清华大学李广信：岩土工程的哲学思考

1/83岩土工程的一些哲学思考李广信清华大学2/831.前言2.东方哲学与西方哲学3.对象及主体间的关联与转化4.感性认识与理性认识－理论的价值5.一个永恒流动与变化的体系6.岩土工程的科学方法7.人与自然的和谐－岩土工程的任务主要内容3/831.前言：岩土与人类人类最早接触和最早使用的材料：旧、中、新石器时代的标志是人类使用岩土材料的水平；土与文化：几大古文明中人类起源的传说：不约而同地认为人是上帝（神）用土创造的；表土与人类文明：人类的几大古文明的发生与衰落;土地与农业：“普天之下，莫非王土”－权力与财富；朝代的更替；农民战争农业文明－土与水目前名川大河的中下游，土层深厚—形成农业、经济、文化、政治中心海洋文化：三角洲文明（交通与信息）岩土与哲学的天然联系。4/831.前言：岩土材料非连续性：颗粒与裂隙，岩石与岩体；多相性：固体、水、气体三相间的相互关联及作用；变异性：长期地质历史的产物：原状性、区域性、不均匀性、各向异性；岩土工程是充满了不确定性及风险与挑战，充满了哲学的命题；岩土工程科学与哲学－以哲学的高度来认识。5/832.东方哲学与西方哲学亚里士多德已经说过：这些较早的哲学家都设想原初本质是某种物质：空气和水；后来赫拉克利特设想是火，但是没有一个人设想是土，因为它的组成太复杂。（天然辩证法）一曰金，二曰木，三曰水，四曰火，五曰土；水曰润下，火曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土曰稼穑。（尚书·洪范）6/832.东方哲学与西方哲学西方哲学强调万物的组成及分析，东方哲学强调万物间的相生相灭。东方哲学崇尚宏观与定性，主张感悟:阴阳、五行、八卦，经络；西方哲学崇尚精密与定量，强调理性:结构→构件→分子→原子－电子－光子－量子，以太。生物→器官→细胞→基因7/83时空的无限性“天地玄黄，宇宙洪荒”（千字文）；“大哉乾元，至哉坤元，万物资生，乃顺承天”（易经）；“道在天地之间也，其大无外，其小无内。”（管子·心术）道生一，一生二，二生三，三生万物。”（老子）“无限时间内宇宙的永远重复的连续更替，不过是无限空间内无数宇宙同时存在的逻辑的补充。”（自然辩证法）地球－太阳系－银河系－星云－无限宇宙；8/83关于地基承载力设计理论承载能力极限状态：安全系数法和可靠度法；正常使用极限状态：（沉降、抗裂、耐久性）容许承载力法；定值理论：容许承载力与安全系数法；非定值理论：分项系数法－可靠度法。9/83三种承载力设计理论1、容许承载力理论2、极限承载力理论－安全系数法3、极限承载力理论－分项系数法afpKfpu/RkRR/ksSS分项系数分项系数10/831·容许承载力理论在载荷试验中可以由其比例界限确定；按一定沉降比人为规定，例如s/b0.001－0.0015在理论计算中可以由塑性区发展理论中的临塑荷载pcr、p1/4、p1/3确定。按容许承载力理论确定的承载力，其沉降一般也会满足要求，常常不需进行沉降验算。在这种设计中，工程的安全性和可靠性是无定量的概念的。因而是一种经验的设计方法。11/83临界荷载pcr、p1/4、p1/3F塑性区kcmdbacMdMbMf12/832·极限承载力理论—安全系数法承载力：极限承载力公式、平板载荷试验的极限值/安全系数（K＝2）13/83地基的破坏与极限承载力14/833·极限承载力理论－分项系数基于可靠度理论的分项系数设计方法也是一种承载能力极限状态设计方法。由于工程中的荷载和抗力都是随机变量，有多少可能性使荷载大于抗力而失事是一个随机事件，破坏的概率（可能性）决定于两个随机变量的均值（众值，中值及某个分位值）及其分布。15/83R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度设计示意图ksSSRkRR/16/83可靠度设计其失事概率可用可靠度指标表示。