关于岩土力学与工程的发展问题杨光华(广东省水利水电科学研究所广州510610摘要:本文主要针对目前岩土力学与工程存在需要解决的一些问题,岩土力学与工程的特点及其进一步的发展问题提出一些个人看法,供同行参考。
关键词:岩土力学工程发展中图分类号:TU431 文献标识码:A 文章编号:1008-0112(200006-0015-031 岩土力学理论发展的特点岩土力学应建立于岩土材料的力学特性基础上,经典固体力学理论建立于金属材料的力学特性基础上,以土体材料为例,其与金属材料显然存在很大的区别,如土体抗拉强度很低,拉压强度不同,这就涉及到传统弹性理论解在土介质中的适用性问题。
就材料的强度而言,其与金属介质明显不同的是与围压密切相关,由此发展了著名的库仑强度理论;在变形方面,土体的本构特性要比传统的金属材料复杂,经典金属的本构理论在用于表述土体材料时,明显存在局限性,如剪胀、塑性与静水压力相关等的特点是金属介质所没有的,因而需要发展适合于岩土材料的本构理论;在材料组成方面,土是三相体,受力后的变形存在三相共同作用的问题,因而其基本方程更复杂,由此而发展的太沙基有效应力原理是土力学发展的里程碑,比奥固结理论是表述饱和土中水、土共同作用较为完善的基本方程。
在岩石力学中,岩体中存在节理的变形可以说是岩体力学的一个主要特征,因而产生了节理单元。
由此可见,岩土力学的发展是建立于岩土材料的特点基础上的,传统固体力学的理论可以借用,但不等于照搬,只有利用现代数学力学知识,结合岩土材料的力学特点,创造性地解决岩土工程中的力学问题,岩土力学理论才会取得新的发展。
2 土体的稳定性问题土体的稳定性主要有三种类型,即地基的强度、边坡稳定、挡土结构的土压力。
目前的研究三者是不统一的,地基的强度通常按弹性理论求应力,按塑性滑移场理论求其极限强度,而边坡稳定通常是采用滑弧稳定分析方法,即搜索沿某一滑动面滑动时抗滑力与下滑力之比为最小的解;而土压力中朗肯土压力是依据某一点的应力达到极限平衡的条件而确定,库仑土压力则是依据平面滑动体的力的平衡而确定。
显然,若用滑弧稳定的方法求地基极限强度,结果与目前的地基强度理论比较如何?而滑弧稳定分析结果是否符合力学机制?如土层分界面处滑动面是否有转折点?这是需要从理论上进一步解决的问题。
理论上,地基的强度、边坡的稳定、土压力都是土体沿某一最薄弱面产生滑动的结果,其机理应是一致的,应可以把三者的理论统一起来,用统一的理论去解决这类极限稳定的问题,目前已有人开始进行这一研究工作,相信这一个问题的解决,土力学的极限分析将会随之被推进一步。
另一个问题是空间问题,在岩土工程的实际问题中,真正的问题可以说是一空间的稳定问题,如独立基础的地基强度,桩底地基的强度都是一个空间问题,实际发生的边坡滑动失稳定也是一个空间问题较普遍,深基坑支护在基坑角处的土压力也是空间土压力的问题,而对这些空间问题的解决,远未及平面问题那样成熟,是需要去发展和完善的。
3 地基的变形问题实际地基在荷载作用下的P~S曲线是非线性的,一般认为当荷载小于临塑荷载时,地基的变形是15第6期2000年12月广东水利水电GUA NGDONG WA TER RESO UR CES A ND HYDROPO WERNo.6Dec2000弹性的,姑且认为这一假设是合理的,而一般建筑基础荷载下,地基的应力是弹塑性的,则此时的变形已是非线性的了。
作为基础设计,为充分发挥地基的承载力,应力也是可用到弹塑性状态的,而目前的地基设计中,还没有考虑应力状态为弹塑性时的公认的沉降计算方法,仍然使用线弹性状态下的弹性解,这一点显然是与岩土工程的发展不相适应的。
