岩土塑性力学的发展过程与研究方向

任何物体从受力到破坏一般要经历三个阶段：弹性、塑性与破坏。研究弹性阶段的受力与形变应采用弹性力学，在这一阶段内力与变形存在着完全对应的关系，当力消除后变形就完全恢复。塑性力学用来研究材料在塑性阶段内的受力与变形，这一阶段内的应力应变关系要受到加载状态、应力水平、应力历史与应力路径的影响。连续介质力学中，应力平衡方程和应变、位移的几何关系都是与材料性质及应力状态无关的，因而弹性力学与塑性力学的差别在于应力与应变之间的物理关系不同，即本构关系不同。弹性力学中，材料的本构关系服从广义胡克定律，应力-应变关系是线性的。而塑性力学中，应力-应变关系是非线性的。然而，应力-应变关系并不是弹、塑性的最本质差别。有些弹性材料也具有非线性性质。例如有一种非线性弹簧，它的力与位移之间的关系是非线性的，但是这种弹簧卸载后仍能恢复原状，因此它是非线性弹性性质，而不具备塑性性质。塑性与弹性的本质差别在于材料是否存在不可逆的塑性变形，还在于塑性变形中加载和卸载时的变形规律不同，以及塑性应力-应变关系与应力历史和应力路径有关。

基于金属材料变形机制的传统塑性力学，作为一门独立学科距今已有百余年历史，一般认为它是在1864年屈瑞斯卡（Tresca）公布了最大剪应力屈服准则开始的。随后1870年圣维南（Saint-Venant）提出了平面情况下联系应力和应变的方程组。他认识到应力和塑性总应变之间没有一一对应关系，因而假设应变增量主轴与应力主轴重合。

适用于岩土类介质材料的塑性力学起源很早，例如土力学中1773年库仑（Coulomb）提出的土质破坏条件，其后推广为莫尔-库仑准则。1857年郎肯（Rankine）研究了半无限体的极限平衡，提出了滑移面概念。20世纪初考特尔Kotter（1903）建立了滑移线方法。弗雷尼斯Fellenius（1929）提出了极限平衡法。其后，索科洛夫斯基Scokolvskii（1965）发展了滑移线法，太沙基Terzaghi（1943）等人发展了Fellenius的理论，用来求解土力学中的各种稳定问题。德鲁克（Drucker）和普拉格（Prager）等人，在1952~1955年间发展了极限分析方法，其后陈惠发（W. F. Chen）等人又在发展土的极限分析方面做过许多工作。可见，岩土材料的塑性解析方法已有了较大的发展。不过，上述方法一般只限于求解岩土极限承载力，而且不考虑材料的应力应变关系，因而有一定的局限性。

岩土塑性力学的最终形成主要在50年代末期以后，随着传统塑性力学、近代土力学、岩石力学以及有限单元法的发展，岩土塑性力学逐渐形成一门独立的学科。1957年，德鲁克等人首先指出了平均应力或体应变会导致岩土材料产生体积屈服，因而需要在莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）的锥形的空间屈服面上再加上一族帽形的屈服面，这是岩土塑性理论的一大进展。1958年，英国剑桥大学罗斯科（Roscoe）及其同事提出了土的临界状态概念，此后又提出了剑桥粘土的弹塑性本构模型（1963），从理论上阐明了岩土弹塑性变形的特征，开创了土体的实用计算模型。自70年代前后至今岩土本构模型的研究十分活跃。迄今，它仍然处于百花齐放，方兴未艾的阶段。归纳起来，这一阶段的工作主要有以下几个方面：

（1）越来越发现，传统塑性力学不能充分反映岩土材料的变形机制。除了应考虑岩土材料的体积屈服、破坏准则中内摩擦影响及软化特性等外，还发现岩土材料具有塑性应变增量方向与应力增量的相关性，应用关联流动法则难以反映实际岩土的剪胀与剪缩状况，以及由于主应力轴旋转引起塑性变形等问题。这些都表明，传统塑性力学难以充分反映岩土材料的变形机制，从而导致一些新的模型不断出现：如所谓的不服从塑性势理论的模型、应用非关联流动法则的模型、封闭型屈服面模型、双屈服面模型或部分屈服面模型、多重屈服面模型、应力主轴旋转的模型、考虑应力洛德角影响的三维模型、应变空间表述的弹塑性模型以及基于内时理论的本构模型等。概括起来说，目前的岩土本构模型完全基于传统塑性力学逐渐减少，为了适应岩土变形机制，基于对传统塑性力学作部分修正的岩土模型越来越多，如有些采用广义塑性位势理论或分量理论取代传统塑性势理论；有些采用非关联流动法则取代关联法则。与此同时，它也推动了岩土塑性力学基本理论的发展，导致适应岩土材料变形机制的广义塑性力学的出现。

（2）建立了一些深层次岩土本构模型。除了各向同性等向硬化模型外，出现了考虑初始各向异性和后继各向异性的非等向硬化模型，复杂应力路径下的本构模型，动力本构模型以及黏弹塑性模型等。这些模型正在日趋完善，开始进入应用阶段。

（3）探索了一些新的本构模型，如岩土损伤模型、细观力学模型、应变软化模型、特殊土模型、结构性土模型、非饱和土模型、以及基于神经网络、遗传算法等智能化的土体本构模型。最近还提出了基于能量耗散原理的土体热力学建模方法。