岩土工程材料的塑性问题分析

杨 光 刘海霞

（黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

随着岩土工程的不断发展，岩土工程质量也在逐渐提升。但是由于岩土工程材料的塑性问题相对比较复杂，会在不同条件下发生改变，所以在岩土工程施工时需要着重考虑塑性问题。因此，有必要对岩土工程材料塑性问题专门进行分析。

1 岩土工程材料塑性问题综述

岩土工程材料塑性理论在金属及饱和土质与土壤及饱和土质中的适用条件具有非常显著的差别，尤其是在塑性问题中。因为金属等材质通常在平面状态下其拉伸、压缩时不会发生改变，材料在此期间并不会出现包辛格效应，而且金属材料还无需考虑静水压力。然而岩石材料则要同时考虑包辛格效应与静水压力带来的影响，所以在对岩土工程材料的塑性问题进行研究时可以将传统金属材料屈服条件作为研究基础并开展修正，以此来做出相应的判断。

通常情况下，很多岩土工程都属于弹塑性状态，所以岩土塑性问题是岩土工程设计中的一项重点问题。岩土力学特性作为岩土塑形理论的基础内容，对其进行研究能够有效增加人们对于岩土力学性质的总体认知，岩土工程基本力学特性如下：第一，压硬性。岩土强度、刚度一般会随着压应力的改变而发生变化，当压应力出现增加、降低时，岩土的强度、刚度将会随之增加、降低。库伦摩擦定律就属于有关言语压硬性的一种表述。在地基处理方法中，软土排水固结方法就是针对压硬性的一种利用方法［1］。第二，剪胀性。相较于金属材料而言，岩土体应变并不只与球应力相关，还与剪应力具有一定联系。即在剪应力的影响下，岩土材料将会产生膨胀与收缩，这种膨胀、收缩便是岩土的剪胀性。第三，各向异性。通常情况下，岩土材料在形成期间产生的各向异性属于原生各向异性。而由应力状态导致的各向异性则属于次生各向异性。这种性质便是岩土材料会出现多种类型特殊性质的一种主要原因。第四，应力路径相关性。岩土材料的塑性变形并不单纯取决于应力状态，还与到达应力状态前的应力情况以及后续的应力增量有所联系。

2 岩土工程材料塑性问题理论研究

2.1 经典塑性理论分析

人们早期了解到的岩土材料弹塑性本构模型大多是以传统塑性理论为基础构建而成的，例如剑桥模型等，而随着岩土工程的持续发展，大量实验以及工程实践发现，将传统塑性理论作为构建核心的岩土本构模型很难准确反映出岩土材料的部分力学特性。例如：第一，传统塑性理论中认为，岩土材料塑性应变增量方向与应力状态之间有着唯一性关系，而且与应力增量并无关联，这一理论与岩土材料变形特性并不相符。第二，主应力轴旋能够导致岩土体产生明显的塑性变形，然而传统塑性理论却无法计算出此类塑性变形。第三，通过剪应力能够使岩土材料产生体积变形，然而利用单屈服却无法有效反映出岩土材料剪胀性。而体变屈服面虽然能够反映出剪应力导致的岩土体积收缩，但是却很难反映出材料剪切屈服。为了弥补此类问题带来的影响，国内、外学者提出了多重屈服面、非关联流动法则等方式来克服经典塑性理论中的缺陷。从岩土变形机制来看，能够证明经典塑性理论无法满足岩土材料的实际需求，岩土材料在应力情况下，特殊应力路径附加应力所做的功并不为零，证明了经典塑性理论无法满足岩土材料。而从剪胀、剪缩特性出发，处于任意应力状态下的岩土材料，其塑性应变增量方向并不唯一，同样证明了经典塑性理论无法适用于岩土材料的塑性问题。

2.2 经典本构模型优缺点

处于复杂应力情况下的岩土体本构模型具有变弹性模型、弹塑性模型等，其主要优缺点如下：第一，变弹性模型。该模型以广义胡克定律为基础，其试验参数测定相对较为方便，所以这种模型具有非常广泛的实用性，但是在使用期间很难反映出岩土材料的剪胀性，存在准确性不足的问题。第二，线性弹性理论。该理论是基于张量对称原理与能量假设形成的，例如次弹性理论，假设应力增量同时与应变全量与应变增量相关，能够完成对非线性、剪胀性等多种参数的表达。但是由于各类参数相对较多且没有直接、明确的物理意义，而且由于弹性矩阵具有非对称性，所以很难保证解的唯一性、稳定性。第三，弹塑性模型。剑桥模型能够简单、快速地完成岩土性能的预测，作为岩土材料经典模型，在全世界得到了广泛的应用。这种模型在使用期间的优势便是考虑了岩土材料静水压力与压硬性等参数，而且因为试验参数相对较少，所以测定方式相对比较简单。但是这种方法并没有考虑到中主应力对于强度造成的影响，而且模型硬化定律沿用了等向硬化模型，由于不满足包辛格效应，所以很难顺利反映出土体自身的各向异性。

