淺談土力學(xué)發(fā)展史及未來(lái)前景[業(yè)內(nèi)資料]

1、 淺談土力學(xué)發(fā)展史及未來(lái)前景 摘 要： 從1773年法國(guó)庫(kù)侖創(chuàng)立了著名的土的抗剪強(qiáng)度的庫(kù)侖定律和土壓力理論，到1963 年，Roscoe發(fā)表著名的劍橋模型，土力學(xué)經(jīng)歷了萌發(fā)期、古典土力學(xué)、現(xiàn)代土力 學(xué)三個(gè)歷史時(shí)期。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，土力學(xué)從廣度和深度方面都有了長(zhǎng)足發(fā)展。 在這個(gè)過(guò)程中人們充分認(rèn)識(shí)到了試驗(yàn)、實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的重要性。在未來(lái)土力學(xué)的發(fā)展 中信息化施工方法將成為一個(gè)趨勢(shì)，開(kāi)展土力學(xué)工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)分析研究也將成為 一個(gè)重要的研究方向。關(guān)鍵詞：古典土力學(xué) 本構(gòu)模型 信息化施工 數(shù)值模擬一、土力學(xué)發(fā)展的三個(gè)歷史時(shí)期1、萌發(fā)期(17731923） 1773年法國(guó)庫(kù)侖根據(jù)試驗(yàn)，創(chuàng)立了著名的土的抗剪

2、強(qiáng)度的庫(kù)侖定律和土壓力理論。發(fā)表了極大極小準(zhǔn)則在若干靜力學(xué)問(wèn)題中的應(yīng)用，為土體破壞理論奠定基礎(chǔ)。1857年英國(guó)朗肯提出又一種土壓力理論。1885年法國(guó)布辛尼斯克求得半無(wú)限空間彈性體，在豎向集中力作用下，全部6個(gè)應(yīng)力分量和3個(gè)變形的理論解。在此后的漫長(zhǎng)的150年中，而且只限于研究土體的破壞問(wèn)題。2、古典土力學(xué)（19231963） 1923年，Terzaghi發(fā)表了著名的論文粘土中動(dòng)水應(yīng)力的消散計(jì)算，提出了土體一維固結(jié)理論，開(kāi)創(chuàng)了土體變形研究。接著又在另一文獻(xiàn)中提出了著名的有效應(yīng)力原理，從而建立起一門(mén)獨(dú)特的學(xué)科土力學(xué)。 古典土力學(xué)可歸結(jié)為： 一個(gè)原理有效應(yīng)力原理 兩個(gè)理論以彈性介質(zhì)和彈性多孔介質(zhì)為

3、出發(fā)點(diǎn)的變形理論 以剛塑性模型為出發(fā)點(diǎn)的破壞理論（極限平衡理論） 傳統(tǒng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容可用框圖表示如下： 有效應(yīng)力原理 應(yīng)力分布理論 滲透固結(jié)理論 強(qiáng)度破壞理論 地基變形計(jì)算 土壓力、土坡穩(wěn)定、地基承載力計(jì)算3、現(xiàn)代土力學(xué)（1963今） 1963年，Roscoe發(fā)表了著名的劍橋模型，才提出第一個(gè)可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數(shù)學(xué)模型，因而可以看作現(xiàn)代土力學(xué)的開(kāi)端。下列幾方面取得重要進(jìn)展：1、非線性模型和彈塑性模型2、損傷力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)性模型3、非飽和土固結(jié)理論4、砂土液化理論的研究5、剪切帶理論及漸進(jìn)破損6、土的細(xì)觀力學(xué) 二、土力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀 土木工程功能化、城市立體化、交通高速化，以及改善綜

4、合居往環(huán)境成為現(xiàn)代土木工程建設(shè)的特點(diǎn)。人們將不斷拓展新的生存空間，開(kāi)發(fā)地下空間，向海洋拓寬，修建跨海大橋、海底隧道和人工島，改造沙漠，修建高速公路和高速鐵路等。展望土力學(xué)的發(fā)展，不能離開(kāi)對(duì)我國(guó)現(xiàn)代土木工程建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)的分析。 一個(gè)學(xué)科的發(fā)展還受科技水平及相關(guān)學(xué)科發(fā)展的影響。二次大戰(zhàn)后，特別是在20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界科技發(fā)展很快。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算分析能力和測(cè)試能力的提高，使土力學(xué)計(jì)算機(jī)分析能力和室內(nèi)外測(cè)試技術(shù)得到提高和進(jìn)步?？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步還促使土力學(xué)新材料和新技術(shù)的產(chǎn)生。如近年來(lái)土工合成材料的迅速發(fā)展成為土力學(xué)的一次革命。 土力學(xué)測(cè)試技術(shù)一般分為室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)、原位試驗(yàn)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)