即使是桩基,如在桩筏基础中,为充分利用地基的承载力,可允许基础有一定的沉降,则此时桩基的承载力可能已较大范围进入了弹塑性状态,如目前较为流行的疏桩基础等,桩基的承载力可用到接近极限状态,此时桩基的沉降是非线性的,如何建立能简单计算基础非线性沉降的实用方法,应是地基基础工程迫切需要研究的问题。
当然,作为研究性质时,可采用有限元结合土的本构关系进行详细的分析,但对于一般的工程,简便而又能反映基础工程的主要特征的非线性实用计算方法可能更能推动技术的应用。
参考文献[1、2]在这方面进行了有益的探索。
岩土工程在保证强度稳定的前提条件下,如何简便、合理地计算其变形是一个更为重要的课题。
目前在一些基础工程中,尤其是软土地基,强度稳定可满足,而往往由于固结沉降过大而出现问题的很多,如厂房地面不均匀沉降造成的事故是较多的;又如深基坑开挖工程中的支护结构,稳定可保证,但水平位移过大也必会对周围的建筑物产生影响,是工程所不允许的。
因此,不但要保证强度的稳定,还要控制变形,这已是越来越引起人们关注的重要问题,而如何科学、合理地计算岩土结构的变形则是一个难度更大的课题,未来的岩土工程研究必将以提高变形计算的准确度为主要任务。
该问题的解决,也必将使岩土工程的设计水平上一新的台阶。
4 稳定与变形的统一土的本构理论问题目前岩土工程中的强度稳定与变形的计算是分开的,正如黄文熙教授指出的那样[3],过去求地基强度采用的是刚塑性体方法,而变形和应力则是用线弹性理论,边坡的稳定分析只满足力的平衡条件而没有考虑土的应力~应变关系,这种将强度稳定与变形分开的简化方法不能预测土工结构物由开始受力到破坏的真实变形过程,致使土力学虽有像比奥固结理论那样完整的基本方程,却一直不能求得土体真正的应力和变形场,只有在计算技术发达的现代,才有可能把土体真实的本构关系考虑进来进行计算分析,并用数学模型表示土的本构关系。
由于土体材料的复杂性,而现有的本构理论主要是建立于金属材料基础上的,用于表述土体的本构关系明显存在局限性。
因而,在理论上还需要建立一种适合于像土体这样具有复杂力学特性的材料本构理论[4]。
再者,即使理论有了,参数的确定也是一个很重要的问题,由于土体的结构性,取样回室内做试验确定的参数与现场原状土体还是有较大的区别的,如珠江三角洲一带普遍存在的残积土,现场压板载荷试验测定的土的变形模量通常是室内压缩模量的10倍,用于计算基础的沉降会得到与实际相差很大的结果。
如何由室内试验结果来反映原状土的状况目前还没有很好解决的办法,也许可以在室内制造人工结构土来模拟原状土。
另一方面,土体是一种天然材料,不像人工材料样均匀,那使相距很近的地方的土样,恐怕也难以具有完全的重复性,正如李广信教授所形容的!人不能过同一条河∀那样[5],这就确定了实际岩土工程的复杂性,这样,对土工问题的研究就有必要考虑用数理统计或数学上的场来研究的必要了。
因此,岩土工程不但理论上要求不断发展,实际应用上也是相当复杂的,要使之成为一个完整的科学理论,还有很多工作可做。
5 关于理论的检验通常认为理论的检验有室内试验和现场检验,很多人更注重现场检验。
笔者认为,对于理论问题,由于现场土体分布及施工过程的复杂性和不精确性等各种因素的影响是很难说明问题的,如人们最常用的筑堤试验,实际工程地质的分布是否探得很清楚,施工填土的实际过程与计算条件的差异,施工过程对观测结果的干扰,原状土与室内试验指标的差异等,都影响着理论结果与实测结果的误差,有时理论与实测!完全一致∀并不能说明理论就是很精确的。
