土力学的发展以变形特性作为依据，可以分为四个阶段，一阶段主要是研究土的一维压缩变形，以压缩试验的e-p曲线为标志；二阶段是研究土的三维压缩变形的形态，以Roscoe的临界状态面为标志，建立e-p-q的三维曲面；三阶段是以Duncan-Chang本构模型为标志，以土的压硬性和剪软性为特点，更清楚地以土的剪切变形研究为主；四阶段应该是以现场原位土为研究对象，以原位测试技术为主要手段，掌握原位土的力学特性，发展原位土土力学，更好地服务于工程实际。四阶段应该是今后值得努力的方向。

土力学发展的四个阶段的思考

杨光华

（广东省水利水电科学研究院，广东省岩土工程技术研究中心，广州，510610）

如果从Terzaghi的《土力学》1925年发表开始，土力学的发展已近百年了，但今天应用于指导土工工程设计的方法仍然还是一种半理论半经验的方法。以基本的地基沉降计算为例，目前比较权威的国家地基基础设计规范提供的地基沉降计算公式，是采用一个变化范围较大的经验系数0.2~1.4对理论计算值进行修正而得到的，说明目前还是较难准确计算地基的沉降。同样，对地基的允许承载力的合理确定也还是没有很科学解决的，例如规范采用允许地基塑性区深度为基础宽度的1/4作为允许承载力或地基承载力特征值，即P1/4，也是一种半理论半经验的结果，即使采用认为可靠的现场载荷板试验，由于压板尺寸与实际基础的尺寸不同，用载荷板试验确定的承载力特征值也是半理论半经验的。

在当今现代科技日新月异的情况下，土力学该如何发展？土力学理论工程应用的瓶颈在哪里？值得回顾和思考一下。

从土的变形特性的角度，土力学的发展是否可以分为四个阶段：

一阶段：e-p曲线

有效应力原理是土力学的基石，主要是研究饱和土中土骨架与土中水的应力转换，认为控制土体强度的主要是土骨架的有效应力，然后对于土的沉降，也认为主要是土中水的排出而引起的压缩固结沉降，因而把地基的沉降主要看作为一维压缩沉降，从而研究土的孔隙比e与压力p的关系，通过一维压缩试验确定e-p曲线，主要是用于计算土的压缩沉降，这个观点一直影响和沿用至今，如我们规范中的地基沉降计算主要还是用一维压缩试验的e-p曲线计算沉降，然后通过经验系数修正计算值。

二阶段：e-p-q曲面

单向压缩试验时得到的e-p曲线是土体越压缩越密的，土是不会破坏的，实际土体在荷载的作用下，随着荷载的变大，是会达到破坏状态的，一维压缩试验不能完全反映土的实际受力变形状态。剑桥学派通过土的三轴试验，建立了e-p-q曲面，考虑了剪应力对空隙比的影响和土的破坏过程，更完全的认识土的孔隙比e与应力状态的关系，得到所谓的Roscoe面，并发现土体破坏时孔隙比与p-q的关系，即临界状态线，可以更完全的认识孔隙比e与应力状态的关系，并提出建立了临界状态的土力学理论和土体本构模型—剑桥弹塑性模型，使土力学进入到了以更好描述土的强度与变形性状的本构模型研究为主的现代土力学阶段。

三阶段：土的压硬性和剪软性

临界状态理论虽然建立了e-p-q的三维空间面，但还是关注土的压缩性指标e，而真的影响土的强度和变形的应该是剪切变形，而不是孔隙比变化引起的沉降变形。在临界状态理论基础上建立的剑桥模型在表述剪切变形时，是通过能量函数的假设获得塑性剪切变形与塑性体积变形关系的，而能量函数并不能直接测定，假设不同的能量函数会有不同的结果，感觉关系不够直接。为此，后来变成研究剪胀方程，即研究剪应变与体应变的关系方程。

Duncan-Chang模型通过常规三轴试验描述了土的压硬性与剪软性，其依据的常规三轴试验曲线如图1所示，表现为随围压σ3的增加土变硬，即σ3越大，相同的剪应力q=σ1-σ3对应的应变越小，即为土的压硬性，而对于同一个σ3的曲线随着剪应力q=σ1-σ3的变大，非线性的变大，即土变软，直至破坏。这是一个清楚的反映土体压硬性和剪软性的结果，这是土与金属材料变形特性的不同。该模型在假设试验曲线可用双曲线表达基础上，获得了土体切线模量的表达式为：

