土體應力應變關系的影響因素分析

張 騰

(中煤西安設計工程有限責任公司，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，比如公路橋梁、房屋建筑、洞室開挖以及邊坡穩(wěn)定等。針對于土的工程特性的研究，我們常常關注的是它的變形特性與強度特性。土體是一種三相介質，由于其形成環(huán)境及過程的復雜性，造成其結構的復雜性。土體的應力應變關系不同于金屬材料，其中的一個基本特性是平均應力對偏應變以及偏應力對體應變之間的交叉影響。在20世紀60年代之前，人們通常做一些三軸或直剪試驗去研究土的應力應變關系，另外，還會用單向固結儀去測定土的變形。從計算理論這一角度來看，土壓力計算與穩(wěn)定分析應用的是為純粹塑性材料建立的經典塑性理論；而沉降分析應用的是為純粹彈性材料建立的經典彈性理論[1]。這樣操作就會把土體應力應變復雜的關系簡單化，在不同的情境下，依據因素的不同，可以將土體分別作為簡單的彈性體亦或是簡單的塑性體來處理研究，這種處理結果時常是被人們滿意的。自從60年代以來，伴隨著大型電子計算的引進以及計算機技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的分析方式被打破，學者們掙脫束手束腳的鐐銬，應用計算機通過建立模型來分析研究應力應變關系，這間接或者是直接的促進了針對土體的本構關系的分析研究。要研究土體的應力應變關系，首先就得對其影響因素進行分析，清楚地認識土體的應變關系，從而對其做進一步的研究。土體的應力應變關系影響因素可以分為內因和外因，內因有土體的結構性，土的類型等，外因主要是土體的應力條件，包括土體的應力水平、應力路徑、應力歷史。下面主要對土體的結構性、應力條件這些因素進行分析。

2 土體的結構性

土體的結構是決定它變形的內在因素，黃土的結構性是由黃土顆粒之間的聯(lián)結結構強度和摩擦結構強度所決定的。黃土作為陜西最普遍的土，其是一種典型的結構性土體，它極易發(fā)生脆性破壞以及濕陷，這主要是因為它獨特的結構所決定的。近幾年，不少學者針對黃土的結構性采用土力學方法對其進行研究，并取得了一定的成果。以對土微觀結構的相關要素進行的定量化分析為基礎，綜合考慮選擇結構性參數的方法是很難有效的，將描述土結構性變化規(guī)律引用到某一種固體力學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)結構本質的一個參數，將它和土的變形—強度規(guī)律相聯(lián)系起來，從而探討土的本構關系。謝定義，齊吉琳等人提出了能夠體現(xiàn)黃土結構特性的一個定量參數，該參數被引用到分析土的強度本構關系以及變形本構關系中，這一提出使針對于結構土的研究具有了新的特色[2]。對于這個參數的要求是能夠體現(xiàn)土體顆粒的聯(lián)結特性以及排列特性，荷載狀態(tài)下的愈合相耦合和結構性損傷的動態(tài)變化特征，土體結構的可變性以及可穩(wěn)定性。

3 應力條件

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

土本身是一種彈塑性材料，其應力與應變不成線性比例關系，同一種應力因加載，卸載，重新加載或重新卸載的過程及應力大小不同，其所對應的應變及土的性質也不一樣，土的應力應變曲線也發(fā)生了變化。黃土的本構關系從根本上來說是與黃土的結構性密切相關，而不同的應力水平會使得土受力過程中結構的不同。因而在研究土體的本構關系時需考慮土的應力歷史，應力路徑和應力水平[4]。

對于應力水平，這里主要考慮圍壓的影響，在不同圍壓下將密砂進行三軸試驗，可以看見的是隨著σ3的不斷增加，砂土的剛度以及強度都明顯的提高，應力應變關系曲線也同樣發(fā)生了變化，在圍壓較高的情況下，土普遍不會發(fā)生應變軟化現(xiàn)象以及沒有剪脹性，但是，黃土的剪切彈性模量G隨圍壓的增大而增大[5]。土的抗剪強度τf或qf將隨圍壓增加而升高，但砂土的內摩擦角則隨之降低。土的變形模量也隨著圍壓而提高。對于應力路徑，其對土體的變形和強度特性都有影響，在應力路徑發(fā)生一定的變化的時候，粘性土一般對于剛剛“走過”的路徑似乎是有一定的“記憶”的，在新應力路徑上只有走到足夠長的距離時，應變路徑的方向才逐漸向應力路徑方向靠攏。超固結土與正常固結土的應力應變關系有很大的區(qū)別(見圖1)，另外，針對于粘性土，雖然它的固結應力不變，但是如果在長期的荷載的影響下，因為土具有流動性，所以土發(fā)生的次固結會讓正常的固結土表現(xiàn)出超固結的表象，這在一定程度上說明應力歷史會對土的本構關系產生一些影響。

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

4 結論與思考

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