地质力学模型试验的研究现状与发展趋势
西北水资源与水工程 第七卷
1996年 第二期
Water
Resources
&
Water Engineering
地质力学模型试验的研究现状与发展趋势
杜 应 吉
(水利部西北水科所)
提 要
综述了目前国内外地质力学模型试验的研究现状
,重点介绍了该模型的特点、各参数的
选择及存在的问题
,并分析探讨了其发展趋势。
关键词
: 地质力学模型 相似原理 模拟
1 地质力学模型的产生
众所周知
,传统的静力学模型试验
,如线弹性结构模型试验
,是研究在线弹性范围内结
构的应力与应变状态
;而结构模型破坏试验及结构模型抗滑稳定试验
,则分别研究上部结构
物的超载破坏和地基软弱面对上部结构的影响
,为了研究地基与其上部结构相互作用下的
结构及地基的破坏机理
,就产生了地质力学模型。它本质上属于弹塑性结构模型破坏试验。
近代由于生产及科学技术的发展
,愈来愈多的建筑物需要修建在具有复杂地质构造的
岩基上或岩体内
,如大坝、厂房、地下洞室等。这类建筑物抗滑稳定性
,地下结构的围岩稳
定
,基础变形对建筑物结构的影响等
,都是地质力学模型所研究的对象。
地质力学模型主要研究模拟岩体的断层
,破碎带、软弱夹层等不连续构造对结构的应力
分布和变形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题。它着重研究结构超出弹性范围以外的
性能
,故仅考虑一次加荷效应
;它不仅限于已知荷载条件下的某一状态
,更重要的是研究在
渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程
,这就是地质力学模型与其它模型的区别所在。值
得指出的是
,随着试验量测技术的发展
,地质力学模型试验中的一些研究课题
,已由定性阶
段进入定量阶段。
地质力学模型出现在六十年代
,意大利结构模型试验所(
ISMES)成功的进行了多项地
质力学模型试验
;目前在国际上南斯拉夫、独联体、葡萄牙等国家也在广泛开展这方面的试
验研究工作。
我国在七十年代中后期
,有一些科研单位及高等院校相继开展了这方面的研究工作。目
前国内进行地质力学模型试验研究较深入的有
:长科院、清华大学、水科院等。
2 地质力学模型的设计原则和原理
2.1 设计原则
在坝工实践中所遇到的岩体是一些各向异性和非连续性介质
,有断层、裂隙、破碎带、软
—
46—弱夹层等不连续构造。在进行地质力学模型设计中应能反映出岩体的非均匀性、非弹性及非
连续、多裂隙体的这些岩石特征。同时
,模型的几何尺寸
,边界条件及作用荷载、模拟岩体的
模型材料容重、强度及变形特性等均应满足相似理论的要求。
地质力学模型的设计原则归纳起来有以下几点
:
(
1)
.由于模型试验不可能也不必要将所有的地质构造复制下来
,因此地质力学模型应
着重模拟主要不连续构造
,至于那些次要的不连续面
,如节理、裂隙等
,除非它们形成明显的
各向异性
,需单独考虑外
,一般应在岩体性质中加以综合考虑。
(
2)
.连续和非连续介质的复合体。从整体看
,岩体是非连续介质。因为它被许多不连续
结构面划分为若干不同力学性质的不规则块体
;但是从每个不规则块体来说
,又是连续、均
质的
,如果应力不超过弹性极限
,则亦可认为是弹性的。总之
,地质力学模型以弹塑性力学理
论为基础
,同时又考虑不连续面的客观存在。
(
3)
.块体的不规则性。由于断层、破碎带等的几何多样性
,因此模拟的块体也是形态各异
的。
(
4)
.考虑最不利因素的原则。由于岩体本身的复杂性
,要了解岩体所有的力学性质资料
是不可能的。既使现场原型观测
,也由于岩体本身的材料性质不稳定
,受外界条件的影响
,使
试验数据也有很大的变化。因此在模型模拟时的条件绝不能比原型更为有利
,而只能代表最不利情况。
2.2 设计原理
地质力学模型与其它类型模型试验一样
,要求满足原型与模型的相似规律。它必须满足:模型的几何尺寸,边界条件
