清華大學(xué)李廣信：巖土工程的哲學(xué)思考

1、巖土工程的一些哲學(xué)思考巖土工程的一些哲學(xué)思考李廣信清華大學(xué)1. 前言2. 東方哲學(xué)與西方哲學(xué)3. 對象及主體間的關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化4. 感性認識與理性認識理論的價值5. 一個永恒流動與變化的體系6. 巖土工程的科學(xué)方法7. 人與自然的和諧巖土工程的任務(wù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 前言：巖土與人類v人類最早接觸和最早使用的材料：舊、中、新石器時代的標志是人類使用巖土材料的水平；v土與文化：幾大古文明中人類起源的傳說：不約而同地認為人是上帝（神）用土創(chuàng)造的；v表土與人類文明：人類的幾大古文明的發(fā)生與衰落;v土地與農(nóng)業(yè)：“普天之下，莫非王土” 權(quán)力與財富 ；朝代的更替；農(nóng)民戰(zhàn)爭 v農(nóng)業(yè)文明土與水v目前名川大河的中

2、下游，土層深厚形成農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、文化、政治中心v海洋文化：三角洲文明（交通與信息）v巖土與哲學(xué)的天然聯(lián)系。1. 前言：巖土材料n非連續(xù)性：顆粒與裂隙，巖石與巖體；n多相性：固體、水、氣體三相間的相互關(guān)聯(lián)及作用；n變異性：長期地質(zhì)歷史的產(chǎn)物：原狀性、區(qū)域性、不均勻性、各向異性；v巖土工程是充滿了不確定性及風險與挑戰(zhàn)，充滿了哲學(xué)的命題；v巖土工程科學(xué)與哲學(xué)以哲學(xué)的高度來認識。2. 東方哲學(xué)與西方哲學(xué)v亞里士多德已經(jīng)說過：這些較早的哲學(xué)家都設(shè)想原初本質(zhì)是某種物質(zhì)：空氣和水；后來赫拉克利特設(shè)想是火，但是沒有一個人設(shè)想是土，因為它的組成太復(fù)雜。（天然辯證法）v一曰金，二曰木，三曰水，四曰火，五曰土；水曰潤

3、下，火曰炎上，木曰曲直，金曰從革，土爰稼穡土爰稼穡。（尚書洪范）2. 東方哲學(xué)與西方哲學(xué)v西方哲學(xué)強調(diào)萬物的組成及分析，西方哲學(xué)強調(diào)萬物的組成及分析，v東方哲學(xué)強調(diào)萬物間的相生相滅。東方哲學(xué)強調(diào)萬物間的相生相滅。v東方哲學(xué)崇尚宏觀與定性，主張感悟: 陰陽、五行、八卦，經(jīng)絡(luò)；v西方哲學(xué)崇尚精密與定量，強調(diào)理性:結(jié)構(gòu)構(gòu)件分子原子電子光子量子，以太。生物器官細胞基因時空的無限性v“天地玄黃，宇宙洪荒”（千字文）；v“大哉乾元，至哉坤元，萬物資生，乃順承天”（易經(jīng)）；v“道在天地之間也，其大無外，其小無內(nèi)?！保ü茏有男g(shù)）v道生一，一生二，二生三，三生萬物。”（老子）v“無限時間內(nèi)宇宙的永遠重復(fù)的連續(xù)更

4、替，不過是無限空間內(nèi)無數(shù)宇宙同時存在的邏輯的補充?！保ㄗ匀晦q證法）v地球太陽系銀河系星云無限宇宙；關(guān)于地基承載力設(shè)計理論v承載能力極限狀態(tài)：安全系數(shù)法和可靠度法；v正常使用極限狀態(tài)：（沉降、抗裂、耐久性）容許承載力法；v定值理論：容許承載力與安全系數(shù)法；v非定值理論：分項系數(shù)法可靠度法。三種承載力設(shè)計理論v1、容許承載力理論v2、極限承載力理論安全系數(shù)法v3、極限承載力理論分項系數(shù)法afp Kfpu/RkRR/分項系數(shù)ksSS分項系數(shù)1容許承載力理論v在載荷試驗中可以由其比例界限確定；按一定沉降比人為規(guī)定，例如s/b0.0010.0015v在理論計算中可以由塑性區(qū)發(fā)展理論中的臨塑荷載pcr、p

