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清华大学教授李广信谈土的本构

已有 6016 次阅读 2009-6-18 17:21 |个人分类:岩土工程|系统分类:科研笔记

问:土的本构关系是土力学研究中的理论基础,您从事多年这方面的研究,土的本构关系揭示了土的哪些性质? 土有哪些最基本的特点?
李(广信)教授:
    土的本构关系实际上就是指土的力学的基本性质,包括压力应力、变形、强度的关系,英文称behavior,就是相当于物质的性状。人对于土是从感性认识开始的,几千年前人们离不开土,在实践中从感性认识土。一直到20世纪五、六十年代都很难把它定量化。
    真正的把它用数学公式表示出来比较难,究其原因,一方面是土的性质太复杂,不像其它的如:钢材、混凝土等,遵循虎克定律,或者具有理想塑性特性;另一方面是工程应用中的计算手段不行,此前如果计算非线性,要用计算尺或者手摇计算机。即使用条分法进行稳定分析,几十个滑动面需要好几天的时间,这样的计算手段限制了非线性分析。
    20世纪60年代以后,一方面高、重建筑物的工程发展很快,像100~200米高的土石坝、深覆盖层上的坝、核电站厂房、大型的高层建筑,对于变形的要求就比较严格了,有一些对变形要求十分精密,这时线性和非线性的区别显得非常的重要,如上海的磁悬浮轨道对于软土地基变形要求精度达毫米级,这同以前建一个普通的房子是不一样的,提出了变形及变形过程计算的必要性;再有就是非线性计算可能性, 20世纪60年代以后,计算机的技术的发展使人的计算能力大大的提高,所以各种复杂的非线性增量计算都可以实现了。
    到80年代和90年代,人们对土的本构关系认识逐步深化,发展很快,提出的模型也非常多。但此后,研究的人以及论文的数量大幅度减少,有些人开始怀疑土的本构关系是否有用,因为常常本构模型很复杂,但是针对实际的问题差距还是很大,预测的结果不理想。在80 年代的几次“考试”中, 先让一些单位做基本试验,要求将预测结果与目标试验对比,基本试验的结果是公开的,目标试验是保密的,谁提出本构模型都可以参加预测,给你目标试验的应力路径和利用基本试验确定参数,要求算出应变。这样的“考试”和“竞赛”进行过多次,据我所知,就有4、5次,像欧洲、美国、加拿大都举办过这样的活动,但最终的结果不是很理想。尽管有的模型很复杂,最多的参数有23个,仍不能预测一些土的复杂变形性质,定量预测则更有差距,这样就造成了人们对本构模型的怀疑:“搞的这么复杂还解决不了问题”,而且这仅仅是在室内的测验,跟工程实践之间的差别会更大。在20世纪末对土的本构关系研究的怀疑是比较突出的,认为本构关系研究太复杂又用不上,对研究基本上持否定态度。尤其工程界的人,一听说弹塑性模型头就疼,觉得太复杂了,脱离实际,有的甚至相当的反感。
    如何看待土的本构模型的研究,我感觉应该一分为二。在早期的60、70年代到80年代的研究高潮中,不仅仅表现为数学理论公式方面,还带动了室内外试验,使试验的手段得以提高,像三轴试验、真三轴试验、空心圆柱扭剪试验、土的循环与动力试验等,这些试验揭示了土的复杂的变形特性。比如近几年提出土的卸载的体缩、各类循环加载下的不可恢复的体变的积累,这些现象都是通过试验揭示出来的,使人们对土的认识达到了一个前所未有的深度,美国一位教授说:土的本构关系搞清楚了,土的其他问题也就都解决了,这是有一定道理的。
