探討巖土材料屈服破壞準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)：P642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

摘要：巖土材料的屈服是巖土工程中最基礎(chǔ)也是最為重要的問題，本文在闡述巖土材料的基本力學(xué)性能及回顧了屈服準(zhǔn)則研究歷史的基礎(chǔ)上，提出了巖土材料的能量屈服準(zhǔn)則概念。

關(guān)鍵詞：巖土材料；屈服準(zhǔn)則；能量

一、前言

巖土塑性力學(xué)是近50年來發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科。它將變形固體力學(xué)理論與工程巖土力學(xué)更加緊密地聯(lián)系起來。巖土塑性力學(xué)是在經(jīng)典或傳統(tǒng)的金屬塑性力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)而研究巖土類材料的塑性力學(xué)特性而發(fā)展起來的。

二、巖土材料的基本力學(xué)性能

巖土體在組成、微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和所處周圍環(huán)境等方面與金屬有著顯著的差別，致使兩者的力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)出較大的不同。由于在一般壓力下金屬的塑性體積應(yīng)變很小，可以忽略不計(jì)，因此對(duì)金屬的彈塑性變形過程僅考慮單一的剪切變形。然而巖土材料的塑性體積應(yīng)變量級(jí)可達(dá)百分之幾，不可忽略。因此巖土材料的彈塑性變形包括兩部分：體積變形和剪切變形。特別，這兩種變形之間還存在相當(dāng)強(qiáng)烈的相互作用。因此，巖土材料的變形過程比金屬復(fù)雜得多。金屬是晶體材料，而巖土類是由顆粒材料組成的多相體，也稱為多相體的摩擦型材料。正是由于巖土類材料具有與金屬材料不同的材料特性，決定了巖土類材料有許多不同于金屬的力學(xué)特征。巖土類材料最基本的力學(xué)特性，大致可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）各向異性：巖土材料的各向異性主要有兩個(gè)原因：一是結(jié)構(gòu)方面的原因，在沉積和固結(jié)過程中，天然巖土層中的巖土顆粒及其組構(gòu)單元排列的方向性形成了巖土體各向異性；二是應(yīng)力方面的原因，天然巖土層中的初始應(yīng)力一般處于各向不等壓力狀態(tài)。前者稱為巖土體固有各向異性，后者稱為巖土體應(yīng)力各向異性。

（2）流變性：流變是指介質(zhì)在外部條件不變的情況下，力和變形隨時(shí)間緩慢變化的現(xiàn)象。大量的工程實(shí)踐和試驗(yàn)驗(yàn)證，巖土介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)帶有時(shí)間效應(yīng)。巖土介質(zhì)的變形不是瞬時(shí)完成的，而是需要一段時(shí)間，甚至很長的時(shí)間。

（3）應(yīng)力路線相關(guān)性：材料塑性變形是個(gè)能量耗散過程，一般引用內(nèi)變量來描述它，這種耗散過程將會(huì)導(dǎo)致變形與應(yīng)力路徑相關(guān)。尤其對(duì)具有體積和剪切塑性變形的巖土體，情況更為復(fù)雜。從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人們已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)到，應(yīng)力路徑對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服軌跡的影響是存在的，但還不十分清楚整體影響的表現(xiàn)形式和程度。巖土體的變形特性并不僅僅取決于當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)，而是與到達(dá)當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)之前的應(yīng)力歷史和今后的加荷方向有關(guān)，這兩種影響可以統(tǒng)稱為應(yīng)力路線相關(guān)性。

（4）初始狀態(tài)：土的初始固結(jié)（密實(shí)）狀態(tài)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)有較大影響。在排水三軸壓縮條件下，密實(shí)砂和超固結(jié)粘土比松散砂和正常固結(jié)粘土具有較高的剛性（斜度較陡）和較高的峰值（最大或破壞）應(yīng)力。在峰值應(yīng)力之后，對(duì)于密實(shí)土和松散土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是截然不同的。隨著應(yīng)變到達(dá)峰值以后，松散土表現(xiàn)出在剪切強(qiáng)度方面有很小降低或沒有降低，它們的行為可稱作應(yīng)變強(qiáng)化性質(zhì)。而隨著剪切強(qiáng)度峰值過后明顯下降時(shí)，密實(shí)土表現(xiàn)出應(yīng)變軟化性質(zhì)。在非常大的應(yīng)變情況下（在應(yīng)變控制試驗(yàn)的最后），密實(shí)土和松散土都達(dá)到相同的極限（殘余的）剪切抗力。另外，密實(shí)土在峰值應(yīng)力之后表現(xiàn)出很大的剪脹性。

（5）加載-卸載-再加載性質(zhì)：在加載和卸載時(shí)，巖土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)是完全不同的。巖土材料的非線性變形基本上是非彈性的。除了在很低的應(yīng)力水平下，在任何給定應(yīng)力狀態(tài)下卸載，只有一小部分應(yīng)變可以恢復(fù)。可復(fù)（可逆）應(yīng)變代表總應(yīng)變中的彈性部分。這些彈性應(yīng)變主要是由于巖土試樣中單獨(dú)的固體顆粒的彈性變形所致。另一方面，不可復(fù)（不可逆）應(yīng)變稱作塑性應(yīng)變，它們是由顆粒的滑移（滑動(dòng)）、重新排列以及壓碎造成的。這些塑性變形引起了巖土試樣中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。