5、1/4、 p1/3確定。v按容許承載力理論確定的承載力，其沉降一般也會滿足要求，常常不需進行沉降驗算。v在這種設(shè)計中，工程的安全性和可靠性是無定量的概念的。因而是一種經(jīng)驗的設(shè)計方法。臨界荷載 pcr、p1/4、 p1/3F塑性區(qū)kcmdbacMdMbMf2 極限承載力理論安全系數(shù)法v承載力：極限承載力公式、平板載荷試驗的極限值/安全系數(shù)（K2）地基的破壞與極限承載力3極限承載力理論分項系數(shù)v基于可靠度理論的分項系數(shù)設(shè)計方法也是一種承載能力極限狀態(tài)設(shè)計方法。v由于工程中的荷載和抗力都是隨機變量，有多少可能性使荷載大于抗力而失事是一個隨機事件，v破壞的概率（可能性）決定于兩個隨機變量的均值（眾值，

6、中值及某個分位值）及其分布。 R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度設(shè)計示意圖ksSSRkRR/可靠度設(shè)計v其失事概率可用可靠度指標表示。例如，相應(yīng)的可靠度系數(shù)為3.0，則表示失效概率為萬分之9.4，v能夠明確地給出安全與失效的概率，然后通過經(jīng)濟、社會、技術(shù)的風險分析，給出最合理的設(shè)計值。是一種最科學(xué)合理的設(shè)計理論與方法；v我國頒布的建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準（GB50068-2001）規(guī)定，對于各種結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循該理論方法。地基基礎(chǔ)設(shè)計中的三種荷載組合v1正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標準組合 ；v2正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)的準永久組合v3承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合niQik

7、cikQGkkSSSS21niQikqiGkSSS1niQikciQikQQGkGSSSS211GB50007-2002的設(shè)計理論應(yīng)用v地基承載力容許承載力：正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的標準組合；v穩(wěn)定分析單一安全系數(shù)：承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，分項系數(shù)取為1.0;v沉降（開裂）計算：正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)的準永久組合v結(jié)構(gòu)計算可靠度的分項系數(shù)：承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合。巖土工程的不確定性v土層剖面與邊界的不確定性；v現(xiàn)場與實驗室?guī)r土指標的不確定性；v現(xiàn)場原位應(yīng)力與孔隙水壓力的不確定性；v外加荷載及其分布的不確定性；v巖土材料性質(zhì)的復(fù)雜性；應(yīng)力變形的機理不清楚。v計

8、算理論和方法的不確定性；巖土定量描述的困難v因果關(guān)系的缺失：源于對象的復(fù)雜性及影響因素的多樣性；統(tǒng)計、概率、優(yōu)化、可靠度：v互補率的破缺亦此亦彼：源于多因素的相互關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化；灰色、模糊、混沌、分形：地基承載力設(shè)計理論的哲學(xué)基礎(chǔ)v1、容許承載力理論v2、極限承載力理論安全系數(shù)法v3、極限承載力理論分項系數(shù)法v可靠度設(shè)計在巖土工程中的失?。嚎煽慷鹊难芯浚粯痘夹g(shù)規(guī)范；歐洲的規(guī)范。v東方哲學(xué)的勝利！東方哲學(xué)理念下的醫(yī)藥中醫(yī)v陰陽：陰虛陽虛；v五行：肝木腎水；v經(jīng)絡(luò)：穴位巖土工程與中醫(yī)v望問切聞，綜合判斷；v對癥治病，因地制宜；v經(jīng)驗投藥，隨時調(diào)整；v理論導(dǎo)向，實測定量，經(jīng)驗判斷，檢測驗證。太沙基的土

9、力學(xué)藝術(shù)說“無論天然土層結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜；也無論我們的知識與土的的實際條件有多么大的差距，我們必須利用處理問題的藝術(shù)（藝術(shù)（art)art)，在合理造價的前提下，為土工結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)問題尋求滿意的答案?！边@與中醫(yī)的手法是相通的。概念設(shè)計與時空效應(yīng)v抗震設(shè)計：不壞、可修、不倒（不死）；v樁基規(guī)范：變剛度調(diào)平、減沉疏樁；v新奧法：設(shè)計、檢測、施工的一體化方法；v地下工程與基坑施工的時空效應(yīng)理論；總之，是基于理論，依賴于經(jīng)驗的工作方法。一個復(fù)雜體系的認識vL.A.Zadeh：v“當系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增加時，我們作出系統(tǒng)特點的精確而有意義的描述的能力將相應(yīng)降低?！?v巖土工程中精確是一種奢求。v土的本構(gòu)關(guān)系

