土力学地基基础答疑系统

摘要：土是多相、多矿物的组合体，土体本身具有多样性和易变性。人类对土的力学性状的认识是从试验开始的，土力学理论的形成、发展与试验方法息息相关。近年来，扫描电镜、CT技术引入土力学中，较大地推进了土力学的细观研究，成为土力学的研究热点。通过分析现有土力学试验方法的特点，认为利用物理模拟试验，采用扫描电镜、CT等现代测试技术，对土体本构关系进行细观表述，是土力学研究的新动向。在此研究基础上引入科学试验新形式——虚拟技术，展现复杂条件下附加应力的传递过程，并显现各种因素（如环境因素等)对土体结构的影响，是土体本构模型建立的新途径。

1 前 言

土力学试验方法不仅在工程建设实践中十分重要，而且在土力学理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用。土力学中的许多理论是建立在试验基础上的，如Terzaghi的有效应力原理是建立在压缩试验中孔隙水压力的测试基础上的，Darcy定律是建立在渗透试验基础上的，剑桥模型是建立在正常固结粘土和微超固结粘土压缩试验和等向三轴压缩试验基础上的。

当前，岩土工程实践中存在保守倾向，如不必要地采用桩基，采用过多过长的桩，过大的基础埋深等，造成了许多不必要的浪费。

众所周知，岩土工程设计，尤其是涉及地基加固、补强、改性的岩土工程的施工方法技术类的研究，有很大的市场需求；而对具体的设计及方法技术而言，其允许失败的概率极小，可靠性要求很高鉴于许多岩土参数具有不确定性，要保证很高的可靠度是困难的，用实物的并在与现场极其相似的环境下做试验，则结果的可靠性一定会更好。因此，土力学在处理“工程问题条件”时要进一步提高它的实际性，以面对因素多、环境差、条件苛刻、要求高的实际，作出准确可靠的决策。而且，土力学必须在理论体系上进一步提高它的完整性，以建立一套能够描述土的力学性质与行为的力学模型，反映和区别对待不同因素之间的相互作用和内在联系，发展“模拟多因素环境作用”的土力学研究新方法。

2 土力学试验方法的现状分析及发展趋势

2.1 土力学试验方法的现状分析

现有的岩土工程分析理论都是针对饱和扰动土或砂土而发展起来的，实际上土的宏观工程性状（尤其是非饱和土)在很大程度上受到细观结构的影响。目前，由于未能考虑实际土体的结构性状，而且传统的模型研究方式是先做假设（例如屈服面与正交法则)，在假设基础上直接推导出宏观应力与应变关系。在理论上也未能摆脱连续介质力学的束缚，因而实际的工程计算结果难以模拟土体的实际状态，往往出现较大的计算误差（这种误差有时可能高达数十倍)。目前各国学者已发展的数百个土体本构模型，严格来说还没有一个得到普遍认可。这是土力学研究领域中一个非常关键的问题。

当前，土体的物理力学性质、微观结构等的试验仪器和方法不断发展，尤其三轴仪，除了普通三轴仪外，还发展了应力路径三轴仪、K₀固结三轴仪、非饱和土三轴仪等等，成为土体力学特性试验的主要设备。模型试验已发展了静力模型、动力模型、离心模型等。现场试验和现场观测设备、方法已经多样化。21世纪土力学学科要发展，必须发展试验技术。土工测试技术的发展须与土力学理论的发展紧密结合，要特别重视新仪器、新方法的研究。新理论的产生，起初只是一些设想，要证明设想符合实际必须通过试验。因此，研制新仪器，提出新的试验方法，是土力学理论发展所必需的。

及时有效地利用其他学科科学技术的成果，将对推动岩土工程领域的测试技术的发展起到越来越重要的作用，如电子计算机技术，电子测量技术，光学测试技术，航测技术，电、磁场测试技术，声波测试技术和遥感测试技术等方面新的进展都有可能在岩土工程测试方面找到应用的结合点。目前，计算机新技术——虚拟现实将会在土力学试验研究中得到较广泛的应用。