,荷载及模型材料的容重、强度及变形特性方面的相似。
模型和原型在弹性应力状态、弹塑性应力状态、破坏状态均应符合相似条件。
(
1)
.满足正常的结构试验相似条件。即:
附图 原型及模型应力——应变曲线
C
Ε=1
C
Λ=1
Χ
mΧ
p=C
L
C
E
(
2)
.满足模型与原型的应力——应变关系
曲线完全相似。如附图中
:
Ρ
A
Ρ′
A=Ρ
B
Ρ′
B=Ρ
C
Ρ′
C=
C
Ρ
(
3)
.满足模型与原型的强度相似。即
:
(Ρ
p
Ρ
m)
压=(Ρ
p
Ρ
m)
拉=(Ρ
p
Ρ
m)
剪=
C
E
从试验中可知
,要完全满足以上相似条件
很困难。对于地质力学模型试验由于它属于破
坏试验
,故对强度相似的要求较严格。
3 地质力学模型试验的研究现状
地质力学模型根据它们的特点可分为以下种类
:(
1)
.按模型试验的性质可分为
:平面或
—
56—三维空间地质力学模型。
(
2)
.按模型模拟的详略分
:大块体和小块体地质力学模型。
(
3)
.按模型的制作分为
:现浇式或预制块拼装式。一般三维地质力学模型为预制小块体
模型
,而深层地基模型为平面地质力学模型。
3.1 地质力学模型材料的选择
地质力学模型试验为了真实地模拟岩体的性能
,须具有高容重、低强度、低弹模的性质。
为了达到上述目标
,一些单位作了多种配比、多种原料成分的模型材料试验。起初
,一般多用
铅粉、铁粉
,由于铅粉有毒
,而铁粉的收缩性强
,价格较贵
,性能不稳定。通过多种类型材料组
合的试验对比
,认为以重晶石为加重料
,石膏为胶结料
,以淀粉为外加剂
,以甘油为保水剂的
地质力学模型材料较好。此类材料的调整幅度大
,能模拟完好坚硬岩石和破碎断层带
,其加
工性能好
,能做成小块体模型。经过结合生产试验进行地质力学模型材料试验研究
,获得了
满足高容重、低弹模、低强度
,Υ=35～
45°的模型材料。
3.2 摩擦系数
f的模拟
不连续面上摩擦系数的模拟
,根据相似原理
,要求
C
f=1,
C
c=
C
Ρ。即原型岩石层面间的
摩擦系数应与模型相同。凝聚力相似常数应等于应力相似常数。
国外在模拟摩擦系数时
,多采用清漆掺润滑脂及滑石粉等于层面间
,这种方法可获得较大幅度(
f=0.1～
1.0)的不同
f,但由于温度变化及喷涂工艺对它们的性能影响
,成果离散度
大,稳定性差。
国内华北水院等单位曾采用不同光滑度的纸张来模拟夹层摩擦系数
,效果不错。但由于
纸张易吸潮
,故在潮湿环境下所得摩擦系数不稳定。长科院、清华大学等单位用腊纸、塑料薄
膜等来模拟夹层摩擦系数
,效果较好。
3.3 模型比尺的选定
与其他模型试验一样
,地质力学模型比尺的选取是十分重要的
,因为它直接影响材料的
强度性质及经济、加工方便与否。从相似比关系
C
Ρ=
C
LC
r=
C
E可知
,上述的四项中只要定出
其中两项
,便可以从相似判据中得出其余两项。通过计算比较
,当
C
L太大时
,要求的模型材
料的强度和弹模太低
,且加工组装较困难
;而当
CL较小时
,模型材料的强度较易满足
,且加
工较为方便
,量测仪器也好布置
,精度比较高。
因为受模型材料性质及加工性能的限制
,地质力学模型的比尺(习惯为
1
C
L)一般较其
它模型为大。国外目前地质力学模型比尺一般都在
1
80～
1
150,规模较大。国内的模型几何
比尺多为
1
150～
1
200。
3.4 地质力学模型材料弹模的测试
在进行地质力学模型试验中
,为了得出模型材料的性质
,弹模的测试是必不可少的。但
是由于地质力学模型材料的强度低
,弹模低
,电阻片不易贴牢
,或因电阻片粘胶的刚化作用
,
使所测得的应变值过小。我们曾试验用千分表量测弹模
,但结果证明误差较大。这样
,关于地
质力学模型材料的测试被认为是一个尚未解决的问题。
我们在这方面进行了研究。在加工好的试件表面均匀涂上一层乙基纤维素胶
,范围要比
电阻片略大
,待干燥后
,再按常规方法仔细操作
