土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響因素分析

張 騰

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

1 概述

土作為歷史最久的工程材料，在建筑歷史中占有著重要的地位，但如今它仍然是幾乎所有土木工程的基礎(chǔ)，比如公路橋梁、房屋建筑、洞室開(kāi)挖以及邊坡穩(wěn)定等。針對(duì)于土的工程特性的研究，我們常常關(guān)注的是它的變形特性與強(qiáng)度特性。土體是一種三相介質(zhì)，由于其形成環(huán)境及過(guò)程的復(fù)雜性，造成其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不同于金屬材料，其中的一個(gè)基本特性是平均應(yīng)力對(duì)偏應(yīng)變以及偏應(yīng)力對(duì)體應(yīng)變之間的交叉影響。在20世紀(jì)60年代之前，人們通常做一些三軸或直剪試驗(yàn)去研究土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，另外，還會(huì)用單向固結(jié)儀去測(cè)定土的變形。從計(jì)算理論這一角度來(lái)看，土壓力計(jì)算與穩(wěn)定分析應(yīng)用的是為純粹塑性材料建立的經(jīng)典塑性理論；而沉降分析應(yīng)用的是為純粹彈性材料建立的經(jīng)典彈性理論[1]。這樣操作就會(huì)把土體應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜的關(guān)系簡(jiǎn)單化，在不同的情境下，依據(jù)因素的不同，可以將土體分別作為簡(jiǎn)單的彈性體亦或是簡(jiǎn)單的塑性體來(lái)處理研究，這種處理結(jié)果時(shí)常是被人們滿意的。自從60年代以來(lái)，伴隨著大型電子計(jì)算的引進(jìn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的分析方式被打破，學(xué)者們掙脫束手束腳的鐐銬，應(yīng)用計(jì)算機(jī)通過(guò)建立模型來(lái)分析研究應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這間接或者是直接的促進(jìn)了針對(duì)土體的本構(gòu)關(guān)系的分析研究。要研究土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，首先就得對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，清楚地認(rèn)識(shí)土體的應(yīng)變關(guān)系，從而對(duì)其做進(jìn)一步的研究。土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響因素可以分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因有土體的結(jié)構(gòu)性，土的類型等，外因主要是土體的應(yīng)力條件，包括土體的應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史。下面主要對(duì)土體的結(jié)構(gòu)性、應(yīng)力條件這些因素進(jìn)行分析。

2 土體的結(jié)構(gòu)性

土體的結(jié)構(gòu)是決定它變形的內(nèi)在因素，黃土的結(jié)構(gòu)性是由黃土顆粒之間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和摩擦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所決定的。黃土作為陜西最普遍的土，其是一種典型的結(jié)構(gòu)性土體，它極易發(fā)生脆性破壞以及濕陷，這主要是因?yàn)樗?dú)特的結(jié)構(gòu)所決定的。近幾年，不少學(xué)者針對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性采用土力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行研究，并取得了一定的成果。以對(duì)土微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)要素進(jìn)行的定量化分析為基礎(chǔ)，綜合考慮選擇結(jié)構(gòu)性參數(shù)的方法是很難有效的，將描述土結(jié)構(gòu)性變化規(guī)律引用到某一種固體力學(xué)方法中也是特別難的。目前，最有前景并且最有效的方法就是去尋找一種能夠直接體現(xiàn)結(jié)構(gòu)本質(zhì)的一個(gè)參數(shù)，將它和土的變形—強(qiáng)度規(guī)律相聯(lián)系起來(lái)，從而探討土的本構(gòu)關(guān)系。謝定義，齊吉琳等人提出了能夠體現(xiàn)黃土結(jié)構(gòu)特性的一個(gè)定量參數(shù)，該參數(shù)被引用到分析土的強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系以及變形本構(gòu)關(guān)系中，這一提出使針對(duì)于結(jié)構(gòu)土的研究具有了新的特色[2]。對(duì)于這個(gè)參數(shù)的要求是能夠體現(xiàn)土體顆粒的聯(lián)結(jié)特性以及排列特性，荷載狀態(tài)下的愈合相耦合和結(jié)構(gòu)性損傷的動(dòng)態(tài)變化特征，土體結(jié)構(gòu)的可變性以及可穩(wěn)定性。

3 應(yīng)力條件

應(yīng)力條件對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響主要包括應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑以及應(yīng)力水平。應(yīng)力歷史不僅僅要考慮在歷史的變遷中地殼運(yùn)動(dòng)以及固結(jié)對(duì)天壤土的影響，還要考慮土在工程施工、運(yùn)動(dòng)中或者是實(shí)驗(yàn)室受到的應(yīng)力過(guò)程，粘性的土一般是指它的固結(jié)歷史，一般黃土都是粘性土[3]。應(yīng)力路徑指的是受到外力的狀況下，土中某一位置點(diǎn)位的應(yīng)力變化過(guò)程在應(yīng)力坐標(biāo)圖中的軌跡。應(yīng)力水平這一概念包含兩層的含義，其一是指應(yīng)力(常為剪應(yīng)力)和破壞值之比，即S=q/qf，其二是指圍壓絕對(duì)值的大小。