2.2 土力学试验方法的发展趋势

21 世纪土力学试验技术的发展可能会呈现出下列趋势：

（1）传统的土力学试验技术中的难点将成为研究的热点。在原位测试方面，地基中的位移场、应力场测试，地下结构表面的土压力测试，地基土的强度特性及变形特性测试等方面将成为研究的重点。随着总体测试技术的进步，在这些传统的难点上将会取得突破性进展。室内试验方面，将在模拟现场原位土样的边界条件、应力和应变路径等方面取得更大的进展，使得室内测试的结果更加接近现场岩土体的有关特性。

（2）虚拟测试技术将会在土力学试验技术中得到较广泛的应用。所谓虚拟测试技术就是利用电子计算机构成测试系统，通过软件来控制测试过程的数据采集和数据分析、处理等工作。此外，自动控制技术也将被更多地应用于岩土工程测试，以实现对测试过程的实时控制。人们对具体测试工作的参与将会逐渐地被自动化的测试仪器和设备所替代。

（3）其他学科科学技术发展的新成果，新的测试手段将会被更加广泛地引入到土力学试验技术中来，及时有效地利用其他学科科学技术的发展成果，将对推动土力学试验技术的发展起到越来越重要的作用。

（4）岩土工程测试将与理论分析手段更加紧密地结合在一起。岩土工程测试往往是侧重于总体上揭示岩土体的某些特性，理论分析更注重于在内部机理上研究岩土体的力学或物理学特性。理论分析可以为测试技术提供方向性的指导，两者更加紧密地结合，必将对岩土工程理论研究与测试技术发展起到互相促进的作用。

（5）测试结果的可靠性及可重复性方面将会得到很大提高。由于整体科技水平的提高，测试模式的改进及测试仪器精度的改善，最终将导致岩土工程测试结果的可信度大大提高。

3 物理模拟——环境发生器

3.1 环境发生器

在环境变异条件下，工程活动引起岩土特性的变异是一个很值得研究的方向，这方面的研究旨在探索不同环境作用下，工程活动对岩土体性状的改变。如何实现这一研究过程，目前没有成熟的理论，只能依靠物理试验来实现。因此，构建环境仿真发生器，以模拟岩土体、岩土结构支挡物在自然的、人为的环境作用下物理力学性状、结构强度等发生的变异，由此得到内在的本构关系和工程对策的试验数据。

   通过构建环境发生器，营造城市环境，模拟自然营力（如风、雨、气温、日照等)、重力场和人为作用（重度变异、磁场、电场集度)，实现人为和自然的环境，尽可能复现真实环境，进而研究土体在环境作用下的结构强度和稳定性等。

3.2 环境发生器的研制、应用领域及可行性

环境岩土工程的研究，不只是研究城市垃圾堆场，还重点研究由于环境变异而引起的土体扰动。譬如热岛效应，必将“扰动”城市下伏土体的温度场，将对土的物理力学特性产生影响。这也是从事城市可持续发展研究很关心的问题，是当今及今后岩土工程学科的一个重要研究领域，因而建造一个环境发生器是必不可少的。目前，国内外涉及该方向的研究鲜有报道，但目前的生产技术是可以实现的。

4 计算机技术的应用——虚拟试验

4.1 虚拟技术的发展及应用

虚拟技术是20世纪90年代以来兴起的一门新型信息技术。虚拟技术的实质是对实物的模拟，可以将之应用于科学试验。它同样能提供关于原型的模型，而对原型的研究是科学研究中的一个常用方法。虚拟技术作为一种崭新的认识工具极大地改变了传统的认识方法，变革了科学试验方式，扩大了认识领域。将虚拟技术应用于传统的科学试验之后，也给它带来了一些新的变化，不仅可以仿真地模拟客观世界，还可以创造出许多的虚拟情景乃至虚幻情景。同时，虚拟技术还可以用于代替带有危险性（例如核试验、航空、航天、武器系统等)的实物试验，并且逐步扩大到代替那些高费用、周期长的实物试验。譬如用实物做风洞试验，不仅建设风洞费用高，而且试验周期长，费用也十分昂贵。如果用计算机进行虚拟风洞试验，不仅周期短、费用低，还可以方便地重复试验，选择最佳设计方案。