,是可以贴牢的
,关键是工艺要求高。
清华大学水利系为了量测低弹模材料的
E、
Λ,已试制出了电测应变环。通过应用
,效果较好。
—
66—
岩土工程实践工作中土力学相关问题研究
岩土工程实践工作中土力学相关问题研究
摘要：在社会经济发展速度不断加快的背景下，岩土工程建设规模日渐扩大，存在于岩土工程实践工作中的土力学问题更为突出。为推动岩土工程有序开展，制定专项可行岩土工程实施方案，还需着重解决土力学各类问题。针对此，本文提出现有岩土工程理论与方法，剖析岩土工程发展趋势，提出岩土工程实践期间的土力学问题。
关键词：岩土工程；土力学；问题
前言：现阶段岩土工程面临的施工现场环境更为复杂，以岩土为基础建造的工程会受到岩土结构平衡度、稳定状态等因素影响。因此为加强岩土工程实施管控效果，还需明确岩土工程设计施工期间应当重点关注的土力学问题。结合工程具体施工要求，加强土力学方面管控力度。着重构建起土力学模型，确保存在于岩土工程建设过程中的各类问题能够被及时发现与解决。
1.
岩土工程理论与方法
1.1不合格土力学理论
在研究现代岩土工程变形、坍塌等安全事故过程中，应当重点关注工程实施期间存在的质量问题。部分岩土工程所使用的经典力学理论与施工现场实际情况不符，仅关注了岩土受压减应力荷载，提出的设计方案多数围绕预测外部压减力以及孔隙缩减率、岩土结构强度、稳定性等内容开展，没有关注岩土工程实施过程中，由外部卸载而出现的土体张拉或者土体强度下降等问题。
在现阶段岩土工程设计环节应用压剪土力学基础，虽然能够使岩土工程设计方案中的安全性与现行规定基本相符，但后续运营时的滑塌问题发生几率无法得到严格管控。举例而言，大型地震会引发滑坡及泥石流灾害。由于坡体在雨水的强烈冲击下滑落，对周边建筑物会造成巨大损害。
在地下施工过程中，如果设计方案没有围绕地质条件进行优化处理，地上建筑物对地震等灾害的抵御能力将大幅度被削弱，容易出现较多质量问题。
1.2多场多相耦合理论
原有岩土工程土地学主要研究对象为固体、气体、液体三方面之间的物质力学关系。在岩土工程建设过程中，由于生化物质增加，还应当重点关注在土体介质活动的情况下，生化物质发生的变化。岩土工程多场多相耦合理论融合了联合介质理论，主要强调固体废弃物对土体结构造成的危害，并能够产生的腐蚀、变形、溶质迁移等问题。依照耦合变化规律，可以将岩土工程施工过程中的土体结构变化情况划分为生化反应、物理反应、机械运动。
植物根-土复合体固坡力学效应及模型研究现状与进展
中国水土保持ＳＷＣＣ ２０１１年第７期 ・５ｌ・
植物根一土复合体固坡力学效应及
模型研究现状与进展
余芹芹，乔娜，胡夏嵩，李国荣，朱海丽
（青海大学地质工程系，青海西宁８１００１６）
［关键词］根一土复合体；加筋作用；锚固作用；斜向牵引作用；数值模拟；理论模型 ［摘要］论述了草本和灌木植物根系加筋土体、锚固土体、牵拉土体的力学效应，并结合国内外学者所采用的理论分
析、模型试验、数值模拟等多种方法，系统评价了根系提高土体强度的力学效应及其对边坡稳定性的影响，并在此基础上
指出了今后的研究方向。 ［中图分类号］Ｓ１５２．９ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１０００—０９４１（２０１１）０７—００５１—０４
滑坡是工程建设中岩土体边坡经常遇到的一种自然地质
灾害，滑坡的发生会造成滑坡周边地区交通中断、河流堵塞，甚 至摧毁厂矿及掩埋村庄，影响人们的生命和财产安全，因此开 展对滑坡的研究和防治具有重要的意义。目前国内外学者研
究认为，植物的根系具有加筋、锚固土体、提高土体抗剪强度的
功能，从而有利于加固边坡。我们同时采用根系强度试验、根
一土复合体强度试验、根系增强土体的理论计算和有限元数值
模拟等综合方法评价根系对提高土体强度、边坡稳定性的贡
献，以期为边坡加固、生态地质环境保护等提供理论依据和实
际的指导意义。
１植物根系固坡力学效应
