土力學(xué)理論的認(rèn)識與發(fā)展

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

土力學(xué)是應(yīng)用工程力學(xué)方法來研究土的力學(xué)性質(zhì)的一門學(xué)科。土力學(xué)的研究對象是與人類活動密切相關(guān)的土和土體,包括人工土體和自然土體,以及與土的力學(xué)性能密切相關(guān)的地下水。奧地利工程師卡爾·太沙基(1883-1963)首先采用科學(xué)的方法研究土力學(xué)，被譽為現(xiàn)代土力學(xué)之父。土力學(xué)被廣泛應(yīng)用在地基、擋土墻、土工建筑物、堤壩等設(shè)計中，是土木工程、巖土工程、工程地質(zhì)等工程學(xué)科的重要分枝。

目前在工程界廣泛應(yīng)用的土力學(xué)理論是經(jīng)典的飽和土力學(xué)。然而地球表面的土層絕大部分都處于非飽和狀態(tài)，即使是軟土地區(qū)的土層其地表層也必然處于非飽和狀態(tài)。一些經(jīng)常出問題的土，例如在我國大面積分布的膨脹土、濕陷性黃土等這些特殊土都屬于非飽和土。另外，飽和土本身也是非飽和土的特殊狀態(tài)。包承綱等指出：“非飽和土工程問題時有發(fā)生，在世界上有超過60%以上的國家都曾經(jīng)或者正在遭受非飽和特殊土所帶來的工程危害”。所以，非飽和土的基本性質(zhì)和行為的研究具有非常重要的理論和實踐意義。

土體在應(yīng)力、滲流、溫度和化學(xué)等場的共同作用下，土骨架的變形、孔隙水的滲流、溶液組分或污染物的遷移與擴散、化學(xué)反應(yīng)(溶解、沉淀)、相變等多過程或多場的耦合問題，是目前國內(nèi)外研究中的一個迫切需要解決而又十分困難的問題。該問題的解決將為有效地解決許多工程問題，如土木工程的建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治、環(huán)境保護(hù)(如污染物的擴散與運移等)、新能源(如煤層氣、天然氣水合物等)高效開采等，提供必要的理論基礎(chǔ)和前提條件。而傳統(tǒng)的土體多場耦合理論大多數(shù)都是基于直覺的、經(jīng)驗的、宏觀現(xiàn)象學(xué)的認(rèn)識，缺少嚴(yán)格和科學(xué)的理論基礎(chǔ)。由此所建立的理論適用范圍有限，也未能嚴(yán)格和有效地描述多場作用下土體中多場和多過程耦合的現(xiàn)象。因此，無法滿足解決上述實際工程問題的需要。土體在多種環(huán)境作用下多場耦合的統(tǒng)一和完備的理論基礎(chǔ)有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展。

面對土力學(xué)理論的挑戰(zhàn)，不單單是對土力學(xué)研究領(lǐng)域的考驗，更是對研究學(xué)者的一種考驗。土體本身與周邊貯存的環(huán)境以及所涉及到的范圍相關(guān)性較大，應(yīng)對變化的范圍非常大，這也是導(dǎo)致土力學(xué)理論以及體系范圍不斷擴張的根本成因，使得經(jīng)典土力學(xué)理論不斷得到拓展與變化，滿足現(xiàn)代社會的發(fā)展要求隨著社會生產(chǎn)生活需求的增加，現(xiàn)代文明的沖擊需要土力學(xué)理論更多衡量多種環(huán)境的作用及荷載，以便理論涵蓋面被擴展，與社會需求保持一致性。

土力學(xué)理論的發(fā)展，經(jīng)過近一個世紀(jì)的時間，取得巨大進(jìn)步。但結(jié)合現(xiàn)有對土力學(xué)理論的研究環(huán)境分析，土力學(xué)理論發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)為：

(1)并未形成嚴(yán)格、統(tǒng)一與完備的土力學(xué)理論土力學(xué)的發(fā)展，總結(jié)現(xiàn)有的土力學(xué)理論，雖然研究內(nèi)容較多，但并未形成一個相對完善的理論體系，通常是處于一種半理論、半經(jīng)驗的發(fā)展階段。具體表現(xiàn)為：在大多數(shù)的理論成果當(dāng)中，假定滲流、變形以及強度三者之間并無顯著的關(guān)聯(lián)性，并且滲流與變形的產(chǎn)生同樣是依據(jù)不同假設(shè)生成這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得土力學(xué)各個章節(jié)之間缺少有機的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)；基礎(chǔ)的研究公式與方法隨處可見；經(jīng)驗、工程判斷等還能夠發(fā)揮出重要作用上述因素的產(chǎn)生，在一定程度上影響著土力學(xué)的基本范疇，雖然理論研究成果逐漸完善，但在本質(zhì)上并未形成一個完整的土力學(xué)理論體系，還有待于理論的增強以及研究深度的探索。

