土力學發(fā)展史回顧

1、土力學土力學發(fā)展史回顧土力學的發(fā)展可以劃分成以下三個歷史時期。萌芽期 (17731923 土力學的發(fā)展當以Coulomb首開先河，他在1773年發(fā)表了論文極大極小準則在若干靜力學問題中的應用，為今后的土體破壞理論奠定了基礎。但是，在此后的漫長的150年中，研究工作只是個別學者在探索著進行，而且只限于研究土體的破壞問題。兩篇有代表性的論文是1857年英國人Rankine關于土壓力的理論和瑞典工程師Petterson針對Goteborg港滑坡提出的分析方法。20世紀初隨著高層建筑的大量涌現(xiàn)，沉降問題開始突出，與土力學緊密相關的學科彈性力學的發(fā)展為沉降問題的研究提供了必要的手段，從而為了Terzag

2、hi開創(chuàng)的土體變形研究提供了客觀條件。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，接著又在另一文獻中提出了著名的有效應力原理，從而建立起一門獨立的學科土力學。此后，隨著彈性力學的研究成果被大量吸引過來，變形問題的研究越來越成為重要的內(nèi)容，但是，土體的破壞問題始終是當時土力學研究的主流。這一時期在土體破壞理論研究方面的主要成就有： Fellenius，Taylor和Bishop等關于滑弧穩(wěn)定分析方法的建立與完善； Terzaghi關于極限土壓力的研究和提出承載力公式；散粒體靜力學的建立； Shield和沈珠江等關于

3、土體破壞的運動方程和極限平衡理論的建立。而在變形理論方面則有： 地基沉降計算方法的建立與完善； Mindlin公式的提出及其在樁基沉降計算中的應用；彈性地基梁板的計算； 砂井固結理論； Biot固結理論的提出和完善。古典土力學可以歸結為一個原理有效應力原理和兩個理論以彈性介質和彈性多孔介質為出發(fā)點的變形理論和以剛塑性模型為出發(fā)點的破壞理論(極限平衡理論。前一理論隨著1956年Biot動力方程的建立而劃上一個完滿的句號；后一理論則于60年代初完成了基本的理論框架。但是，真實的土體決不是理想彈性體，也不是理想剛塑性體?？梢钥紤]土體兩個基本特性(壓硬性和剪脹性的現(xiàn)代土力學理論在50年代初巳開始蘊釀，

4、例如Skempton的著名公式中孔隙壓力系數(shù)A13就是剪脹性的體現(xiàn)，而Janbu的模量公式中對3的考慮就是壓硬性的體現(xiàn)。一方面，隨著認識的深化，人們已越來越不滿足于理想彈性介質和理想剛塑性介質這樣簡單化的描述，另一方面，現(xiàn)代電子計算技術的發(fā)展為采用復雜的模型提供了手段，從而為現(xiàn)代土力學的建立創(chuàng)造了客觀條件，而Roscoe的工作則直接導致現(xiàn)代土力學的誕生，現(xiàn)代土力學 雖然在50年代已有人對塑性理論應用于土力學的可能性進行過探索，但只有到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。經(jīng)過30多年的努力，現(xiàn)代土力學已

5、越過重要的階段而漸趨成熟，并正在下列幾方面取得重要進展：非線性模型和彈塑性模型的深入研究和大量應用；損傷力學模型的引入與結構性模型的初步研究；非飽和土固結理論的研究；砂土液化理論的研究；剪切帶理論及漸進破損問題的研究；土的細觀力學研究等。當然，在這一段時間內(nèi)，古典土力學框架內(nèi)尚未解決的一些問題繼續(xù)有人在研究，并取得許多進展，例如土與結構共同作用、土體極限分析中的不均勻和非線性問題，而土工數(shù)值分析更是這一段時間內(nèi)才發(fā)展起來的。另外土工測試技術等方面也取得很大進展，特別是原位測試技術和離心模型試驗技術。就土力學理論研究而言，上述6項中只有第一項已比較成熟，其它幾項有的剛剛起步，有的雖已研究多年，尚