    对于研究土的本构关系来说,尽管定量很难,但是定性的研究对土的认识会相当的深入,对土及其基本原理的掌握是有很大意义的。如关于土的剪胀性、土的围压的影响、循环加载下的性状等概念性的认识非常有用。比如复合地基问题,无论是用夯、挤,还是爆,对于土来讲,密实的土最好不要去扰动它,一扰动它可能会剪胀,越来越松。对地基处理还是要动松土不要动密实的土,这就是土的剪胀原理。我的导师黄文熙先生曾经问过我一个问题,砂土地基如果地下水位上升了,上面的楼怎么变形。我理解因为应力卸载,应当是地基回弹,其实恰恰相反,地基会下沉,因为砂土的模量是与其围压有关的,围压减小了,土的模量也降低了。这一点在邓肯—张模型中有反映:初始模量Ei 与土的围压σ3 成n次方的函数关系。对土的本构关系的理解,使人对土的认识深入的多了,所以说是不能够抹煞土的本构关系的研究,持完全否定态度。这是其一;其二就是对土的本构关系的研究过程中把相邻的力学学科、数学学科、不确定性的理论知识和成果都用在土力学当中来,拓宽了土力学的手段和领域。其三就是它还是解决了一些重大工程问题,比如说像三峡二期围堰,十几个单位用了七、八个模型平行计算,结果和测试的结果相比可能不是那么完全准确,但最后的数量还是比较接近的,特别是对于方案的比较,设一道还是两道防渗墙,哪道先修和后修都有比较,应当说还是有效果的。像解决三峡二期围堰、小浪底高土石坝,还有目前的一些面板堆石坝,只能是通过数字计算对方案进行比较,因为也不太可能去做原形试验,离心机模型试验作不了那么大的坝,因此只要是符合实际情况,对解决问题还是有用的。
    现在土的本构关系模型研究的去向如何,是继续提模型还是有别的方法,目前国内一个比较统一的认识就是对于提出的众多模型尽量的去简化、选择,如分层总和法,虽然粗糙,但实践多了就有了经验,还是能基本符合实际。邓肯—张双曲线模型大家用的比较多,用的多也就熟悉了,知道问题所在和能够解决什么问题。我国在高土石坝数值计算中,研究逐渐凸现出几个模型,被人们所熟悉和使用。其次就是一些特殊的问题,比如循环加载的问题、特殊土的问题、非饱和土的问题、结构性土的问题等。这几年关于损伤模型、损伤理论、非饱和土吸力模型,有较快的发展。当然60、70年代以后的研究有些是脱离实际的,这也反映了一个问题,把模型做的太复杂,参数达到20~30个,参数如何确定,使得盲目性增大了,所谓“阳春白雪,和者盖寡”,工程界的人一看就反感;还有一种情况,模型的提出者并不在模型的应用上下功夫,而是对模型过于精雕细刻,有的文章提出一个模型,给定一些参数,自己来验算怎样好。其实这里关键是参数是怎么来,如果从试验中来,再去算那些试验,那就不叫验证,只能叫参数拟合,自己闭合的东西算来算去,没有意义。现在国内比较热的一个是结构性模型,跟损伤有关;另一个是非饱和土模型,但是也应当总结以往的教训。
    国内20世纪末以前提出的土的模型基本是重塑土的本构模型,更多的是针对土石坝、围堰等工程,对基坑的数值计算就不是很准确。现在研究土的结构性,一部分土是损伤的,就是扰动土,一部分没损伤的,就是原状土。德塞(Desai)在80年代提出的“扰动状态”的概念,就是说土的扰动是有多方面原因的,比方说变形是一方面,热、水、温度、冻融对土都有扰动。目前的损伤模型往往只把损伤当成一个简单的变形的函数。而膨胀土、湿陷性黄土是跟水有关的;像永久性冻土、季节冻土是跟温度和其它外界的环境有关的;所以广义上引起土的变形不是应力一个因素,有多种因素。