土力学新论：全面解析新土力学与太沙基土力学

太沙基土力学和新土力学都建立在连续介质力学的基础上。实际上，土的细观结构是不连续的，并且还有固体骨料、水和空气等多种组分，它的种类繁多，性质复杂。近年来，人们在土的细观力学性能研究方面取得了很多成果，但这既不与土的宏观力学性质相矛盾，也不妨碍其宏观性能的研究和发展。十分有意义的是，虽然土的结构和性质复杂，但是它的宏观力学性质表现出很大的规律性，这种规律性不仅表现在单轴试验的结果中，而且也表现在多轴试验的结果中。下面是一个典型的试验例子。

下面我们从不同土的实验结果，多方面观察土的剪切强度τ（或C）与正应力σ的关系。

土的剪切性质与法向应力之间呈线性关系，而且土与其他界面的关系也近似呈线性关系。清华大学张嘎和张建民使用新研制的大型土与结构接触面循环加载剪切仪，对粗粒土与人工粗糙钢板接触面在单调荷载作用下的力学特性进行了系统的研究，从宏观和细观两个角度进行测量，分析总结了粗粒土与结构接触面的基本力学特性和受力变形机理。试验表明，虽然结构面粗糙度、土的种类和法向应力等因素对接触面的力学特性具有重要影响，但得出的接触面剪切强度与法向应力之间的关系可用线性关系来表示[211-241]，如图17.21所示。其他如文献[231-234]和[242-249]对砂土或黏性土与其他物体接触面的剪切强度研究也可得出类似的关系。孙逊等[241]对垫层料与挤压式边墙接触面静动力学特性的试验研究也得出类似的结果，如图17.22所示。

图17.21　粗粒土与钢板接触面τ-σ关系

图17.22　垫层料与挤压式边墙接触面τ-σ关系

这方面的资料还有很多。图17.23和图17.24是粉土和稳定土的三轴试验研究结果[250]。粉土是介于黏性土和砂性土之间的一类土，工程性质较复杂，而稳定土则是采用一定的物理化学法及其相应技术措施使土的力学性能得到改善以适应工程技术的需要，其试验结果呈线性关系。文献中也有非线性结果的报道，但都与线性很接近，也可近似表述为线性关系。

图17.23　粉土三轴剪切试验结果

图17.24　掺4%石灰的粉土三轴剪切试验结果

俞茂宏和孟晓明曾对国家重点保护文物西安古城墙含光门断口处的唐代和明代夯土进行了三轴固结排水剪切试验。土样取自古城墙含光门的断口处，在断口处可看到城墙内唐代土轮廓明显，且较明代土颗粒细，土体密实，含水量高。图17.25是西安城墙唐代夯土的剪切强度τ（或C）与正应力的试验结果[247-249]，围压分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa及400 kPa。郭婷婷[251]对黄土-粉煤灰-石灰复合土也得出类似的结果，如图17.26所示。可见，图17.23—图17.26的粉土、稳定土、西安城墙唐代夯土和黄土-粉煤灰-石灰复合土的剪切强度与正应力之间都有较好的线性关系。

图17.25　西安城墙夯土的三轴试验结果图

图17.26　二灰土的抗剪强度与垂直压力关系

下面以一种新的土工材料为例。图17.27是河海大学朱伟等[233]对一种新的疏浚淤泥泡沫塑料轻质混合土的研究结果。疏浚淤泥泡沫塑料轻质混合土是一种具有高附加值的新型轻质土工材料，它以疏浚淤泥作为原料土，发泡苯乙烯泡沫塑料（expanded poly-styrol，EPS ）碎粒作为轻质材料，水泥、粉煤灰等作为固化材料，具有很多优点。不同配比混合土固结排水试验的剪切强度与围压的关系如图17.27所示。

东南大学刘松玉等[234]通过中型三轴试验及现场大型直剪试验对煤矸石的强度特征进行了系统的试验研究，得到了煤矸石细料和粗细混合料的强度包线如图17.28和17.29所示。图17.28为煤矸石细料试料在不同干密度下的应力圆及强度包线。

图17.29为粗细混合料在不同粗料含量下的应力圆及强度包线。由图可以看出，其强度包线呈现线性性质，即使是含有30%～60%粗料的煤矸石的粗细混合料其强度包线仍呈线性性质。

图17.27　轻质混合土的固结排水剪切强度包络线。（a）EPS颗粒0.69；（b）EPS颗粒1.15；（c）EPS颗粒1.61(www.xing528.com)

图17.28　细料的应力圆及强度包线。（a）ρd=1.60 g/cm3；（b）ρd=1.75 g/cm3

图17.29　混合料在不同粗料含量下的应力圆及强度包线。（a）30%粗料；（b）50%粗料

国外将三轴试验扩展到农业用的不饱和土的力学性质研究中。图17.30是Wulfsohn等[252]得出的农业土的剪切强度包络线。在太沙基1996年《土力学》第三版中[201]，引用了Escario、Juca和Coppe于1989年对一种红土的试验结果，如图17.31所示。

图17.30　农用土的剪切强度包络线[252]

图17.31　一种红土的试验[201]

最近，陈祖煜[202]总结了不同的方法和一些不同的材料的剪应力与正应力的关系，如图17.32所示。不同的材料的强度大小虽然不同，但它们都具有相同的规律。

图17.32　改进的原位直剪仪和大型三轴试验的成果比较

土的剪切强度与法向应力和平均应力之间的关系是土力学中最重要的基础。从以上国内外大量的实验结果图中可以看到，剪切强度、法向应力以及剪切强度与平均应力之间的线性关系τ13=τ0+βσ13或τ13=βσ13有坚实的实验基础。

统一强度理论是莫尔-库仑强度理论的继承和发展。新土力学与太沙基土力学有相同的理论基础，新土力学也是太沙基土力学的继承和发展，统一强度理论的应用还具有特别的意义。据国家环保总局的资料，仅2003年，中国便消耗了全球3l%的原煤、30%的铁矿石、27%的钢材以及40%的水泥，而创造的GDP不足全球的4%。每公斤标准煤能源产生的生产总值中，世界平均值为1.86美元，日本为5.58美元，中国仅为0.36美元。

新土力学与太沙基土力学有同有异，它们之间的对比如表17.2和表17.3所示。

表17.2　传统土力学和新土力学的异同比较

表17.3　传统土力学和新土力学的工程应用

我们应尽可能让同样的材料适用于更多的建筑、飞机、汽车、道路、桥梁、水电站以及地下结构等各种结构。采用b>0的统一强度理论，具有重要的经济意义[254]。从土体的试验结果看，它们都大于莫尔-库仑强度理论的极限面，因此，这方面有巨大的潜力和经济意义。

由于土的强度特性受某些因素如应力历史、应力水平、材料的特殊性质的影响，土的强度问题较为复杂，例如在高应力水平条件下，对帽子模型等可作进一步研究，国内外都有很多新的研究成果。这些不在太沙基土力学和新土力学的研究范围。