10、模型的發(fā)展：“沒有為任何一個模型戴上王冠?！背两涤嬎憬?jīng)驗系數(shù)s Es2.54.07.015.020.0pfk1.41.31.00.40.2Pfk1.11.00.70.40. 23. 對象及主體間的關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化v黑格爾：量轉(zhuǎn)化為質(zhì)和質(zhì)轉(zhuǎn)化為量的規(guī)律；對立的相互滲透的規(guī)律；否定之否定的規(guī)律。v（現(xiàn)代科學(xué)）它使每個人都或多或少地局限在自己的專業(yè)中，只有少數(shù)人沒有被它奪去全面觀察問題的能力（自然辯證法）客觀世界是不分專業(yè)的。3. 對象及主體間的關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化n土的三大特性：n碎散性：非連續(xù)介質(zhì)；n多相性：固體顆粒、水、氣體三組成；n變異性：長期地質(zhì)歷史的產(chǎn)物。互補率的破缺亦此亦彼n連續(xù)介質(zhì)，非連續(xù)介質(zhì)？n固

11、體，流體？v強度與變形：古典土力學(xué)二者截然分開v強度問題：經(jīng)典極限分析與極限平衡；v變形問題：基于線彈性理論的分層總和法強度與變形的轉(zhuǎn)化 土的強度，或者破壞是其應(yīng)力應(yīng)變過程的最后階段，即在微小的應(yīng)力增量下，會產(chǎn)生很大（或者不可控制）的應(yīng)變增量。因而破壞是應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的最后階段。00,dddfddEddpt變形與破壞的轉(zhuǎn)化ps滲流問題與強度問題間的轉(zhuǎn)化v二者相互影響；v在一定條件下隨可能是相互轉(zhuǎn)化的。滲流坡面tg)sin(cos)cos(sincrwcrwii抗滑穩(wěn)定分析：滲透水流以一定角度從砂土坡面逸出時當0，90 時，wcri流土（砂沸）！土中水與水中土問題的轉(zhuǎn)化v前者土作為載體，土中水在其

12、中運動，層流時服從達西定律；v后者水作為載體，水中土成為懸移質(zhì)被挾帶裹脅運動，服從流體力學(xué)定律。v推移質(zhì)介于二者間。幾個例子v流土（砂沸）；v管涌；v流滑；v液化；v滑坡泥石流；v崩岸；流土管涌流滑泥石流液化4.感性認識與理性認識理論的價值v感覺到了的東西，我們不能立刻理解它；只理解有了的東西才能更深刻地感覺它；沒有理論指導(dǎo)的實踐是盲目的實踐。 （實踐論）v巖土工程實踐已經(jīng)有幾千年，而土力學(xué)成為一個學(xué)科才80多年，標志是什么？人與動物、實踐與認識v狹義的動物也有工具，然而這只是它們的軀體的四肢，螞蟻、蜜蜂、海貍就是這樣。只有人才給自然界打上自己的印記。.隨著對自然界規(guī)律的知識的迅速增加，人對自

13、然界施加反作用的手段也增加了。-（自然辯證法）鼠獺螻蟻與巖土工程v水獺用樹的枝干和石塊在領(lǐng)地的河道上建造一座水壩，并發(fā)表了論文“高壩建造技術(shù)”；v鼴鼠在草原下營造了復(fù)雜的地下工程系統(tǒng)，論文“蜀國的地下工程規(guī)劃”獲得最佳論文獎；v白蟻在林地修建了一個3米高的蟻穴，出版了專著大型地基基礎(chǔ)工程技術(shù)，槐陰國的地標超高層建筑的巖土工程問題。 土力學(xué)學(xué)科的誕生v太沙基認識到：鼠獺螻蟻也能建造土工建筑物，從事巖土工程的實踐。但是靠它們的本能和經(jīng)驗，v而只有對客觀世界的深入理解和正確的理論描述才能夠上升為科學(xué)技術(shù)。v于是他閉門思索和潛心試驗，提出了土的有效應(yīng)力原理和單向滲流固結(jié)理論，1925年出版了土力學(xué)和地

