物理力學(xué)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用分析

王子軒

摘 要：隨著國家經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，各類大型水利工程、交通運(yùn)輸和城市建筑等工程建設(shè)項(xiàng)目越來越多，土木工程作為各類大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，其建設(shè)規(guī)模越來越大，傳統(tǒng)工程材料日益短缺，工程建設(shè)中迫切需要新材料的研發(fā)或利用。但一些材料由于其物理化學(xué)性質(zhì)尚不明確，其使用受到嚴(yán)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(xué)的理論指導(dǎo)。因此，近年來，許多學(xué)者越來越傾向于嘗試通過對材料的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析，以此推動土木工程新材料的應(yīng)用和推廣。本文從物理力學(xué)的學(xué)科背景和應(yīng)用背景為出發(fā)點(diǎn)，對其在土木工程各領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，并以一個(gè)實(shí)際的案例來闡明物理力學(xué)在土木工程新材料開發(fā)與應(yīng)用過程中的基本思路。本文的研究對物理力學(xué)的推廣和應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物理力學(xué)；土木工程；新材料；應(yīng)用分析

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

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，各種工程建設(shè)規(guī)模越來越大，傳統(tǒng)工程材料日益短缺，工程建設(shè)中迫切需要新材料的研發(fā)或利用。但一些材料由于其物理化學(xué)性質(zhì)尚不明確，因此未有應(yīng)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(xué)的理論指導(dǎo)。因此，近年來，許多學(xué)者越來越傾向于嘗試通過對材料的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析，以此推動土木工程新材料的應(yīng)用和推廣，這將是對物理力學(xué)最好的運(yùn)用，也是對物理力學(xué)最好的發(fā)展。

1 物理力學(xué)的起源與發(fā)展

從學(xué)科分類的角度上看，物理力學(xué)屬于力學(xué)的下級學(xué)科，它主要關(guān)注物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律，充分結(jié)合近代物理、化學(xué)和量子力學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)成果，采用理論分析及數(shù)值仿真的方式對物質(zhì)的微觀特性進(jìn)行研究，以解釋材料的宏觀性質(zhì)和各種物理化學(xué)行為。

物理力學(xué)起源于上世紀(jì)50年代末，其中我國的物理力學(xué)發(fā)展在著名科學(xué)家錢學(xué)森的創(chuàng)立和發(fā)展下開始進(jìn)入工程實(shí)踐領(lǐng)域。由于當(dāng)時(shí)的科技正處于一個(gè)迅速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間，許多工程技術(shù)問題已很難通過傳統(tǒng)的物理學(xué)和化學(xué)理論進(jìn)行充分解釋，例如當(dāng)溫度高達(dá)幾百萬開、壓力高達(dá)幾百萬帕等，物質(zhì)的特征尺度與微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度基本上已處于同一數(shù)量級，必須通過新的理論體系才能進(jìn)一步支撐科技的發(fā)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(shí)代背景下，物理力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

盡管物理力學(xué)已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，但仍然處于初步探索階段，在理論和應(yīng)用中還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的地步，許多理論仍然與傳統(tǒng)的物理學(xué)有著密切聯(lián)系。當(dāng)前人們對物理力學(xué)的研究主要集中在微觀機(jī)理分析、高效運(yùn)算方法、微觀與宏觀的關(guān)系等方面，其中從微觀到宏觀是物理力學(xué)這一新興學(xué)科分支的最重要的特征。

2 物理力學(xué)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用分析

2.1 土石壩工程中的物理力學(xué)應(yīng)用

隨著國家經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，各類大型水利工程、交通運(yùn)輸和城市建筑等工程建設(shè)項(xiàng)目得到了迅速的發(fā)展，其中大型巖土工程作為各類工程的基礎(chǔ)性工程，是各類土木工程的基礎(chǔ)支撐。上述工程建設(shè)都大量涉及到土石壩工程，而土石壩工程的質(zhì)量不僅與其宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，更與其所采用的材料有著密切關(guān)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(xué)性能是否滿足相關(guān)要求。土石壩建設(shè)具有就地取材、節(jié)約成本、施工簡單等特點(diǎn)，因此其建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵把握點(diǎn)在于材料性能的發(fā)揮。當(dāng)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(xué)在土石壩建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