6、未取得重大突破。但是，時至今日，現(xiàn)代土力學理論的基本輪廓已逐漸清晰。中國學者的貢獻 我國對土力學的研究始于1945年黃文熙在中央水利實驗處創(chuàng)立第一個土工試驗室，但是，大規(guī)模的研究則是在中華人民共和國成立以后隨著一批國外國學人員回國和50年代初大批青年學者參加工作以后才開始的。40多年來，各方面都取得了長足的進展，提出許多重要成果，為土力學的發(fā)展和完善作出了積極的貢獻。例如，在土的特性方面有劉祖典等對黃土濕陷特性的研究，魏汝龍對軟粘土強度變形特性的研究和汪聞韶對砂土動力特性的研究等；在理論和計算方面，有黃文熙對地基應力和沉降計算方法方面的改進，陳宗基的流變模型，錢家歡應用李氏比擬法求解粘彈性多孔

7、介質的固結問題，謝定義關于砂土液化理論的研究，沈珠江關于有效應力動力分析方法的研究，以及同濟大學關于土與結構共同作用的研究和浙江大學關于動力波傳播的研究等，在試驗技術方面有黃文熙提議和汪聞韶負責建成的振動三軸儀；在應用方面有軟土地基的真空預壓、廣灌漿技術和滑坡支擋技術等。近幾年來，一批基礎扎實、思想活躍的青年學者投身于土力學的研究，作出了不少新的貢獻，特別是國內(nèi)培養(yǎng)的一批博士，寫出了不少高質量的論文。這些成果中屬于理論方面的將在本書中得到反映?？偟恼f來，我國的土力學研究水平在理論分析和工程應用方面，與世界各國相比并不遜色，當然在測試技術方面尚比較落后?，F(xiàn)代土力學的展望現(xiàn)代土力學的研究，呈現(xiàn)以下

8、幾個特點：(1對土的力學特性的認識越來越深入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象，例如應力路線的依賴性、強剪縮性(表現(xiàn)泊松比小于0和反向剪紹(剪應力減小時發(fā)生體縮等，而一些研究多年的力學特性，如黃土濕陷、砂土液化、粘土斷裂等現(xiàn)象，也有了更深入的認識。許多問題不但經(jīng)典土力學理論無法解釋，現(xiàn)有的非線性和彈塑性本構理論也無能為力。目前，不少學者正在探索新的思路，包括從細觀結構上進行研究。(2由于土的特性多變，人們越來越不滿足于一個土層具有一定力學指標的定值研究方法，從70年代開始的土的隨機性研究正方興未艾。(3隨著電子計算技術的發(fā)展，再復雜的數(shù)學方程和工程條件，也可以通過數(shù)值分析求解和模擬，土工數(shù)值分析正是當前

9、最熱門的研究課題之一。(4盡管取土技術在不斷改進，但是越來越多的人認識到，室內(nèi)土樣試驗的結果常常不能反映現(xiàn)場的實際情況，原位測試技術正成為土力學的一個重要組成部分。(5土工離心模型試驗雖然始于30年代，但真正大規(guī)模的發(fā)展則是近20年的事。離心模型試驗的完善與成熟將使實驗土力學變成土力學的一個完整的分支。(6“邊設計邊觀測”曾是Terzaghi和Peck提出的一種研究方法，用現(xiàn)代術語說這就是反饋分析。一方面用現(xiàn)代先進技術進行原體觀測，一方面用現(xiàn)代計算技術進行反饋分折，通過這一途徑改進當前或今后的工程設計，無疑是現(xiàn)代土力學的一個重要特點。(7土力學的實際應用離不開工程師的經(jīng)驗，在現(xiàn)代計算技術的基礎

