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1、 物理力学在土木工程领域的应用分析 王子轩摘 要：随着国家经济的全面发展，各类大型水利工程、交通运输和城市建筑等工程建设项目越来越多，土木工程作为各类大型基础设施建设的重要组成部分，其建设规模越来越大，传统工程材料日益短缺，工程建设中迫切需要新材料的研发或利用。但一些材料由于其物理化学性质尚不明确，其使用受到严重限制，另一方面，合成材料的成功率也必须有微观物理力学的理论指导。因此，近年来，许多学者越来越倾向于尝试通过对材料的物理力学特性进行分析，以此推动土木工程新材料的应用和推广。本文从物理力学的学科背景和应用背景为出发点，对其在土木工程各领域的应用进行了深入分析，并以一个实际的案例来阐明物理
2、力学在土木工程新材料开发与应用过程中的基本思路。本文的研究对物理力学的推广和应用有一定的参考价值。关键词：物理力学；土木工程；新材料；应用分析：G634.7 ：A ：1671-2064（2018）20-0098-02随着科学技术的进步，经济社会的发展，各种工程建设规模越来越大，传统工程材料日益短缺，工程建设中迫切需要新材料的研发或利用。但一些材料由于其物理化学性质尚不明确，因此未有应用先例，另一方面，合成材料的成功率也必须有微观物理力学的理论指导。因此，近年来，许多学者越来越倾向于尝试通过对材料的物理力学特性进行分析，以此推动土木工程新材料的应用和推广，这将是对物理力学最好的运用，也是对物理力
3、学最好的发展。1 物理力学的起源与发展从学科分类的角度上看，物理力学属于力学的下级学科，它主要关注物质的微观结构及其运动规律，充分结合近代物理、化学和量子力学等领域的先进成果，采用理论分析及数值仿真的方式对物质的微观特性进行研究，以解释材料的宏观性质和各种物理化学行为。物理力学起源于上世纪50年代末，其中我国的物理力学发展在著名科学家钱学森的创立和发展下开始进入工程实践领域。由于当时的科技正处于一个迅速发展的关键时间，许多工程技术问题已很难通过传统的物理学和化学理论进行充分解释，例如当温度高达几百万开、压力高达几百万帕等，物质的特征尺度与微观结构的特征尺度基本上已处于同一数量级，必须通过新的理
4、论体系才能进一步支撑科技的发展需求。此外，新材料的研究也迫切需要一种微观分析方法对特殊功能材料的合成提供理論参考。在这样的时代背景下，物理力学应运而生。尽管物理力学已经经历了半个多世纪的发展，但仍然处于初步探索阶段，在理论和应用中还远未达到成熟的地步，许多理论仍然与传统的物理学有着密切联系。当前人们对物理力学的研究主要集中在微观机理分析、高效运算方法、微观与宏观的关系等方面，其中从微观到宏观是物理力学这一新兴学科分支的最重要的特征。2 物理力学在土木工程领域的应用分析2.1 土石坝工程中的物理力学应用随着国家经济的全面发展，各类大型水利工程、交通运输和城市建筑等工程建设项目得到了迅速的发展，其
5、中大型岩土工程作为各类工程的基础性工程，是各类土木工程的基础支撑。上述工程建设都大量涉及到土石坝工程，而土石坝工程的质量不仅与其宏观结构有关，更与其所采用的材料有着密切关系，也就是说，土石坝是是否牢固，主要取决于其所采用材料的物理力学性能是否满足相关要求。土石坝建设具有就地取材、节约成本、施工简单等特点，因此其建设质量的关键把握点在于材料性能的发挥。当前土石坝工程中使用的材料比较多，并且没有固定的材料，本文以自然界中较丰富的粗粒土为例，对物理力学在土石坝建设中的应用进行分析。粗粒土的优良工程特性已受到业内公认，这种优良性主要表现在其特殊的剪切特性、渗透特性和压缩特性，因此许多学者近年一直在探索