１．１浅根加筋作用 草本植物的根系主要分布在坡体的浅部表层，其与表层土
体牢牢结合在一起，增加了土体的抗剪强度，提高了边坡的稳
定性，即为浅根的加筋作用。众多学者对根系的加筋作用开展 了大量的研究，已形成了较为完善的研究成果。周云艳等
（２００９） 将含根系的岩土体看成一特殊的复合材料，将岩土体
视为基体相材料，根系为增强相材料，在荷载等作用下根系犹
如纤维，使根一土复合体呈现“塑性”特征，从而起到阻裂增强
作用。单炜等（２００８） 认为盘结于土体中的植物根系与土体 组成三维网状结构体，根系的加筋作用一方面表现为增加了土
地质力学模型试验中不同类型岩体的相似模拟研究
水电站设计 Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ 第２３卷第４期 ２００７年１ ２月
地质力学模型试验中不同类型岩体的相似模拟研究
罗 晶，郑占强，肖 毅，张 林
（四川大学水利水电学院，四川成都６１００６５）
摘要：本文的试验研究以相似原理为依据，以几何和力学条件相似为必要条件，获得满足模拟要求的模型材料配合比。通过试 配比制块，采用单向压缩试验测得试件变形模量再核算调整配合比，经进行多次调整后得到满足相似要求的模型岩体材料的变形 模量，从而达到解决地质力学模型试验岩体材料相似模拟研究目的，实现工程不同地段岩体材料的模拟，为地质力学模型试验研 究提供基础资料和试验依据。 关键词：地质力学模型试验；相似理论；模型材料；变形模量 中图法分类号：ＴＶ３２１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—９８０５（２００７）０４—００７９—０３
１ 前 言
自２０世纪６０年代中期以来，为了具体了解基
岩或围岩本身及它们对其上部或内部建筑物的影
响，人们开始了对地质力学模型试验方法的研究与 应用。经过几十年的科学试验和研究，已经形成了
成熟的体系，在拱坝设计与施工、地下厂房洞室群的
开挖、高边坡稳定、地铁施工等一大批岩土工程和水
利工程方面得到了越来越多的应用。
地质力学模型试验能模拟岩体中的断层、破碎
带及软弱带，有时还能模拟一些主要节理裂隙组，并
能体现出岩体为非均匀性、非弹性及非连续、多裂隙
体的力学特征。同时，模型的几何尺寸、边界条件及 作用荷载，模拟岩体的模型材料的容重、强度及变形
特ｌ生等也须满足相似理论的要求。地质力学模型试
验通过在模型中模拟建筑物基岩或围岩的受力及地
质构造，包括岩体中的断层、破碎带、软弱夹层以及
节理裂隙等，使模型与实际情况尽量相符，从而开展
基岩或围岩的变形状态、稳定条件及其对建筑物结 构性能的影响的研究。
正确地选择模型材料是能否正确模拟原型的关
键。恰当地选择模型材料有利于地质力学模型较好
地反映工程实际，真实地反映地质构造与工程建筑
地质力学模型试验在某拱坝稳定分析中的应用
・６８・ 第３８卷第１期 ２ ０ １ ２年１月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＶｏＩ．３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１２
文章编号：１００９—６８２５（２０１２）０１—００６８－０３
地质力学模型试验在某拱坝稳定分析中的应用
金玉 杨涛
摘要：采用三维地质力学模型试验技术，研究某双曲拱坝坝基内的软弱夹层和裂隙对坝体整体稳定性的影响，以及在
超载情况下的坝体的破坏形式和破坏发展过程，从而对大坝的安全性作出了科学评价。
关键词：高拱坝，地质力学模型试验，破坏分析
中图分类号：ＴＶ６４２．４ 文献标识码：Ａ
１ 工程概况与研究内容
重庆市龙河上游某混凝土双曲拱坝，坝顶高程７７７ ｉｎ，最大坝
高Ｉ１７ Ｉｎ，水库正常蓄水位为７７５ １ＴＩ。该双曲拱坝坝址区内，河谷 形态为陡峻的“Ｖ”形峡谷，左岸呈下陡上缓的折线坡，岩层最不利
的裂隙产状走向Ｎ２０。～４０。Ｅ，右岸多为逆向坡呈陡崖，岩层最不