10、上建立聯(lián)系理論 與經(jīng)驗的專家系統(tǒng)，必將是現(xiàn)代土力學的一個重要內(nèi)容。綜上所述，現(xiàn)代土力學可以歸結為一個模型、三個理論和四個分支。一個模型即本構模型，特別是指結構性模型。這是因為迄今為止所提出的本構模型都是從重塑土的變形特點出發(fā)的，并把顆粒之間的滑移看作塑性變形的根源，而包括砂土在內(nèi)的天然土類都具有內(nèi)部結構，變形過程必然伴隨著結構的破壞和改變。因此發(fā)展新一代的結構性模型是現(xiàn)代土力學的核心問題。三個理論即一個變形理論和兩個破壞理論，其主要目標如下，(1非飽和土固結理論，這是飽和土固結理論的推廣，必須建立在合理的本構模型的基礎上，并用于分析黃土、膨脹土和凍土的變形問題。(2液化破壞理論，即描述由于孔隙

11、壓力升高而導致土體破壞的理論，其核心是要建立一個能反映復雜應力路線下變形規(guī)律的本構模型，研究對象既可以是飽和砂土，也可以是飽和粘土。(3漸進破壞理論，即描述荷載增加情況下土體真實破壞過程的理論，它的建立可能要運用損傷力學、細觀力學和分叉理論等現(xiàn)代力學分支，最后要完成對應變軟化問題和剪切帶形成過程的數(shù)學模擬。四個分支即理論土力學、計算土力學、實驗土力學和應用土力學，后者也可以叫做土工學(Soil Engineering，各自的主要內(nèi)容如圖l所示，其中的室內(nèi)模擬試驗是指把土樣當作邊值問題進行試驗研究，與把土樣當作一個元素進行試驗有根本的不同?，F(xiàn)代土力學已有30多年的歷史，可能還需要30年才能大體上

12、完成其基本框架。本構模型理論土力學的地位“從實踐中來，到實踐中去”，這是任何學科發(fā)展的必由之路，當然也是實用性很強的土力學的發(fā)展的必由之路。固結理論是從地基沉降計算的需要出發(fā)而建立起來的，在指導地基設計中得到不斷發(fā)展和完善，便是對這一命題的最好說明。這里“來”包含兩重意義，一是理論為生產(chǎn)實踐的需要而提出，二是從具體事例中抽象出來；“去”也包含兩重意義， 一是對實踐的指導，二是到實際中進行檢驗。不符合上述原則的理論是脫離實際的，它要么是無用的，要么是錯誤的。已提出的許多本構模型中大部分沒有多大的實用價值，有的從未被工程師們所接受，就是例證。但是，正確的理論一旦為廣大的工程師所掌握，就一定會產(chǎn)生巨

13、大的力量。有效應力原理對飽和土的變形和強度理論的影響及其在軟基加固和砂土液化分析中的作用，就是最好的例證。相反，許多學者孜孜不倦追求的所謂“粒間應力”理論，則是錯誤的，因為土體骨架僅僅是人們頭腦中的一種抽象，不能人為地把土體割裂成骨架和孔隙流體兩部分。這種錯誤傾向在非飽和土有效應力原理的研究中更曾引起不少混亂。另一方面，土力學中尚有許多理論沒有被廣泛地把握，在實踐中出現(xiàn)過一些盲目做試驗、寫論文或者盲目設計、施工等問題。例如古典的土體破壞理論中采用了剛塑性體的假設，實際的土體破壞過程與理論相差甚遠，因此，對試樁曲線上確定破壞點的問題，找出一個比前人更合理的辦法恐怕是徒勞的。所謂合理，應當是符合剛

14、塑性體的假設，這顯然是做不到的。在這里，最好還是用約定俗成的經(jīng)驗辦法。又如在有限元法引人土工計算的初期，曾有人對每一個單元計算安全系數(shù)，然后以某種方式平均得出整體的安全系數(shù)。這種方法是不可取的，因為它混淆了設計應力狀態(tài)與極限應力狀態(tài)，不符合極限設計的基本原則。還有一個末被所有人認識的例子是土的剪縮性。粗粒料在低圍壓下剪脹，高圍壓下剪縮。因此，許多在重力場下所做的土槽模型試驗，有的可以定性地模擬實際情況，有的則連定性都做不到，甚至可能得到錯誤的結果。例如100m高的堆石壩，如果做成1m高的模型放在振動臺上，振動過程中壩坡將逐漸鼓出，實際遇到地震時由于堆石體的剪縮，壩頂會有相當?shù)乃?，但壩被不一?/p>

