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中图分类号：P642文献标识码：A
摘要：岩土材料的屈服是岩土工程中最基础也是最为重要的问题，本文在阐述岩土材料的基本力学性能及回顾了屈服准则研究历史的基础上，提出了岩土材料的能量屈服准则概念。
关键词：岩土材料；屈服准则；能量
一、前言
岩土塑性力学是近50年来发展起来的一门新兴边缘学科。它将变形固体力学理论与工程岩土力学更加紧密地联系起来。岩土塑性力学是在经典或传统的金属塑性力学理论的基础上，进而研究岩土类材料的塑性力学特性而发展起来的。
二、岩土材料的基本力学性能
岩土体在组成、微细观结构和所处周围环境等方面与金属有着显著的差别，致使两者的力学响应表现出较大的不同。由于在一般压力下金属的塑性体积应变很小，可以忽略不计，因此对金属的弹塑性变形过程仅考虑单一的剪切变形。然而岩土材料的塑性体积应变量级可达百分之几，不可忽略。因此岩土材料的弹塑性变形包括两部分：体积变形和剪切变形。特别，这两种变形之间还存在相当强烈的相互作用。因此，岩土材料的变形过程比金属复杂得多。金属是晶体材料，而岩土类是由颗粒材料组成的多相体，也称为多相体的摩擦型材料。正是由于岩土类材料具有与金属材料不同的材料特性，决定了岩土类材料有许多不同于金属的力学特征。岩土类材料最基本的力学特性，大致可归纳为以下几点：
（1）各向异性：岩土材料的各向异性主要有两个原因：一是结构方面的原因，在沉积和固结过程中，天然岩土层中的岩土颗粒及其组构单元排列的方向性形成了岩土体各向异性；二是应力方面的原因，天然岩土层中的初始应力一般处于各向不等压力状态。前者称为岩土体固有各向异性，后者称为岩土体应力各向异性。
（2）流变性：流变是指介质在外部条件不变的情况下，力和变形随时间缓慢变化的现象。大量的工程实践和试验验证，岩土介质的力学性质带有时间效应。岩土介质的变形不是瞬时完成的，而是需要一段时间，甚至很长的时间。
（3）应力路线相关性：材料塑性变形是个能量耗散过程，一般引用内变量来描述它，这种耗散过程将会导致变形与应力路径相关。尤其对具有体积和剪切塑性变形的岩土体，情况更为复杂。从大量实验结果，人们已经初步认识到，应力路径对应力应变关系和屈服轨迹的影响是存在的，但还不十分清楚整体影响的表现形式和程度。岩土体的变形特性并不仅仅取决于当前的应力状态，而是与到达当前应力状态之前的应力历史和今后的加荷方向有关，这两种影响可以统称为应力路线相关性。
（4）初始状态：土的初始固结（密实）状态对应力-应变响应有较大影响。在排水三轴压缩条件下，密实砂和超固结粘土比松散砂和正常固结粘土具有较高的刚性（斜度较陡）和较高的峰值（最大或破坏）应力。在峰值应力之后，对于密实土和松散土的应力-应变曲线是截然不同的。随着应变到达峰值以后，松散土表现出在剪切强度方面有很小降低或没有降低，它们的行为可称作应变强化性质。而随着剪切强度峰值过后明显下降时，密实土表现出应变软化性质。在非常大的应变情况下（在应变控制试验的最后），密实土和松散土都达到相同的极限（残余的）剪切抗力。另外，密实土在峰值应力之后表现出很大的剪胀性。
（5）加载-卸载-再加载性质：在加载和卸载时，岩土试样的应力-应变性质是完全不同的。岩土材料的非线性变形基本上是非弹性的。除了在很低的应力水平下，在任何给定应力状态下卸载，只有一小部分应变可以恢复。可复（可逆）应变代表总应变中的弹性部分。这些弹性应变主要是由于岩土试样中单独的固体颗粒的弹性变形所致。另一方面，不可复（不可逆）应变称作塑性应变，它们是由颗粒的滑移（滑动）、重新排列以及压碎造成的。这些塑性变形引起了岩土试样中内部结构的改变。