利的裂隙产状走向Ｎ５０。～７５。Ｗ（见表１）。岩石类型主要为长石
石英砂岩、泥岩类岩石。长石石英砂岩强度较高，泥岩类岩石强
度较低，坝区岩体内有多条软弱夹层通过，软弱夹层是坝址的主
要工程地质问题。 本文根据地质力学模型试验，主要研究双曲拱坝在设计正常
蓄水位和超载情况下大坝的位移场，了解拱坝和坝肩的变形规
律、破坏机理，并对拱坝左坝肩基础处理方案进行验证。
表１ 坝址裂隙连通率统计
位置 层位 裂隙方向 连通率／％ 高程／ｍ Ｎ２０。一４０。Ｅ ５０ ） ７５６以上 Ｎｌ０。一３０。Ｗ ２０ 左岸 Ｎ２Ｏ。～４０。Ｅ ４１ ｊ７１ ） ＮｌＯ。一３０。Ｗ ５６ ６８０～７５６ Ｎ５Ｏ。一７５。Ｗ ５０ Ｎｌ０。一２５。Ｅ ４５ Ｊ！。 ７４０以上 Ｎｌ０。～３Ｏ。Ｗ ３５ 右岸 Ｎ１０。～２５。Ｅ ５５ ） ｊ７１ ） Ｎ１０。～３０。Ｗ ４５ ６６２～７４０ Ｎ５Ｏ。一７５。Ｗ ３５ 注：设计考虑最不利的裂隙为左岸走向Ｎ２０。～加。Ｅ、右岸走向Ｎ５０。一７５。Ｗ
重力坝坝基稳定三维地质力学模型试验研究
第３４卷第２期 ２０∞年３月 四川大学学报（工程科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＩｔＪ￣ＩＪＡＮ ＵＮｍ砸吖（ ＧⅡ旧刊Ｈｃ ｓ踟ｍｍ０￣） ３４ Ｎｏ．２ ２∞２
文章编号：１００９一姗（２００２）０２＿０Ｄ１
重力坝坝基稳定三维地质力学模型试验研究
何显松 ，张永 ，张林 ，胡成秋
（ｉ．四川大学水电学院，四川成都６１００６５：２．中国科学院成都分院．四川成都６１００１５）
摘要：采用三维地质力学模型运用超载与强度储备相结合的研究方法进行了坝基稳定破坏试验，获得了坝基失 稳破坏过程、破坏形态和破坏机理，经分析得到两个坝段的综合稳定安全度Ｋ为３ ３。同时提出了对坝基相应部位 进行灌浆和提高灌浆质量以及对下游蚀变带和 断层加深混凝土塞等加固处理建议。 关键词：坝基稳定；破坏过程；破坏形态；破坏机理；安全度 中图分类号：ＴＶ３２１ 文献标识谒：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄａｍ Ｂａｓｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｇｒａｖｉｔｙ Ｄａｍ ｂｙ
ｎｌｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｔｅｓｔ
ＨＥＸｉｍ）－ｓｏｎｇ‘，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ ，ＺＨＡＮＧＬｉｎ‘，删 ， ‘， （ｉ．Ｓｃｈｏｏｌ ０ｆｎｙｄｒａｏ／ｉｅ ＥＩＩｇ．．Ｓｉｅｈｕａｎ Ｕｎｉｖ．，凸肌曲Ｉ ６１００６５．Ｃａｉｎａ；２． ０ｆＥｎｇ＇．ｄｅｓｉｇｎ ０ｆａ 学ＩＵ ｂＩ丑ｔｌｄＩ ｃＡｓ． Ｉ６１００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｔｈｒｅｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇｅ０￣ｑｅｃｈａｎｉｅａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄａｍ ｂａｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ ｄａｍ．
