新時(shí)代巖土力學(xué)基本問題探究

劉 慶,秦鵬飛,張?jiān)芦h

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州 451000；2.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；3.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，河南鄭州 450010)

0 引言

“一帶一路”新時(shí)代背景下，我國的高鐵、礦山、水利等基礎(chǔ)設(shè)施正在大量興建，與此同時(shí)城市化進(jìn)程中產(chǎn)生的住房緊張、交通擁堵等現(xiàn)象日益顯現(xiàn)，使得超高層建筑的建設(shè)、地鐵等地下空間的開發(fā)利用如火如荼地進(jìn)行。其它新興產(chǎn)業(yè)如航空、港口、深?？碧降妊杆侔l(fā)展，對(duì)相應(yīng)的巖土工程技術(shù)也提出了更高的要求。前所未有的時(shí)代需求和大規(guī)模建設(shè)，推動(dòng)著巖土工程學(xué)科的繁榮和蓬勃發(fā)展(謝定義等，2008；Arslan et al.,2009；陳生水，2011；姚仰平等，2011)。不容忽視的是近些年來地震災(zāi)害頻發(fā)、水土污染加劇，同時(shí)項(xiàng)目建設(shè)又時(shí)常需要面對(duì)非飽和土、黃土等性狀極其復(fù)雜的巖土介質(zhì)，這均是需要妥善解決的技術(shù)難點(diǎn)。新時(shí)代巖土力學(xué)的發(fā)展應(yīng)致力于土動(dòng)力學(xué)、非飽和土與特殊土力學(xué)和環(huán)境巖土工程等幾個(gè)方面的研究，本文針對(duì)這些基本問題進(jìn)行闡釋分析。

1 土動(dòng)力學(xué)

土動(dòng)力學(xué)主要研究動(dòng)荷載作用下土的變形、強(qiáng)度和動(dòng)力穩(wěn)定性，并分析土工結(jié)構(gòu)的抗震性能及其破壞特征。土動(dòng)力學(xué)的研究可以為水利水電、高層建筑等防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的技術(shù)依據(jù)，因而具有重要研究意義和價(jià)值(王剛和張建民，2007；杜修力和路德春，2011；谷川等，2013)。

1.1 土體動(dòng)力測(cè)試技術(shù)

土是天然性、多相性的復(fù)雜材料，土的動(dòng)力性態(tài)隨其結(jié)構(gòu)性、密實(shí)度和飽和度等因素的不同而迥然不同。土工動(dòng)力測(cè)試技術(shù)是深刻認(rèn)識(shí)土體的動(dòng)力特性，揭示土動(dòng)力學(xué)規(guī)律不可替代的技術(shù)手段(圖1)。動(dòng)三軸試驗(yàn)中通過循環(huán)豎向偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓同相位(異相位)的耦合，可以分析復(fù)雜應(yīng)力路徑對(duì)土動(dòng)力特性的影響；共振柱試驗(yàn)中通過施加不同頻率的激振力使試樣產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可測(cè)算試樣的共振頻率，進(jìn)而求得土的動(dòng)剪切模量和阻尼比；空心圓柱扭剪儀(HCA)可研究主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)作用下土的強(qiáng)度和變形特性以及各向異性；離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)則可以模擬動(dòng)荷載作用下土體的液化變形特性，分析地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征等。

圖1 土工動(dòng)力分析模型與測(cè)試技術(shù)Fig.1 Dynamic analysis model and test technology of geotechnicsa-地震荷載應(yīng)力路徑;b-空心圓柱試樣；c-TSH-100共振柱儀；τzθ-剪應(yīng)力(kPa)；σz-軸向應(yīng)力(kPa)；σθ-環(huán)向應(yīng)力(kPa)；α-動(dòng)應(yīng)力 角(°)；W-軸力(kN)；MT-扭矩(kN·m)；Pi-內(nèi)壓(kPa)；P0-外壓(kPa) a-stress path of seismic load;b-hollow cylinder sample;c-TSH-100 instrument;τzθ-shear stress(kPa);σz-axial stress(kPa);σθ-circumferential stress(kPa);α-dynamic stress angle(°);W-axial force(kN);MT-torque(kN·m);Pi-internal pressure(kPa);P0-external pressure(kPa)

