杨光华教授：土力学发展的四个阶段的思考

土力学的发展以变形特性作为依据，可以分为四个阶段，第一阶段主要是研究土的一维压缩变形，以压缩试验的e-p曲线为标志；第二阶段是研究土的三维压缩变形的形态，以Roscoe的临界状态面为标志，建立e-p-q的三维曲面；第三阶段是以Duncan-Chang本构模型为标志，以土的压硬性和剪软性为特点，更直观地以土的剪切变形研究为主；第四阶段应该是以现场原位土为研究对象，以原位测试技术为主要手段，掌握原位土的力学特性，发展原位土土力学，更好地服务于工程实际。第四阶段应该是今后值得努力的方向。

土力学发展的四个阶段的思考

杨光华

（广东省水利水电科学研究院，广东省岩土工程技术研究中心，广州，510610）

如果从Terzaghi的《土力学》1925年发表开始，土力学的发展已近百年了，但今天应用于指导土工工程设计的方法仍然还是一种半理论半经验的方法。以最基本的地基沉降计算为例，目前比较权威的国家地基基础设计规范提供的地基沉降计算公式，是采用一个变化范围较大的经验系数0.2~1.4对理论计算值进行修正而得到的，说明目前还是较难准确计算地基的沉降。同样，对地基的允许承载力的合理确定也还是没有很科学解决的，例如规范采用允许地基塑性区深度为基础宽度的1/4作为允许承载力或地基承载力特征值，即P1/4，也是一种半理论半经验的结果，即使采用认为最可靠的现场载荷板试验，由于压板尺寸与实际基础的尺寸不同，用载荷板试验确定的承载力特征值也是半理论半经验的。

在当今现代科技日新月异的情况下，土力学该如何发展？土力学理论工程应用的瓶颈在哪里？值得回顾和思考一下。

从土的变形特性的角度，土力学的发展是否可以分为四个阶段：

第一阶段：e-p曲线

有效应力原理是土力学的基石，主要是研究饱和土中土骨架与土中水的应力转换，认为控制土体强度的主要是土骨架的有效应力，然后对于土的沉降，也认为主要是土中水的排出而引起的压缩固结沉降，因而把地基的沉降主要看作为一维压缩沉降，从而研究土的孔隙比e与压力p的关系，通过一维压缩试验确定e-p曲线，主要是用于计算土的压缩沉降，这个观点一直影响和沿用至今，如我们规范中的地基沉降计算主要还是用一维压缩试验的e-p曲线计算沉降，然后通过经验系数修正计算值。

第二阶段：e-p-q曲面

单向压缩试验时得到的e-p曲线是土体越压缩越密的，土是不会破坏的，实际土体在荷载的作用下，随着荷载的增大，最后是会达到破坏状态的，一维压缩试验不能全面反映土的实际受力变形状态。剑桥学派通过土的三轴试验，建立了e-p-q曲面，考虑了剪应力对空隙比的影响和土的破坏过程，更全面的认识土的孔隙比e与应力状态的关系，得到所谓的Roscoe面，并发现土体破坏时孔隙比与p-q的关系，即临界状态线，可以更全面的认识孔隙比e与应力状态的关系，并提出建立了临界状态的土力学理论和最早的土体本构模型—剑桥弹塑性模型，使土力学进入到了以更好描述土的强度与变形性状的本构模型研究为主的现代土力学阶段。

第三阶段：土的压硬性和剪软性

Duncan-Chang模型通过常规三轴试验描述了土的压硬性与剪软性，其依据的常规三轴试验曲线如图1所示，表现为随围压σ3的增加土变硬，即σ3越大，相同的剪应力q=σ1-σ3对应的应变越小，即为土的压硬性，而对于同一个σ3的曲线随着剪应力q=σ1-σ3的增大，非线性的变大，即土变软，直至破坏。这是一个最直观的反映土体压硬性和剪软性的结果，这是土与金属材料变形特性的最大不同。该模型在假设试验曲线可用双曲线表达基础上，获得了土体切线模量的表达式为：

E1如图1的切线，这样地基的沉降变形计算用E1参数，就可以较好的考虑了土体的压硬性和剪软性，直观的反映了土的剪切变形特点。图1的试验曲线可以由土样的常规三轴试验得到，结果来之直观可靠，这是土的力学特性认识的一个重要进步。

图1 土样常规三轴试验曲线

第四阶段：原位土力学

前面的土的力学特性的认识都是基于土样室内试验而获得的，或重塑土试验的结果。实际中发现，由于土是一种天然形成的材料，更有一些由岩石风化而成的土，如残积土，具有较强的结构性，土样经取样应力释放之后，结构性遭到破坏，与现场原位土的性质已不同。同样一些有一定胶结的砂土，取样扰动后结构发生了破坏，这样室内土样与现场土已发生了变化，如果用这样的土样进行试验获得的力学特性指标是不能真实反映现场原位土的力学特性的，用这样的土样所得到的试验指标进行地基沉降变形等的计算就会差异很大，如前面提到的国家地基规范沉降计算的经验系数为0.2~1.4，最小与最大相差7倍，最小经验系数为0.2，就是考虑用室内扰动土样试验得到的变形刚度参数比现场原位土的变形刚度参数要小，用于计算所得的沉降偏大，因而要乘以0.2的系数进行修正。

但这种经验系数法修正也不是长久之计，改进的方法，就应该采用现场原位试验的测试方法，来测定现场原位土的力学指标，如土的变形模量的参数，用于计算，以提高计算的准确性。例如，我们提出用现场压板试验确定土的初始切线模量图片和强度指标图片。假设图2的压板载荷试验曲线可以用双曲线方程（3）来表示，则拟合试验结果可以得到双曲线方程的两个参数a、b，由这两个参数可以得到地基的极限承

