淺談土力學發(fā)展史及未來前景[業(yè)內資料]

1、 淺談土力學發(fā)展史及未來前景 摘 要： 從1773年法國庫侖創(chuàng)立了著名的土的抗剪強度的庫侖定律和土壓力理論，到1963 年，Roscoe發(fā)表著名的劍橋模型，土力學經(jīng)歷了萌發(fā)期、古典土力學、現(xiàn)代土力 學三個歷史時期。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，土力學從廣度和深度方面都有了長足發(fā)展。 在這個過程中人們充分認識到了試驗、實踐和經(jīng)驗的重要性。在未來土力學的發(fā)展 中信息化施工方法將成為一個趨勢，開展土力學工程問題計算機分析研究也將成為 一個重要的研究方向。關鍵詞：古典土力學 本構模型 信息化施工 數(shù)值模擬一、土力學發(fā)展的三個歷史時期1、萌發(fā)期(17731923） 1773年法國庫侖根據(jù)試驗，創(chuàng)立了著名的土的抗剪

2、強度的庫侖定律和土壓力理論。發(fā)表了極大極小準則在若干靜力學問題中的應用，為土體破壞理論奠定基礎。1857年英國朗肯提出又一種土壓力理論。1885年法國布辛尼斯克求得半無限空間彈性體，在豎向集中力作用下，全部6個應力分量和3個變形的理論解。在此后的漫長的150年中，而且只限于研究土體的破壞問題。2、古典土力學（19231963） 1923年，Terzaghi發(fā)表了著名的論文粘土中動水應力的消散計算，提出了土體一維固結理論，開創(chuàng)了土體變形研究。接著又在另一文獻中提出了著名的有效應力原理，從而建立起一門獨特的學科土力學。 古典土力學可歸結為： 一個原理有效應力原理 兩個理論以彈性介質和彈性多孔介質為

3、出發(fā)點的變形理論 以剛塑性模型為出發(fā)點的破壞理論（極限平衡理論） 傳統(tǒng)力學的研究內容可用框圖表示如下： 有效應力原理 應力分布理論 滲透固結理論 強度破壞理論 地基變形計算 土壓力、土坡穩(wěn)定、地基承載力計算3、現(xiàn)代土力學（1963今） 1963年，Roscoe發(fā)表了著名的劍橋模型，才提出第一個可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數(shù)學模型，因而可以看作現(xiàn)代土力學的開端。下列幾方面取得重要進展：1、非線性模型和彈塑性模型2、損傷力學模型與結構性模型3、非飽和土固結理論4、砂土液化理論的研究5、剪切帶理論及漸進破損6、土的細觀力學 二、土力學的發(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)代土木工程建設的特點。人們將不斷拓展新的生存空間，開發(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。展望土力學的發(fā)展，不能離開對我國現(xiàn)代土木工程建設發(fā)展趨勢的分析。 一個學科的發(fā)展還受科技水平及相關學科發(fā)展的影響。二次大戰(zhàn)后，特別是在20世紀60年代以來，世界科技發(fā)展很快。電子技術和計算機技術的發(fā)展，計算分析能力和測試能力的提高，使土力學計算機分析能力和室內外測試技術得到提高和進步。科學技術進步還促使土力學新材料和新技術的產(chǎn)生。如近年來土工合成材料的迅速發(fā)展成為土力學的一次革命。 土力學測試技術一般分為室內試驗技術、原位試驗技術和現(xiàn)場

5、監(jiān)測技術等幾個方面。在原位測試方面，地基中的位移場、應力場測試，地下結構表面的土壓力測試，地基土的強度特性及變形特性測試等方面將會成為研究的重點，隨著總體測試技術的進步，這些傳統(tǒng)的難點將會取得突破性進展。虛擬測試技術將會在土力學測試技術中得到較廣泛的應用。利用電子計算機技術、電子測量技術、光學測試技術、航測技術、電、磁場測試技術、聲波測試技術、遙感測試技術等方面的新的進展都有可能在土力學測試方面找到應用的結合點。 考察現(xiàn)代土力學的進展可以看到，雖然它取得了長足的進步，但這種進步并沒有從根本上改變上述致使土力學處于半理論半經(jīng)驗狀況的原因。這就是目前土力學的發(fā)展所處的水平 荷載的多維性、荷載隨時間

6、的變化、重復荷載、振動荷載，地層條件和邊界形狀的復雜性，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，土與結構的相互作用，時間、溫度等因素的作用等等。這引出了土力學學科許多領域，如土體本構理論、強度理論、流變理論、非飽和土力學理論、土壓力理論、邊坡穩(wěn)定理論和地基承載力理論、土動力學、環(huán)境土力學、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)代土力學迅速地發(fā)展，土力學在由經(jīng)驗逐步過渡到理論方面取得了重要的進展，但是 1）沒有堅實的理論基礎，各種概念和方法之間缺少有機的聯(lián)系和統(tǒng)一的理論基礎 2）土是自然沉積而形成的，通常是不均勻的；僅靠少數(shù)幾個空間點的土