例如，相应的可靠度系数为3.0，则表示失效概率为万分之9.4，能够明确地给出安全与失效的概率，然后通过经济、社会、技术的风险分析，给出最合理的设计值。是一种最科学合理的设计理论与方法；我国颁布的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）规定，对于各种结构设计应遵循该理论方法。17/83地基基础设计中的三种荷载组合1·正常使用极限状态下荷载效应的标准组合；2·正常使用极限状态下的荷载效应的准永久组合3·承载能力极限状态下荷载效应的基本组合niQikcikQGkkSSSS21niQikqiGkSSS1niQikciQikQQGkGSSSS21118/83GB50007-2002的设计理论应用地基承载力－容许承载力：正常使用极限状态荷载效应的标准组合；稳定分析－单一安全系数：承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，分项系数取为1.0;沉降（开裂）计算：正常使用极限状态下的荷载效应的准永久组合结构计算－可靠度的分项系数：承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。19/83岩土工程的不确定性土层剖面与边界的不确定性；现场与实验室岩土指标的不确定性；现场原位应力与孔隙水压力的不确定性；外加荷载及其分布的不确定性；岩土材料性质的复杂性；应力变形的机理不清楚。计算理论和方法的不确定性；20/83岩土定量描述的困难因果关系的缺失：源于对象的复杂性及影响因素的多样性；－统计、概率、优化、可靠度：互补率的破缺－亦此亦彼：源于多因素的相互关联与转化；－灰色、模糊、混沌、分形：21/83地基承载力设计理论的哲学基础1、容许承载力理论2、极限承载力理论－安全系数法3、极限承载力理论－分项系数法可靠度设计在岩土工程中的失败：可靠度的研究；桩基技术规范；欧洲的规范。东方哲学的胜利！22/83东方哲学理念下的医药－中医阴阳：阴虚阳虚；五行：肝木肾水；经络：穴位23/83岩土工程与中医望问切闻，综合判断；对症治病，因地制宜；经验投药，随时调整；理论导向，实测定量，经验判断，检测验证。24/83太沙基的土力学艺术说“无论天然土层结构怎样复杂；也无论我们的知识与土的的实际条件有多么大的差距，我们必须利用处理问题的艺术（art)，在合理造价的前提下，为土工结构和地基基础问题寻求满意的答案。”这与中医的手法是相通的。25/83概念设计与时空效应抗震设计：不坏、可修、不倒（不死）；桩基规范：变刚度调平、减沉疏桩；新奥法：设计、检测、施工的一体化方法；地下工程与基坑施工的时空效应理论；－总之，是基于理论，依赖于经验的工作方法。26/83一个复杂体系的认识L.A.Zadeh：“当系统的复杂性日益增加时，我们作出系统特点的精确而有意义的描述的能力将相应降低。”岩土工程中精确是一种奢求。土的本构关系模型的发展：“没有为任何一个模型戴上王冠。”27/83沉降计算经验系数sEs2.54.07.015.020.0pfk1.41.31.00.40.2Pfk1.11.00.70.40.228/833.对象及主体间的关联与转化黑格尔：量转化为质和质转化为量的规律；对立的相互渗透的规律；否定之否定的规律。（现代科学）它使每个人都或多或少地局限在自己的专业中，只有少数人没有被它夺去全面观察问题的能力（自然辩证法）－客观世界是不分专业的。29/833.对象及主体间的关联与转化土的三大特性：碎散性：非连续介质；多相性：固体颗粒、水、气体三组成；变异性：长期地质历史的产物。30/83互补率的破缺－亦此亦彼连续介质，非连续介质？固体，流体？强度与变形：古典土力学二者截然分开强度问题：经典极限分析与极限平衡；变形问题：基于线弹性理论的分层总和法31/83强度与变形的转化•土的强度，或者破坏是其应力应变过程的最后阶段，即在微小的应力增量下，会产生很大（或者不可控制）的应变增量。