土本身是一種彈塑性材料，其應(yīng)力與應(yīng)變不成線性比例關(guān)系，同一種應(yīng)力因加載，卸載，重新加載或重新卸載的過(guò)程及應(yīng)力大小不同，其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變及土的性質(zhì)也不一樣，土的應(yīng)力應(yīng)變曲線也發(fā)生了變化。黃土的本構(gòu)關(guān)系從根本上來(lái)說(shuō)是與黃土的結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)，而不同的應(yīng)力水平會(huì)使得土受力過(guò)程中結(jié)構(gòu)的不同。因而在研究土體的本構(gòu)關(guān)系時(shí)需考慮土的應(yīng)力歷史，應(yīng)力路徑和應(yīng)力水平[4]。

對(duì)于應(yīng)力水平，這里主要考慮圍壓的影響，在不同圍壓下將密砂進(jìn)行三軸試驗(yàn)，可以看見(jiàn)的是隨著σ3的不斷增加，砂土的剛度以及強(qiáng)度都明顯的提高，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線也同樣發(fā)生了變化，在圍壓較高的情況下，土普遍不會(huì)發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象以及沒(méi)有剪脹性，但是，黃土的剪切彈性模量G隨圍壓的增大而增大[5]。土的抗剪強(qiáng)度τf或qf將隨圍壓增加而升高，但砂土的內(nèi)摩擦角則隨之降低。土的變形模量也隨著圍壓而提高。對(duì)于應(yīng)力路徑，其對(duì)土體的變形和強(qiáng)度特性都有影響，在應(yīng)力路徑發(fā)生一定的變化的時(shí)候，粘性土一般對(duì)于剛剛“走過(guò)”的路徑似乎是有一定的“記憶”的，在新應(yīng)力路徑上只有走到足夠長(zhǎng)的距離時(shí)，應(yīng)變路徑的方向才逐漸向應(yīng)力路徑方向靠攏。超固結(jié)土與正常固結(jié)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有很大的區(qū)別(見(jiàn)圖1)，另外，針對(duì)于粘性土，雖然它的固結(jié)應(yīng)力不變，但是如果在長(zhǎng)期的荷載的影響下，因?yàn)橥辆哂辛鲃?dòng)性，所以土發(fā)生的次固結(jié)會(huì)讓正常的固結(jié)土表現(xiàn)出超固結(jié)的表象，這在一定程度上說(shuō)明應(yīng)力歷史會(huì)對(duì)土的本構(gòu)關(guān)系產(chǎn)生一些影響。

針對(duì)應(yīng)力歷史、應(yīng)力水平以及應(yīng)力路徑對(duì)本構(gòu)關(guān)系的影響研究時(shí)，可以做在不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，不同固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)，和控制不同應(yīng)力路徑的加載卸載三軸壓縮試驗(yàn)[6]，測(cè)定應(yīng)力應(yīng)變并繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，分不同條件下的本構(gòu)關(guān)系的不同，并嘗試建立統(tǒng)一的公式。

4 結(jié)論與思考

本文總結(jié)了影響土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的幾種因素并對(duì)其進(jìn)行了分析。當(dāng)前，對(duì)于土的本構(gòu)模型的研究主要集中在兩個(gè)方面，分別是微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀力學(xué)。就微觀模型方面，很多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)黃土、天然粘土以及軟土等多個(gè)方向進(jìn)行了研究，同時(shí)這也是未來(lái)針對(duì)于土體力學(xué)進(jìn)行研究的方向，但對(duì)于這方面的研究較少的能夠應(yīng)用到實(shí)際中。就宏觀力學(xué)方面，對(duì)于此方面的研究是建立在彈塑性理論研究的基礎(chǔ)上的，這方面的研究在巖土工程實(shí)際工作中得到了普遍的應(yīng)用。面對(duì)目前百花齊放的各種本構(gòu)模型，我們要結(jié)合實(shí)際工作需要進(jìn)行選擇。對(duì)于前人的研究成果，這僅僅是代表前人對(duì)于某一事物個(gè)人的一種觀點(diǎn)，我們要結(jié)合實(shí)際情況具體事情具體分析，在不同的情景狀況下，得到的結(jié)論也可能是不同的，甚至即使條件相同的狀況下，由于人為因素的影響也是會(huì)有差異的。同時(shí)我們還應(yīng)在考慮各種影響因素的同時(shí)，不斷的發(fā)展和完善土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型，使之能夠好的反映土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。