2.3 多重屈服面理论

多重屈服面理论模型的主要优点便是在材料彻底屈服之后，塑性应变增量方向与应力状态并不具有唯一性关系。当岩土体发生部分屈服时，例如单屈服面模型，其塑性应变增量与应力状态存在唯一性关系，这便是不够完善的地方，而且岩土实验无法证明塑性应变增量方向与应力情况的唯一性［2］。屈服面重数确定非常严格且与塑性应变增量自由度数能够保持一致性，利用相关联流动法则并不合理，所以屈服面应力路径的问题很难得到解决。

2.4 运动硬化理论

土体弹塑性变形具有非常明显的各向异性，即便不去考虑岩土材料的原生各向异性，由岩土应力引起的此生各向异性同样非常显著。即在同一应力情况下由多种不同方向施加的应力增量，这部分应力增量能够产生的应变增量差异同样非常大。土体各向异性是由主应力轴旋转产生土体塑性变形的主要原因，在传统塑性力学中，其屈服面为各向同性硬化，因此为了能够反映出土体各向异性。部分专家学者专门提出了屈服面属于运动硬化的模型。在此类模型中，屈服面中心、大小以及形状将会随着应力状态的变化而随之发生改变。所以运动硬化模型在实际应用过程中可以当作传统塑性理论的修补，能够非常形象地表达出各向异性。运动硬化模型的关键点主要在于屈服面运动规律。然后由于各向异性、应力的影响，所以模型整体通常非常复杂，因为当应力路径难以明确时，屈服面的运动规律便很难得到保障，所以将运动硬化理论作为构建核心的本构模型很难保证其通用性。

2.5 边界面理论

边界面模型的提出后最早用作金属材料循环加载，边界面模型的主要特点如下：在应力空间内部有限定了应力点、屈服面移动的边界，该边界面大多属于椭圆型，而在边界面的内部则拥有与边界面存在几何相似的屈服面，此屈服面会在边界面中按照一定顺序进行规则性移动。加载期间应力点多数时间则位于屈服面上方或内侧。通常情况下，边界面塑性模量以及外法线方向都会通过塑性增量来决定，而应力点的塑性模量则会通过在边界面共轭点硬化模量以及部分公式来决定。传统塑性理论一般可以分为三部分，从边界面理论的角度可以对传统塑性理论作出合理修正。第一，流动法则修正。传统塑性理论通常会将塑性流动方向定性为屈服面外法线的方向，然而通过边界面理论则可以明确塑性流动与对应点外法线方向的联系。第二，缩小了弹性区域，边界面内部土体同样能够出现塑性变形。边界面模型流动发展的主要根据是实验规律，并没有相对较为严密的理论基础，而边界面本身便与内部屈服面确定、硬化模量表述具有非常大的经验性。通过分析能够得出，岩土弹塑性模型的构建是经过对经典塑性理论的不断优化后发展而成，能够在实际应用中解决大部分塑性问题，因此其发展大方向总体是正确的。但是部分岩土塑性理论却具有缺乏根据的假设，所以构建出的模型很难满足通用性的需求。岩土本构模型的出现是通过试验、测试结合岩土塑形理论以及补充假设得到的，通过将试验结果融入复杂应力组合能够求出应力、应变的关联，岩土本构模型的构建难度非常大。

3 岩土工程材料塑性展望

就目前而言，岩土本构模型的构建非常复杂，这主要是因为岩土材料过于复杂以及塑形理论中存在没有完全解决基本问题，主要问题如下：第一，传统塑性理论带来的影响过大。由于对传统塑性理论没有足够的认知，所以弹塑性模型中大部分内容无法脱离传统塑性理论带来的框架，很多模型为了满足试验结果的需求，专门对传统模型开展了局部修正，然而且没有从根本上了解岩土塑性变形的真正规律。第二，建模表象描述化。由于没有从根本上掌握土体的变形机制，所以在真正面对较为复杂的应力路径时，便很难给出正确的屈服面运动规律。第三，部分模型忽略了岩土材料特性。土体变形并不局限于当前的应力情况，还与到达应力状态前的应力历史、增量有着非常紧密的联系，但是由于难度过高，所以很多学者建模时会刻意避开该特性。所以在未来发展过程中，岩土工程会从理论、建模以及材料特性三方面入手，以此来完善塑性理念，从而为岩土本构关系的研究奠定基础，通过加强研究对塑性理论作出合理优化，以此来形成全新的塑性理论体系［3］。

4 结语

总而言之，岩土工程材料的塑性问题非常关键，将会直接影响到岩土工程的顺利进行，由于岩土塑性理论存在不足之处，所以塑性问题属于岩土工程开展时的难点之一。