岩土工程中的技艺与科学

1、岩土工程中的技艺与科学*Ralph B. Peck原作 王洪新 译译者：上个世纪，在二战后的五、六十年代，美国和欧洲经历了一个大建设时期。当 代土力学方兴未艾，但岩土工程却是事故频发。Peck做为一位土力学家兼岩土工程大师给 出了自己对岩土工程这个学科的总体认识。当前，国内也处于大建设时期，我们在土力学研 究中与工程实践脱节现象更加突出。所以，特译出本文供大家参考，也希望引起国内学者注 意。中图分类号：文献标识码：A文章编号：岩土工程是一门技艺，而土力学是一门工程科学。这个区别经常被表述，但是很少被充 分领会。但是，如果我们期望在两方面都有所进步甚至精通的话，必须理解这个区别。几乎每周，关于基

2、础与开挖工程的各类期刊都会至少描绘一起工程破坏。然而，年复一 年，越来越多的学者都把更多注意放在土力学上，他们不断创造无论在研究领域上，还是研 究范围上，都令人印象深刻的文章。一些人宣称，土力学研究的日益增长与日益频发的基础 与开挖事故是否有一定的因果联系？诚然，高发的工程事故或者意想不到的造价高昂的工程，部分地是由于工程建设步伐加 快的结果，另一部分则是基于这一事实一一土力学为几年前才认为可行的日益复杂和大胆的 工程打开了大门。然而，甚至在那些对土力学一无所知的圈子里，大量令人不安的不幸的代 价高昂的工程事故的起因也需要被解释。产生诸多事故原因源于我们没有有效区分技艺与科 学。在一个充满科学

3、奇迹的时代，土木工程师忽视了在他自己专业领域内艺术素养。我们将 尽力找回并且检验这种素养对地下工程实践成功的必要性。这种素养中下至少包括三点：关 于工程先例的知识，对土力学的熟悉程度以及关于地质学应用方面的知识。其中，工程先例的知识是最重要的。两个世纪以前，工程师就在困难地层中建造了广阔 的涉及深开挖的运河系统；一百年前，铁路工程师们已经在能够在含水砂层的地下水位下开 凿长大隧道了。所有这些，也包括其它工程，都是在没有现代土力学帮助下依然成功地克服 困难而后完成的。那些时代的工程师们没有任何指导一一除了经验，这些经验包括自身经历 的，还包括同时代的同事，在一定程度上还有他的前辈们记录的经验。如

4、果这些工作者能够 仅仅基于经验和他们自己的聪明才智就能够把这种工程顺利完成，那怕在今天这些经验无疑 也是岩土工程师的无价之宝。这些来自于先辈的遗产可以通过简单阅读来获得，但尽管对工程师的背景知识很重要， 这些资料却是二手的。每个工程师还必须在此基础上添加属于自己的第一手经验才能胜任自 己的专业工作。然而，若干年的专业生涯的短短几页并不能使工程师获得各种必须的经验来 发展岩土工程师的精湛技艺。年轻人一定会看到，他被委派去监管他必须胜任的不同种类的 重要工程，这些工程的难度不断增加，对他的责任心要求越来越高。即便如此，20年后他也 不能宣称他已经有20年的工程经验，他可能只是把一年的经验重复了20

5、次。个人的经验发展不是一个被动的行为，它需要敏感和持续的努力；它要求你有观察那些 正在发生事物的能力，要求你一直保持这种细致的观察，要求你能够区分哪些是重要的，哪 些是无关紧要的。这种能力绝不是天生的。许多第一次去现场调查的年轻人回到办公室发现记不起现场观 察的诸多细节。这种尴尬导致他们认为自己缺乏一个工程师应有的第六感，因此他们会回避 这种安排。如果他宁愿如此，他作为艺术家的工程师生涯必然暗淡无光，是他自己切断了与 工程经验的联系。他们完全可以选择另一条路，他可以尝试去发展观察和记忆的技能。在夜 晚旅馆房间里，他可以凭记忆记录刚刚调查的基坑支护的细节，他会发现自己记不起特定的 细节，但第二天

6、他可以更正这个记录。他会逐渐养成简要但准确记录设计和施工过程日记的 习惯，他开始了解哪些是应该观察的，哪些是需要忽视的，他已经走在成为一个专家的道路 上。一旦养成成功地吸收经验的能力，甚至一个年轻的工程师在令人惊异的短短几年内也会 成为一个经验丰富的老手。个人经验不是一段消逝时间的简单积累，而是对经验的热烈追求 和集中吸收。年轻的岩土工程师应该经历各种各样的经验。在现场，他们应该亲自做第一手的观察， 包括各类方法以及它在各类土层和岩石中施工结果；在设计院，他们要学习设计者提出的特 殊问题，要领会设计与施工间的相互联系；甚至在研究中，他也要学会如何把最前延的知识 放在一边，形成一种判断成功研究人