4.2 土力学虚拟试验的提出

试验对岩土工程的工程实践和科学研究是非常重要的。根据实验室获得的试验数据设计的地基基础，常常是极不合理的，不是过于保守，就是不能保证建筑物的安全，致使失效事故屡屡发生。这主要是实验室的条件与现场的环境总是存在一定差异造成的。如果能将建好的结构物在现场作试验，就可以克服这一问题。但是，由于经济、客观条件及其他因素，在绝大多数条件下难以做到。如果我们能创造一个现场试验的虚拟环境系统，就可以在虚拟环境中通过不断加载，观察土体结构变化乃至破坏的全过程，从而可以逼真地检验地基的变形和承载能力，也可以超越自然条件的限制。譬如，在虚拟环境中，观看6级地震能否对某高层建筑物的地基造成破坏等。

5 土体本构模型建立的新途径

5.1 土体本构模型——21世纪土力学的核心问题

土体本构模型是在整理分析试验结果的基础上，用数学模型来描述试验中所发现的土体变形特性。由于岩土体是地质历史的产物，其结构具有非连续性和不确定性，同时具有许多复杂的变形特性如非线性、非弹性、剪胀性、各向异性，以及受应力路径和应变历史影响等，并随加载条件的不同其变形性状有很大的变化，因此，建立实际土体的本构模型是土力学界一个古老的、经典的问题。沈珠江院士指出：土的结构性本构模型的建立将成为21世纪土力学的核心问题。目前，人们企图从可量测的土的变形推求土的应力，仍避开对应力传递过程的研究，仅局限于对总应力的求解。各国学者虽已发展了数百个本构模型，严格说还没有一个得到普遍认可。因此，对土体本构模型的研究显得更为紧迫。而土体中应力的集聚和消散过程如何？这是解决土体本构模型的关键问题。

5.2 土体本构模型的研究现状

早在20世纪20年代，土力学之父——Terzaghi就曾强调指出：在评价粘性土的变形与强度特性时应注意其结构的重要性。从1963年Roscoe发表著名的剑桥模型开始，土力学的研究脱离了古典理论中线弹性多孔介质和刚塑性介质的框框，开始正视土体的非线性变形特性。人们在土体力学行为的微观机理方面做了大量的研究工作，国外有Pande和Xiong应用塑性理论描述了土的结构性状，Batdorf和Budiansky创立了经典塑性滑动理论发展形成的重叠片和微滑面模型。国内吴义祥，胡瑞林，施斌等先后对土体微观力学模型的建立进行了尝试。但由于土体的变形和强度特性受到天然土结构形成时初始应力状态差异和受力以后的结构变化的影响，可以认为，这些模型都是建立在非常简化的理想结构模式基础之上。如何表述结构性土在外荷作用下其微观结构的变化，是一个尚未解决的问题。实际的结构差异性也难以在模型中体现，因此，这些模型仍旧难以付诸于实践。

另外，现有的各种分析理论都是针对饱和扰动土或砂土而发展起来的，实际上土的宏观工程性状（尤其是非饱和土)在很大程度上受到微观结构的影响，目前由于未能考虑实际土体的结构性，而且传统的模型研究方式是先做假设（例如屈服面与正交法则)，在假设基础上直接推导出宏观应力—应变关系，在理论上也未能摆脱连续介质力学的束缚，因而实际的工程计算结果难以模拟土体的实际状态，往往出现较大的计算误差（这种误差有时可能高达数十倍)。结构性模型的研究思路是遵循实际的变形过程：土体受到宏观应力以后其细观结构发生一定的改变，这一改变在宏观上表现为发生一定的应变。在这里，人们的最终目的仍是建立宏观的应力—应变关系，但细观结构的研究是必须经过的一座桥梁。

回顾30年来走过的道路，可以发现，到现在为止提出的本构模型实际上都是针对结构破坏以后的扰动土和砂土的，无法反映实际土体的许多特性。在这30年中，人们的研究重点仍是饱和土和干土，即两相土。三相非饱和土研究的进展缓慢，只是这几年才出现加速发展的趋势。