伴隨著高新技術(shù)的發(fā)展，土工動(dòng)力測(cè)試儀器、設(shè)備的研制取得了許多重大進(jìn)展，同時(shí)剪應(yīng)變、位移的量測(cè)方式和圖像信息的采集方法等也產(chǎn)生了深刻變革。光柵、彎曲元等先進(jìn)器材的應(yīng)用顯著提高了測(cè)試的精度，數(shù)碼科技、粒子成像測(cè)速(PIV)為揭示土體的動(dòng)力變形破壞規(guī)律提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)依托。

1.2 動(dòng)本構(gòu)關(guān)系

土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系是指動(dòng)荷載作用下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，是表征土體動(dòng)力特性的基本關(guān)系，也是土體動(dòng)力反應(yīng)分析和初邊值等問題求解的重要基礎(chǔ)。目前工程中應(yīng)用較多的動(dòng)本構(gòu)模型主要有兩類：基于黏彈性理論的模型和基于動(dòng)力彈塑性理論的模型(張嘎和張建民，2005；Prevost,2014)。

(1)黏彈性模型

黏彈性模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線由骨干曲線和滯回曲線兩部分構(gòu)成，用以反映循環(huán)荷載作用下土體的非線性和滯后性。等價(jià)黏彈性模型不尋求滯回圈的具體表示形式，而采用等效剪切模量和等效阻尼比描述應(yīng)力應(yīng)變的非線性。曼辛型非線性模型則與此不同，它采用一定的規(guī)則描述應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的滯后性，能較準(zhǔn)確地反映循環(huán)荷載下土體的復(fù)雜動(dòng)力特性。黏彈性模型經(jīng)過多年發(fā)展已成為土工動(dòng)力分析的主流方法，有關(guān)學(xué)者編制開發(fā)了相應(yīng)的有限元計(jì)算程序，目前已在土石壩抗震設(shè)計(jì)、高鐵路基動(dòng)力反應(yīng)分析等工程中發(fā)揮著重要作用。

(2) 動(dòng)力彈塑性模型

動(dòng)力彈塑性模型將土體的應(yīng)變分解為可恢復(fù)的彈性應(yīng)變和不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變，分別采用彈性理論和塑性增量理論計(jì)算?；谒苄阅Ａ繄?chǎng)理論的多屈服面模型能較好地描述土的動(dòng)力特性，其基本特征是在定義初始屈服面和邊界面的應(yīng)力空間內(nèi)，允許產(chǎn)生一簇互不相交的套疊屈服面，套疊屈服面隨變形累積按某種硬化規(guī)則脹縮或移動(dòng)。雙屈服面模型則在多屈服面模型的基礎(chǔ)上作了簡(jiǎn)化，它采用解析內(nèi)插函數(shù)代替套疊屈服面，從而避免了存儲(chǔ)量大計(jì)算繁瑣的難題(沈珠江，1995；孫磊等，2015)。研究表明土的塑性變形不僅與其剛度有關(guān)，而且與外力作用方式也密切相關(guān)，具有典型的應(yīng)力路徑相關(guān)性，因而計(jì)算土體塑性變形、構(gòu)建動(dòng)本構(gòu)模型需考慮應(yīng)力路徑的影響。與黏彈性模型相比，彈塑性模型理論上更加嚴(yán)密，適用條件更廣，且能反映土的各向異性、剪脹性等復(fù)雜力學(xué)特性，逐漸成為動(dòng)本構(gòu)關(guān)系研究的重要方向。

建立“物理概念準(zhǔn)確、數(shù)學(xué)模型直觀、參數(shù)易于測(cè)定、分析簡(jiǎn)便實(shí)用”的動(dòng)本構(gòu)模型仍是今后各項(xiàng)工作的指導(dǎo)思想，它要求在深入細(xì)致的動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，緊密圍繞動(dòng)荷載作用的“循環(huán)效應(yīng)”和“速率效應(yīng)”特征，深刻揭示土的細(xì)觀組構(gòu)變化與宏觀力學(xué)響應(yīng)間的定量關(guān)系，并注重探尋土的結(jié)構(gòu)性、剪脹性和各向異性的共同物理基礎(chǔ)等，以此來開展動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變的相關(guān)研究。