Ａｎｄ ｏｖｅｒｌｏａｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔ｝Ｉ ｒｅｓｅ／＇ｖｅ ａｌｅ ｊｏ１．ａｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄｅｒ￣ａｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐ￣，ｃｅｅｓ，ｆａｉｌｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ／ａｌｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓａ＇ｎ ｏｆｔｈｅ ｄａｍｂａｓｅ．Ａｔｌａｓｔｔｈｅ ａｅｇｒ￣ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｏｆｔｈｅ ｗｈｏｌｅｔｗｏｍｏｎｏｌｉｔｈｓｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ∞３．３．Ｔｈｅ
地质力学磁力模型试验磁场梯度研究
第３２卷第１期 ２０１０年２月 三峡大学学报（自然科学版） Ｊ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｖｏｌ＿３２ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１０
地质力学磁力模型试验磁场梯度研究
唐 凯 罗先启 张振华
（三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌４４３００２）
摘要：地质力学磁力模型试验与离心机模型试验的核心思想类似，都是通过施加外加力场来达到
增加试验材料应力水平的目的．本文根据磁性颗粒的磁场力公式，指出磁场梯度为恒定值是磁性
材料受力均匀的必要条件之一．根据磁滞回试验测得的磁性材料的磁化强度，推导获得了均匀力 场的磁场梯度下限值．采用数值模拟方法，计算了单圆台线圈、两同向电流对接线圈、两反向电流
对接线圈这３种磁场生成方案的磁场梯度，比较分析该３种磁场梯度的均匀性，研究表明单线圈磁
场生成方案所产生的磁场梯度较均匀且磁场空间较大，因此选择单线圈为磁力模型试验的磁场生 成方案．
关键词：模型试验； 磁力； 磁场强度梯度； 磁化强度
中图分类号：ＴＵ４５８ ．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９４８Ｘ（２０１０）０１—００５６—０３
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｔｅｓｔ
Ｔａｎｇ Ｋａｉ Ｌｕｏ Ｘｉａｎｑｉ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎｈｕａ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｈａｚａｒｄｓ ｏｎ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ａｒｅａ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃａＩ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｉＳ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｅｘｔｅｒｎａＩ ｆｏｒｃｅ ｆｉｅｌｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｓ ｓｉｍｉｌａｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕ—
土力学的发展史、现状及对土木工程的应用
土力学的发展、现状和展望及对土木工程的作用
1
土力学的发展、现状、展望及对土木工程的作用
冯新辉
（哈尔滨工业大学 土木工程学院,哈尔滨 150090，hitfxh@）
摘要：回顾了土力学的发展史，分析了当代土力学的现状，讨论了土力学的发展前景，论述了
土力学对整个土木工程的作用。
关键词：土力学；发展；现状；展望；土木工程
