浅谈土力学发展史及未来前景

浅谈土力学发展史及未来前景摘要：从1773年法国库仑创立了著名的土的抗剪强度的库仑定律和土压力理论，到1963年，Roscoe发表著名的剑桥模型，土力学经历了萌发期、古典土力学、现代土力学三个历史时期。随着现代科技的发展，土力学从广度和深度方面都有了长足发展。在这个过程中人们充分认识到了试验、实践和经验的重要性。在未来土力学的发展中信息化施工方法将成为一个趋势，开展土力学工程问题计算机分析研究也将成为一个重要的研究方向。关键词：古典土力学本构模型信息化施工数值模拟一、土力学发展的三个历史时期1、萌发期(1773—1923）1773年法国库仑根据试验，创立了著名的土的抗剪强度的库仑定律和土压力理论。发表了《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》，为土体破坏理论奠定基础。1857年英国朗肯提出又一种土压力理论。1885年法国布辛尼斯克求得半无限空间弹性体，在竖向集中力作用下，全部6个应力分量和3个变形的理论解。在此后的漫长的150年中，而且只限于研究土体的破坏问题。2、古典土力学（1923—1963）1923年，Terzaghi发表了著名的论文《粘土中动水应力的消散计算》，提出了土体一维固结理论，开创了土体变形研究。接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理，从而建立起一门独特的学科—土力学。古典土力学可归结为：一个原理——有效应力原理两个理论——以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论以刚塑性模型为出发点的破坏理论（极限平衡理论）传统力学的研究内容可用框图表示如下：有效应力原理应力分布理论渗透固结理论强度破坏理论地基变形计算土压力、土坡稳定、地基承载力计算3、现代土力学（1963—今）1963年，Roscoe发表了著名的剑桥模型，才提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而可以看作现代土力学的开端。下列几方面取得重要进展：1、非线性模型和弹塑性模型2、损伤力学模型与结构性模型3、非饱和土固结理论4、砂土液化理论的研究5、剪切带理论及渐进破损6、土的细观力学二、土力学的发展现状土木工程功能化、城市立体化、交通高速化，以及改善综合居往环境成为现代土木工程建设的特点。人们将不断拓展新的生存空间，开发地下空间，向海洋拓宽，修建跨海大桥、海底隧道和人工岛，改造沙漠，修建高速公路和高速铁路等。展望土力学的发展，不能离开对我国现代土木工程建设发展趋势的分析。一个学科的发展还受科技水平及相关学科发展的影响。二次大战后，特别是在20世纪60年代以来，世界科技发展很快。电子技术和计算机技术的发展，计算分析能力和测试能力的提高，使土力学计算机分析能力和室内外测试技术得到提高和进步。科学技术进步还促使土力学新材料和新技术的产生。如近年来土工合成材料的迅速发展成为土力学的一次革命。土力学测试技术一般分为室内试验技术、原位试验技术和现场监测技术等几个方面。在原位测试方面，地基中的位移场、应力场测试，地下结构表面的土压力测试，地基土的强度特性及变形特性测试等方面将会成为研究的重点，随着总体测试技术的进步，这些传统的难点将会取得突破性进展。虚拟测试技术将会在土力学测试技术中得到较广泛的应用。利用电子计算机技术、电子测量技术、光学测试技术、航测技术、电、磁场测试技术、声波测试技术、遥感测试技术等方面的新的进展都有可能在土力学测试方面找到应用的结合点。考察现代土力学的进展可以看到，虽然它取得了长足的进步，但这种进步并没有从根本上改变上述致使土力学处于半理论半经验状况的原因。这就是目前土力学的发展所处的水平荷载的多维性、荷载随时间的变化、重复荷载、振动荷载，地层条件和边界形状的复杂性，饱和程度的变化，物理状态的变化，渗流和孔隙压力的存在，土与结构的相互作用，时间、温度等因素的作用等等。