摘要：针对目前岩土工程实践工作中土力学方面存在的一些问题，如宏细观结合研究问题、土的原生各向异性以及应力诱导各向异性问题，土的屈服破坏特性、非饱和土问题等，将以往的解决方法进行了类比归纳，并分析各种方法的不足以及有待完善之处，针对一些问题给出了研究方法的建议。
关键词：各向异性；应力诱导各向异性；破坏；非饱和土
土壤对于人们来说熟悉而又陌生，除了给植物作物等提供根基以外，人们更多的是在土壤中建造各种人造设施，比如建筑房子需要在土壤中修建基础，铺设管沟需要在土层中放置构筑物，此时，土壤已经转变为一种工程材料，需要人们对于其力学特性具有足够多的认识。在长期的生产实践中，早已经形成了或多或少的感性认识，因此在早期也只是完全由感性认识以及经验来确定工程方案。首先作为一种摩擦性材料，法国工程师库伦最先利用类似于直剪仪的装置对土样进行一维直剪试验，以测试其剪切强度。这标志着人们开始有意识的采用定量方法来描述土壤的力学行为。此后，直到太沙基系统的对土壤进行各方面的归纳总结，得到了比较全面的认识。然而，随着各种岩土工程实践的不断扩展深入，在生产实际中遇到越来越多的岩土工程问题。比如，高层建筑下地基与基础相互作用问题，预应力管桩在成桩过程中桩土相互作用问题，交通车辆荷载下路基内土层的循环荷载下的变形问题，高土石坝内粗石料在高围压下的颗粒破碎现象，这些都亟需发展一些相对成熟的理论与相应的技术手段来解决上述问题。本文针对岩土工程实践中出现的一些基本问题，将其引申为土力学中的基本理论问题，加以讨论，或许对于岩土工程师以及岩土专业工作者都有一定的积极意义。
1宏细观结合问题
受到固体材料如金属材料弹塑性力学的发展历程影响，借鉴了固体材料的理论体系，岩土材料也采用了弹塑性理论来描述岩土体的应力应变行为。然而，由于凝聚性材料如金属等都是晶体材料，其变形特性受细观晶体的影响很小，而岩土体属于摩擦型材料，岩土颗粒之间不仅存在相对滑移，而且还有翻滚、破碎等现象，这些都会影响其后续的应力应变关系。因此，基于宏观力学特性得到的一系列参数以及方程式，能够部分或者局部的反映细观土体的力学特性，而无法完全反映全部微观结构特性。因此，建立一个能够反映细观力学特性的本构模型以及相应定量化参数的研究方法都是关系到宏细观如何结合的问题。
2原生各向异性与应力诱导各向异性问题
土体是地质产物在自然风化下逐步沉积得到的一种材料，其显著区别于其他材料的一个特征是具有横观各向同性和纵观各向异性特性，由于在初始沉积过程中只受到重力场的作用，因此土壤颗粒无论何种形状，由于在水平沉积面内其受到的重力作用相同，因此，同一水平面内颗粒排布以及颗粒之间接触关系大致相同，形成了在平行于沉积面的各个方向上的力学特性大致相同的基本特点，而在垂直于沉积面方向则具有轴对称特性。大量的各类岩土试验表明，在垂直于沉积面方向上的压缩性要小于在横向方向上的压缩性。在受力过程中，土颗粒优势排布变化很小，颗粒的定向排列不仅会对土体的压缩模量产生一定程度的影响，同时也会对内摩擦角造成相当可观的影响[1]。要合理考虑这种横观各向同性性质，需要综合考虑两个因素：（1）应力大小方向；（2）材料横观各向同性性质。目前对于上述综合性问题考虑的主流方法又组构张量法[2]和微观结构张量法[3]、主应力空间坐标轴旋转法[4]和一些岩土破坏准则的扩展[5]等方法。上述方法各有利弊，组构张量法无法描述三轴压缩路径下强度的非单调特性，微观结构张量法用于确定微观结构的参量缺乏物理意义。基于岩土破坏准则的扩展方法需建立主应力与物理空间特征面之间的夹角等变量，由于此变量是与主应力相关的，因此，这个变量物理涵义不明朗，另外在应力应变关系计算中需要用到其对应力的偏导，就形成了计算上繁琐的不利方面。另外一种处理原生各向异性的方法是，采用应力诱导各向异性方法[6-9]来考虑。即认为在加载过程中，土颗粒的内部组构以及排布已经产生变化，这个变化进一步会影响到下一步的加载过程中，并与下一步的加载步共同影响下一步的变形，其最终的强度也是由此过程中应力诱导各向异性以及主应力大小、方向等因素共同实施所形成的。通常描述应力诱导各向异性的方法是建立一个可以考虑影响屈服面参量的塑性应变的增量关系式，用来反映当前步对于后期变形以及强度特性的影响。但采用移动硬化规则来反映这种应力诱导各向异性存在先天不足，在理论完备性上，违反了热力学第二定律，即无论何种路径下，加载始终是一个单向耗散过程，在这个过程中存在不可逆的参量，而移动硬化则有悖于此。另外，移动硬化规则多是基于试验规律由人拼凑提出的关系式，并非基于公理化体系推导得到的公式。