一、土力学的发展
土力学是人们在在长期工程实践中形成发展起来的一门学科。
我国劳动人民从远古时代就能利用土石作为地基和建筑材料修筑房屋了。如西安新石器时
代的半坡村遗址，就发现有土台和石础，这就是古代的"堂高三尺、茅茨土阶"的建筑。我国举
世闻名的秦万里长城逾千百年而留存至今。充分体现了我国古代劳动人民的高超水平。
隋朝石工李春所修建成的赵州石拱桥，造型美观，至今安然无恙。桥台砌置于密实的粗砂
层上，一千三百多年来估计沉降量约几厘米。现在验算其基底压力约500-600kpa，这与现代土
力学理论给出的承载力值很接近。
北宋初著名木工喻皓（公元989年）在建造开封开宝寺木塔时，考虑到当地多西北风，便
特意使建于饱和土上的塔身稍向西北倾斜，设想在风力的长期断续作用下可以渐趋复正。可见
在当时的工匠已考虑到建筑物地基的沉降问题了。而作为本学科理论基础的土力学的发端，始
于十八世纪兴起了工业革命的欧洲。随着资本主义工业化的发展，为了满足向国内外扩张市场
的需要，陆上交通进入了所谓"铁路时代"，因此，最初有关土力学的个别理论多与解决铁路路
基问题有关。
土力学的发展当以Coulomb首开先河，他在1773年发表了论文《极大极小准则在若干静
力学问题中的应用》，为今后的土体破坏理论奠定了基础，并且创立了著名的砂土抗剪强度公
式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。但是，在此后的漫长的150年中，研究工作只是个
别学者在探索着进行，而且只限于研究土体的破坏问题。两篇有代表性的论文是1857年英国
土的本构模型研究现状与发展的讨论
第３３卷第４期 －１００・ ２ ０ ０ ７年２月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨ１ＴＥＵＩ＇ＵＲＥ Ｖ０Ｉ．３３ Ｎｏ．４ Ｆｅｂ．２ｏｏ７
文章编号：１００９—６８２５｛２００７｝０４—０１００—０２
土的本构模型研究现状与发展的讨论
王 涛 宗长龙李春林
摘要：简述了土的本构模型的一般建立方法，介绍了土的本构模型的研究历程，阐述了目前应用广泛的几个经典的土
的本构模型，提出了这些模型的优缺点和适用性，对土的本构模型研究现状及发展趋势进行了评述与展望。
关键词：本构模型，发展趋势，建立方法
中圈分类号：１１Ｊ４ｌ１．９２ 文献标识码：Ａ
１概述
土作为天然地质材料在组成及构造上呈现出高度的各向异 性、非均质性、非连续性和随机性，在力学性能上表现出强烈的非 线性、非弹性和粘滞性，土的本构模型就是反映这些力学性态的
数学表达式。一般认为，一个合理的土的本构模型应该具备理论
上的严格性、参数上的易确定性和计算机实现的可能性。自 ［１－２］等创建剑桥模型至今，各国学者已发展数百个土的本
构模型，其中包括不考虑时间因素的线弹性模型、非线弹性模型、 弹塑性模型和近来发展起来的内时模型、损伤模型及结构性模型 等，常用的模型只有极少数几个。
文中结合土的本构模型发展历史，介绍了土的本构模型的一 般建立方法、土的本构模型的发展进程和常用本构模型，最后对
土的本构模型的发展作了评述和展望。
２土的本构模型的建立方法
土的本构模型研究在理论上属于连续介质力学本构理论的
范畴，对材料属性的假定上将微观上并不连续的土视为宏观上的 连续介质，以弹性力学、塑性力学和新兴的力学分支为理论基础，
通过理论结合实验的方法进行研究。土的本构关系的建立，通常
是通过一些试验，测试少量弹塑性应力一应变关系曲线，然后通
过岩土塑性理论以及某些必要的补充假设，把这些试验结果推广
到复杂应力组合状态，以求取应力一应变的普遍关系，这种应力一 应变关系的数学表达式就是土的本构模型。建立的模型与实际
地裂缝破裂扩展的物理模型试验及数值模拟研究现状
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地裂缝破裂扩展的物理模型试验及数值模拟研究现状