这引出了土力学学科许多领域，如土体本构理论、强度理论、流变理论、非饱和土力学理论、土压力理论、边坡稳定理论和地基承载力理论、土动力学、环境土力学、地基加固的方法与理论等。这些理论的发展与研究是遵循一定的规律的。随着研究的深入，现代土力学迅速地发展，土力学在由经验逐步过渡到理论方面取得了重要的进展，但是1）没有坚实的理论基础，各种概念和方法之间缺少有机的联系和统一的理论基础2）土是自然沉积而形成的，通常是不均匀的；仅靠少数几个空间点的土样试验结果难以全面地描述不均匀建筑场地整体的物理力学性能3）土的三相性导致土体的物理力学性质非常复杂和易变，难以准确地用数学模型描述4）土的边界条件难以准确的给出或确定5）由于扰动、易变以及测试误差的存在，土性参数很粗糙，它很难准确和高质量地得到6）受目前测试仪器和测试水平的限制，难以满足复杂本构模型对测试参数在多样性和质量上的要求7）土的抗剪强度的工程测定方法几十年没有本质的变化（指饱和土），难以对建筑场地中土的强度给出全面而准确的评价，其测定的结果不确定性很大由于上述原因导致土力学中的分析方法不确定性非常大，土力学中的公式不能像其它力学公式那样去认识和理解。在土力学中由于这种不确定性的存在，任何公式或计算结果的准确性从来不会超过粗略的大致估计。而这种不确定性的范围和大小只有靠长期工程经验才能够判断和认识。因此，经验在土力学中具有巨大的作用。三、土力学的发展特点1、试验和实践的重要性土力学研究的特点，往往是先技术、后理论、先实验、后理论。因此，对于土力学而言，由于它不是基础科学的范畴，而是属于技术科学的范畴，理论、试验、实践三者是互为因果，不可分离的。理论虽然十分重要，但如果没有试验和实践，就将停止发展并失去意义了。土力学是一门实验性很强的学科，土力学学科的实验与测试技术在建筑工程实践中十分重要，而且在土力学理论的形成和发展过程中起着决定性作用。离开了实验和测试土力学理论就无法发展。另一方面，土工试验如果离开了理论的指导，也就失去了意义。二者是相辅相成的。试验设备和试验方法是在理论指导下提出的。于是，研制新仪器，提出新的试验方法，用试验证实了设想，则设想就上升为理论，或者通过试验发现了新的规律，就总结出了理论。我们无法预知下一世纪会出现哪些新仪器、新方法，但可以肯定，土工实验与测试领域必定会有新的发展，因为土力学理论的发展离不开实验，两者是同步进行、互动发展的。2、理论与经验孰轻孰重关于土力学的发展存在两种不同的观点：1.认为土力学的理论很不完善，需要不断的发展和完善；2.需要发展和积累更多的适用于不同情况的经验公式和经验；还认为理论的发展并不很重要。从工程师的角度，第二种观点是可以理解的；但就土力学本身的发展而言，如果不把仅适用于特殊情况的经验公式和经验提升为具有普遍性的理论，就不可能推动土力学向前发展，土力学也不可能走出幼年阶段而达到成熟。3、本构模型研究的两个方向开展土力学的本构模型研究可以从两个方向努力：一是努力建立用于解决实际工程问题的实用模型；一是为了建立能进一步反映某些岩土体应力应变特性的理论模型。理论模型包括各类弹性模型、弹塑性模型、粘弹性模型、粘弹塑性模型、内时模型和损伤模型，以及结构性模型等。它们应能较好反映岩土的某种或几种变形特性，是建立工程实用模型的基础。工程实用模型应是为某地区岩土、某类岩土工程问题建立的本构模型，它应能反映这种情况下岩土体的主要性状。用它进行工程计算分析，可以获得工程建设所需精度的满意的分析结果。例如建立适用于基坑工程分析的上海粘土实用本构模型、适用于沉降分析的上海粘土实用本构模型，等等。笔者认为研究建立多种工程实用模型可能是本构模型研究的方向。四、土力学的发展方向现代的建筑工程越来越多样化、复杂化、大型化。随着高层建筑、城市地下空间的利用和高速公路的发展，人们将不断拓展新的生存空间。开发地下空间、向海洋拓宽、修建跨海大桥、海底隧道和人工岛，土石坝的高度也由几十米发展到百米级、甚至几百米级。此外一些大型桥梁、码头、机场等工程也越来越大。这些人类文明发展的实践需求，都对土力学学科提出了更高的要求，从而激励了学科的迅速发展。