14、基基礎(chǔ)（Erdbaumechanik auf bodenphysikalscher Grundlage）一書。v人們公認這標志土力學(xué)作為一門獨立學(xué)科的誕生。忽視理論受到報復(fù)v鉆孔灌注樁施工：孔內(nèi)水位為什么要高于地下水位？v土壩的邊蓄水邊填筑；v弟頓壩的水力劈裂破壞；v挖方施工快！填方施工慢！v獻禮工程的事故；承載力理論的意義加拿大特朗斯康谷倉：加拿大特朗斯康谷倉： 1913年年9月裝谷物，月裝谷物，10月月17日傾覆，日傾覆，1173年動工年動工1370年竣工年竣工1940年在軟粘土地基上的水泥倉的傾覆5.一個永恒流動與變化的體系v一切僵硬的東西融化了，一切固定的東西消散了，一切被當作永遠存在

15、的東西變成了轉(zhuǎn)瞬即逝的東西。整個自然界被證明是在永恒的流動和循環(huán)中運動著。v陰陽：一分為二、陰陽交感、矛盾轉(zhuǎn)化、發(fā)展變化。5.一個永恒流動與變化的體系v人不能過同一條河;v我們不能用同一個土樣作一個完整的試驗：v在每一瞬時，土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、土的性質(zhì)都都不是前一瞬時的那個土了。v非線性、彈塑性、剪脹性和與應(yīng)力路徑有關(guān)的性質(zhì)。v土的應(yīng)力應(yīng)變與組成、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的耦合！DDA (discontinous deformation analysis)非連續(xù)變形分析12341234-2024681012024681012 a ( 1/100)v (1/100) (1-3) (100kPa)Shear Stre

16、ssVol um e Strai nDDA計算三軸試驗曲線正常固結(jié)粘土的固結(jié)與強度pe任一應(yīng)力下的土樣都是不同的, 它是不同密度和結(jié)構(gòu)土樣強度的集合。各種土的本構(gòu)關(guān)系的相通性應(yīng)力變形組成、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)之間的描述尺度：應(yīng)力變形組成、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)之間的描述尺度：v彈塑性模型：硬化參數(shù)H(pij);v損傷模型：損傷變量w(ij );v內(nèi)時理論模型：內(nèi)部時間變量z (ij ).v都是表明土在受力變形工程中的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)變化尺度。6. 巖土工程的科學(xué)方法v歸納和演繹；v抽象和具體；v外推和內(nèi)插；v分析和綜合 ；v概化和細化；v類比與借鑒；v移植與引進。歸納和演繹v歸納：經(jīng)驗公式v演繹：三段論式演繹論證：微分方

17、程邊界條件解答演繹推測：設(shè)計理論與方法設(shè)計參數(shù)工作對象普遍適用的理論 補充陳述 推論大前提大前提小前提小前提歸納法的錯誤實例v平面應(yīng)變方向的中主應(yīng)力平面應(yīng)變試驗歸納的結(jié)果不具普遍性違背虎克定律： 歸納法xzyxzxzy)(歸納法的錯誤實例v對于很軟泥土，復(fù)合深度修正系數(shù)為0.8.8 . 0ddA=1wwdaddf8 . 000演繹法的錯誤實例v膨脹土地基的承載力膨脹力是引起膨脹土膨脹的原因原有的地基承載力公式?jīng)]有考慮膨脹力所以必須修改公式。 演繹法抽象和具體v抽象性質(zhì)抽象彈性和塑性關(guān)系抽象虎克定律和達西定律v具體誤用的原因：一般是補充陳述（小前提小前提）有錯誤v超過理論適用范圍v補充條件有錯誤

18、v邊界條件錯誤v設(shè)計參數(shù)錯誤v人為的任意性，實際的困難性。經(jīng)驗經(jīng)驗理論理論具體化理論的應(yīng)用具體化理論的應(yīng)用抽象的意義對土性質(zhì)的認識曾經(jīng)歷的四次飛躍壓硬性摩擦定律極限平衡理論排水壓密性有效應(yīng)力原理固結(jié)理論剪脹性劍橋彈塑性模型結(jié)構(gòu)性?具體化中誤用實例v抗剪強度理論快剪不排水剪砂與碎石土使用固結(jié)不排水指標v勘測資料失誤殘積土上多層建筑基坑地基土的快剪試驗強度指標與非飽和土吸力 具體化外推和內(nèi)插v外推外推拓寬理論適用范圍v一維 二維、三維v線性 非線性v飽和土非飽和土v內(nèi)插普遍適用的理論退回到有限范圍適用的理論分析和綜合 v西方還原論的精華結(jié)構(gòu)構(gòu)件分子原子生物器官細胞基因v分析實體分析：有限單元法，條

