有機成分可以起到調控碳酸鈣晶粒形狀和性質的作用，促進碳化反應的進行，從而增加表面硬度；但如果糯米含量過多，反而不利于這種碳化反應的進行，因而表面硬度會明顯下降。可見，通過物理力學原理的試驗與分析，獲得了糯米漿三合土材料的最佳性能，從而提高古建筑修復質量[2]。

2.3 導電混凝土研發中的物理力學應用

智能混凝土是近年提出的一個新概念，它與傳統混凝土材料的最大區別在于，除了強度上的性能之外，還具備其它特殊的物理化學特性，例如抗震性、導電性、自愈性、可調性、自感應等等。其中導電混凝土是近年研究的熱點之一，它主要關注現代建筑物電力系統的接地安全問題，由于傳統的混凝土是不導電的，因此只能通過導線直接引入地下，容易出現腐蝕等問題，而導電混凝土則允許電力系統與這直接相連進行接地，避免了上述問題。但這類智能混凝土的研究工作仍處于起步階段，其機理還不明確，應用也只在試驗階段。

鋼渣混凝土被認為是最有前途的導電混凝土材料之一，它由傳統的水泥、導電鋼渣和水等組分按一定配比混制而成。顯然，人們應用鋼渣混凝土具有明確的目的，就是要同時具備高強度和導電性，但這兩者之間在一定程度上是相互矛盾的，只有通過物理力學試驗進行大量分析，才能使材料在兩種性能之間達到平衡。相關文獻資料表明，鋼渣的比例越多，其導電性能越好，但抗壓性能越差，反之亦然。因此鋼渣比例、導電性、抗壓性三者之間不具備簡單的線性關系。實驗表明，當鋼渣與水泥的比例SS/C=0.5時，鋼渣混凝土的抗壓彈性模量可以達到最大值，并稍微優于傳統的混凝材料；當SS/C>1時，抗壓彈性模量開始呈現下降趨勢，其性能開始滿后于傳統混凝土材料，該現象與鋼渣集料的孔隙率大小有關，孔隙率偏大會使混凝土剛度下降，抗變形能力變弱。因此，物理力學實驗結果表明，SS/C控制在0.5-1的范圍內為最佳[3]。

2.4 煤矸石利用中的物理力學應用

煤矸石是煤炭開采過程中的伴生產品，具有占用土地、污染環境、危害健康、處置困難等特點，如何有效治理煤矸石，已成為煤炭開采行業共同的難題。近年來，有學者提出可以將煤矸石應用于土木工程的建設領域中，減少傳統建筑材料消耗的同時，又解決了煤矸石治理難題。在多年的研究和認證下，當前部分煤矸石已經在路基填筑和地基回填等工程領域中得到應用，但其應用范圍仍然十分局限，主要是考慮到安全性能問題。為了使煤矸石成為一種普適性建筑材料，進一步擴大其應用范圍，應對其物理力學性質進行深入研究，明確其各方面的性能指標，以確定其是否適用于不同的工程領域。

以填筑壩體的材料設計為例，由于對煤矸石的堆場特性、結構特性、顆粒破碎特性、自燃特性和水理特性等物理力學指標仍不夠明確，因此目前國內還沒有在大面積填筑壩體中采用煤矸石的案例。為些，許多學者對煤矸石的物理力學性能進行了大量的研究。研究結果表明，煤矸石堆場特性與常規碎石土類似，在正常工程適用范圍之內；通過對其顆粒級配進行調整，可以提高煤矸石的碾壓密實性；煤矸石抗剪強度較高，強度特性較好，具有較高的穩定性。因此，煤矸石的各項物理力學特性指標均可以滿足筑壩工程的標準，為大面積填筑壩中應用煤矸石材料提供了理論依據[4]。

3 應用案例分析——再生混凝土物理力學性能研究

隨著建筑業和土木工程的發展，越來越多的建筑物拔地而起，也越來越多的建筑物被廢棄。廢棄混凝土的處理已尤為世界各國的共同難題。近年來，發達國家開始采用廢棄混凝土作原料配制成可重復利用的混凝土材料，即再生混凝土。有實驗表明，再生混凝土的物理化學性能與一次性混凝土相比是有一定差距的，由于再生骨料與新砂漿之間存在明顯的過渡區和微裂縫，成為應力集中的發源地，因此對其抗壓性能有較大影響。但最新的研究表明，再生混凝土的性能損失是有限的，通過恰當的配比控制可以使其達到傳統混凝土同行的抗壓性能，甚至更優。再生混凝土的抗壓性能與再生骨料、水灰比等因素有關。在水灰比不高的情況下，再生混凝土的抗壓不如普通混凝土；在水灰比較高的情況下，則可以達到與普通混凝土同行或更佳的性能。下面對該結論進行物理力學試驗驗證。

將廢棄混凝土破碎篩選后作為再生骨料，取代部分傳統混凝土的新骨料，采用單因素控制法進行實驗。在其它條件不變的情況下，通過改變再生骨料的比例，對最終的混凝土進行抗壓強度測試，并作記錄。本文選擇了再生骨料的比例分別為43%和47%時不同時間段的試驗數據進行分析，試驗結果如圖1所示。

從試驗結果中不難看出，再生混凝土在使用初期具有較好的抗壓性能，并且稍優于傳統混凝土，但隨著使用時間的延長，其抗壓強度會慢慢下降，最終與傳統混凝土的性能相近。為了進一步提高再生混凝土的抗壓強度，可以恰當降低水灰比，同時加入適量的減水劑，或者摻入少量粉煤灰，這些措施都可以改善過渡區結構和裂縫問題，從而達到提高抗壓強度的目的。

4 結語

隨著國家基礎設施的建設規模不斷加大，建筑行業的迅速發展，物理力學在土木工程領域中將有更廣泛的應用。各種新材料的需求將不斷促進物理力學的理論研究與完善，并在工程實踐中推廣應用。不難預測，未來幾十年內，人們對物理力學的研究將主要集中在微觀機理分析、高效運算方法、微觀與宏觀的關系等方面，其中從微觀到宏觀是物理力學研究的主要思路，將指導著一代又一代的土木工程建設者不斷前進。

參考文獻

[1]李文波.粗粒土物理力學特性研究[M].電力工程學院，2015.

[2]諶文武，張起勇，劉宏偉，等.糯米漿溫度對糯米灰漿加固遺址土的影響[J].巖石力學與工程學報，2017，（a02）：4244-4250.

[3]王鳳池，張滿園，宋文，等.鋼渣混凝土導電及力學性能的試驗研究[J].濟南大學學報（自然科學版），2014，28（4）：306-310.

[4]白光起.煤矸石力學特性研究及其在礦區鐵路中的應用[J].現代礦業，2015， 31（3）：164-166.