1.3 土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用

動(dòng)荷載傳遞的波動(dòng)能量促使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)其慣性力反作用于土體，繼而引發(fā)半無限域內(nèi)土與結(jié)構(gòu)間周而復(fù)始的波動(dòng)傳遞。土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用則主要研究動(dòng)荷載下二者相互作用所引發(fā)的一系列動(dòng)力響應(yīng)，分析土-結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和變形破壞規(guī)律(劉漢龍，2012)。

(1) 土與結(jié)構(gòu)接觸特性

土與結(jié)構(gòu)相互作用中的界面接觸問題，顯著影響動(dòng)力響應(yīng)的模擬精度和分析計(jì)算的整體效果。研究表明剪切破壞面往往與土體和結(jié)構(gòu)的交接界面并不重合，而是產(chǎn)生在接觸帶內(nèi)部(圖2a)?；炷两Y(jié)構(gòu)的剛度及其表面摩阻性能和接觸帶土體的力學(xué)性狀，是土與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)鍵影響因素。目前此方面已有豐碩的研究，有學(xué)者采用Goodman零厚度單元和Desai薄層單元反映切向應(yīng)力和變形的發(fā)展過程，并分析接觸面變形的非線性特性。強(qiáng)震作用下土體與結(jié)構(gòu)接觸面還可能發(fā)生局部脫開、滑動(dòng)錯(cuò)位等非連續(xù)變形現(xiàn)象，界面接觸研究尚應(yīng)能合理考慮這種非線性、彈塑性或塑性流動(dòng)大變形的產(chǎn)生和破壞機(jī)理。

(2) 人工邊界

土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用主要研究的是近場(chǎng)波動(dòng)問題，目前常采用人工邊界模擬無限域遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)近場(chǎng)的影響(圖2b)。人工邊界條件可分為兩類：時(shí)空耦聯(lián)的全局人工邊界和時(shí)空解耦的局部邊界(杜修力等，2006；劉晶波等，2006；張建民和王富強(qiáng)，2010)。時(shí)空耦聯(lián)的全局人工邊界如一致邊界、邊界元邊界和惠更斯邊界等，可以實(shí)現(xiàn)無限介質(zhì)的精確模擬，但計(jì)算工作量大；時(shí)空解耦的局部人工邊界如CE邊界、黏(彈)性邊界、透射邊界和吸收層邊界，則是一種計(jì)算量小的近似算法，便于工程分析和應(yīng)用。隨著人工邊界研究的深入，精確方法和近似方法間的嚴(yán)格界線逐漸被打破，兩者融合發(fā)展形成了高階精度人工邊界。

圖2 土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析Fig.2 Analysis of soil structure dynamic interactiona-土與結(jié)構(gòu)接觸面；b-人工邊界；1-工程結(jié)構(gòu)；2-接觸面土體；3-非接觸面土體；4-接觸界面；5-山嶺隧道；6-半無限地基；7-人工邊界；σn-法向應(yīng)力(kPa)；τ-切向應(yīng)力(kPa)a-soil-structure interface;b-artificial boundary;1-engineering structure;2-contact surface soil;3-non-contact surface soil;4-contact interface;5-mountain tunnel;6-semi-infinite foundation;7-artificial boundary;σn-normal stress(kPa);τ-tangential stress(kPa)

2 非飽和土與特殊土力學(xué)

我國“一帶一路”沿線的西北、華北等廣闊區(qū)域分布著不同程度的非飽和土和黃土、膨脹土等特殊性土，非飽和土和特殊土的工程性狀和力學(xué)行為采用經(jīng)典土力學(xué)理論得不到較好的闡釋，因而制約了工程建設(shè)的順利進(jìn)展。為了更深刻地探究其復(fù)雜力學(xué)性能，需要發(fā)展非飽和土和特殊土力學(xué)的基本理論。

2.1 非飽和土的有效應(yīng)力原理

非飽和土的特性非常復(fù)雜，水氣交接界面處存在基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力，吸力對(duì)非飽和土的有效應(yīng)力和強(qiáng)度影響非常顯著。Bishop(1963)將基質(zhì)吸力和凈應(yīng)力進(jìn)行組合，提出了Bishop有效應(yīng)力。Bishop有效應(yīng)力原理的基本公式為：

(1)

(2)