（6）加载速率：加载速率问题实际上是时间效应问题，严格地讲岩土材料的应力和应变都是时间的函数，岩土体是具有弹性、塑性和粘性的粘弹塑性体，不同的加载速率，应力-应变关系也有明显差异，随着加载速率的增加，曲线的初始模量增大，峰值提高。
（7）压硬性：在一定范围内，岩土材料抗剪强度和刚度随压应力的增大而增大，这种特性可称为岩土的压硬性。岩土材料的抗剪强度不仅由粘结力产生，而且由内摩擦角产生。这是因为岩土材料由颗粒材料堆积或胶结而成，属于摩擦型材料，因而它的抗剪强度与内摩擦角及压应力有关，而金属材料不具这种特性，抗剪强度与压应力无关。
（8）塑性体积应变：岩土材料作为一种多相材料，颗粒中含有孔隙，可视为包围着含有水和（或）空气的连续孔洞的固体颗粒骨架。在实际通常遇到的应力范围内，认为单独的固体颗粒和水是不可压缩的；另一方面，空气是可压缩的。由于外加应力的作用，岩土颗粒中的水、气排出，土骨架的体积作为一个整体可随固体颗粒重新排列到新的位置而变化，这种变化主要是转动和滑移，并随着颗粒间的作用力而相应变化。土骨架的实际可压缩性依据固体颗粒的结构排列而定。因此，不同于金属，岩土材料在各向等压作用下会产生显著的塑性体积应变。
（9）有效应力原理：岩土材料作为固体颗粒、水、气的集合体，总应力由孔隙压力和有效应力共同承担。剪应力只由固体颗粒的骨架通过固体颗粒间接触产生的力来承受。但是，对正应力的抵抗由两部分提供：第一部分是由固体颗粒骨架承受；第二部分是孔隙压力承担。后一部分（孔隙压力）相应地又分成两部分：孔隙水压力和孔隙空气压力（在部分饱和土中）。由于我们关心的是固体颗粒的力学行为，所有应力都应转化为有效应力。
（10）体积-偏量响应的耦合：岩土材料的性质中另一个重要的特征是剪切-膨胀现象，或者说是偏量响应和静水响应分量之间的耦合效应。与金属材料不同，岩土材料的体应变还与剪应力有关，即在剪应力作用下，岩土材料会产生塑性体应变（膨胀或收缩），一般称为岩土材料的剪胀（缩）性，尤其在接近于破坏时的高应力水平。这种偏量响应和静水响应分量之间的耦合效应表示一种应力引发的各向异性，这种各向异性是由于在高的剪应力水平下产生的颗粒重新排列和内部结构变化所致。
三、屈服准则研究历史
C—M准则考虑了正应力或平均应力作用的最大主剪应力或单一剪应力屈服理论。因此该准则的物理意义在于：当剪切面上的剪应力与正应力之比达到最大时，材料发生屈服与破坏。C—M准则的最大优点是，它能反映岩土类材料的抗压强度不同的S-D效应与对正应力的敏感性，而且简单实用。材料参数c、φ可以通过各种不同的常规试验仪器和方法测定。因此，C-M准则在岩土力学和塑性理论中得到广泛应用。但是C—M准则不能反映对屈服和破坏的影响及单纯的静水压力引起的岩土屈服的特性，而且屈服面有棱角，不便于塑性应变增量的计算，这就给数值计算带来了困难。另外还有Tresca准则、Drucker-Prager准则、Lade双屈服面屈服准则。
四、展望
巖土类材料是由颗粒组成的多相摩擦型材料，具有内摩擦性质，它的力学单元与传统固体力学单元不同，摩擦体的单元中存在摩擦力，这正是它不同于金属的基本力学特性。虽然部分学者针对岩土材料变形过程中的能量问题已经开展了大量研究工作，但都是局限于传统固体力学的范畴。因此我们有必要研究岩土类摩擦材料不同于金属的特殊力学特性，去建立适合于岩土材料的能量理论。
参考文献
[1]陈惠发，A.F.萨里普著，余天庆，王勋文译，刘再华校译.土木工程材料的本构方程（第一卷弹性与建模
[2]刘元雪.岩土本构理论的几个基本问题研究
[3]张学言，闫澍旺.岩土塑性力学基础（第2版）
[4]高江平，俞茂宏.三剪应力统一屈服准则研究
