岩土工程试验研究中的若干新进展

Abstract: Some advances in researches and tests for geotechnical engineering in resent years are described briefly. Several aspects of geomechanics on unsaturated soil, discontinuous deformation analysis(DDA) and numerical manifold method(NMM) analysis methods and geosynthetics technology are also described simply. The centrifuge modelling and computerized tomography(CT) technology used in geotechnical field are introduced. Some points are emphasized: more fundamental research work should be taken for unsaturated soil; the NMM analysis method can be applied widely in geotechnical field; the high technology and equipment should be introduced and utilized for soil tests and engineering monitoring; and the working mechanism of geosythetics engineering should be studied more clearly. Finally, some comments on the problem of geotechnique developing are also pointed out. Key words: unsaturated soil; geosynthetics technology; computerized tomography(CT); centrifuge modeling
第 32 卷增刊 2 2011 年 8 月
文章编 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 Supp.2 Aug. 2011
岩土工程试验研究中的若干新进展
包承纲
（长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）
岩土工程是土木工程的重要组成部分， 可以说， 任何一种土木构筑物都离不开岩土工程。岩土工程 的英文称为 Geotechnique，意思是与地球有关的技 术，台湾有一个刊物就称为《地工技术》 。但岩土工 程又是一个具有最大不确定性的土木工程，大家知 道，人类对地底下的东西了解甚少，一般只知道 10 km 内的一些情况，远比地上的、空中的少得多。 由于知得少，甚至不可知，因此做工程就会有一定 的盲目性，各种勘察探查也只能获得点滴的信息， 挂一漏万。岩土工程这种高度的不确定性给工程的 实施带来了极大的困难。可以说，岩土工程是土木
收稿日期：2011-04-19 第一作者简介：包承纲，男， 1935 年生，学士，教授级高级工程师，主要从事水利工程和岩土工程的试验、设计、施工和监测等研究工作。 E-mail: cgbao35@
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识， 除了工程地质和水文地质、 土力学与岩体力学、 工程力学等基本学科作为专业知识外，还需像水文 学和气象学、水力学和渗流力学、河流动力学、材 料科学等的专门知识，以及类似试验技术、仪器设 备、施工技术、经济核算等一般知识。这就要求岩 土工作者除了必要的专门技术外，还需广泛的其他 知识基础。 鉴于岩土工程的复杂性，在岩土工程建设之前 和建设过程中，对它建成后的性状和行为进行预测 是必不可少的。预测的手段多种多样，其中包括一 般的工程计算、各种室内试验、必要的现场测试、 仿真的数值分析、可能的物理模拟以及建设过程中 的原位检测等。这些预测手段的真实性和先进性决 定了预测的准确程度，因此研究这些预测手段，提 高它们的可靠程度和精确性就成为岩土工程科技领 域中的重要内容。岩土工程的先进性，从某种意义 上说，就取决于这些方面技术的进步。为此，大量 的岩土科技人员在上述各个方面不断地探索着，并 取得了令人瞩目的成就。本文将就笔者所知，对近 年若干重要进展作一简介。
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包承纲：岩土工程试验研究中的若干新进展
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告（state of the art）中，对当时国际上非饱和土研 究的现状进行了述评 。这些是我国有关非饱和土 研究的初期成果。 20 世纪 90 年代以后，非饱和土的研究开始引 起大家的兴趣，一方面作为众多博士论文的研究课 题， 另一方面工程建设中也不断遇到非饱和土问题， 迫使岩土工程界不得不面对这个棘手的课题。 此后， 非饱和土方面的文章较多地见诸于刊物和学术会议 中。回顾这些文章，以笔者片面的目光看来，讨论 非饱和土的有效有力、本构关系、计算方法或探索 如何把饱和土成果推延到非饱和土的可能性等方面 相对较多，而对它的基本特性和试验技术方面的研 究成果比较少些， 见到的如有吴宏伟 ，陈正汉 詹良通
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非饱和土的研究
地球上真正的饱和土是很少的，大部分都处于