15、有明顯的鼓出。當混凝土板與土石料接觸時，接觸面上的摩控力方向可能因剪脹或剪縮而改變，從而板內(nèi)本來是壓應力的地方出現(xiàn)拉應力，因此試驗結果甚至定性上也是錯誤的。綜上所述，可見正確把握土力學基本理論的重要性。如果說，有效應力原理是古典土力學的核心，曾經(jīng)發(fā)揮過巨大作用，那么現(xiàn)代土力學的核心問題必定是本構模型。在某種意義上，古典土力學只能稱為彈性土力學，它的大部分成果只是借用彈性力學中已有的解答，而真正的土力學必須建立在符合土本身特性的本構模型的基礎上，因此，一個優(yōu)秀的土工工程師必須對土的本構模型有基本的了解，掌握常用的本構模型的適用性與局限性，并善于選用適應實際工程特點的模型。土力學理論問題的研究方法

16、理論問題的研究途徑，無非是歸納法和演繹法(包括類比法的交替使用。一方面能掌握土的基本物理力學性質，一方面善于借用相鄰學科中行之有效的方法，這是取得成功的必由之路。Terzaghi固結理論就是一個很好的實例，它是從建筑物實際沉降觀測中歸納出來的，又是借用了熱傳導理論中已有的解答。從一個領域歸納出來的理論或從更普遍的公理演繹出來的理論，能否用于另一個領域，需要檢驗，并根據(jù)實際情況加以一定的修正。典型的例子如DruckerPrager模型，純粹是從金屬塑性理論和Drucker公設推演出來的，雖然在巖石力學中有人還在用，但始終沒有得到土工工程師的普追認同；而帽子形的劍橋模型，雖然也借用了金屬塑性理論的

17、基本概念，但經(jīng)過修正，可以考慮土的體積塑性應變和剪縮性，從而得到較廣泛的應用。適用于一種土類的理論，搬到另一種土類，往往也會出現(xiàn)同樣的問題。例如Coulomb摩擦定律是從總結砂土的破壞規(guī)律得出的，應用于粘土，就產(chǎn)生一系列的問題，歷史上曾對粘土的三種強度理論，即總強度理論、真強度理論和有效強度理論，產(chǎn)生過很大的爭論。總之，借用相鄰學科中的成熟的東西，始終是理論研究的一條捷徑，但成功與否，關鍵在于把握所研究對象的具體特點，加以靈活運用。如果僅僅從相鄰學科中引進一些新名詞，而不深入研究土的具體特性，恐怕算不上什么創(chuàng)新。理論研究離不開假設?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有假設就沒有理論。土力學中常用的假設也很多

18、，如小應變假設、各向同性假設、Winker假設等。其中最重要的有效應力路線無關的假設，土力學發(fā)展史上許多重大的爭論往往是圍繞這一假設而展開的。有效應力強度指標與應力路線無關的假設今天已被普遍接受，但是對于具有較強結構性的土類，這一假設未必正確。近年來受到廣泛注意的塑性應變方向與應力路線無關的假設(塑性勢假設是又一個例子。假設是對復雜事物的一種簡化，只要能在一定范圍內(nèi)適用，簡化假設就會有生命力，土的彈性體假設就是例證。假設越少，考慮的因素越全面的理論，如果使用起來太復雜，就未必優(yōu)于更簡單的理論，有的甚至是畫蛇添足，多此一舉。該簡單的地方簡單，恢復雜的地方復雜，這恐怕是研究工作的一條重要原則。例如