(2)一般意義的非飽和土的行為研究并不夠充分，現(xiàn)有認(rèn)知不夠完善飽和土力學(xué)是該理論廣泛被應(yīng)用的一個基礎(chǔ)內(nèi)容但受到土層自身本質(zhì)的影響，通常處于一種非飽和的狀態(tài)下。例如，我國大面積分布的膨脹土、濕陷性黃土等特殊土皆為非飽和土即便是飽和土本身也是非飽和土的一種基本形態(tài)。根據(jù)調(diào)查資料顯示，世界上超過60%以上的國家正在受到非飽和土帶來的工程危害基于此，一般環(huán)境下的非飽和土的行為研究并不夠充分，認(rèn)知不夠全面。

(3)多種環(huán)境載荷作用下，多場耦合統(tǒng)一與完備的理論并未形成關(guān)于多環(huán)境載荷作用下對于多場耦合的研究，己經(jīng)并非是一種單純的理論研究內(nèi)容，己經(jīng)成為國內(nèi)外的研究難題。土力學(xué)涉及到的各項環(huán)境因素較多，包括土體應(yīng)力、滲流以及溫度等變化。對該問題的研究，能夠有效解決多種工程問題。傳統(tǒng)的多場耦合通常是基于主觀視角下進(jìn)行探索，缺乏嚴(yán)格統(tǒng)一的基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而使得這種理論在工程領(lǐng)域的應(yīng)用過程中無法發(fā)揮出實效。

面對上述挑戰(zhàn)，土力學(xué)理論并不能夠要求現(xiàn)實環(huán)境與工程問題去適應(yīng)現(xiàn)有的土力學(xué)理論內(nèi)容，更需要將土力學(xué)理論與實際工程問題進(jìn)行融合，以便于適應(yīng)多種環(huán)境，為現(xiàn)實環(huán)境中的工程問題有效解決做出探索。

土的結(jié)構(gòu)性問題是Terzaghi時代就引起了注意，但直到現(xiàn)在仍然沒有得到很好地解決，并且是不斷吸引廣大研究者興趣的熱點問題之一。按照Mitchel的說明，土的結(jié)構(gòu)是組合了組構(gòu)(fabric)，一物成分和顆粒之問作用力及其與水的相互作用的綜合效應(yīng)的結(jié)果。組構(gòu)和顆粒之問作用力及其與水的相互作用是密不可分的。當(dāng)組構(gòu)發(fā)生變化時，則顆粒之問及其與水的相互作用力也必然隨之變化，而不可能維持不變。筆者認(rèn)為，土的結(jié)構(gòu)還應(yīng)該包括水在孔隙中的結(jié)構(gòu)(或分布)問題。但水在孔隙中的結(jié)構(gòu)性問題目前還沒有引起土力學(xué)界的足夠重視。尤其是就非飽和土而言，孔隙中水的結(jié)構(gòu)對土的性質(zhì)具有重要影響。因此，討論非飽和土的結(jié)構(gòu)時，不應(yīng)忽略水在土的孔隙中的結(jié)構(gòu)(或分布)問題。通常水在非飽和土的孔隙中的結(jié)構(gòu)問題包括兩個方面：①單個孔隙中水的分布;②在土體很多孔隙中水的分布。當(dāng)前非飽和土力學(xué)的研究中，對單個孔隙中水的分布情況考慮較多，而對在土體很多孔隙中水的分布情況考慮不夠，因此，需要引起注意和研究。土本身是各向異性的。但目前工程中使用的強度和本構(gòu)模型絕大多數(shù)是各向同性的模型。如何建立能夠反映土體實際情況并簡單、實用的各向異性強度和本構(gòu)模型(尤其是橫觀各相同性模型)是值得注意和研究的問題。

目前，土力學(xué)理論不論在深度還是廣度方面都得到了長足的發(fā)展?？梢灶A(yù)見，在新的世紀(jì)中這種不斷的發(fā)展會給土力學(xué)理論帶來勃勃生機和更加輝煌的未來。