5、監(jiān)測(cè)技術(shù)等幾個(gè)方面。在原位測(cè)試方面，地基中的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試，地下結(jié)構(gòu)表面的土壓力測(cè)試，地基土的強(qiáng)度特性及變形特性測(cè)試等方面將會(huì)成為研究的重點(diǎn)，隨著總體測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，這些傳統(tǒng)的難點(diǎn)將會(huì)取得突破性進(jìn)展。虛擬測(cè)試技術(shù)將會(huì)在土力學(xué)測(cè)試技術(shù)中得到較廣泛的應(yīng)用。利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)、光學(xué)測(cè)試技術(shù)、航測(cè)技術(shù)、電、磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)、聲波測(cè)試技術(shù)、遙感測(cè)試技術(shù)等方面的新的進(jìn)展都有可能在土力學(xué)測(cè)試方面找到應(yīng)用的結(jié)合點(diǎn)。 考察現(xiàn)代土力學(xué)的進(jìn)展可以看到，雖然它取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但這種進(jìn)步并沒(méi)有從根本上改變上述致使土力學(xué)處于半理論半經(jīng)驗(yàn)狀況的原因。這就是目前土力學(xué)的發(fā)展所處的水平 荷載的多維性、荷載隨時(shí)間

6、的變化、重復(fù)荷載、振動(dòng)荷載，地層條件和邊界形狀的復(fù)雜性，飽和程度的變化，物理狀態(tài)的變化，滲流和孔隙壓力的存在，土與結(jié)構(gòu)的相互作用，時(shí)間、溫度等因素的作用等等。這引出了土力學(xué)學(xué)科許多領(lǐng)域，如土體本構(gòu)理論、強(qiáng)度理論、流變理論、非飽和土力學(xué)理論、土壓力理論、邊坡穩(wěn)定理論和地基承載力理論、土動(dòng)力學(xué)、環(huán)境土力學(xué)、地基加固的方法與理論等。這些理論的發(fā)展與研究是遵循一定的規(guī)律的。隨著研究的深入，現(xiàn)代土力學(xué)迅速地發(fā)展，土力學(xué)在由經(jīng)驗(yàn)逐步過(guò)渡到理論方面取得了重要的進(jìn)展，但是 1）沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，各種概念和方法之間缺少有機(jī)的聯(lián)系和統(tǒng)一的理論基礎(chǔ) 2）土是自然沉積而形成的，通常是不均勻的；僅靠少數(shù)幾個(gè)空間點(diǎn)的土

7、樣試驗(yàn)結(jié)果難以全面地描述不均勻建筑場(chǎng)地整體的物理力學(xué)性能 3）土的三相性導(dǎo)致土體的物理力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜和易變，難以準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)模型描述 4）土的邊界條件難以準(zhǔn)確的給出或確定 5）由于擾動(dòng)、易變以及測(cè)試誤差的存在，土性參數(shù)很粗糙，它很難準(zhǔn)確和高質(zhì)量地得到 6）受目前測(cè)試儀器和測(cè)試水平的限制，難以滿足復(fù)雜本構(gòu)模型對(duì)測(cè)試參數(shù)在多樣性和質(zhì)量上的要求 7）土的抗剪強(qiáng)度的工程測(cè)定方法幾十年沒(méi)有本質(zhì)的變化（指飽和土），難以對(duì)建筑場(chǎng)地中土的強(qiáng)度給出全面而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，其測(cè)定的結(jié)果不確定性很大 由于上述原因?qū)е峦亮W(xué)中的分析方法不確定性非常大，土力學(xué)中的公式不能像其它力學(xué)公式那樣去認(rèn)識(shí)和理解。在土力學(xué)中由于這種不