由于边界条件的不精确,土层分布的模糊性等,前提条件的不精确而结果精确,其实就是不精确。
要更好地检验理论上的问题,室内模型试验可能更有优越性,因其边界条件、材料分布等可人为控制而较为清楚,如边坡的滑移过程,用室内离心模型试验162000年12月第6期杨光华:关于岩土力学与工程的发展问题 Dec2000 No.6可能会得到用于检验理论结果更可靠的结果和整个滑移变化过程。
因此,对理论的准确检验,室内模型试验可能是更理想的手段,当然,还要解决试验中的比尺问题。
6 关于相互作用的问题单一的均质体或结构受力后的应力或变形可以用解析解而求得,对于非单一体或结构,则其受力后各物体的应力或变形有可能是非连续的,这时必须要考虑各物体的相互作用,大的相互作用问题是很多的,如高层建筑上部结构与地基基础、桩基与岩土体、砼坝与坝基岩土体、复合材料、加筋土、地下工程的支护与岩体;小的方面则如土体本身受力后的应变和变形规律,由于土是一种三相体,受力后存在水、土、汽三相的相互作用问题,这是非饱和土力学的问题,过去研究较多的饱和问题是采用简化了太沙基固结理论,较为全面的则是比奥固结理论,其中就是考虑了水和土粒的共同作用;即使是单纯的土粒,细观上也存在土粒间的相互作用问题。
结构体中,钢筋砼结构也有钢筋与砼相互作用问题,再细一些,即使砼材料本身也存在骨料与水泥浆的相互作用问题,挡土墙砌体也存在石块与砂浆的相互作用问题。
因此,相互作用问题细究起来其实广泛存在于岩土力学与工程中,要更好地进行岩土工程中的应力应变的分析,真正弄清实际问题的应力状态,从细观或微观角度上深入研究相互作用的问题是很有必要的,未来复杂材料力学的发展将会越来越需要研究相互作用的问题,这也许会成为复杂材料力学理论发展的一个研究方向。
7 由简单到复杂岩土力学的研究通常是从简单到复杂的,如地基的强度,研究较多的是平面、均质土层,对于空间,非均质或水平分层或竖向分块的地基强度研究得就不是很深入;又如沉降计算,早期是研究均质、线弹性问题,随着科学技术的发展,才又研究非均质、非线性或弹塑性问题;为使计算结果更合理和反映岩土体的变形特性而引起了人们对岩土材料本构理论与模型的研究。
边坡、土压力间问题,人们研究较多的也是平面问题,或理想弹塑性问题,但随着工程的需要,人们又要研究其滑移过程、空间问题。
岩土力学与工程发展,也是随着科学技术的发展和工程的需要而发展,且是由简单到复杂,不断的向着以尽量反映工程的真实性方面逼近。
8 由复杂到简单问题的简化严格来说,要真正全面地反映岩土体所有因素的影响的岩土力学是非常复杂的。
历史证明,岩土力学理论的发展一是与工程建设的需要密切相关的,二是与当时的科学水平相适应的。
由于岩土材料在组成和力学特性方面的复杂性,作为工程应用,不可能考虑所有的因素,因而必须作出简化,建立目前可应用的简化模型。
任何一个工程问题,总能有一个相对接近的简化模型来反映其主要的实际情况,而这一相对接近的简化模型必是与当时总的科学技术水平和岩土力学理论的水平相适应的。
目前在岩土工程中应用的主要甚或所有计算方法或模型其实都是一种相对简化的模型,因此,在岩土工程实践中,建立相对接近或简化的模型或计算方法,是岩土力学研究的一个重要方面。
9 结语任何一门科学的发展,一是与社会的需要有关,二是与当时的科学技术发展水平相适应的。
我国的工程建设目前正方兴未艾,实际工程中提出了大量的需要解决的课题,这是岩土力学发展的源泉。