作者：杨丽 王媛 张琬茜
来源：《城市建设理论研究》2013年第24期
摘要 地裂缝是发育于地壳表层岩土介质的不连续或错断现象，地裂缝发生的频率和灾害程度正逐年加剧，对城市的建设造成了很大程度的破坏，国内许多专家学者对地裂缝的研究进行了研究，本文对地裂缝的物理模型试验及数值模拟研究进行了阐述。
关键词 地裂缝 破裂扩展 数值模拟 物理模型试验
中图分类号：TV543文献标识码： A 文章编号：
开展地裂缝调查和探测，并确定隐伏地裂缝可能出露地表的位置、影响带宽度，是进行地裂缝灾害有效防治的基础，也是当前地裂缝研究中的重要任务，对于认识地裂缝致灾机理和有效避免地裂缝灾害具有重要的理论和工程实际意义。
下面就从地裂缝物理模型试验及地裂缝影响带宽度数值模拟两个方面分别阐述地裂缝影响带宽度的研究现状。
（1）物理模型试验
地裂缝的破裂扩展试验包括平面方向的扩展试验（走滑型）和剖面方向的扩展试验，而剖面方向的破裂扩展又包括逆断型和正断型的破裂扩展，这里只介绍剖面方向的破裂扩展研究现状，并以正断型为主。
Horsfield W. T. [1]采用不同倾角的基底正断层砂箱模型，模拟了the North Sea的正断层构造形成过程，断层演化过程分成两个阶段：先形成一些位于下降盘且向下降盘弯曲的断裂，这些断裂又可地表产生逆冲挤压断裂；然后，更多的处于中密、干砂环境中的正断型断层面形成，当基底断层倾角较小（30°～60°）时可产生倾向相反的正断层，从而和前面的正断层构成地堑。
赵其华等[2]采用相似材料的地质力学机制物理模型试验，得出构造重力扩展机制是西安地裂缝形成的根本成因，认为西安地裂缝最大可能延深为老第三系地层的中上部等重要结论，解释了西安反倾向地裂缝是属于主裂缝（正倾向为南东）上盘的分支裂缝，且与主缝在剖面上构成―Y‖型，同时指出反倾向裂缝是地裂缝发育演化历史中的阶段产物，随着沉积物的加厚和地裂缝向上延伸，其活动方式仍将被倾向南东的主裂缝所取代。 龙源期刊网
冻土的力学性质及研究现状
冻土的力学性质及研究现状
冻土是一种具有特殊力学性质的地质材料，它在自然界中具有重要的作用。冻土的力学性质主要包括剪切强度、压缩系数和导热系数等，这些性质的研究对于冻土工程的应用和理论研究具有重要意义。本文将介绍冻土的力学性质及研究现状，以期为相关领域的研究提供参考。
冻土的力学性质是研究冻土行为的重要参数。其中，剪切强度是冻土最基本的力学性质之一，它表示冻土在剪切力作用下的抵抗能力。压缩系数是冻土压缩变形的量化指标，导热系数则反映了冻土在温度变化时的热传导能力。这些性质的研究有助于深入了解冻土的力学行为和变形规律。
对于冻土力学性质的研究，近年来取得了一定的进展。研究者们通过实验和理论分析，对冻土的剪切强度、压缩系数和导热系数等性质进行了深入研究。例如，研究者通过应力路径实验，探究了不同应力路径下冻土的力学响应；同时，基于热力学理论，建立了冻土的热传导模型，为冻土工程的应用提供了理论支持。
冻土研究涉及多个领域，包括地质学、物理学、土木工程等。在国家政策方面，许多国家都加强了对冻土研究的投入，推动了冻土科学的发展。例如，我国在南北极科学考察、青藏公路建设等方面投入了大量资源，深化了人们对冻土的认识。
然而，目前冻土研究仍存在一些不足之处。冻土的力学性质和行为规律仍不完全清楚，需要进一步实验和理论研究。冻土工程应用中存在诸多问题，如冻胀、融沉等，需要采取有效的技术措施加以解决。冻土区生态环境脆弱，如何在保护环境的前提下合理利用冻土资源，也是亟待解决的问题。
为了解决冻土研究与应用中存在的问题，需要发展相应的关键技术。目前，冻土领域的关键技术主要包括数值模拟、原位测试和理论分析等。
数值模拟技术通过计算机模拟冻土在不同条件下的行为，为冻土工程设计和优化提供重要依据。原位测试则通过现场对冻土进行测试和分析，直接获取冻土的力学性质和其他相关参数。理论分析则通过建立数学模型对冻土行为进行描述和预测。这些技术在解决冻土问题中具有广泛的应用前景。