2.1 研究概况 非饱和状态，即使有些水下的土也往往含有一定的 气体。由于非饱和土中存在气相，它与液相、固相 交界面上产生的表面现象，使非饱和土的性质远比 饱和土复杂，而且由于测试技术的制约和相应的计 算方法不成熟， 它的性状的测试和预测也十分困难， 因此 对非饱和 土的特性 至今了解不 多。太沙 基 （Terzaghi）作为一代宗师把他的《土力学》限制在 饱和土的范围内，没有推广到非饱和土，可见，他 是深知这个问题的复杂性，以及两者的区别的。但 是在世界各地的工程实践中，却不断地提出非饱和 土的问题，尤其是一些特殊土地区（如膨胀土、黄 土、残积土等）的工程。20 世纪 50 年代，美国在 开发西部干旱地区的过程中，发现大量的膨胀土问 题。美国垦务局（USBR）进行了许多试验研究工 作，并研制出一批仪器，取得了一批宝贵的非饱和 土的研究成果。但这些成果大都偏于工程应用方面 的，如设计参数的测定，土坝中起始孔压的计算方 法等，涉及基本理论方面的较少。其后英国的学者 提出了一些理论性的成果，其中著名的就是 Bishop 的非饱和土有效应力公式。这个公式最早是 1955 年在他的通信中提出的， 以后在 1959 年科罗拉多的
Some advances in researches and tests for geotechnical engineering
BAO Cheng-gang
（Key Laboratory of Geomechanics and Engineering of Water Resources Ministry, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China）
摘 要：介绍了在非饱和土、数值分析、测试技术和土工合成材料工程应用方面的成就。关于非饱和土方面，指出了加强非 饱和土基本试验研究工作的紧迫性；关于数值分析方面，认为流形元法为连续和非连续变形的力学分析提供了一个统一的方 法，应加强在岩体力学和土力学中的开发与应用；关于岩土力学的测试技术，需密切注意近年高新技术在岩土领域的引进和 推广；对于土工合成材料，应加强机制的研究，注意在应用中掌握有关原理，最后对岩土工程研究中当前存在的问题和今后 发展作了简单的评述。 关 键 词：非饱和土；块体理论；CT 技术；离心模拟技术 中图分类号：TU 411 文献标识码：A
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的滑动或沿结构面的折线滑动，采用极限平衡法处 理；另一是与膨胀土的膨胀性和裂隙性有关的浅表 层滑动，其特点是渐进式的和牵引式滑动。对此种 滑坡不宜采用一般的极限平衡法，而应采用考虑非 饱和膨胀土在增湿膨胀过程中变形受到约束而产生 应力重分布的分析方法。为此，程展林等[15]开发了 考虑膨胀变形的非线性有限元分析法。计算表明， 如果不考虑膨胀土的特性，某一边坡的安全系数大 于 1.20 的要求值，但当虑膨胀变形特性时，安全系 数仅为 0.89。另一个附近的实际滑坡，在现有条件 下采用现场的强度参数的常规计算，并不会垮，但 若将膨胀力作为面力施加上去，则安全系数仅为 1.03，达到极限平衡了。 2.3.2 实例 2 砂土的渗透系数一般大于黏性土， 但研究证明， 当砂土处于某种非饱和状态时，其渗透性会小于一 般黏性土的值（如图 1） 。这主要是气相与固、液两 相厢交界面上发生的表面现象形成的毛细作用的结 果，毛细作用形成的弯液面成为一道屏障，阻碍了 水分的入侵，为此可以利用砂层进行膨胀土边坡的 雨水防护。这又是一个非饱和土的问题。
黏性土抗剪强度会议上正式发表[1]。在此期间，伦 敦还召开过专门的孔隙压力与吸力会议。Bishop 公 式形成了对非饱和土研究第一个高潮，但这个表达 式并未充分认识水气界面的表面张力的作用，且其 中 χ 值的物理意义没有明确的定义，因此其后受到 了不少同行的质疑和评论，如 Jennings 和 Donald （1962 年） ，Burland（1965 年） ，Aitchison（1965 年） ，Matyash 和 Radhakaishna（1968 年） ，Brackley （1971 年） ，Fredlund 和 Morgenstern（1977 年） 等[2]，但该公式的出现，使非饱和土的研究引入到 一个更深的理论探索阶段则是应当肯定的。 20 世纪 70 年代，以 Fendlund 和 Morgenstern 为代表的学派形成[3]，他们避开直接采用有效应力 的概念， ，用零位试验验证了采用两个独立变量描述 非饱和土的强度和变形的方程，即双应力变量—— 净应力 ua 和吸力 us 来建立抗剪强度公式，并认 定非饱和土的强度由三部分组成：摩擦强度、吸力 强度和凝聚强度，由此形成了双应力变量公式，而 上面的 Bishop 公式则被称为单应力变量公式。 这是 非饱和土研究中的又一个高潮。但这个公式也有一 定局限性。Wheeler（2003 年）[4]指出，非饱和土的 性质不但受到净应力和基质吸力的影响，而且还受 到其他因素的影响，例如饱和度等的影响。由此说 明，仅用两个独立的应力变量还是不能惟一地确定 非饱和土的变形和强度。西班牙的 Alonso[5]则从更 为本质的细观与宏观相结合的角度，研究非饱和土 的性质，并提出了一系列的本构关系。这些研究成 果尚未获得普遍的认同，但其方向是正确的，只是 这条道路可能需要更加艰苦的工作。 近年有人基于能量原理，研究非饱和土的有效 应力问题。Houlsby 对饱和与非饱和土变形功的表 达形式进行了研究和讨论。Jommi、Vaunat 等也基 于能量原理讨论了非饱和土的有效应力以及与这些 应力相对偶的广义应变。赵成刚、刘艳等[6]基于连 续孔隙介质理论推演得到了非饱和土变形功的表达 式，给出了与固体骨架变形对偶的非饱和土的有效 应力，基于变形功提出了非饱和土广义有效应力原 理。上述的研究从另一条新的能量观点来研究非饱 和土的性质，或许是一条值得探索的可行途径。 2.2 关于我国非饱和土研究的现状 我国土力学界在改革开放之前，并没有对非饱 和土的研究给予很多关注。在 20 世纪 70 年代中期 之前，有关非饱和土研究的论文一共只有 2～3 篇 （俞培基等[7]、包承纲[8]） 。1985 年在著名的抗剪强 度与本构关系学术会议上，笔者在一个发展水平报