作者简介：张岳（1979-）男，工作单位：宁夏民生房地产开发有限公司；研究方向：建筑施工管理、技术施工。
摘要：岩土材料的屈服是岩土工程中最基础也是最为重要的问题，本文在阐述岩土材料的基本力学性能及回顾了屈服准则研究历史的基础上，提出了岩土材料的能量屈服准则概念。
关键词：岩土材料；屈服准则；能量
一、前言
岩土塑性力学是近50年来发展起来的一门新兴边缘学科。它将变形固体力学理论与工程岩土力学更加紧密地联系起来。岩土塑性力学是在经典或传统的金属塑性力学理论的基础上，进而研究岩土类材料的塑性力学特性而发展起来的。
二、岩土材料的基本力学性能
岩土体在组成、微细观结构和所处周围环境等方面与金属有着显著的差别，致使两者的力学响应表现出较大的不同。由于在一般压力下金属的塑性体积应变很小，可以忽略不计，因此对金属的弹塑性变形过程仅考虑单一的剪切变形。然而岩土材料的塑性体积应变量级可达百分之几，不可忽略。因此岩土材料的弹塑性变形包括两部分：体积变形和剪切变形。特别，这两种变形之间还存在相当强烈的相互作用。因此，岩土材料的变形过程比金属复杂得多。金属是晶体材料，而岩土类是由颗粒材料组成的多相体，也称为多相体的摩擦型材料。正是由于岩土类材料具有与金属材料不同的材料特性，决定了岩土类材料有许多不同于金属的力学特征。岩土类材料最基本的力学特性，大致可归纳为以下几点：
（1）各向异性：岩土材料的各向异性主要有两个原因：一是结构方面的原因，在沉积和固结过程中，天然岩土层中的岩土颗粒及其组构单元排列的方向性形成了岩土体各向异性；二是应力方面的原因，天然岩土层中的初始应力一般处于各向不等压力状态。前者称为岩土体固有各向异性，后者称为岩土体应力各向异性。
（2）流变性：流变是指介质在外部条件不变的情况下，力和变形随时间缓慢变化的现象。大量的工程实践和试验验证，岩土介质的力学性质带有时间效应。岩土介质的变形不是瞬时完成的，而是需要一段时间，甚至很长的时间。
（3）应力路线相关性：材料塑性变形是个能量耗散过程，一般引用内变量来描述它，这种耗散过程将会导致变形与应力路径相关。尤其对具有体积和剪切塑性变形的岩土体，情况更为复杂。从大量实验结果，人们已经初步认识到，应力路径对应力应变关系和屈服轨迹的影响是存在的，但还不十分清楚整体影响的表现形式和程度。岩土体的变形特性并不仅仅取决于当前的应力状态，而是与到达当前应力状态之前的应力历史和今后的加荷方向有关，这两种影响可以统称为应力路线相关性。
（4）初始状态：土的初始固结（密实）状态对应力-应变响应有较大影响。在排水三轴压缩条件下，密实砂和超固结粘土比松散砂和正常固结粘土具有较高的刚性（斜度较陡）和较高的峰值（最大或破坏）应力。在峰值应力之后，对于密实土和松散土的应力-应变曲线是截然不同的。随着应变到达峰值以后，松散土表现出在剪切强度方面有很小降低或没有降低，它们的行为可称作应变强化性质。而随着剪切强度峰值过后明显下降时，密实土表现出应变软化性质。在非常大的应变情况下（在应变控制试验的最后），密实土和松散土都达到相同的极限（残余的）剪切抗力。另外，密实土在峰值应力之后表现出很大的剪胀性。
（5）加载-卸载-再加载性质：在加载和卸载时，岩土试样的应力-应变性质是完全不同的。岩土材料的非线性变形基本上是非弹性的。除了在很低的应力水平下，在任何给定应力状态下卸载，只有一小部分应变可以恢复。可复（可逆）应变代表总应变中的弹性部分。这些弹性应变主要是由于岩土试样中单独的固体颗粒的弹性变形所致。另一方面，不可复（不可逆）应变称作塑性应变，它们是由颗粒的滑移（滑动）、重新排列以及压碎造成的。这些塑性变形引起了岩土试样中内部结构的改变。