7、樣試驗結果難以全面地描述不均勻建筑場地整體的物理力學性能 3）土的三相性導致土體的物理力學性質非常復雜和易變，難以準確地用數(shù)學模型描述 4）土的邊界條件難以準確的給出或確定 5）由于擾動、易變以及測試誤差的存在，土性參數(shù)很粗糙，它很難準確和高質量地得到 6）受目前測試儀器和測試水平的限制，難以滿足復雜本構模型對測試參數(shù)在多樣性和質量上的要求 7）土的抗剪強度的工程測定方法幾十年沒有本質的變化（指飽和土），難以對建筑場地中土的強度給出全面而準確的評價，其測定的結果不確定性很大 由于上述原因導致土力學中的分析方法不確定性非常大，土力學中的公式不能像其它力學公式那樣去認識和理解。在土力學中由于這種不

8、確定性的存在，任何公式或計算結果的準確性從來不會超過粗略的大致估計。而這種不確定性的范圍和大小只有靠長期工程經(jīng)驗才能夠判斷和認識。因此，經(jīng)驗在土力學中具有巨大的作用。3、 土力學的發(fā)展特點1、試驗和實踐的重要性 土力學研究的特點，往往是先技術、后理論、先實驗、后理論。因此，對于土力學而言，由于它不是基礎科學的范疇，而是屬于技術科學的范疇，理論、試驗、實踐三者是互為因果，不可分離的。理論雖然十分重要，但如果沒有試驗和實踐，就將停止發(fā)展并失去意義了。 土力學是一門實驗性很強的學科，土力學學科的實驗與測試技術在建筑工程實踐中十分重要，而且在土力學理論的形成和發(fā)展過程中起著決定性作用。離開了實驗和測試

9、土力學理論就無法發(fā)展。另一方面，土工試驗如果離開了理論的指導，也就失去了意義。二者是相輔相成的。試驗設備和試驗方法是在理論指導下提出的。于是，研制新儀器，提出新的試驗方法，用試驗證實了設想，則設想就上升為理論，或者通過試驗發(fā)現(xiàn)了新的規(guī)律，就總結出了理論。我們無法預知下一世紀會出現(xiàn)哪些新儀器、新方法，但可以肯定，土工實驗與測試領域必定會有新的發(fā)展，因為土力學理論的發(fā)展離不開實驗，兩者是同步進行、互動發(fā)展的。2、理論與經(jīng)驗孰輕孰重關于土力學的發(fā)展存在兩種不同的觀點：1.認為土力學的理論很不完善，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)驗公式和經(jīng)驗；還認為理論的發(fā)展并不很重要

10、。從工程師的角度，第二種觀點是可以理解的；但就土力學本身的發(fā)展而言，如果不把僅適用于特殊情況的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗提升為具有普遍性的理論，就不可能推動土力學向前發(fā)展，土力學也不可能走出幼年階段而達到成熟。3、本構模型研究的兩個方向開展土力學的本構模型研究可以從兩個方向努力：一是努力建立用于解決實際工程問題的實用模型；一是為了建立能進一步反映某些巖土體應力應變特性的理論模型。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、內時模型和損傷模型，以及結構性模型等。它們應能較好反映巖土的某種或幾種變形特性，是建立工程實用模型的基礎。工程實用模型應是為某地區(qū)巖土、某類巖土工程問題建立的本構模型

11、，它應能反映這種情況下巖土體的主要性狀。用它進行工程計算分析，可以獲得工程建設所需精度的滿意的分析結果。例如建立適用于基坑工程分析的上海粘土實用本構模型、適用于沉降分析的上海粘土實用本構模型，等等。筆者認為研究建立多種工程實用模型可能是本構模型研究的方向。四、土力學的發(fā)展方向 現(xiàn)代的建筑工程越來越多樣化、復雜化、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、甚至幾百米級。此外一些大型橋梁、碼頭、機場等工程也越來越大。這些人類文明發(fā)展的實踐需求，都對土力學學科提出

12、了更高的要求，從而激勵了學科的迅速發(fā)展。展望21世紀，土力學的這些領域都要發(fā)展，都會發(fā)展，而且各領域是互相聯(lián)系、互相影響的，不可偏廢。但也要承認發(fā)展是不平衡的，有些領域相對比較穩(wěn)定，有些則可能會有突破性發(fā)展。1、信息化施工方法根據(jù)原位測試和現(xiàn)場監(jiān)測得到巖土工程施工過程中的各種信息進行反分析，根據(jù)反分析結果修政設計、指導施工。這種信息化施工方法被認為是合理的施工方法，是發(fā)展方向。 發(fā)展原位測試技術、現(xiàn)有原位測試方法如標貫、觸探只能用于中小型工程、鉆孔取土愈深、土的結構破壞愈大加上室內試驗與原位試驗之間存在著不可忽視的差別，如壓縮模量是在無側向變形條件下測出的而土的初始應力狀況與沉積條件有關對此我