E₁如图1的切线，这样地基的沉降变形计算用E₁参数，就可以较好的考虑了土体的压硬性和剪软性，清楚的反映了土的剪切变形特点。图1的试验曲线可以由土样的常规三轴试验得到，结果来之可靠，这是土的力学特性认识的一个重要进步。

图1 土样常规三轴试验曲线

四阶段：原位土力学

前面的土的力学特性的认识都是基于土样室内试验而获得的，或重塑土试验的结果。实际中发现，由于土是一种天然形成的材料，更有一些由岩石风化而成的土，如残积土，具有较强的结构性，土样经取样应力释放之后，结构性遭到破坏，与现场原位土的性质已不同。同样一些有一定胶结的砂土，取样扰动后结构发生了破坏，这样室内土样与现场土已发生了变化，如果用这样的土样进行试验获得的力学特性指标是不能真实反映现场原位土的力学特性的，用这样的土样所得到的试验指标进行地基沉降变形等的计算就会差异很大，如前面提到的国家地基规范沉降计算的经验系数为0.2~1.4，小与大相差7倍，小经验系数为0.2，就是考虑用室内扰动土样试验得到的变形刚度参数比现场原位土的变形刚度参数要小，用于计算所得的沉降偏大，因而要乘以0.2的系数进行修正。但这种经验系数法修正也不是长久之计，改进的方法，就应该采用现场原位试验的测试方法，来测定现场原位土的力学指标，如土的变形模量的参数，用于计算，以提高计算的准确性。例如，我们提出用现场压板试验确定土的初始切线模量图片和强度指标图片。假设图2的压板载荷试验曲线可以用双曲线方程（3）来表示，则拟合试验结果可以得到双曲线方程的两个参数a、b，由这两个参数可以得到地基的承

D为试验压板的直径，µ为土的泊松比，ω为压板的形状系数

图2 现场压板载荷试验曲线

载力pu和土的初始切线模量Et0，如式（4），由地基承载力pu可以得到土的强度指标图片，则不同荷载水平或应力水平下土的切线模量方程可表示为：

而这两个方程中土的三个力学参数：图片 就是通过现场原位试验直接得到的，可以更好的反映原位土的形状，这样，用（5）式的变形参数代替传统分层总和法的压缩模量来计算地基的沉降，就可以反映现场原状土的特性，可以不需要像规范方法用一个变化范围0.2~1.4这样大的经验系数来修正计算值了，而用（6）式确定的原状土的单元切线模量就可以用于数值计算地基的沉降，（5）式反映了荷载水平对变形参数的影响，（6）式反映了土的压硬性和剪软性。

图3 压板载荷试验计算比较

图3所示为用（6）式的切线模量用数值方法计算一个压板载荷的试验曲线的结果，计算曲线与试验曲线比较接近。

因此，鉴于土质材料的天然特殊性，为更好掌握天然土的力学特性，应大力发展原位试验技术，并发展与之相关的理论研究，发展基于原位试验的土力学，即原位土力学，使理论更符合实际，应是更好解决土工工程的途径。这应该是土力学发展的四个阶段，也是更值得期待的阶段，可以更有效的提高土力学计算的准确性，提高工程设计水平。

本文来自岩土网特约评论员杨光华教授的稿件，转载请注明出处！写于2021.8.28，修改于2021.10.1

相关试验设备

设备名称：真三轴试验系统
制  造  商：德国APS-WILLE Geotechnik

德国wille的真三轴试验仪系统是一套全自动系统，通过三个单独的受控主轴（σ1 ≠ σ2 ≠ σ3）施加静态或循环压缩应力于立方体土壤试件上，从而研究试件在该状态下的行为表现。

真三轴试验仪通过动态机电作动器或伺服液压作动器（选配）施加轴1的垂直荷载和轴2的水平负载，围压作为轴3。真三轴系统包括4个成对工作的机电作动器，每个作动器都有自己的 LVDT 位移传感器和水下荷载传感器，并具有应力或应变反馈控制。