现在的理论研究是逐渐的加深了,把热的运动、力场、变形场、水都耦合在一起考虑,那将相当复杂,距实际工程应用还有很大差距。我感觉还可以走另外的一条路线,譬如我们绕过这些复杂因素,建立更简单的模型。对于非饱和土,弗雷德兰德( Fredlund)提出了吸力的概念,它本身并不仅仅是一个简单的力,在很大情况下数值计算还有困难。吸力的加入到底起到了什么样的作用,是不是跟力一样? 这一点不清楚。如湿陷性黄土含水量增加,吸力减少了,那就塌陷了;对于膨胀土来说,含水量增加吸力减少了,反而膨胀了,这里面不能用一个用简单的力来解释这些问题。说明它只是提出了一个方向,现在建立的模型也是很多的,但是非饱和土的模型不是很容易成功的,原状土的模型也不是很成功,与实际工作的应用有距离。所以对于原状土的研究应当在取样技术和现场测试等方面下功夫,这样可能离实际问题的应用更近一些。
    现在的探索有两种方向:一种是从细、微观方面的力、热、水的渠道出发建立力学的关系;另一种就是建立一个表观的关系,如在弹塑性模型中把含水量直接放到硬化参数里面去,省去中间的过程,直接建立关系,可能是一个应用的方向。像原来搞土石坝,第一次蓄水坝体会发生浸水变形,这是堆石料干变湿的变形过程,称为湿化。在“七五”和“八五”科技攻关的时候,我们都提出了很多的湿化的模型。不只是土石坝,很多土,例如黄土、新近沉积土等都有湿陷性,其变形不是力的变化而是含水量的变化。一个变形由力引起的,一个变形由水引起的,可以把它耦合起来,各自计算。在工程界和学术界往往思路不一致,工程界希望能简单化,实用化。像邓肯—张模型比较容易理解和接受,象弹塑性模型就比较难。对于工程界来说更希望看到是工程上可以借鉴的资料,而不是大量的方程公式和数学模型。如何让学术界的研究更加贴近工程而不是偏离,是应该考虑的。
问:现在的一些模型往往是工程完工后进行计算与实际结果对比验证,如果根据实际工程的基本条件、基本要求事先利用模型和数值程序进行计算分析,工程完工后根据实际测定参数验证模型的正确与否,其准确性将会有什么区别?
李教授:
    在美国曾经举办过一种活动(VELACS) ,用土工离心机做了九种工况的地震反应试验,有基础、墙、坡等,分A、B、C三类考卷,A是在实验没有做之前只告诉拟进行的试验的情况,让其预测; B是试验完成以后交待了试验的过程但不告诉其实验的结果; C告诉你试验的结果。最后的
“考试”结果是C的预测成绩明显的高、B 其次、A末之。知道实验的结果,就有明显的定向趋势了;知道实验的过程,对边界条件较为贴近;而试验尚未进行,完全的“盲测”,对于土力学问题其盲目性就会很大。目前国内的一些论文有一些是在编参数凑结果,这是十分恶劣的。
从土的预测角度讲,土还是太复杂,在不作弊的前提下尽可能多知道一些结果,会更符合实际情况。如在美国丹佛做过的加筋土挡土墙的足尺试验的“考试”,先告诉粘性土、砂土和筋材的参数,对于粘土给出了排水、固结不排水和不排水三种强度指标,结果就发现用不排水的强度指标算出的最贴近实际,用其他两种方法算出的结果和实际差距比较大。如果没有试验结果的对比,在这种工况条件下,用排水还是不排水方法很难说谁对谁错,但在工程施工有了经验之后,很明显用不排水指标好,当然计算结果非常有效。土的性质非常复杂,应尽可能的知道边界条件、初始条件和参数,辅以一定的经验,计算误差在30%左右就很不错了。