式(2)中：σ′為有效應(yīng)力(kPa)，σ為總應(yīng)力(kPa),uw為水壓力(kPa)，Sχ為水壓力參數(shù)，C和Cs分別為表征土骨架和土顆粒壓縮性的參數(shù)，C=1/K，Cs=1/Ks，K和Ks則是土骨架和土顆粒的體積模量。陳正漢(2014)以混合物理論和理性土力學(xué)為基礎(chǔ)，提出各向同性非飽和土的有效應(yīng)力為：

(3)

式中Kn和KSrn分別為孔隙率等于n、Srn的多孔介質(zhì)的體積模量。式(3)表明非飽和土飽和度和孔隙率的改變對(duì)非飽和土的有效應(yīng)力也有顯著的影響。

2.2 非飽和土本構(gòu)模型

非飽和土的本構(gòu)模型是計(jì)算非飽和土強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)，也是非飽和土力學(xué)研究的核心問題。Alonso et al.(1999)參考飽和土的臨界狀態(tài)土力學(xué)理論，采用凈應(yīng)力和吸力兩個(gè)狀態(tài)變量建立了非飽和土的BBM(Barcelona basic model)模型。BBM模型最主要的特征是在p-s坐標(biāo)上提出了兩條屈服線：加載濕陷(LC)屈服線和吸力增量(SI)屈服線，可以反映非飽和土的屈服應(yīng)力隨吸力的變化情況。其中加載濕陷屈服線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

此外熱量交換引起的溫度變化也是影響非飽和土力學(xué)行為的一個(gè)因素，隨著地?zé)豳Y源開發(fā)利用、核廢料填埋處置及凍土路基工程等項(xiàng)目的建設(shè)，基于熱力學(xué)理論和彈塑性力學(xué)開發(fā)構(gòu)建非飽和土的熱-水-力耦合模型，也具有其特殊的研究意義和價(jià)值。

2.3 黃土特性

黃土是在第四紀(jì)干旱氣候環(huán)境條件下形成的顆粒沉積物，顆粒中富含碳酸鹽、硫酸鹽及氯化物等易溶鹽成分。研究表明黃土內(nèi)部存在有粒間孔隙和架空孔隙等多種孔隙形態(tài)，因此黃土一般保持著疏松的大孔隙結(jié)構(gòu)(圖3)。黃土在天然地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積過程非常緩慢，使得黃土表面的固結(jié)壓力增長速率很小，而黃土結(jié)構(gòu)分子連接鍵的強(qiáng)度增長卻較快，使得黃土的上覆壓力不能有效向下傳遞，從而使黃土結(jié)構(gòu)處于欠壓密的特殊狀態(tài)。

圖3 黃土及其結(jié)構(gòu)特性Fig.3 Loess and its structural propertya-黃土塬；b-黃土裂隙；c-黃土結(jié)構(gòu) a-loess plateau;b-loess fissure;c-structure of loess

濕陷性黃土遇水結(jié)構(gòu)迅速遭到破壞，研究表明影響黃土濕陷的因素主要為黃土的濕度狀態(tài)、濕度變化歷史及其應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史等。在濕陷性因素的作用下黃土內(nèi)部產(chǎn)生一系列的毛細(xì)管作用、鹽分溶解作用和孔隙壓密作用，導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的附加下沉。另外黃土結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)荷載作用也很敏感，動(dòng)應(yīng)力條件下黃土表現(xiàn)出極強(qiáng)的動(dòng)力易損性，并將產(chǎn)生震陷、液化和地震滑坡等各種災(zāi)害。我國中西部地區(qū)廣泛分布的Q3黃土、淺層黃土狀土等均具有不良的力學(xué)特性，濕陷性和動(dòng)力易損性均十分顯著(黃雪峰等，2011；姚志華等，2014)。

3 環(huán)境巖土工程問題

伴隨著工業(yè)文明和城市化的進(jìn)程，環(huán)境巖土工程問題不斷涌現(xiàn)，如固體廢棄物堆填造成的生態(tài)環(huán)境破壞、廢液排放導(dǎo)致的土壤重金屬離子(Hg、Pb)含量增加、地下水開采引起的建筑基礎(chǔ)沉降、放射性核廢料對(duì)周邊日常生活的影響及采礦造成的地面坍陷等。環(huán)境巖土工程問題得不到妥善治理和解決，人們就難以擁有良好的工作和生活條件(陳仁朋等，2011；陳云敏，2014)。當(dāng)前城市固體廢棄物的填埋處置與化工產(chǎn)業(yè)造成的水土污染治理等，是亟需解決的突出問題。