19、率無關假設(即不考慮流變，對大部分土類適用，對某些土可能不適用。但即使對同一種土類，也不能籠統(tǒng)地說都要考慮或者都不要考慮。軟粘土的流變現(xiàn)象是比較明顯的，但很多情況下可以不必考慮。例如60年代曾發(fā)現(xiàn)許多建于斜坡上的碼頭結構遭到破壞，當時許多人把原因歸之于軟土的剪切流變。以后的研究表明，主要的原因是土層壓縮變形引起的差異沉降造成的。砂土料的流變特性不明顯，但如果和混凝土構件相互作用，持續(xù)的少量變形可能引起構件破壞，則同樣需要考慮。地下洞室的支護中甚至?？紤]巖石的流變，就是例證。總之，任何一項有價值的理論研究成果都必須有明確的基本假設，能大致規(guī)定其適用范圍，并通過對比(包括與已有理論的對比及試驗資料

20、和原型觀測資料的對比證明其優(yōu)越性。土的力學性質土的力學性質是建立土的強度和本構理論的基礎，而強度和本構理論的研究又進一步深化人們對土的力學性質的認識。本節(jié)介紹土的基本力學特性和重要力學特性。所謂基本力學特性，是指對所有土類和主要受力階段都有重要影響的力學性質，是土區(qū)別于其它工程材科的標志，而重要力學特性則是指對一定土類在一定受力階段有重要影響的，在其它情況下可以忽略不計。土的基本特性有兩個，即壓硬性和剪脹性，因此土可以定義為具有壓硬性和剪脹性的工程材料。按照這一定義，堆石體也應看作土的一種。土的重要特性很多，例如非線性、流變性性、各向異性等等。土的許多力學特性與其顆粒排列和顆粒間結合情況即結構

21、性有關，涉及這方面的問題將后續(xù)章節(jié)介紹。一、 基本力學特性壓硬性 指土的強度和剛度隨壓應力的增大而增大和隨壓應力的降低而降低。庫侖摩擦定律是有關壓硬性的最早表述，Hvorslev把這一定律推廣用于粘性土。至于模量方面，則下列Janbu公式是有關壓硬性的最明確的體現(xiàn)式中：K和n為常數(shù)。在土力學的理論和實踐中，人們無不自覺或不自覺地應用土的這一基本特性。軟土的 排水固結就是明顯的例證，粘土孔隙壓力研究的最終目的無非就是為了判斷有效壓應力可能增加多少。許多工程的成功和失敗正是與是否正確運用這一特性有關。例如，軟粘土上填土要求慢速施工，硬粘土中開挖則要求快速施工和及時回填。剪脹性 指土體在剪切時產(chǎn)生體

22、積膨脹或收縮的特性。密砂剪脹，松砂剪縮，早在30 年代就廣為人知。據(jù)此，Casagrande提出了表征不脹不縮的臨界孔隙比的概念。粘土的剪脹性，雖然亦早在1936年就為Rendulic發(fā)現(xiàn)，但長期沒有引起注意。Skempton于1954年提出著名的孔隙壓力公式再次把粘性土的剪脹性提了出來，因A13就意味剪脹或剪縮。至60年代初，魏汝龍對土的剪脹性作了較全面的總結，此后剪脹性的概念逐漸被普遍接受。如果把應力張量分為球張量和偏張量兩部分，壓硬性表示應力球張量對應變偏張量的 影響，而剪脹性則表示應力偏張量對應變球張量的影響。這就意味著應力球張量一應變偏 張量和應力偏張且一應變球張量之間存在交叉影響，下列廣義虎克定律不再適用而必須改用下式代之式中； 和；Kp、Kq 和Gp、Gq則可以分別稱為壓縮模量、剪脹模量、壓硬模量和剪切模量，以上表述實際上就是次彈性模型的一種。二、重要力學特性各向異性 引起各向異性的原因有兩個，一是天然土在沉積過程中或人工土在填筑過 程中形成的，二是受力過程中逐漸形成的，與扁平形顆粒的扁平面取向于垂直大主應力方向有關，后者常稱應力引起的各向異性。本構模型中是否要考慮第一種各向異性，須視情況而定，而第二種各向異性，則在一個好的模型中應