3屈服面与破坏面的衔接问题
针对土体在真三轴条件下经过任意应力路径的情况，土体在加载后进入塑性流动状态，屈服面通常由破坏面来替代，屈服准则也由破坏准则代替，这样，直接由SMP准则或Lade准则得出垂直与此面的流动方向，事实上，屈服准则与破坏准则不同，破坏面是屈服面在破坏时的一点状态，土体在加载之初进入初始屈服面之时，塑性应变流动方向应垂直于初始屈服面，由于土颗粒微观结构的原因，如土颗粒翻滚所造成的应变增量流动方向与主应力方向不一致，但由Nakai[10]的试验结果可看出，塑性应变流动方向的变化是持续不断增加的，即越来越偏离平面圆的法线方向，因此可认为屈服面的形状在发生变化，不是简单的相似成比例，这一点在金属的流动试验中也出现过。因此，可由分岔或潘家铮最大最小原理来确定流动过程中的塑性应变增量流动方向，沈珠江院士认为，土体的塑性应变增量流动方向不仅与土体的主应力大小、方向相关，而且也与三个主应力增量的大小、方向相关，确定其流动方向原则则由塑性理论中的最大最小原理来确定，符合物理意义。
4主应力轴旋转问题
土体区别于金属的本质原因在于土体是一种散粒体物质，黏土在水的胶结作用下，会形成类似于其他材料的固体结构。由于土体的固结作用，使得土体在沉积方向上的特性有别于在水平方向上的性质，正是这种各向异性，导致土体的主应力轴发生旋转时，仍然存在塑性体应变与塑性剪应变，因此在解决主应力轴旋转时，核心问题是如何简单、合理地确定表示各向异性的指标，所求指标应通过常规试验简单测定，有明确的物理意义，能用在表示主应力轴旋转而引发的塑性应变公式中，最终将其用在模型中。
5屈服面形状
现存大多数模型所用的单屈服面、双屈服面或三屈服面都是位置固定，形状不变，仅大小成比例的简单移动，一些学者采用旋转硬化模型，让屈服面绕中心旋转，但大多数屈服面仍然相似成比例，张峰的椭圆形状还变化，但仅限于椭圆。在构造屈服面函数时，有一类函数可通过一个变换参数控制函数类型，比如有一类水滴形屈服面，通过适当调整变换参数，可将其渐变为椭圆形屈服面，这可能是一条解决塑性应变流动增量方向的新途径，另外也可解决模型中产生畸变的问题。
6非饱和土变量选取
非饱和土变形与强度问题，自然界中普遍存在的土体状态是非饱和土，饱和土只是非饱和土的一种特殊形态。由于大气中的空气混在了土体中，使得非饱和土性质更为复杂。以Fredlund为首的学派主张应用双变量体系，这样就形成了有别于太沙基创立的单变量饱和土理论，使得非饱和土形成另外一套理论体系。因为基质吸力的存在，使得土体的受力复杂化，有学者主张基质吸力只是约束条件，对土体变形无影响，起到变形作用的还是有效应力，因此推崇单变量在非饱和土中的应用。事实上，将土体与水体视为主要材料，忽略空气的作用，含水量的变化成为度量非饱和土材料属性的硬性指标不失为一条解决途径。试想，如果在特定的含水量情况下，对此属性的土体施行各种试验，在多选用各个含水量的基础上，得出各个含水量所对应的变形与强度特性是一种解决问题的思路。试验室中基于这种双变量体系发展了相应的非饱和土三轴仪等试验设备，可以进行特定基质吸力下的剪切试验工作。目前，针对这种试验研究，已有大量的成果出现，但由于选用的变量为基质吸力作为控制变量，因此，这种非饱和土的试验只能局限于试验室中。而针对非饱和土本构模型的研究进展，目前大体框架仍然基于20世纪90年代初期的巴塞罗那模型基础上，巴塞罗那模型虽然物理意义足够明确，但是沿袭了基质吸力作为一个独立变量的做法，在参数确定上只能通过非饱和土试验室来确定，这限制了其在工程上的应用，由于一种实用化程度更高的简单模型更符合实际工程上的需要，因此，需要采用一种代替基质吸力的独立变量来反映上述非饱和土的基本变形以及强度性质，比如湿化体缩、干化强度提高等特点，这样就能去掉繁杂的不必要的细节，突出主要特性。
7结束语
目前，人们对于土力学的认识仍然处于不断深化不断拓展的过程中，岩土工程的实际问题以及人们对于客观材料的探究渴望等双重需求，使土力学始终处于发展的推进状态。虽然解决问题以及采用的手段五花八门，将各种其他学科的最新研究进展引申到土力学中来，以期收到他山之石可以攻玉的效果，但是对土壤材料认识的局限性以及其他学科的特殊性，使其很难达到预期效果，其应用更是无从谈起。因此，切实可行的做法仍应该坚持以实验为主，采取对各类型土壤的主要特性进行研究的方式，摒弃掉可以忽略的细节特性，重点发展某一类型土的实用模型才是实践的重点。
作者:李自强 单位:中核房地产开发有限公司