因而破坏是应力应变关系的最后阶段。00,dddfddEddpt32/83变形与破坏的转化ps33/83渗流问题与强度问题间的转化二者相互影响；在一定条件下随可能是相互转化的。34/83渗流坡面tg)]sin(cos[)cos(sincrwcrwii抗滑稳定分析：渗透水流以一定角度从砂土坡面逸出时当＝0，＝90时，wcri流土（砂沸）！35/83土中水与水中土问题的转化前者土作为载体，土中水在其中运动，层流时服从达西定律；后者水作为载体，水中土成为悬移质被挟带裹胁运动，服从流体力学定律。推移质介于二者间。36/83几个例子流土（砂沸）；管涌；流滑；液化；滑坡－泥石流；崩岸；37/83流土38/83管涌39/83流滑40/83泥石流41/83液化42/834.感性认识与理性认识－理论的价值感觉到了的东西，我们不能立刻理解它；只理解有了的东西才能更深刻地感觉它；没有理论指导的实践是盲目的实践。（实践论）岩土工程实践已经有几千年，而土力学成为一个学科才80多年，标志是什么？43/83人与动物、实践与认识狭义的动物也有工具，然而这只是它们的躯体的四肢，蚂蚁、蜜蜂、海狸就是这样。只有人才给自然界打上自己的印记。…..随着对自然界规律的知识的迅速增加，人对自然界施加反作用的手段也增加了。-（自然辩证法）44/83鼠獭蝼蚁与岩土工程水獭用树的枝干和石块在领地的河道上建造一座水坝，并发表了论文“高坝建造技术”；鼹鼠在草原下营造了复杂的地下工程系统，论文“蜀国的地下工程规划”获得最佳论文奖；白蚁在林地修建了一个3米高的蚁穴，出版了专著《大型地基基础工程技术，槐阴国的地标－超高层建筑的岩土工程问题》。45/83土力学学科的诞生太沙基认识到：鼠獭蝼蚁也能建造土工建筑物，从事岩土工程的实践。但是靠它们的本能和经验，而只有对客观世界的深入理解和正确的理论描述才能够上升为科学技术。于是他闭门思索和潜心试验，提出了土的有效应力原理和单向渗流固结理论，1925年出版了《土力学和地基基础》（ErdbaumechanikaufbodenphysikalscherGrundlage）一书。人们公认这标志土力学作为一门独立学科的诞生。46/83忽视理论受到报复钻孔灌注桩施工：孔内水位为什么要高于地下水位？土坝的边蓄水边填筑；弟顿坝的水力劈裂破坏；挖方施工－快！填方施工－慢！献礼工程的事故；47/83承载力理论的意义加拿大特朗斯康谷仓：1913年9月装谷物，10月17日倾覆，1173年动工1370年竣工1940年在软粘土地基上的水泥仓的倾覆48/835.一个永恒流动与变化的体系一切僵硬的东西融化了，一切固定的东西消散了，一切被当作永远存在的东西变成了转瞬即逝的东西。整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着。阴阳：一分为二、阴阳交感、矛盾转化、发展变化。49/835.一个永恒流动与变化的体系人不能过同一条河;我们不能用同一个土样作一个完整的试验：在每一瞬时，土的内部结构、土的性质都都不是前一瞬时的那个土了。非线性、弹塑性、剪胀性和与应力路径有关的性质。土的应力应变与组成、状态和结构的耦合！50/83DDA(discontinousdeformationanalysis)非连续变形分析12341234-2024681012024681012εa(1/100)εv(1/100)(σ1-σ3)(100kPa)ShearStressVolumeStrainDDA计算三轴试验曲线51/83正常固结粘土的固结与强度pe任一应力下的土样都是不同的,它是不同密度和结构土样强度的集合。52/83各种土的本构关系的相通性应力变形－组成、状态、结构之间的描述尺度：弹塑性模型：硬化参数H(pij);损伤模型：损伤变量w(ij);内时理论模型：内部时间变量z(ij).都是表明土在受力变形工程中的结构与状态变化尺度。53/836.岩土工程的科学方法归纳和演绎；抽象和具体；