（6）加載速率：加載速率問題實(shí)際上是時(shí)間效應(yīng)問題，嚴(yán)格地講巖土材料的應(yīng)力和應(yīng)變都是時(shí)間的函數(shù)，巖土體是具有彈性、塑性和粘性的粘彈塑性體，不同的加載速率，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也有明顯差異，隨著加載速率的增加，曲線的初始模量增大，峰值提高。

（7）壓硬性：在一定范圍內(nèi)，巖土材料抗剪強(qiáng)度和剛度隨壓應(yīng)力的增大而增大，這種特性可稱為巖土的壓硬性。巖土材料的抗剪強(qiáng)度不僅由粘結(jié)力產(chǎn)生，而且由內(nèi)摩擦角產(chǎn)生。這是因?yàn)閹r土材料由顆粒材料堆積或膠結(jié)而成，屬于摩擦型材料，因而它的抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角及壓應(yīng)力有關(guān)，而金屬材料不具這種特性，抗剪強(qiáng)度與壓應(yīng)力無關(guān)。

（8）塑性體積應(yīng)變：巖土材料作為一種多相材料，顆粒中含有孔隙，可視為包圍著含有水和（或）空氣的連續(xù)孔洞的固體顆粒骨架。在實(shí)際通常遇到的應(yīng)力范圍內(nèi)，認(rèn)為單獨(dú)的固體顆粒和水是不可壓縮的；另一方面，空氣是可壓縮的。由于外加應(yīng)力的作用，巖土顆粒中的水、氣排出，土骨架的體積作為一個(gè)整體可隨固體顆粒重新排列到新的位置而變化，這種變化主要是轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移，并隨著顆粒間的作用力而相應(yīng)變化。土骨架的實(shí)際可壓縮性依據(jù)固體顆粒的結(jié)構(gòu)排列而定。因此，不同于金屬，巖土材料在各向等壓作用下會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性體積應(yīng)變。

（9）有效應(yīng)力原理：巖土材料作為固體顆粒、水、氣的集合體，總應(yīng)力由孔隙壓力和有效應(yīng)力共同承擔(dān)。剪應(yīng)力只由固體顆粒的骨架通過固體顆粒間接觸產(chǎn)生的力來承受。但是，對(duì)正應(yīng)力的抵抗由兩部分提供：第一部分是由固體顆粒骨架承受；第二部分是孔隙壓力承擔(dān)。后一部分（孔隙壓力）相應(yīng)地又分成兩部分：孔隙水壓力和孔隙空氣壓力（在部分飽和土中）。由于我們關(guān)心的是固體顆粒的力學(xué)行為，所有應(yīng)力都應(yīng)轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力。

（10）體積-偏量響應(yīng)的耦合：巖土材料的性質(zhì)中另一個(gè)重要的特征是剪切-膨脹現(xiàn)象，或者說是偏量響應(yīng)和靜水響應(yīng)分量之間的耦合效應(yīng)。與金屬材料不同，巖土材料的體應(yīng)變還與剪應(yīng)力有關(guān)，即在剪應(yīng)力作用下，巖土材料會(huì)產(chǎn)生塑性體應(yīng)變（膨脹或收縮），一般稱為巖土材料的剪脹（縮）性，尤其在接近于破壞時(shí)的高應(yīng)力水平。這種偏量響應(yīng)和靜水響應(yīng)分量之間的耦合效應(yīng)表示一種應(yīng)力引發(fā)的各向異性，這種各向異性是由于在高的剪應(yīng)力水平下產(chǎn)生的顆粒重新排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化所致。

三、屈服準(zhǔn)則研究歷史

C—M準(zhǔn)則考慮了正應(yīng)力或平均應(yīng)力作用的最大主剪應(yīng)力或單一剪應(yīng)力屈服理論。因此該準(zhǔn)則的物理意義在于：當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服與破壞。C—M準(zhǔn)則的最大優(yōu)點(diǎn)是，它能反映巖土類材料的抗壓強(qiáng)度不同的S-D效應(yīng)與對(duì)正應(yīng)力的敏感性，而且簡單實(shí)用。材料參數(shù)c、φ可以通過各種不同的常規(guī)試驗(yàn)儀器和方法測(cè)定。因此，C-M準(zhǔn)則在巖土力學(xué)和塑性理論中得到廣泛應(yīng)用。但是C—M準(zhǔn)則不能反映對(duì)屈服和破壞的影響及單純的靜水壓力引起的巖土屈服的特性，而且屈服面有棱角，不便于塑性應(yīng)變?cè)隽康挠?jì)算，這就給數(shù)值計(jì)算帶來了困難。另外還有Tresca準(zhǔn)則、Drucker-Prager準(zhǔn)則、Lade雙屈服面屈服準(zhǔn)則。

四、展望

巖土類材料是由顆粒組成的多相摩擦型材料，具有內(nèi)摩擦性質(zhì)，它的力學(xué)單元與傳統(tǒng)固體力學(xué)單元不同，摩擦體的單元中存在摩擦力，這正是它不同于金屬的基本力學(xué)特性。雖然部分學(xué)者針對(duì)巖土材料變形過程中的能量問題已經(jīng)開展了大量研究工作，但都是局限于傳統(tǒng)固體力學(xué)的范疇。因此我們有必要研究巖土類摩擦材料不同于金屬的特殊力學(xué)特性，去建立適合于巖土材料的能量理論。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張?jiān)溃?979-）男，工作單位：寧夏民生房地產(chǎn)開發(fā)有限公司；研究方向：建筑施工管理、技術(shù)施工。