问:总的看,土的本构关系定性的指导实际工程意义更大一些。基本条件已知的越多,对工程的环境越熟悉,实际经验越丰富,对工程也就越容易掌握。

李教授:
    我刚才讲的几个案例都是属于水利工程中的填方工程,实际上这些土都属于重塑土,像围堰、大坝等,是人为的压实填筑的。室内的试验模拟与现场的土基本一致,参数是可靠的,所以现在数值计算土石坝用的比较多,算的也比较准确。而最大的难点在于原状土,譬如基坑的问题,基础沉降问题,纯粹理论计算出来的位移很难精确(有丰富经验的估算反而可能较为准确) 。关键是如何取得原状土的不扰动试样,进行合理的试验,合理地确定参数是很难的。所以往往土的本构关系、土的基本理论都是对于像室内的重塑土、饱和土确定的,实际在最近几年的基坑当中的问题比较多,主要原因还是在于对天然的、非饱和的土的认识差异很大。现在的非饱和的土、结构的原状性土本构关系还是挺粗糙的,真正实用的不多。也许通过现场测试及监测,反算模型的参数是一条可行的路线。

问:北京基坑开挖越来越深,水的问题也比较突出了,相应的事故也比较多,你是怎么认识的?

李教授:
    目前北京总的来讲地下水比较的低,所以北京的基坑按规范或其它理论的计算余量很大,所以大家都在悄悄地吃这个潜力,按规范垂直挖4
米以上的基坑是不允许的,但是北京的条件就常常可以,在我校附近的一个基坑接近垂直开挖到9米,也没有出事。类似的情况在土钉墙、护坡桩的设计中也都有这种情况。现在的原状土的性质、强度都没有理论能够反映,实际上大家是凭经验吃这个潜力和承载余量,但是一旦碰上麻烦问题就不行了。其中最为严重的是地下水的问题。我讲北京基坑事故百分之八十与水有关,顾宝和大师讲可以说是百分之百。也就是说基坑开挖局部一遇到水,土的结构强度破坏了,吸力也丧失了,就会倒塌。地下水的影响因素是很多的,首先是土的吸力丧失了、岩土被软化、强度降低了,再有自重应力增加、渗透产生渗透力,环境恶化,所以水的因素很重要。
    土、水、气是一体的。土中的水是其主要组成部分,并且是随着时间和季节在变化的。像十月份在三峡地区刚降完雨,就出现很多大小滑坡,说明土的性质在水的影响下产生恶化。另外水是运动的,有水就会有渗流,地下水向外的运动会把土给带出来,亦即发生渗透破坏;如果水沿坡渗流,坡体的安全系数就会减少50%以上。但是水的渗透反过来也有正面的作用,如现在的钻孔灌注桩,在地下水以下打孔肯定是站不住的,采用灌水加泥浆,使水从里往外渗,产生逆支撑,水力坡降加大,所以孔就不会塌。土中水一般讲是不利的因素多,不管是基坑、地下工程、边坡几乎出事都跟水有关系。像上海的地铁四号线就是粉细沙施工中出的问题;三峡库区现在就有上千处潜在的滑坡,库区水位的提升,会使原来稳定山体出现滑坡,说明水对土的工程性质的影响非常的大。
    基坑的人工降水中会发生两个问题,第一就是会对周围的建筑物的影响,降水漏斗在降水漏斗范围内的建筑物会出现不均匀沉降;第二个就是对城市里的大基坑长时间的降水,对水资源是种很大的浪费,所以现在讲工程施工中水的控制,而不是简单的基坑降水。可以是抽水再加上四周回灌使得附近地下的水位不至于降的太低;另外就是隔水,用墙把水隔住,只是降基坑部分的地下水;近年来,在北京用引渗的办法,北京的地下水是分几层的,中间如果有黏土层,层间打通穿透,让它自己补充渗透到下一层,这样对于水资源没有被排走浪费,是比较环保的,有条件的话还是提倡使用此法的。
    土钉墙一般发生的位移比较大,可能会造成管线、污水井等漏水加剧,最后恶性循环。土钉墙在北京还是创造了很大的效益的,目前大部分做的很不错,成功比率很大,效益很大。但是也有滥用和设计施工粗放的情况,连续发生了一些事故。
    土钉不是加固,而是加筋,所谓的加筋就是说整个的土钉长度都是灌浆的,不分锚固段和自由段,和土是混在一起的形成复合材料。在很多国际学术会议上都有涉及土钉的研究论文,土钉已被比较广泛的接受。目前的问题有认识的问题和市场竞争问题。特别是市场恶性竞争导致价格一降再降,价格由200 元/m2 降到150 元/ m2 ,甚至还有90元/ m2 ,基坑深度越来越深,土层的状况了解不详,引发基坑出事的也多起来,所以黄熙龄院士和顾宝和大师一再谈到这个问题。
问:您怎么理解大岩土这个概念。

李教授:
    大岩土的问题分两方面讲,一方面是学科,与当前的总的学科的认识有关系,近几年岩土工程的范围不仅是地表,也深入到陆地和海洋及地球深层,甚至涉及到了太空。岩土中的土和岩石都是天然的地质产物,涉及到的问题是多方面的,主要是岩土的环境生态。从广义上讲,板块运动、地壳沉降、海水入侵、降低地下水所引起的地面大面积沉降、地震海啸等自然灾害等都属于岩土问题。认为岩土即工程建设的观点已经落后
了。岩土应该是一个更为广泛的概念了,它涉及到大尺度的地质灾害; 小尺度的地下水污染、打桩、地下开挖造成的附近建筑物的影响;再有固体垃圾、有毒有害废弃物、对于岩土和地下水的污染、生态环境的污染等等;还有地下工程造成的生态、气候的变化,也就是说岩土考虑的范围不仅仅是建设工程的问题,国民经济的可持续发展一定的程度就要考虑环境岩土的问题了。
    另一方面就是工程实践和市场的问题,国外的公司是遇到什么问题就做什么,不管是水利的岩土、建筑的岩土或是交通的岩土,真正开放的市场是必然要有大岩土这样的学科支撑的。而我国目前岩土工程被束缚在不同的工程门类之中。在注册岩土工程考试中,可以明显地感到建筑、交通、水利水电、矿山地质等不同工程部门中岩土工程师之间的隔阂及岩土工程知识面的狭窄。


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