19、分法，離散元法等成份分析：顆粒分析，化學(xué)分析v總應(yīng)力有效應(yīng)力孔隙壓力v注意兩點分析時出現(xiàn)而綜合時消失的，如滲透力綜合時存在而分析時消失的，如人體筋絡(luò)系統(tǒng)，地應(yīng)力v虛構(gòu)的概念滲透流速，有效應(yīng)力分析的關(guān)鍵是如何劃分 分析III土骨架土骨架水水概化和細化v概化數(shù)學(xué)分析略高階小量v細化滲透系數(shù)由標量改為張量單一屈服面改為雙屈服面總應(yīng)力分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力簡化或理想化略去次要因素簡化或理想化略去次要因素細化增加考慮的因素細化增加考慮的因素類比與借鑒v類比電擬試驗、光彈試驗，各種物理模型試驗滲透達西定律電流的歐姆定律v借鑒仿生學(xué)，優(yōu)化理論中的遺傳算法、螞蟻算法、樹根樁學(xué)科間的交叉正是為了發(fā)揮借鑒比擬從

20、相似事物的比較中得出結(jié)果比擬從相似事物的比較中得出結(jié)果借鑒從其它事物的觀測中得到啟發(fā)借鑒從其它事物的觀測中得到啟發(fā)移植與引進v移植土壤學(xué)（吸力），混凝土（斷裂）的研究成果v引進數(shù)學(xué)力學(xué)的一般理論如分形幾何、拓撲數(shù)學(xué)、損傷力學(xué)高新技術(shù)如數(shù)字技術(shù)，GPS移植直接引用相鄰學(xué)科的成果移植直接引用相鄰學(xué)科的成果引進引入普遍適用的理論或方法引進引入普遍適用的理論或方法引進和借鑒的三個原則v以中國革命為例 對應(yīng)原則中國革命需要馬克思列寧主義馬克思列寧主義適合中國國情沒有死搬俄國十月革命的經(jīng)驗需要需要適合適合活用活用“需要”的原則v帶著問題去取經(jīng)v不要為引進而引進屠龍術(shù)的笑話v成功實例塑性力學(xué)、遺傳算法；v一

21、維壓縮穩(wěn)定系統(tǒng)（系統(tǒng)論）“適合”的原則v殺雞不用牛刀性價比最高原則v復(fù)合載體夯擴樁v成功實例遺傳算法、許多半經(jīng)驗方法v部分成功實例壓縮曲線的雙曲線擬合v有爭議的實例有限元強度折減法壓縮曲線的擬合pelog pe“活用”的原則v引進是再創(chuàng)新過程v成功實例經(jīng)典塑性力學(xué)：圓筒屈服面、圓錐屈服面v帽子形屈服面13123突變理論應(yīng)用案例H應(yīng)變?nèi)趸瘏^(qū)段應(yīng)變?nèi)趸瘏^(qū)段彈性性質(zhì)區(qū)段彈性性質(zhì)區(qū)段 試錯與相關(guān)分析v試錯法 ：確定性方法排除歸納法因果關(guān)系研究v假定幾種可能的原因v通過演繹法推斷每一種原因?qū)霈F(xiàn)的結(jié)果v與已經(jīng)發(fā)生的事實比較公安破案，醫(yī)生找病因，工程事故的原因分析v相關(guān)分析：非確定性方法實例分析v地震滑

22、坡的擬靜力法地震滑坡原因v液化引起的強度降低v地震慣性力擬靜力法：地震慣性力理論從結(jié)構(gòu)動力學(xué)中借鑒實例分析地震滑坡的擬靜力法地震滑坡的擬靜力法實例分析真空預(yù)壓機理真空預(yù)壓機理向外向下向外向下向內(nèi)向上向內(nèi)向下零壓線零壓線7.人與自然的和諧巖土工程的任務(wù)v天何言哉？四時行焉，萬物生焉。（論語陽貨）v道在天地之間也。（管子心術(shù)）巖土工程對象的演變v美國的土木工程師協(xié)會（ASCE）下所主辦的本學(xué)科期刊創(chuàng)辦時名為“土力學(xué)及基礎(chǔ)工程”（Soil mechanics and foundation engineering）；v1974年以后更名為“土力學(xué)及巖土工程”（Soil mechanics and geotechnical engineering），相應(yīng)的學(xué)會也改成此名；v20世紀90年代以后，期刊又更名為“巖土工程與環(huán)境巖土工程”（geotechnical & environmental engineering）。人與自然的和諧巖土工程的任務(wù)v我國近20年來隨