8、確定性的存在，任何公式或計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性從來(lái)不會(huì)超過(guò)粗略的大致估計(jì)。而這種不確定性的范圍和大小只有靠長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)才能夠判斷和認(rèn)識(shí)。因此，經(jīng)驗(yàn)在土力學(xué)中具有巨大的作用。3、 土力學(xué)的發(fā)展特點(diǎn)1、試驗(yàn)和實(shí)踐的重要性 土力學(xué)研究的特點(diǎn)，往往是先技術(shù)、后理論、先實(shí)驗(yàn)、后理論。因此，對(duì)于土力學(xué)而言，由于它不是基礎(chǔ)科學(xué)的范疇，而是屬于技術(shù)科學(xué)的范疇，理論、試驗(yàn)、實(shí)踐三者是互為因果，不可分離的。理論雖然十分重要，但如果沒(méi)有試驗(yàn)和實(shí)踐，就將停止發(fā)展并失去意義了。 土力學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，土力學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)在建筑工程實(shí)踐中十分重要，而且在土力學(xué)理論的形成和發(fā)展過(guò)程中起著決定性作用。離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試

9、土力學(xué)理論就無(wú)法發(fā)展。另一方面，土工試驗(yàn)如果離開(kāi)了理論的指導(dǎo)，也就失去了意義。二者是相輔相成的。試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法是在理論指導(dǎo)下提出的。于是，研制新儀器，提出新的試驗(yàn)方法，用試驗(yàn)證實(shí)了設(shè)想，則設(shè)想就上升為理論，或者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了新的規(guī)律，就總結(jié)出了理論。我們無(wú)法預(yù)知下一世紀(jì)會(huì)出現(xiàn)哪些新儀器、新方法，但可以肯定，土工實(shí)驗(yàn)與測(cè)試領(lǐng)域必定會(huì)有新的發(fā)展，因?yàn)橥亮W(xué)理論的發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，兩者是同步進(jìn)行、互動(dòng)發(fā)展的。2、理論與經(jīng)驗(yàn)孰輕孰重關(guān)于土力學(xué)的發(fā)展存在兩種不同的觀點(diǎn)：1.認(rèn)為土力學(xué)的理論很不完善，需要不斷的發(fā)展和完善；2.需要發(fā)展和積累更多的適用于不同情況的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)；還認(rèn)為理論的發(fā)展并不很重要

10、。從工程師的角度，第二種觀點(diǎn)是可以理解的；但就土力學(xué)本身的發(fā)展而言，如果不把僅適用于特殊情況的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)提升為具有普遍性的理論，就不可能推動(dòng)土力學(xué)向前發(fā)展，土力學(xué)也不可能走出幼年階段而達(dá)到成熟。3、本構(gòu)模型研究的兩個(gè)方向開(kāi)展土力學(xué)的本構(gòu)模型研究可以從兩個(gè)方向努力：一是努力建立用于解決實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)用模型；一是為了建立能進(jìn)一步反映某些巖土體應(yīng)力應(yīng)變特性的理論模型。理論模型包括各類彈性模型、彈塑性模型、粘彈性模型、粘彈塑性模型、內(nèi)時(shí)模型和損傷模型，以及結(jié)構(gòu)性模型等。它們應(yīng)能較好反映巖土的某種或幾種變形特性，是建立工程實(shí)用模型的基礎(chǔ)。工程實(shí)用模型應(yīng)是為某地區(qū)巖土、某類巖土工程問(wèn)題建立的本構(gòu)模型

11、，它應(yīng)能反映這種情況下巖土體的主要性狀。用它進(jìn)行工程計(jì)算分析，可以獲得工程建設(shè)所需精度的滿意的分析結(jié)果。例如建立適用于基坑工程分析的上海粘土實(shí)用本構(gòu)模型、適用于沉降分析的上海粘土實(shí)用本構(gòu)模型，等等。筆者認(rèn)為研究建立多種工程實(shí)用模型可能是本構(gòu)模型研究的方向。四、土力學(xué)的發(fā)展方向 現(xiàn)代的建筑工程越來(lái)越多樣化、復(fù)雜化、大型化。隨著高層建筑、城市地下空間的利用和高速公路的發(fā)展，人們將不斷拓展新的生存空間。開(kāi)發(fā)地下空間、向海洋拓寬、修建跨海大橋、海底隧道和人工島，土石壩的高度也由幾十米發(fā)展到百米級(jí)、甚至幾百米級(jí)。此外一些大型橋梁、碼頭、機(jī)場(chǎng)等工程也越來(lái)越大。這些人類文明發(fā)展的實(shí)踐需求，都對(duì)土力學(xué)學(xué)科提出