展望21世纪，土力学的这些领域都要发展，都会发展，而且各领域是互相联系、互相影响的，不可偏废。但也要承认发展是不平衡的，有些领域相对比较稳定，有些则可能会有突破性发展。1、信息化施工方法根据原位测试和现场监测得到岩土工程施工过程中的各种信息进行反分析，根据反分析结果修政设计、指导施工。这种信息化施工方法被认为是合理的施工方法，是发展方向。发展原位测试技术、现有原位测试方法如标贯、触探只能用于中小型工程、钻孔取土愈深、土的结构破坏愈大．加上室内试验与原位试验之间存在着不可忽视的差别，如压缩模量是在无侧向变形条件下测出的．而土的初始应力状况与沉积条件有关．对此我们知之甚少，但从完全相同的条件下实测证明压缩模量较高的土，计算沉降与实测沉降相差愈大，现在的建设规模的特点是基础面积可大到1万m２以上．最大柱荷载可达3000t，埋深一般为５—１０m．桩长巳达到６０m．对深层土的物理力学指标的现场测定方法的研究应当提到重要位置、在科学技术飞跃发展的今天，利用近代技术解决这个难题是有可能的，否则地基设计只能停留在半经验状态。2、工程问题计算机分析研究开展土力学工程问题计算机分析研究是一个重要的研究方向。土力学工程问题计算机分析范围和领域很广，随着计算机技术的发展，计算分析领域还在不断扩大。包括各种数值计算方法，土坡稳定分析，极限数值方法和概率数值方法，专家系统、AutoCAD技术和计算机仿真技术在土力学工程中应用，以及土力学工程反分析等方面。土力学工程计算机分析还包括动力分析，特别是抗震分析。土力学工程计算机数值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外，离散单元法(DEM)、拉格朗日元法(FLAC)，不连续变形分析方法(DDA)，流形元法(MEM)和半解析元法(SAEM)等也在土力学工程分析中得到应用。随着计算机的计算速度和存储能力的飞速发展,计算方法的日益完善,数值模拟方法已经成为研究未知领域的强有力的工具。但在工程实际中使用土力学的数值分析方法却存在一些问题，这样就产生了支持和反对在土力学中使用数值分析方法的不同意见。支持意见反对意见表1数值分析方法的不同意见3、上部结构与地基共同作用上部结构与地基共同作用问题，这是房屋地基设计及基础计算中的重要课题，它涉及地基应力分布．地基变形计算，上部结构对沉降敏感性及调整变形能力等．在地下空间开发利用的情况下，多层地下大空间框—筏结构已代替了箱形基础，加之建筑上要求裙房与主搂之间不设沉降缝，出现了在基础宽度近百米，面积超过1万平米的厚筏上建造多个建筑物的情况。地基与建(构)筑物相互作用与共同分析已引起人们重视并取得一些成果，但将共同作用分析普遍应用于工程设计，其差距还很大。大部分的工程设计中，地基与建筑物还是分开设计计算的。进一步开展地基与建(构)筑物共同作用分析有助于对真实工程性状的深入认识，提高工程设计水平。现代计算技术和计算机的发展为地基与建(构)筑物共同作用分析提供了良好的条件。目前迫切需要解决各类工程材料以及相互作用界面的实用本构模型，特别是界面间相互作用的合理模拟。4、特殊土质的处理特殊土性质与利用处理，经过几十年的研究与工程实践，我国已取得很多有价值的成果。当前存在的难题是如何解决沿海深厚高孔隙未正常固结淤泥的长期大量沉降问题，在工程上表现为仓库地坪开裂、下陷，高速公路路基不均匀下沉、城市街道路面及管道开裂等。其次是现有处理方法没有注意到沉降问题。至于处理工艺落后、检验手段缺乏的现状亦应从速研土力学问题中使用数值分析方法1、能够做任何传统的分析方法所能做到的分析和计算2、它能解出复杂数学模型的解，因而能够从机理上预测土的工程性质，而不是统计和经验性的描述，这是一大优点。而简化或经验分析方法有时只能描述其表面和形式上的关系。3、既能处理简单问题，也能处理复杂问题1、使用复杂，难以被工程师掌握。2、数值分析方法本身的不确定性导致预测结果与工程实际不符3、使用的本构模型有局限性难以反映土的实际情况导致预测结果与工程实际不符4、采用模型要求较多的参数，而这些参数又难以用简单试验获得5、精确的数值分析结果会误导使用者迷信这些结果的精