6、粗粒土的各种物理力学特性，以期在工程建设中发挥其最大作用。在计算机科学、土工试验技术和数学等学科的带动下，人们已经可以通过先进的试验设备进行复杂的实验，从而寻找最佳的粗粒土物理力学指标。在工程实践中，人们发现同样采用粗粒土材料，但不同的工程的其强度测试结果有较明显的差异，这一度困扰了许多工程师和专家。借助计算机对粗粒土的各项物理力学特性进行全面仿真分析后，才基本弄清楚其内部机理。相关研究表明，在坝体载荷单调递增的条件下，提高粗粒土的含水量可以进一步加速孔隙比的缩小，从而大大增加了土体的抗压缩性能。因此，物理力学试验表明，恰当提高粗粒土的含水量可以使土石坝更稳定牢固1。2.2 古建筑修复工程中的
7、物理力学应用古建筑是古人智慧的结晶，也是现代社会的宝贵财富，具有重要的人文价值和历史价值。但由于历史悠久，古建筑长期处于恶劣的自然环境中，经受各种物理破坏和化学腐蚀，其完整性通常无法保证。因此古建筑的修复成为当今考古界和建筑界的研究热点之一。古建筑材料与现代建筑材料有很大区别，并且往往是不相容的，人们通常采用胶凝材料来模仿古建筑材料，以保证修复后对其历史风貌的真实还原。胶凝材料是一种广泛使用的建筑材料中，它的初始状态是半流动的桨体，施工后经过众多复杂的物理化学作用最终胶结为强度满足工程要求的固体。实际上，工地上的石灰、石膏、水泥等常见的建筑材料都属于胶凝材料，但他们属于无机材料范畴。古建筑修复
8、中广泛采用有机胶凝材料，其中糯米浆三合土因其良好的加固效果及兼容性得到了广泛利用。糯米浆三合土通常由石灰、黄泥、砂、糯米等组分混制而成，从物理化学的角度上分析，三合土的粘结固化机理本质在于石灰与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙。但这些组分之间如何进行配比与施工，仍需要通常物理力学原理进行深入分析。相关研究表明，在保持糯米浆三合土同龄期人前提下，恰当增加糯米桨浓度可以大大增强其表面硬度，但浓度超过临界值后其硬度反而会下降，这是因为糯米中的有机成分可以起到调控碳酸钙晶粒形状和性质的作用，促进碳化反应的进行，从而增加表面硬度；但如果糯米含量过多，反而不利于这种碳化反应的进行，因而表面硬度会明显下降。可
9、见，通过物理力学原理的试验与分析，获得了糯米浆三合土材料的最佳性能，从而提高古建筑修复质量2。2.3 导电混凝土研发中的物理力学应用智能混凝土是近年提出的一个新概念，它与传统混凝土材料的最大区别在于，除了强度上的性能之外，还具备其它特殊的物理化学特性，例如抗震性、导电性、自愈性、可调性、自感应等等。其中导电混凝土是近年研究的热点之一，它主要关注现代建筑物电力系统的接地安全问题，由于传统的混凝土是不导电的，因此只能通过导线直接引入地下，容易出现腐蚀等问题，而导电混凝土则允许电力系统与这直接相连进行接地，避免了上述问题。但这类智能混凝土的研究工作仍处于起步阶段，其机理还不明确，应用也只在试验阶段。
10、钢渣混凝土被认为是最有前途的导电混凝土材料之一，它由传统的水泥、导电钢渣和水等组分按一定配比混制而成。显然，人们应用钢渣混凝土具有明确的目的，就是要同时具备高强度和导电性，但这两者之间在一定程度上是相互矛盾的，只有通过物理力学试验进行大量分析，才能使材料在两种性能之间达到平衡。相关文献资料表明，钢渣的比例越多，其导电性能越好，但抗压性能越差，反之亦然。因此钢渣比例、导电性、抗压性三者之间不具备简单的线性关系。实验表明，当钢渣与水泥的比例SS/C=0.5时，钢渣混凝土的抗压弹性模量可以达到最大值，并稍微优于传统的混凝材料；当SS/C1时，抗压弹性模量开始呈现下降趋势，其性能开始满后于传统混凝土材