真三轴试验仪系统配合不同组件，能够在更广泛的复杂应力路径和应变路径下测量和记录土壤材料的岩土特性。 该试验装置可在 X、Y 和 Z 方向产生三种不同的主应力，并对长方体试件施加循环载荷，在大范围的载荷、循环频率和振幅下获得测试结果，从而用于有限元模型开发，分析公路和铁路相关的斜坡和路堤。GEOsys软件与系统结合，可以自动执行所有试验。

产品特点
▍ 强度高且坚固的真三轴室，围压高达2MPa
▍ 大观察窗便于实时观察试样
▍ 4个循环机电作动器，可以单独施加应力（σ1 ≠ σ2 ≠ σ3）
▍ 试件尺寸：75 x 75 x 150mm
▍ 适用于各种传感器的出线孔
▍ 太网端口可将测试数据快速传输到 PC
▍ 兼容LABVIEW©
▍ 灵活的控制软件，适用于几乎所有测试选项的测试程序
▍ 4 个水下荷载传感器，以非常小摩擦效应进行测量和闭环控制荷载
▍ 实时数据和图形显示
▍ 高速动态控制器（2.5 kHz 或10 kHz），用于监测测量值和闭环控制，例如：载荷、位移、位置和体变或流量
▍ 该系统能够应用不同的应力路径或应变率
▍ 可根据要求提供不同的升级选项，例如循环围压压力

主要配置

① 多边形三轴室
② 前舱门带大窗口，方便观察试件
③ X轴作动器
④ Z轴作动器 (底部作动器在控制柜内)
⑤ 水下荷载传感器 (4个)
⑥ 围压反压接入口
⑦ 前指示面板和主开关
⑧ 内置高质量动态加载控制器
⑨ 压力传感器可测量孔压和B值检测
⑩ 可实现应力路径和其他测试的控制软件

真三轴室
由阳极氧化铝制成的多边形真三轴室安装在重型底座上，它能够在立方体试件上施加高达2MPa的围压，有两种围压可供选择，即水（高压）或空气（低压）。
轴1和轴2的应力由两对匹配的动态作动器施加，约束流体（围压）为3轴。 每对作动器都是实时同步的，可以在任何测试模式下进行控制。 这意味着可以在应力、应变或位置控制模式下实现各种静态加载、梯度加载、低频和高频加载。
4个位移传感器（每个作动器一个）测量应变，而体变控制装置用于测量和控制 σ3 方向的应变。 如需要，非接触式接近传感器可以更高的精度测量该方向的变形。

主要特点

▍ 带大窗的舱门，便于观察试件
▍ 前门和后门通过螺栓紧固密封
▍ 多达10个用于内部传感器的高压电气穿线口
▍ 围压和反压的流体接口
▍ 试件尺寸为 75 x 75 x 150mm（长方体）（可根据要求提供定制试件尺寸）
▍ 适用于所有作动器的低摩擦密封件和轴承
▍ 完整的三轴室安装在平台/框架上
▍ 安装了4 个动态作动器
▍ 4个抛光不锈钢侧压板
▍ 4个同步高质量动态控制系统集成在机柜内或作为一个单独的单元
▍ 计算机以太网接口
▍ 可选的非接触式接近传感器
▍ 围压可达 2MPa
▍ 4个高分辨率位移传感器 (LVDT)，位移 ±25mm，精度 0.1%，用于σ1 和 σ2 方向的应变测量
▍ 4个由不锈钢制成的刚性压板连接到作动器，以轴向和横向水平应力传递到试件。（2个尺寸为 75x150mm的侧压板和2个尺寸为75x75mm的顶部和底部压板)

作动器
机电作动器高达10 Hz为准确测试提供了一种更容易使用和环保的解决方案，与伺服液压作动器相比，机电作动器不需要定期维护液压站，且噪音水平更低。
新开发的机电作动器在频率、位移精度和荷载范围方面更加优异。每个作动器都有自己的水下荷载传感器和位移传感器，以确保非常大限度地减少摩擦影响。

每对作动器都可以进行位移或荷载控制（恒定、梯度、正弦）

可选项：如果试验需要更高的荷载和频率，那么使用伺服液压作动器将为多种荷载和频率的范围提供了可能性。
无密封液压作动器将性能提高到50Hz，无需更换活塞密封件，降低了整个生命周期的服务成本。 每个作动器对都可以在“静态模式”下进行控制，可对荷载、应力或位移进行恒定、梯度或慢速循环的控制。