D为试验压板的直径，μ为土的泊松比，ω为压板的形状系数

图2 现场压板载荷试验曲线

载力pu和土的初始切线模量Et0，如式（4），由地基极限承载力pu可以得到土的强度指标图片，则不同荷载水平或应力水平下土的切线模量方程可表示为：

而这两个方程中土的三个力学参数：图片 就是通过现场原位试验直接得到的，可以更好的反映原位土的形状，这样，用（5）式的变形参数代替传统分层总和法的压缩模量来计算地基的沉降，就可以反映现场原状土的特性，可以不需要像规范方法用一个变化范围0.2~1.4这样大的经验系数来修正计算值了，而用（6）式确定的原状土的单元切线模量就可以用于数值计算地基的沉降，（5）式反映了荷载水平对变形参数的影响，（6）式反映了土的压硬性和剪软性。

图3 压板载荷试验计算比较

图3所示为用（6）式的切线模量用数值方法计算一个压板载荷的试验曲线的结果，计算曲线与试验曲线比较接近。

因此，鉴于土质材料的天然特殊性，为更好掌握天然土的力学特性，应大力发展原位试验技术，并发展与之相关的理论研究，发展基于原位试验的土力学，即原位土力学，使理论更符合实际，应是更好解决土工工程的途径。这应该是土力学发展的第四个阶段，也是更值得期待的阶段，可以更有效地提高土力学计算的准确性，提高工程设计水平。

德国WILLE土真三轴试验系统

德国wille的真三轴试验仪系统是一套全自动系统，通过三个独立的受控主轴（σ1≠σ2≠σ3）施加静态或循环压缩应力于立方体土壤试件上，从而研究试件在该状态下的行为表现。

真三轴试验仪通过动态机电作动器或伺服液压作动器（选配）独立施加轴1的垂直荷载和轴2的水平负载，围压作为轴3。真三轴系统包括4个成对工作的机电作动器，每个作动器都有自己的LVDT位移传感器和水下荷载传感器，并具有应力或应变反馈控制。

真三轴试验仪系统配合不同组件，能够在更广泛的复杂应力路径和应变路径下测量和记录土壤材料的岩土特性。该试验装置可在X、Y和Z方向产生三种不同的主应力，并对长方体试件施加循环载荷，在大范围的载荷、循环频率和振幅下获得测试结果，从而用于有限元模型开发，分析公路和铁路相关的斜坡和路堤。GEOsys软件与系统结合，可以自动执行所有试验。

产品特点
1.高强度坚固的真三轴室，围压高达2MPa
2.大观察窗便于实时观察试样
3.4个循环机电作动器，可以独立施加应力（σ1≠σ2≠σ3）
4.试件尺寸：75x75x150mm
5.适用于各种传感器的出线孔
6.太网端口可将测试数据快速传输到PC
7.兼容LABVIEW?
8.灵活的控制软件，适用于几乎所有测试选项的测试程序
9.4个水下荷载传感器，以非常小摩擦效应进行测量和闭环控制荷载
10.实时数据和图形显示
11.高速动态控制器（2.5kHz或10kHz），用于监测测量值和闭环控制，例如：载荷、位移、位置和体变或流量
12.该系统能够应用不同的应力路径或应变率
13.可根据要求提供不同的升级选项，例如循环围压压力

主要配置

① 多边形三轴室
② 前舱门带大窗口，方便观察试件
③ X轴作动器
④ Z轴作动器 (底部作动器在控制柜内)
⑤ 水下荷载传感器 (4个)
⑥ 围压反压接入口
⑦ 前指示面板和主开关
⑧ 内置高质量动态加载控制器
⑨ 压力传感器可测量孔压和B值检测
⑩ 可实现应力路径和其他测试的控制软件

土力学真三轴试验模块

GEOsys专为闭环控制的静态和动态试验而设计，适用于材料试验中的所有试验应用，例如应力控制、应变控制、应力路 径、循环。可加载正弦波、矩形、三角波和自定义波等任何类型的波形。控制和数据采集软件，还具有根据ASTM或BS或其他标准运行试验的不同模块。请注意，下面列出的某些试验需要非标 配的硬件。根据用户的要求，将随主要软件一起提供一个或几个模块，例如：

● 数据采集、处理和设备管理 (DPD) 模块

● 饱和试验模块

● B值检测模块

● 固结模块（各向同性或各向异性）

● 渗透性试验模块

● 应力路径模块：线性应力路径 p、q 或 s、t 方法

● 静态剪切模块： UU：不固结不排水三轴试验（总应力试验） CU：固结不排水三轴试验，测量孔压（有效应力试验） CD：固结排水三轴试验，测量孔压（有效应力试验）

● 非饱和土试验模块

● 动态剪切模块

● 高质量加载模块：对试件施加多种类型的波形加载，如：正弦波，方波，三角波，梯形波，梯度加载以及用户自定义波形；动态梯度加载

● 静态加载模块，X和Y轴的荷载、位移、应力或应变控制，Z轴的应力控制

● 动态加载模块，X和Y轴的动态控制，Z轴静态应力控制

● 全阶段剪切 (压和拉的结合模拟各种应力路径)

● 气压控制下的非饱和土试验 (如果选购了相应的硬件)

● 平面应变试验、K0试验、小剪切应变试验

● 动态剪切试验模块：应力或应变控制的动态三轴模块包含：循环应力控制、循环应变控制、可选液化试验

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