11、料，该现象与钢渣集料的孔隙率大小有关，孔隙率偏大会使混凝土刚度下降，抗变形能力变弱。因此，物理力学实验结果表明，SS/C控制在0.5-1的范围内为最佳3。2.4 煤矸石利用中的物理力学应用煤矸石是煤炭开采过程中的伴生产品，具有占用土地、污染环境、危害健康、处置困难等特点，如何有效治理煤矸石，已成为煤炭开采行业共同的难题。近年来，有学者提出可以将煤矸石应用于土木工程的建设领域中，减少传统建筑材料消耗的同时，又解决了煤矸石治理难题。在多年的研究和认证下，当前部分煤矸石已经在路基填筑和地基回填等工程领域中得到应用，但其应用范围仍然十分局限，主要是考虑到安全性能问题。为了使煤矸石成为一种普适性建筑材料
12、，进一步扩大其应用范围，应对其物理力学性质进行深入研究，明确其各方面的性能指標，以确定其是否适用于不同的工程领域。以填筑坝体的材料设计为例，由于对煤矸石的堆场特性、结构特性、颗粒破碎特性、自燃特性和水理特性等物理力学指标仍不够明确，因此目前国内还没有在大面积填筑坝体中采用煤矸石的案例。为些，许多学者对煤矸石的物理力学性能进行了大量的研究。研究结果表明，煤矸石堆场特性与常规碎石土类似，在正常工程适用范围之内；通过对其颗粒级配进行调整，可以提高煤矸石的碾压密实性；煤矸石抗剪强度较高，强度特性较好，具有较高的稳定性。因此，煤矸石的各项物理力学特性指标均可以满足筑坝工程的标准，为大面积填筑坝中应用煤矸
13、石材料提供了理论依据4。3 应用案例分析再生混凝土物理力学性能研究随着建筑业和土木工程的发展，越来越多的建筑物拔地而起，也越来越多的建筑物被废弃。废弃混凝土的处理已尤为世界各国的共同难题。近年来，发达国家开始采用废弃混凝土作原料配制成可重复利用的混凝土材料，即再生混凝土。有实验表明，再生混凝土的物理化学性能与一次性混凝土相比是有一定差距的，由于再生骨料与新砂浆之间存在明显的过渡区和微裂缝，成为应力集中的发源地，因此对其抗压性能有较大影响。但最新的研究表明，再生混凝土的性能损失是有限的，通过恰当的配比控制可以使其达到传统混凝土同行的抗压性能，甚至更优。再生混凝土的抗压性能与再生骨料、水灰比等因素
14、有关。在水灰比不高的情况下，再生混凝土的抗压不如普通混凝土；在水灰比较高的情况下，则可以达到与普通混凝土同行或更佳的性能。下面对该结论进行物理力学试验验证。将废弃混凝土破碎筛选后作为再生骨料，取代部分传统混凝土的新骨料，采用单因素控制法进行实验。在其它条件不变的情况下，通过改变再生骨料的比例，对最终的混凝土进行抗压强度测试，并作记录。本文选择了再生骨料的比例分别为43%和47%时不同时间段的试验数据进行分析，试验结果如图1所示。从试验结果中不难看出，再生混凝土在使用初期具有较好的抗压性能，并且稍优于传统混凝土，但随着使用时间的延长，其抗压强度会慢慢下降，最终与传统混凝土的性能相近。为了进一步提
15、高再生混凝土的抗压强度，可以恰当降低水灰比，同时加入适量的减水剂，或者掺入少量粉煤灰，这些措施都可以改善过渡区结构和裂缝问题，从而达到提高抗压强度的目的。4 结语随着国家基础设施的建设规模不断加大，建筑行业的迅速发展，物理力学在土木工程领域中将有更广泛的应用。各种新材料的需求将不断促进物理力学的理论研究与完善，并在工程实践中推广应用。不难预测，未来几十年内，人们对物理力学的研究将主要集中在微观机理分析、高效运算方法、微观与宏观的关系等方面，其中从微观到宏观是物理力学研究的主要思路，将指导着一代又一代的土木工程建设者不断前进。参考文献1李文波.粗粒土物理力学特性研究M.电力工程学院，2015.2谌文武，张起勇，刘宏伟，等.糯米浆温度对糯米灰浆加固遗址土的影响J.岩石力学与工程学报，2017，（a02）：4244-4250.3王凤池，张满园，宋文，等.钢渣混凝土导电及力学性能的试验研究J.济南大学学报（自然科学版），2014，28（4）：306-310.4白光起.煤矸石力学特性研究及其在矿区铁路中的应用J.现代矿业，2015， 31（3）：164-166. -全文完-