粗粒土的優(yōu)良工程特性已受到業(yè)內(nèi)公認(rèn)，這種優(yōu)良性主要表現(xiàn)在其特殊的剪切特性、滲透特性和壓縮特性，因此許多學(xué)者近年一直在探索粗粒土的各種物理力學(xué)特性，以期在工程建設(shè)中發(fā)揮其最大作用。在計(jì)算機(jī)科學(xué)、土工試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的帶動下，人們已經(jīng)可以通過先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，從而尋找最佳的粗粒土物理力學(xué)指標(biāo)。在工程實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)同樣采用粗粒土材料，但不同的工程的其強(qiáng)度測試結(jié)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(jì)算機(jī)對粗粒土的各項(xiàng)物理力學(xué)特性進(jìn)行全面仿真分析后，才基本弄清楚其內(nèi)部機(jī)理。相關(guān)研究表明，在壩體載荷單調(diào)遞增的條件下，提高粗粒土的含水量可以進(jìn)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(xué)試驗(yàn)表明，恰當(dāng)提高粗粒土的含水量可以使土石壩更穩(wěn)定牢固[1]。

2.2 古建筑修復(fù)工程中的物理力學(xué)應(yīng)用

古建筑是古人智慧的結(jié)晶，也是現(xiàn)代社會的寶貴財(cái)富，具有重要的人文價(jià)值和歷史價(jià)值。但由于歷史悠久，古建筑長期處于惡劣的自然環(huán)境中，經(jīng)受各種物理破壞和化學(xué)腐蝕，其完整性通常無法保證。因此古建筑的修復(fù)成為當(dāng)今考古界和建筑界的研究熱點(diǎn)之一。古建筑材料與現(xiàn)代建筑材料有很大區(qū)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(fù)后對其歷史風(fēng)貌的真實(shí)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(tài)是半流動的槳體，施工后經(jīng)過眾多復(fù)雜的物理化學(xué)作用最終膠結(jié)為強(qiáng)度滿足工程要求的固體。實(shí)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(jī)材料范疇。古建筑修復(fù)中廣泛采用有機(jī)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(xué)的角度上分析，三合土的粘結(jié)固化機(jī)理本質(zhì)在于石灰與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣。但這些組分之間如何進(jìn)行配比與施工，仍需要通常物理力學(xué)原理進(jìn)行深入分析。相關(guān)研究表明，在保持糯米漿三合土同齡期人前提下，恰當(dāng)增加糯米槳濃度可以大大增強(qiáng)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?yàn)榕疵字械挠袡C(jī)成分可以起到調(diào)控碳酸鈣晶粒形狀和性質(zhì)的作用，促進(jìn)碳化反應(yīng)的進(jìn)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(yīng)的進(jìn)行，因而表面硬度會明顯下降?？梢?，通過物理力學(xué)原理的試驗(yàn)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(fù)質(zhì)量[2]。

2.3 導(dǎo)電混凝土研發(fā)中的物理力學(xué)應(yīng)用

智能混凝土是近年提出的一個(gè)新概念，它與傳統(tǒng)混凝土材料的最大區(qū)別在于，除了強(qiáng)度上的性能之外，還具備其它特殊的物理化學(xué)特性，例如抗震性、導(dǎo)電性、自愈性、可調(diào)性、自感應(yīng)等等。其中導(dǎo)電混凝土是近年研究的熱點(diǎn)之一，它主要關(guān)注現(xiàn)代建筑物電力系統(tǒng)的接地安全問題，由于傳統(tǒng)的混凝土是不導(dǎo)電的，因此只能通過導(dǎo)線直接引入地下，容易出現(xiàn)腐蝕等問題，而導(dǎo)電混凝土則允許電力系統(tǒng)與這直接相連進(jìn)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(jī)理還不明確，應(yīng)用也只在試驗(yàn)階段。

鋼渣混凝土被認(rèn)為是最有前途的導(dǎo)電混凝土材料之一，它由傳統(tǒng)的水泥、導(dǎo)電鋼渣和水等組分按一定配比混制而成。顯然，人們應(yīng)用鋼渣混凝土具有明確的目的，就是要同時(shí)具備高強(qiáng)度和導(dǎo)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(xué)試驗(yàn)進(jìn)行大量分析，才能使材料在兩種性能之間達(dá)到平衡。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，鋼渣的比例越多，其導(dǎo)電性能越好，但抗壓性能越差，反之亦然。因此鋼渣比例、導(dǎo)電性、抗壓性三者之間不具備簡單的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鋼渣與水泥的比例SS/C=0.5時(shí)，鋼渣混凝土的抗壓彈性模量可以達(dá)到最大值，并稍微優(yōu)于傳統(tǒng)的混凝材料；當(dāng)SS/C>1時(shí)，抗壓彈性模量開始呈現(xiàn)下降趨勢，其性能開始滿后于傳統(tǒng)混凝土材料，該現(xiàn)象與鋼渣集料的孔隙率大小有關(guān)，孔隙率偏大會使混凝土剛度下降，抗變形能力變?nèi)?。因此，物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SS/C控制在0.5-1的范圍內(nèi)為最佳[3]。