12、了更高的要求，從而激勵(lì)了學(xué)科的迅速發(fā)展。展望21世紀(jì)，土力學(xué)的這些領(lǐng)域都要發(fā)展，都會(huì)發(fā)展，而且各領(lǐng)域是互相聯(lián)系、互相影響的，不可偏廢。但也要承認(rèn)發(fā)展是不平衡的，有些領(lǐng)域相對(duì)比較穩(wěn)定，有些則可能會(huì)有突破性發(fā)展。1、信息化施工方法根據(jù)原位測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到巖土工程施工過(guò)程中的各種信息進(jìn)行反分析，根據(jù)反分析結(jié)果修政設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。這種信息化施工方法被認(rèn)為是合理的施工方法，是發(fā)展方向。 發(fā)展原位測(cè)試技術(shù)、現(xiàn)有原位測(cè)試方法如標(biāo)貫、觸探只能用于中小型工程、鉆孔取土愈深、土的結(jié)構(gòu)破壞愈大加上室內(nèi)試驗(yàn)與原位試驗(yàn)之間存在著不可忽視的差別，如壓縮模量是在無(wú)側(cè)向變形條件下測(cè)出的而土的初始應(yīng)力狀況與沉積條件有關(guān)對(duì)此我

13、們知之甚少，但從完全相同的條件下實(shí)測(cè)證明壓縮模量較高的土，計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)沉降相差愈大，現(xiàn)在的建設(shè)規(guī)模的特點(diǎn)是基礎(chǔ)面積可大到1萬(wàn)m以上最大柱荷載可達(dá)3000t，埋深一般為m樁長(zhǎng)巳達(dá)到m對(duì)深層土的物理力學(xué)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法的研究應(yīng)當(dāng)提到重要位置、在科學(xué)技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，利用近代技術(shù)解決這個(gè)難題是有可能的，否則地基設(shè)計(jì)只能停留在半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)。2、工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)分析研究開(kāi)展土力學(xué)工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)分析研究是一個(gè)重要的研究方向。土力學(xué)工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)分析范圍和領(lǐng)域很廣，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算分析領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大。包括各種數(shù)值計(jì)算方法，土坡穩(wěn)定分析，極限數(shù)值方法和概率數(shù)值方法，專家系統(tǒng)、AutoCAD技術(shù)和

14、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在土力學(xué)工程中應(yīng)用，以及土力學(xué)工程反分析等方面。土力學(xué)工程計(jì)算機(jī)分析還包括動(dòng)力分析，特別是抗震分析。土力學(xué)工程計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外，離散單元法(DEM)、拉格朗日元法(FLAC)，不連續(xù)變形分析方法(DDA)，流形元法(MEM)和半解析元法(SAEM)等也在土力學(xué)工程分析中得到應(yīng)用。 隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和存儲(chǔ)能力的飛速發(fā)展,計(jì)算方法的日益完善,數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究未知領(lǐng)域的強(qiáng)有力的工具。但在工程實(shí)際中使用土力學(xué)的數(shù)值分析方法卻存在一些問(wèn)題，這樣就產(chǎn)生了支持和反對(duì)在土力學(xué)中使用數(shù)值分析方法的不同意見(jiàn)。土力學(xué)問(wèn)題中使用數(shù)值分析方法支持意見(jiàn)反對(duì)意見(jiàn)1、

15、 能夠做任何傳統(tǒng)的分析方法所能做到的分析和計(jì)算2、 它能解出復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的解，因而能夠從機(jī)理上預(yù)測(cè)土的工程性質(zhì)，而不是統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)性的描述，這是一大優(yōu)點(diǎn)。而簡(jiǎn)化或經(jīng)驗(yàn)分析方法有時(shí)只能描述其表面和形式上的關(guān)系。3、 既能處理簡(jiǎn)單問(wèn)題，也能處理復(fù)雜問(wèn)題1、 使用復(fù)雜，難以被工程師掌握。2、 數(shù)值分析方法本身的不確定性導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際不符3、 使用的本構(gòu)模型有局限性難以反映土的實(shí)際情況導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際不符4、 采用模型要求較多的參數(shù)，而這些參數(shù)又難以用簡(jiǎn)單試驗(yàn)獲得5、 精確的數(shù)值分析結(jié)果會(huì)誤導(dǎo)使用者迷信這些結(jié)果的精確性，而沒(méi)有認(rèn)識(shí)到隱藏的不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故 表1 數(shù)值分析方法的不同