3.1 固體廢棄物填埋處置

衛(wèi)生填埋是固體廢棄物處置的主要方法，填埋后的有機(jī)質(zhì)在微生物參與下會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生大量的滲濾液(式(5))、填埋氣和其它污染物。有機(jī)質(zhì)生化降解往往伴隨著堆填體骨架的變形、水氣產(chǎn)物的運(yùn)移及溶質(zhì)的遷移等多個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)行，因而固廢處置是多場(chǎng)多相耦合作用的復(fù)雜過程(圖4a)。生化降解過程產(chǎn)生大量的滲濾液和填埋氣，氣液阻滯則會(huì)增加滲濾液導(dǎo)排和填埋氣收集的難度，同時(shí)提高堆積體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。為此可通過設(shè)置水平導(dǎo)排盲溝或深層抽排豎井，能有效降低滲濾液水位，從而達(dá)到液氣分離導(dǎo)排的效果。固體廢棄物降解程度目前常采用纖維素與木質(zhì)素的含量比(C/L)來測(cè)算，C/L分別達(dá)0.3和0.15時(shí)可認(rèn)為降解基本穩(wěn)定和完全穩(wěn)定(圖4b)。

圖4 固體廢棄物填埋處置分析Fig.4 Analysis of solid waste landfill disposala-多相耦合作用關(guān)系；b-廢棄物降解階段特征；C/L-纖維素與木質(zhì)素含量比a-multiphase coupling action;b-characteristics of waste degradation;C/L-ratio of cellulose to lignin

(5)

式(5)中：Q為計(jì)算系數(shù)，I為日均降雨量(mm/d)；A1、A2、A3為填埋作業(yè)區(qū)、中間覆蓋區(qū)和終場(chǎng)覆蓋區(qū)的匯水面積(m2)，CL1、CL、CL3則分別為A1、A2、A3對(duì)應(yīng)的滲出系數(shù);Md為日均垃圾堆填量(t/d);WC、FC為堆積體的初始含水率和田間持水率，ρw為水的密度(g/cm3)。

3.2 污染土修復(fù)治理

重工業(yè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但隨之產(chǎn)生的水土污染等問題卻不容小覷(詹良通等，2008；劉松玉等，2016)。目前對(duì)污染場(chǎng)地修復(fù)治理的方法主要有：(1)原位固化、穩(wěn)定技術(shù)。針對(duì)污染土中的Hg、Cu、Pb及As等重金屬離子或其它有機(jī)污染物，分別采取水泥基材料或木質(zhì)素等相對(duì)應(yīng)的固化劑就地將有害物質(zhì)固結(jié)穩(wěn)定，阻止其進(jìn)一步擴(kuò)散；(2)豎向隔離技術(shù)。采用水泥-膨潤土材料在污染場(chǎng)地注漿形成豎向隔離墻，阻止污染物水平運(yùn)移擴(kuò)散；(3)電動(dòng)修復(fù)技術(shù)。利用電泳、電滲或電解原理，將污染物從土體中分離去除；(4)曝氣法。將壓縮空氣注入污染土中促使污染物揮發(fā)，收集后去除。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)闡釋了新時(shí)代背景下巖土力學(xué)應(yīng)著重研究的主要問題，分別為土動(dòng)力學(xué)、非飽和土與特殊土力學(xué)及環(huán)境巖土力學(xué)，指明了各課題的重點(diǎn)科研攻關(guān)方向。

(1)土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系是土動(dòng)力學(xué)的核心問題之一，需進(jìn)一步加強(qiáng)土工動(dòng)力測(cè)試儀器研發(fā)、土體液化及土-結(jié)動(dòng)力相互作用等相關(guān)理論的研究。

(2)非飽和土本構(gòu)模型是非飽和土強(qiáng)度、變形計(jì)算的重要依據(jù)，可以經(jīng)典飽和土力學(xué)理論為基礎(chǔ)開展非飽和土基本問題及工程實(shí)踐的研究。

(3)城市固體廢棄物的填埋處置與化工產(chǎn)業(yè)造成的水土污染治理，是亟需解決的環(huán)境巖土工程問題，針對(duì)可行的基本措施分析了其防治原理。

[附中文參考文獻(xiàn)]

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