土体应力应变关系的影响因素分析

张 腾

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

1 概述

土作为历史最久的工程材料，在建筑历史中占有着重要的地位，但如今它仍然是几乎所有土木工程的基础，比如公路桥梁、房屋建筑、洞室开挖以及边坡稳定等。针对于土的工程特性的研究，我们常常关注的是它的变形特性与强度特性。土体是一种三相介质，由于其形成环境及过程的复杂性，造成其结构的复杂性。土体的应力应变关系不同于金属材料，其中的一个基本特性是平均应力对偏应变以及偏应力对体应变之间的交叉影响。在20世纪60年代之前，人们通常做一些三轴或直剪试验去研究土的应力应变关系，另外，还会用单向固结仪去测定土的变形。从计算理论这一角度来看，土压力计算与稳定分析应用的是为纯粹塑性材料建立的经典塑性理论；而沉降分析应用的是为纯粹弹性材料建立的经典弹性理论[1]。这样操作就会把土体应力应变复杂的关系简单化，在不同的情境下，依据因素的不同，可以将土体分别作为简单的弹性体亦或是简单的塑性体来处理研究，这种处理结果时常是被人们满意的。自从60年代以来，伴随着大型电子计算的引进以及计算机技术的飞速发展，传统的分析方式被打破，学者们挣脱束手束脚的镣铐，应用计算机通过建立模型来分析研究应力应变关系，这间接或者是直接的促进了针对土体的本构关系的分析研究。要研究土体的应力应变关系，首先就得对其影响因素进行分析，清楚地认识土体的应变关系，从而对其做进一步的研究。土体的应力应变关系影响因素可以分为内因和外因，内因有土体的结构性，土的类型等，外因主要是土体的应力条件，包括土体的应力水平、应力路径、应力历史。下面主要对土体的结构性、应力条件这些因素进行分析。

2 土体的结构性

土体的结构是决定它变形的内在因素，黄土的结构性是由黄土颗粒之间的联结结构强度和摩擦结构强度所决定的。黄土作为陕西最普遍的土，其是一种典型的结构性土体，它极易发生脆性破坏以及湿陷，这主要是因为它独特的结构所决定的。近几年，不少学者针对黄土的结构性采用土力学方法对其进行研究，并取得了一定的成果。以对土微观结构的相关要素进行的定量化分析为基础，综合考虑选择结构性参数的方法是很难有效的，将描述土结构性变化规律引用到某一种固体力学方法中也是特别难的。目前，最有前景并且最有效的方法就是去寻找一种能够直接体现结构本质的一个参数，将它和土的变形—强度规律相联系起来，从而探讨土的本构关系。谢定义，齐吉琳等人提出了能够体现黄土结构特性的一个定量参数，该参数被引用到分析土的强度本构关系以及变形本构关系中，这一提出使针对于结构土的研究具有了新的特色[2]。对于这个参数的要求是能够体现土体颗粒的联结特性以及排列特性，荷载状态下的愈合相耦合和结构性损伤的动态变化特征，土体结构的可变性以及可稳定性。

3 应力条件

应力条件对应力应变关系的影响主要包括应力历史、应力路径以及应力水平。应力历史不仅仅要考虑在历史的变迁中地壳运动以及固结对天壤土的影响，还要考虑土在工程施工、运动中或者是实验室受到的应力过程，粘性的土一般是指它的固结历史，一般黄土都是粘性土[3]。应力路径指的是受到外力的状况下，土中某一位置点位的应力变化过程在应力坐标图中的轨迹。应力水平这一概念包含两层的含义，其一是指应力(常为剪应力)和破坏值之比，即S=q/qf，其二是指围压绝对值的大小。

土本身是一种弹塑性材料，其应力与应变不成线性比例关系，同一种应力因加载，卸载，重新加载或重新卸载的过程及应力大小不同，其所对应的应变及土的性质也不一样，土的应力应变曲线也发生了变化。黄土的本构关系从根本上来说是与黄土的结构性密切相关，而不同的应力水平会使得土受力过程中结构的不同。因而在研究土体的本构关系时需考虑土的应力历史，应力路径和应力水平[4]。

对于应力水平，这里主要考虑围压的影响，在不同围压下将密砂进行三轴试验，可以看见的是随着σ3的不断增加，砂土的刚度以及强度都明显的提高，应力应变关系曲线也同样发生了变化，在围压较高的情况下，土普遍不会发生应变软化现象以及没有剪胀性，但是，黄土的剪切弹性模量G随围压的增大而增大[5]。土的抗剪强度τf或qf将随围压增加而升高，但砂土的内摩擦角则随之降低。土的变形模量也随着围压而提高。对于应力路径，其对土体的变形和强度特性都有影响，在应力路径发生一定的变化的时候，粘性土一般对于刚刚“走过”的路径似乎是有一定的“记忆”的，在新应力路径上只有走到足够长的距离时，应变路径的方向才逐渐向应力路径方向靠拢。超固结土与正常固结土的应力应变关系有很大的区别(见图1)，另外，针对于粘性土，虽然它的固结应力不变，但是如果在长期的荷载的影响下，因为土具有流动性，所以土发生的次固结会让正常的固结土表现出超固结的表象，这在一定程度上说明应力历史会对土的本构关系产生一些影响。

针对应力历史、应力水平以及应力路径对本构关系的影响研究时，可以做在不同围压下的三轴压缩试验，不同固结应力状态下的三轴压缩试验，和控制不同应力路径的加载卸载三轴压缩试验[6]，测定应力应变并绘制应力应变曲线，分不同条件下的本构关系的不同，并尝试建立统一的公式。

4 结论与思考

本文总结了影响土体应力应变关系的几种因素并对其进行了分析。当前，对于土的本构模型的研究主要集中在两个方面，分别是微观结构以及宏观力学。就微观模型方面，很多国内外的学者对黄土、天然粘土以及软土等多个方向进行了研究，同时这也是未来针对于土体力学进行研究的方向，但对于这方面的研究较少的能够应用到实际中。就宏观力学方面，对于此方面的研究是建立在弹塑性理论研究的基础上的，这方面的研究在岩土工程实际工作中得到了普遍的应用。面对目前百花齐放的各种本构模型，我们要结合实际工作需要进行选择。对于前人的研究成果，这仅仅是代表前人对于某一事物个人的一种观点，我们要结合实际情况具体事情具体分析，在不同的情景状况下，得到的结论也可能是不同的，甚至即使条件相同的状况下，由于人为因素的影响也是会有差异的。同时我们还应在考虑各种影响因素的同时，不断的发展和完善土体的应力应变关系模型，使之能够好的反映土体的应力应变关系。