13、們知之甚少，但從完全相同的條件下實測證明壓縮模量較高的土，計算沉降與實測沉降相差愈大，現(xiàn)在的建設規(guī)模的特點是基礎面積可大到1萬m以上最大柱荷載可達3000t，埋深一般為m樁長巳達到m對深層土的物理力學指標的現(xiàn)場測定方法的研究應當提到重要位置、在科學技術飛躍發(fā)展的今天，利用近代技術解決這個難題是有可能的，否則地基設計只能停留在半經(jīng)驗狀態(tài)。2、工程問題計算機分析研究開展土力學工程問題計算機分析研究是一個重要的研究方向。土力學工程問題計算機分析范圍和領域很廣，隨著計算機技術的發(fā)展，計算分析領域還在不斷擴大。包括各種數(shù)值計算方法，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技術和

14、計算機仿真技術在土力學工程中應用，以及土力學工程反分析等方面。土力學工程計算機分析還包括動力分析，特別是抗震分析。土力學工程計算機數(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)等也在土力學工程分析中得到應用。 隨著計算機的計算速度和存儲能力的飛速發(fā)展,計算方法的日益完善,數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究未知領域的強有力的工具。但在工程實際中使用土力學的數(shù)值分析方法卻存在一些問題，這樣就產(chǎn)生了支持和反對在土力學中使用數(shù)值分析方法的不同意見。土力學問題中使用數(shù)值分析方法支持意見反對意見1、

15、 能夠做任何傳統(tǒng)的分析方法所能做到的分析和計算2、 它能解出復雜數(shù)學模型的解，因而能夠從機理上預測土的工程性質，而不是統(tǒng)計和經(jīng)驗性的描述，這是一大優(yōu)點。而簡化或經(jīng)驗分析方法有時只能描述其表面和形式上的關系。3、 既能處理簡單問題，也能處理復雜問題1、 使用復雜，難以被工程師掌握。2、 數(shù)值分析方法本身的不確定性導致預測結果與工程實際不符3、 使用的本構模型有局限性難以反映土的實際情況導致預測結果與工程實際不符4、 采用模型要求較多的參數(shù)，而這些參數(shù)又難以用簡單試驗獲得5、 精確的數(shù)值分析結果會誤導使用者迷信這些結果的精確性，而沒有認識到隱藏的不確定性，進而導致工程事故 表1 數(shù)值分析方法的不同

16、意見 3、上部結構與地基共同作用 上部結構與地基共同作用問題，這是房屋地基設計及基礎計算中的重要課題，它涉及地基應力分布地基變形計算，上部結構對沉降敏感性及調整變形能力等在地下空間開發(fā)利用的情況下，多層地下大空間框筏結構已代替了箱形基礎，加之建筑上要求裙房與主摟之間不設沉降縫，出現(xiàn)了在基礎寬度近百米，面積超過1萬平米的厚筏上建造多個建筑物的情況。 地基與建(構)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用于工程設計，其差距還很大。大部分的工程設計中，地基與建筑物還是分開設計計算的。進一步開展地基與建(構)筑物共同作用分析有助于對真實工程性狀的深入認識，提高工程設

17、計水平?，F(xiàn)代計算技術和計算機的發(fā)展為地基與建(構)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用本構模型，特別是界面間相互作用的合理模擬。4、特殊土質的處理 特殊土性質與利用處理，經(jīng)過幾十年的研究與工程實踐，我國已取得很多有價值的成果。當前存在的難題是如何解決沿海深厚高孔隙未正常固結淤泥的長期大量沉降問題，在工程上表現(xiàn)為倉庫地坪開裂、下陷，高速公路路基不均勻下沉、城市街道路面及管道開裂等。其次是現(xiàn)有處理方法沒有注意到沉降問題。至于處理工藝落后、檢驗手段缺乏的現(xiàn)狀亦應從速研究解決。5、環(huán)境土力學工程 環(huán)境土力學工程是巖土工程與環(huán)境科學密切結合的一門新學科。它

18、主要應用土力學工程的觀點、技術和方法為治理和保護環(huán)境服務。人類生產(chǎn)活動和工程活動造成許多環(huán)境公害，如采礦造成采空區(qū)坍塌，過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，施工擾動對周圍環(huán)境的影響等等。另外，地震、洪水、風沙、泥石流、滑坡、地裂縫、隱伏巖溶引起地面塌陷等災害對環(huán)境造成破壞。上述環(huán)境問題的治理和預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)展進程加快，環(huán)境巖土工程研究將更加重要。應從保持良好的生態(tài)環(huán)境和保持可持續(xù)發(fā)展的角度予以高度重視。 關于土的理論，經(jīng)過不少學者的艱辛研究和探討，已取得不少成果，但進一步的發(fā)展還遠沒有結束。作為當今科技的驅動器，計算機是不可或缺的，發(fā)展數(shù)值分析是土力學的一個研究方向。數(shù)學是一切自然學科的基石，數(shù)學的發(fā)展必將促進土力學的發(fā)展，作為一個工程師，扎實的數(shù)學功底是其巨大的優(yōu)勢。天然土是復雜的，不可能按某種配方將其制作出來，因此數(shù)值模擬和理論分析不能解決所有問題，試驗對土力學的發(fā)展是必不可少的，是相當重要的，經(jīng)不起實驗檢驗的理論，即使再完美也是沒有任何實際工程意義的。相信