试件准备工具
德国wille的真三轴试验仪系统提供了用于粘性和非粘性试件的完整的试件成型装置，包括专门设计的用于成型棱柱或立方体试件的削土器。

A) 用于非粘性试件的试件的成型套件包括
● 带有透水石的顶部和底部装载压板
● 带真空口的 4分体成型框
● 真空泵
● 一组用于小应变的刚性横向加载压板
● 用于应力反转的刚性加载连接
● 10 个用于长方体试件的乳胶膜
● 4 个试件O圈

B) 粘性试件成型套件包括
● 带有透水石的顶部和底部装载压板
● 准备方土样的削土器
● 切土刀和锯
● 10 个用于长方体试件的乳胶膜
● 4 个试件O圈

可选件
可以添加一些可选件，进行直径为 70mm、高度为 140mm的圆柱形试件进行三轴测试，可实现常规的静态和动态三轴测试。
例如直径为 50mm的圆柱形试件的试件制备套件，包括：防腐蚀对开模、O圈张开器、粘性材料承膜筒、25张滤纸、10个乳胶膜和10个O圈

单路体积压力控制器
自动机电压力体积控制器是一种注射式无脉冲泵，可准确产生和调节压力，并为不同应用（例如用于不饱和测试的围压、反压）
单路体积压力控制器具有不同的压力控制模式，使用该泵可提供恒定压力、梯度压力、恒定体积流量。 单路体积压力控制器具有节省空间的紧凑设计（壁挂式或桌面使用），并具有不同的压力控制模式（例如恒压、梯度压力、恒体积流量）。
两台泵可以产生围压和反压，结合孔隙水压力传感器和软件，适用于所有类型的自动测试，这些测试可以软件中编制。

数字控制器

数字高速高分辨率可扩展实时控制和数据采集系统，24位分辨率，高达10KHz 的控制和数据采集。动态控制器适用于电机控制系统和液 压控制系统。可驱动±10V的液压设备，能够采集各种传感器的信号，例如荷载传感器、LVDT、应变计、引伸计、热电偶等。

控制器功能强大，允许通过智能传感器插头对测量传感器和控制参数进行模块化设计，模块可存储校准参数，因此可以根据应用灵活使用。

主要特点

▍ 多达32个低噪声闭环控制通道，用于静态和动态试验

▍ 每个轴24位分辨率（例如，力、位移、压力、应变等）

▍ 具有数字控制器参数设置和所有控制功能之间的无扰切换

▍ 所有控制功能之间平滑转换

▍ 完整、同步传输数据，无任何数据丢失

▍ 数字可调控制器参数（PID 参数）

▍ 简单灵活的试验或设定点参数调整

▍ 外部连接的I / 0处理

▍ 使用电脑软件进行配置和设置

GEOSYS 软件

GEOsys 是 Windows 版多功能模块化控制和数据采集 软件。通过图形用户界面上的结构化 Windows 指令对 复杂的用户可编辑的试验序列进行简单的编程。

GEOsys 利用灵活的可编程系统来控制试验设备，以协 调各种试验操作。灵活的操作面板提供了用于配置设备 的工具，用于执行加载过程的编辑器以及用于数据分析、 显示和日志的功能。

该软件支持试验环境的模块化结构，从而实现灵活的配 置，满足用户特定的需求。 该软件的重要关键功能是，用户可以通过图形化用户界 面，使用结构化的视窗操作，简单、自主地编辑标准或 复杂试验序列。