5.3 建立本构模型的关键

土力学界中，土的本构关系研究是一个历史的、经典的研究课题，一直没有得到很好的解决。主要困难表现在3个方面：

（1）分析理论缺乏。从本质上看，土体是非均质、非连续体的，土的结构性问题与传统的土力学有很大的区别，应该有其独特的理论与方法体系，同时必须摆脱连续介质力学的束缚。应建立以土体的结构性控制为基本点，以土体的结构性本构模型为核心内容，以土体工程问题的量化结构模拟和预测为目标，以非线性力学和土质学为基础的现代土力学。总而言之，应力在未固结、塑粘弹性介质中如何传递将是解决问题的关键。

（2）过程表现微弱。在岩土体上的各类建筑物，其巨大的荷载必将产生巨大的附加应力，增大的附加应力将会扰动天然地应力场，影响或改变地震波传输性状和断裂的力学性状。也就是说，土体中附加应力的集聚将会引起滑坡、塌陷、地震等工程地质问题。但是整个力学过程用肉眼难以观测，成灾过程也是缓慢的，给研究带来了困难。

（3）方法手段苍白，无法描述过程及多因素的作用。

针对以上难点，借助先进测试手段（如扫描电镜、CT等技术)对土体颗粒在外荷作用下进行连续观察，了解土中应力的聚集、消散的过程，并进行数字式表述。引入虚拟技术，构筑模拟应力集聚、消散过程的计算机数字化处理的环境或平台，在虚拟环境中展现土中应力的传递过程及影响因素的作用。这是从现代信息技术切入土力学核心问题的研究。

5.4 建立土体本构模型的新途径——虚拟技术

将虚拟技术应用于土力学的科学试验，在计算机内形成一个研究多因素作用的工作平台，将为运用现代技术解决土力学21世纪的核心问题开辟新路。

近年来，扫描电镜、CT技术在土力学中的引入，较大地推进了土力学的细观研究，成为岩土力学的研究热点，它可以更为直观地了解加载过程中土体结构的变化。采用虚拟技术研究城市环境下温度场的变异与随之产生的土体热力学特性，通过建立一个多维化的信息空间，建立一个多因素集合体的综合集成环境——虚拟现实，就能让研究者参与到信息处理的环境中去，借助虚拟现实技术显现热作用后土体细观结构变异及细观附加应力变异的过程，由此可以将土体细观的变化凸现，建立相关环境下形成的土的本构模型。这是我们正在努力研究的方向。

5.5 研究方法及技术路线

对各类第四纪土体结构进行室内模拟，利用扫描电镜、CT等技术观察应力的集聚、消散过程，并对土体结构进行数字化处理，构建土体结构数据库，如粘土层、粉土层等性状不同的土层的厚度及在空间的层位分布。对土体细观结构的力学作用及几何特征进行数字化处理，构建土的细观结构数据库，如颗粒形态与受力变形、粒间胶结与应力传递等数学描述。最后，用“3D”等图视化系统，构建有关土层、土体细观结构的图库；建立具有能反映应力走势、应力分布区域的动态显示系统，建立土中应力传递场的数字描述，同时建立应力传递的规则，如应力衰减方程、应力折射率等。

6 结 论

土力学试验方法无论是对于工程实践还是土力学理论的发展都是非常重要的，而且随着科学技术的发展而发展。目前，研究在不同环境作用下，工程活动对岩土体性状的改变，是环境岩土工程研究的一个重要方向。如何开展研究，目前没有成熟的理论，只能依靠物理试验来实现。因此，构建环境模拟装置，尽可能再现自然环境，以了解岩土体、岩土结构支挡物在自然的、人为的环境作用下，其物理力学性状、结构强度等发生的变异，在此基础上利用虚拟技术，揭示、验证内在的本构关系和工程对策的试验数据。本文对虚拟技术应用于土体本构模型的研究仅仅提出了初步看法，随着科学试验手段的更新、计算机科学研究方法的不断发展，它将进一步完善。(转载：搜狐博客)