2.4 煤矸石利用中的物理力學(xué)應(yīng)用

煤矸石是煤炭開采過程中的伴生產(chǎn)品，具有占用土地、污染環(huán)境、危害健康、處置困難等特點(diǎn)，如何有效治理煤矸石，已成為煤炭開采行業(yè)共同的難題。近年來，有學(xué)者提出可以將煤矸石應(yīng)用于土木工程的建設(shè)領(lǐng)域中，減少傳統(tǒng)建筑材料消耗的同時(shí)，又解決了煤矸石治理難題。在多年的研究和認(rèn)證下，當(dāng)前部分煤矸石已經(jīng)在路基填筑和地基回填等工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用，但其應(yīng)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(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，應(yīng)對其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究，明確其各方面的性能指標(biāo)，以確定其是否適用于不同的工程領(lǐng)域。

以填筑壩體的材料設(shè)計(jì)為例，由于對煤矸石的堆場特性、結(jié)構(gòu)特性、顆粒破碎特性、自燃特性和水理特性等物理力學(xué)指標(biāo)仍不夠明確，因此目前國內(nèi)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(xué)者對煤矸石的物理力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。研究結(jié)果表明，煤矸石堆場特性與常規(guī)碎石土類似，在正常工程適用范圍之內(nèi)；通過對其顆粒級配進(jìn)行調(diào)整，可以提高煤矸石的碾壓密實(shí)性；煤矸石抗剪強(qiáng)度較高，強(qiáng)度特性較好，具有較高的穩(wěn)定性。因此，煤矸石的各項(xiàng)物理力學(xué)特性指標(biāo)均可以滿足筑壩工程的標(biāo)準(zhǔn)，為大面積填筑壩中應(yīng)用煤矸石材料提供了理論依據(jù)[4]。

3 應(yīng)用案例分析——再生混凝土物理力學(xué)性能研究

隨著建筑業(yè)和土木工程的發(fā)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(fā)達(dá)國家開始采用廢棄混凝土作原料配制成可重復(fù)利用的混凝土材料，即再生混凝土。有實(shí)驗(yàn)表明，再生混凝土的物理化學(xué)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(qū)和微裂縫，成為應(yīng)力集中的發(fā)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(dāng)?shù)呐浔瓤刂瓶梢允蛊溥_(dá)到傳統(tǒng)混凝土同行的抗壓性能，甚至更優(yōu)。再生混凝土的抗壓性能與再生骨料、水灰比等因素有關(guān)。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(dá)到與普通混凝土同行或更佳的性能。下面對該結(jié)論進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證。

將廢棄混凝土破碎篩選后作為再生骨料，取代部分傳統(tǒng)混凝土的新骨料，采用單因素控制法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行抗壓強(qiáng)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(shí)不同時(shí)間段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從試驗(yàn)結(jié)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(yōu)于傳統(tǒng)混凝土，但隨著使用時(shí)間的延長，其抗壓強(qiáng)度會慢慢下降，最終與傳統(tǒng)混凝土的性能相近。為了進(jìn)一步提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，可以恰當(dāng)降低水灰比，同時(shí)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(qū)結(jié)構(gòu)和裂縫問題，從而達(dá)到提高抗壓強(qiáng)度的目的。

4 結(jié)語

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模不斷加大，建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，物理力學(xué)在土木工程領(lǐng)域中將有更廣泛的應(yīng)用。各種新材料的需求將不斷促進(jìn)物理力學(xué)的理論研究與完善，并在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。不難預(yù)測，未來幾十年內(nèi)，人們對物理力學(xué)的研究將主要集中在微觀機(jī)理分析、高效運(yùn)算方法、微觀與宏觀的關(guān)系等方面，其中從微觀到宏觀是物理力學(xué)研究的主要思路，將指導(dǎo)著一代又一代的土木工程建設(shè)者不斷前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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[4]白光起.煤矸石力學(xué)特性研究及其在礦區(qū)鐵路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015， 31（3）：164-166.