Geosys 软件拥有强大的功能，它不仅与我们的产品兼容，而且 还可以与其他制造商的硬件一起使用，从而为类似或更 高要求标准的硬件提供数据采集和过程控制。

主要特点

▍ 独特的平台，可以执行所有满足用户需求的动态和静态试验，无论是土壤、沥青、岩石还是其他相关的建筑材料

▍ 控制和数据采集软件

▍ 实时、同步、闭环控制所有连接的执行机构

▍ 可编程试验序列控制和公式编辑器（升级版）

▍ 使用并行配置通道，为每个通道提供完整的实时数据采集和闭环控制

▍ 灵活且用户友好

▍ 同类厂商的配套功能

▍ 有关 ASCII 数据转换的选项

▍ 即使在运行过程中，也可以对 PID 参数进行调整，以适应材料的变化来优化参数

▍ 用户角色分为管理、服务、开发人员、实验室助手，方便管理，减少出错的几率

▍ 与 OS 平台无关的软件（例如 WINDOWS、LINUX 或 MAC OSX）

▍ 用户可在图形用户界面上，通过结构化的视窗操作，简单、自主地编程标准试验或复杂试验序列

▍ 任意数量的通道或设备，同步且单独的实时、闭环控制，例如轴向荷载、围压、孔隙水压力以及孔隙气压等

▍ 管理用户配置的硬件、传感器、计算结果等

▍ 多语言：中文、英语、德语、俄语、波兰语等

土力学真三轴试验模块

GEOsys 专为闭环控制的静态和动态试验而设计，适用于材料试验中的所有试验应用，例如应力控制、应变控制、应力路 径、循环。可加载正弦波、矩形、三角波和自定义波等任何类型的波形。控制和数据采集软件，还具有根据ASTM或BS或其他标准运行试验的不同模块。请注意，下面列出的某些试验需要非标 配的硬件。根据用户的要求，将随主要软件一起提供一个或几个模块，例如：

● 数据采集、处理和设备管理 (DPD) 模块

● 饱和试验模块

● B值检测模块

● 固结模块（各向同性或各向异性）

● 渗透性试验模块

● 应力路径模块：线性应力路径 p、q 或 s、t 方法

● 静态剪切模块： UU：不固结不排水三轴试验（总应力试验） CU：固结不排水三轴试验，测量孔压（有效应力试验） CD：固结排水三轴试验，测量孔压（有效应力试验）

● 非饱和土试验模块

● 动态剪切模块

● 高质量加载模块：对试件施加多种类型的波形加载，如：正弦波，方波，三角波，梯形波，梯度加载以及用户自定义波形；动态梯度加载

● 静态加载模块，X和Y轴的荷载、位移、应力或应变控制，Z轴的应力控制

● 动态加载模块，X和Y轴的动态控制，Z轴静态应力控制

● 全阶段剪切 (压和拉的结合模拟各种应力路径)

● 气压控制下的非饱和土试验 (如果选购了相应的硬件)

● 平面应变试验、K0试验、小剪切应变试验

● 动态剪切试验模块：应力或应变控制的动态三轴模块包含：循环应力控制、循环应变控制、可选液化试验

可升级选项

▍ 非接触变形测量装置：非接触式的接近传感器可用于高精度测量法相的变形
▍ 弯曲元测试元件：真三轴试验系统能够轻松添加弯曲元试验装置，并通过其附件进行弯曲元试验。压电元件可轻松安装在试件的上帽和底座内，以执行弯曲元试验或压缩波波速试验。现有的三轴室设计之初就考虑了增加压电传感器，而无需对三轴室进行任何额外的升级。可更换的弯曲元组件可用于35mm至100mm的任何试件，并设计完全兼容三轴试验设备，并可用于其他系统，例如共振柱试验系统、固结仪、简单剪切试验系统或标准剪切试验系统，集成纵向和横向弯曲元的试验，可在相对的面上进行S波和P波的传播测试。

▍ 非饱和土组件：通过增配一些硬件，系统可升级为非饱和土试验系统。 根据所选 的试样及试验方法的不同，加配的附件可能会有所不同。例如， 陶土板、气压控制器（APC）、非饱和土力学软件模块等。

▍ 温控系统：真三轴系统的三轴室由全钢制成，可升级以适用于不同温度范围的工作。须在出厂前订购此选项。这使用户能够在从-20°C到+80°C的各种温度范围内进行测试（其他温度范围亦可根据要求定制）。由于温度单元由PC控制，可以执行任何类型的温度序列测试。所需配件：所需温度范围内的加热或制冷装置、温度传感器和连接恒温器系统的附件，用于三轴室温度的闭环控制，并将恒温器连接到计算机、控制和数据采集软件模块，使PC可以控制温控系统和恒温器、保温包裹。

▍ 无气水生产系统：这台设计紧凑的装置可制作气体含量非常低的无气水，从而进行各 种试验，不同型号容量从20升到60升不等。

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