土力学的研究现状和存在的问题

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　　本文系名古屋工业大学张锋教授撰写的《计算土力学》一书的前言部分。

　　在工程实际应用中，土力学的计算问题直到今天还是以太沙基(Terzaghi)的土力学理论为主。即使土力学的弹塑性理论及计算数学有了飞跃的发展，但在实际应用中，严格意义上的计算土力学还没有得到广泛的应用。造成这一现象的根本原因有以下几点：

　　一、土的多相性。
　　土与钢材或混凝土等结构材料不同，首先它不是单相材料，它是由土的颗粒,水及空气组成的。因此一般状态下的土有三相，即固相、液相和气相。太沙基的全应力土力学理论就是把土视为一相来进行处理。这种理论非常简单，便于掌握，但不能描述土的真实性。撇开非饱和土不谈，即使是对二相饱和土，如果不使用有效应力的概念，要建立一个严密的应力·应变关系也是不可能的。

　　举一个最简单的例子，在相同的地基条件下用不同的速度筑一堤坝，快速施工与慢速施工的力学特性就完全不同;快速施工时地基受到的载荷处于一种非排水剪切状态，而慢速施工时(时间足够长)地基受到的载荷就处于准排水状态，由此而产生的地基承载力就完全不同。用全应力理论来解释时，就必须分别用非排水剪切强度及排水剪切强度来估算地基的承载力。有人甚至把这种效应称之为时间效应(time dependency)。但如果使用有效应力的概念，则可以统一地用一个参量，即有效应力的临界状态应力比来描述。

　　饱和土的基于有效应力的土的本构关系在最近十多年中得到了飞跃的发展，为严密地描述饱和土的力学特性提供了令人信服的可能性。至于非饱和土，本构关系的建立还处于发展阶段，不论其理论体系还是实验手段都存在许多争议。理论的发展离不开应用的需求，在现场施工中，如果使用有效应力来计算强度及变形，则必须测量孔隙水压，这比测量位移要困难得多，所需费用也大。因此绝大多数情况下都被敬而远之。这就是为什么基于有效应力的计算方法不能得到广泛应用的最主要的原因之一。

　　二、是土的各向异性。
　　严格意义上讲，土是各向异性的。各向异性有二种情况;一种是土在自然堆积中形成的各向异性，通常被称为内在各向异性(intrinsic anisotropic);另一种是由应力历史引起的，即经历了一定的外部应力后形成的各向异性，被称为应力诱导各向异性(stress-induced anisotropic)。这些各向异性为土的本构关系的建立带来一定的困难。

　　但是理论上讲，只要本构关系能准确地描述一般应力状态下交变载荷的力学特性，则应力诱导各向异性问题也能迎刃而解。困难就在于对自然堆积土而言，其应力历史无法追寻。因而即使建立了各向异性的本构模型，其初始状态的各向异性很难确定。

　　三、是土的初始状态的不确定性。
　　在本书中描述的各个模型，它们都有一个特性，即初始状态，如孔隙比、超固结比或结构状态(敏锐比)等，都必须作为已知条件。但实际上要掌握这些初始值非常困难，很多情况下只能推算。因此本构关系精确度也会由此而受到影响。

　　如果考虑结构与土的共同作用问题，如桩·土共同作用、基坑开挖与支护、软土地基中隧道的盾构施工等工程问题，由于结构架设过程中对土的扰动是绝对不能忽视的，这些因素怎样通过数值模拟来描述也是一个很困难的问题。举一个简单的例子，在予制桩的施工中，非排土施工与排土施工造成的对周围土的影响是完全不同的。由此而引起的土的状态的差别将对桩·土的共同作用评价带来很多不确定因素。

　　以上罗列了许多土力学问题的严密计算方法所受到的限制，这是客观存在的问题，无法绕过它们，但这并不意味着土力学的计算方法因此就不用发展了。由于影响土的力学特性的因素太多，致使许多土力学的本构方程变得越来越复杂，使用的参量也越来越多，但还是不能正确地描述土的力学特性。从而使一部分学者产生了一种错觉，土力学不需要本构关系，也不可能建立一个令人满意的本构关系。

　　另外还有一部分学者认为土的力学特性太复杂、太特殊化，因而主张应避开土的实际物理量的变化，用一些抽象的变量或变量函数来进行粗略的描述，这样便能得到令人满意的本构方程。作者认为以上两种观点都存在片面性。本书的主要目的，就是想通过对土力学的本构方程的发展及现状作一些介绍，使读者能够理解在现代土力学数值计算理论范畴内，能解决土力学中哪些问题，哪些问题需要作进一步的努力。

　　作为一种工具，在本书的第一、第二章中对张量分析及有限变形理论作了简单的介绍。第三章则详细介绍了近年来在土的本构模型的研究中取得突出进展的五个方面的研究成果，即土的超固结、土的结构性、土的中间主应力的影响、土的时间依存性或蠕变特性(time dependency)及土的应力诱导各向异性(stress-induced anisotropy)。

　　对于超固结，在本书中将介绍下负荷面模型(subloading yield surface model);对于结构性，将介绍上负荷面模型(superloading yield surface model);对于中间主应力的影响问题，将介绍tij 模型;对于时间依存性，将介绍作者提出的时间依存性模型;对于应力诱导各向异性的问题，将介绍作者及作者的博士研究生叶斌提出的应力诱导各向异性模型。

　　作者认为这些本构模型代表了土力学数值计算理论的发展方向。本章主要描述了它们的理论背景，实验验证及适用的范围。第四章则侧重于介绍基于这些本构关系所进行的各种有限元边界值的静·动态分析计算及相应的理论基础。

　　计算土力学中有许多方法，作者只介绍了有限元分析，并不是说其它方法不重要，只是因为有限元法应用最广泛，易于被工程师们所接受。本书的最后附有各个模型的计算源程序，不同于弹性理论教科书：即理论计算都存在封闭的解，本书中所涉及的本构关系均需通过计算机的计算才能得到它所描述的各种力学特性。故通过使用这些源程序及相应的输入算例，读者可以加深对这些本构关系的理解。并且各个本构关系的源程序都已模块化，只需要一个正确的弹性有限元计算程序，通过加入这些模块，则可以轻而易举地进行相应的弹塑性计算。

　　另外，为了方便读者的使用，可以在相关的网址上下载这些源程序。最后还要强调的是，土力学绝非有些人所误解的，即土力学很“土”，不是科学(Science)而只是一种用经验公式来解决问题的技术(Technology)。就弹塑性理论而言，本构关系在土力学方面的发展决不比机械、结构等其它学科慢，且它的重要性越来越受到重视，可以说它是一种真正意义上的科学。

　　本文系名古屋工业大学张锋教授撰写的《计算土力学》一书的前言部分。