16、意見(jiàn) 3、上部結(jié)構(gòu)與地基共同作用 上部結(jié)構(gòu)與地基共同作用問(wèn)題，這是房屋地基設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)計(jì)算中的重要課題，它涉及地基應(yīng)力分布地基變形計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)對(duì)沉降敏感性及調(diào)整變形能力等在地下空間開(kāi)發(fā)利用的情況下，多層地下大空間框筏結(jié)構(gòu)已代替了箱形基礎(chǔ)，加之建筑上要求裙房與主摟之間不設(shè)沉降縫，出現(xiàn)了在基礎(chǔ)寬度近百米，面積超過(guò)1萬(wàn)平米的厚筏上建造多個(gè)建筑物的情況。 地基與建(構(gòu))筑物相互作用與共同分析已引起人們重視并取得一些成果，但將共同作用分析普遍應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，其差距還很大。大部分的工程設(shè)計(jì)中，地基與建筑物還是分開(kāi)設(shè)計(jì)計(jì)算的。進(jìn)一步開(kāi)展地基與建(構(gòu))筑物共同作用分析有助于對(duì)真實(shí)工程性狀的深入認(rèn)識(shí)，提高工程設(shè)

17、計(jì)水平?，F(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展為地基與建(構(gòu))筑物共同作用分析提供了良好的條件。目前迫切需要解決各類工程材料以及相互作用界面的實(shí)用本構(gòu)模型，特別是界面間相互作用的合理模擬。4、特殊土質(zhì)的處理 特殊土性質(zhì)與利用處理，經(jīng)過(guò)幾十年的研究與工程實(shí)踐，我國(guó)已取得很多有價(jià)值的成果。當(dāng)前存在的難題是如何解決沿海深厚高孔隙未正常固結(jié)淤泥的長(zhǎng)期大量沉降問(wèn)題，在工程上表現(xiàn)為倉(cāng)庫(kù)地坪開(kāi)裂、下陷，高速公路路基不均勻下沉、城市街道路面及管道開(kāi)裂等。其次是現(xiàn)有處理方法沒(méi)有注意到沉降問(wèn)題。至于處理工藝落后、檢驗(yàn)手段缺乏的現(xiàn)狀亦應(yīng)從速研究解決。5、環(huán)境土力學(xué)工程 環(huán)境土力學(xué)工程是巖土工程與環(huán)境科學(xué)密切結(jié)合的一門(mén)新學(xué)科。它

18、主要應(yīng)用土力學(xué)工程的觀點(diǎn)、技術(shù)和方法為治理和保護(hù)環(huán)境服務(wù)。人類生產(chǎn)活動(dòng)和工程活動(dòng)造成許多環(huán)境公害，如采礦造成采空區(qū)坍塌，過(guò)量抽取地下水引起區(qū)域性地面沉降，工業(yè)垃圾、城市生活垃圾及其它廢棄物，特別有毒有害廢棄物污染環(huán)境，施工擾動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響等等。另外，地震、洪水、風(fēng)沙、泥石流、滑坡、地裂縫、隱伏巖溶引起地面塌陷等災(zāi)害對(duì)環(huán)境造成破壞。上述環(huán)境問(wèn)題的治理和預(yù)防給巖土工程師們提出了許多新的研究課題。隨著城市化、工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快，環(huán)境巖土工程研究將更加重要。應(yīng)從保持良好的生態(tài)環(huán)境和保持可持續(xù)發(fā)展的角度予以高度重視。 關(guān)于土的理論，經(jīng)過(guò)不少學(xué)者的艱辛研究和探討，已取得不少成果，但進(jìn)一步的發(fā)展還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。作為當(dāng)今科技的驅(qū)動(dòng)器，計(jì)算機(jī)是不可或缺的，發(fā)展數(shù)值分析是土力學(xué)的一個(gè)研究方向。數(shù)學(xué)是一切自然學(xué)科的基石，數(shù)學(xué)的發(fā)展必將促進(jìn)土力學(xué)的發(fā)展，作為一個(gè)工程師，扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底是其巨大的優(yōu)勢(shì)。天然土是復(fù)雜的，不可能按某種配方將其制作出來(lái)，因此數(shù)值模擬和理論分析不能解決所有問(wèn)題，試驗(yàn)對(duì)土力學(xué)的發(fā)展是必不可少的，是相當(dāng)重要的，經(jīng)不起實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論，即使再完美也是沒(méi)有任何實(shí)際工程意義的。相信