（6）加载速率：加载速率问题实际上是时间效应问题，严格地讲岩土材料的应力和应变都是时间的函数，岩土体是具有弹性、塑性和粘性的粘弹塑性体，不同的加载速率，应力-应变关系也有明显差异，随着加载速率的增加，曲线的初始模量增大，峰值提高。
（7）压硬性：在一定范围内，岩土材料抗剪强度和刚度随压应力的增大而增大，这种特性可称为岩土的压硬性。岩土材料的抗剪强度不仅由粘结力产生，而且由内摩擦角产生。这是因为岩土材料由颗粒材料堆积或胶结而成，属于摩擦型材料，因而它的抗剪强度与内摩擦角及压应力有关，而金属材料不具这种特性，抗剪强度与压应力无关。
（8）塑性体积应变：岩土材料作为一种多相材料，颗粒中含有孔隙，可视为包围着含有水和（或）空气的连续孔洞的固体颗粒骨架。在实际通常遇到的应力范围内，认为单独的固体颗粒和水是不可压缩的；另一方面，空气是可压缩的。由于外加应力的作用，岩土颗粒中的水、气排出，土骨架的体积作为一个整体可随固体颗粒重新排列到新的位置而变化，这种变化主要是转动和滑移，并随着颗粒间的作用力而相应变化。土骨架的实际可压缩性依据固体颗粒的结构排列而定。因此，不同于金属，岩土材料在各向等压作用下会产生显著的塑性体积应变。
（9）有效应力原理：岩土材料作为固体颗粒、水、气的集合体，总应力由孔隙压力和有效应力共同承担。剪应力只由固体颗粒的骨架通过固体颗粒间接触产生的力来承受。但是，对正应力的抵抗由两部分提供：第一部分是由固体颗粒骨架承受；第二部分是孔隙压力承担。后一部分（孔隙压力）相应地又分成两部分：孔隙水压力和孔隙空气压力（在部分饱和土中）。由于我们关心的是固体颗粒的力学行为，所有应力都应转化为有效应力。
（10）体积-偏量响应的耦合：岩土材料的性质中另一个重要的特征是剪切-膨胀现象，或者说是偏量响应和静水响应分量之间的耦合效应。与金属材料不同，岩土材料的体应变还与剪应力有关，即在剪应力作用下，岩土材料会产生塑性体应变（膨胀或收缩），一般称为岩土材料的剪胀（缩）性，尤其在接近于破坏时的高应力水平。这种偏量响应和静水响应分量之间的耦合效应表示一种应力引发的各向异性，这种各向异性是由于在高的剪应力水平下产生的颗粒重新排列和内部结构变化所致。
三、屈服准则研究历史
C—M准则考虑了正应力或平均应力作用的最大主剪应力或单一剪应力屈服理论。因此该准则的物理意义在于：当剪切面上的剪应力与正应力之比达到最大时，材料发生屈服与破坏。C—M准则的最大优点是，它能反映岩土类材料的抗压强度不同的S-D效应与对正应力的敏感性，而且简单实用。材料参数c、φ可以通过各种不同的常规试验仪器和方法测定。因此，C-M准则在岩土力学和塑性理论中得到广泛应用。但是C—M准则不能反映对屈服和破坏的影响及单纯的静水压力引起的岩土屈服的特性，而且屈服面有棱角，不便于塑性应变增量的计算，这就给数值计算带来了困难。另外还有Tresca准则、Drucker-Prager准则、Lade双屈服面屈服准则。
四、展望
巖土类材料是由颗粒组成的多相摩擦型材料，具有内摩擦性质，它的力学单元与传统固体力学单元不同，摩擦体的单元中存在摩擦力，这正是它不同于金属的基本力学特性。虽然部分学者针对岩土材料变形过程中的能量问题已经开展了大量研究工作，但都是局限于传统固体力学的范畴。因此我们有必要研究岩土类摩擦材料不同于金属的特殊力学特性，去建立适合于岩土材料的能量理论。
参考文献
[1]陈惠发，A.F.萨里普著，余天庆，王勋文译，刘再华校译.土木工程材料的本构方程（第一卷弹性与建模
[2]刘元雪.岩土本构理论的几个基本问题研究
[3]张学言，闫澍旺.岩土塑性力学基础（第2版）
[4]高江平，俞茂宏.三剪应力统一屈服准则研究
作者简介：张岳（1979-）男，工作单位：宁夏民生房地产开发有限公司；研究方向：建筑施工管理、技术施工。