7、员和成功工程师之间差异的能力。既没有丰富的个人经验背景，也没有足够的同时代乃至先辈的经验知识，没有人能期望 自己会成为一个在岩土工程实践领域的大师。因此，在工程师应有的三个特质中，工程经验 应放在第一位置。然而，土力学和地质知识绝不是不重要。那么，这些关于岩土工程技艺的 每项训练的具体功能是什么呢？首先，土力学提供了关于土体材料应力一应变一时间关系特性的定性和定量数据。这些 知识让我们认识了理想条件下土体的力学行为，这为我们预测在现场的更复杂条件下行为提 供指导。类似地，土力学理论使人们洞悉在简单、理想状态下的行为，然而，这种信息对我 们来说有什么实际价值吗？首先最重要的是，土力学在各方面形成

8、了工程师组织、解释和评价经验的框架。如果一 个工程师在其职业生涯内不能够组织并且重新发现新的问题，杂乱无章的资料收集是毫无价 值的。在土力学建立之前，还没有合理的框架来服务于这个目的。结果，即使是对最有名的 工程师，由于在试图把前人看似合理的经验应用于本质上一些要素并不相同的工程，也会一 些严重的错误。经常性地，一些普遍认识被从一种简单的沉积土中提炼出来，事实上，这种 沉积土在一些控制性的属性上可能并不普通或者独特，但却没有指标来明示这种区别。如果 没有关于渗流力的知识，土体破坏经常被归因于土体类别而不是相关的水力条件。土力学为 这种混乱带来了秩序。对于土体的合适类型以及这种类型土的应力一应变

9、一时间关系特性， 那些引起工程师关注的经验可被检验和分类。而理论的概念本身也可以被检验。经验可能会 更好地纳入土力学框架，否则它可能明显是个例外。无论这样或那样，土力学的知识都为保 存经验的本质特征提供了方便和逻辑上的基础。总之，土力学使利用前人的以及即将获得的 大量经验更可行。这种重要无论怎么强调也不过分。目前，每个地基承载力和基础沉降，或是边坡的安全系数的计算过程，都只不过是采用 土力学框架组织经验的过程。如果土工试验技术和理论没有给出与现场观测吻合的结果，它 们将不会被实践所采纳和广泛应用。的确，在一定程度上，仅仅是在被经验验证时，这些计 算过程才是合理有效的。在这个意义上，土力学的常规

10、计算过程只不过是添加给有一定工程 经验工程师处理自己遇到问题的一个工具而已，而这些问题已经到了他以往经验的极限。另外，土力学提供了一种用以超越自身或他人经验极限的手段，它指明了一条用以解决 老问题或者以前没有解决的新问题的道路。在这方面，它也是一个扩展我们经验的工具。当 然，这片扩展在遇到相关经验之前有一定的不确定性。但是甚至在这里，当我们进行自己的 工程实践时，土力学也会指导我们应该对哪些东西观察以检验我们的计算过程。这些是土力学的重要功能。他们足以引起我们对这个学科的关注。但很明显，土力学并 不是经验的替代物，它的主要角色是使经验更加有意义。作为第三个内容的地质学与土力学一样也是岩土工程师

11、的基础。或许，它的重要作用就 在于使我们意识到真实情况距离我们简化时的假设有多远。而自然情况如此复杂，如果我们 不对地层材料的特性做简化，土力学的理论和计算过程根本行不通。在看似合理的计算和预 测可能造成错误之前，现场的地质情况必须摸清。实际上在一些案例中，地层情况或者地质 过程的结果可能会完全推翻所有土力学假设。残积土中的残余节理的性质和走向可能控制了 基坑边坡的稳定性，完全不用考虑在节理间土体的力学性质，也不用考虑基于均一性假设基 础上的理论预测产生的偏差。像土力学一样，地质学也提供了一个联系我们经验的手段，但是，是在局部的地形学的 基础上。基础条件的地域调查对正在实践中的工程师来说，被证

12、明非常有用的。他们从属于 一个经验上类似的地域条件，因此，建立在相似地域基础上的结论是有效的。最后，无论我们是否意识到这一点，任何对勘探孔试验结果的解释以及两孔之间的插值 都是一个地质学练习。如果不展开基于地质学原理的调查，结果可能是错误甚至荒谬的。反 之，如果我们是在对当地地质条件的敏锐感受力之上做它的话，结果可能更可靠。而如果对 地质学的实用知识，一个聪明的地层勘察是不可能做到的。在岩土工程中的最好的技艺水准几乎总是在那些人中发现一一这些人除了经过了土木 工程的充分训练之外，还经过了相关经验的培养，并且能够在土力学和地质学的基础上建立 起联系，还能够用这两门科学来扩展经验。在岩土工程实践方

13、面的专家和在土力学方面专家 的背景无疑是相同的，两者的区别也很重要。这种区别可以用医术和医学来类比，由于在任 何地方医疗实践总是被认为与一个医生的专业地位相关，这种类比尤其有启示意义。我们病了会去看医生，希望能够准确地诊断我们的病症；如果可能的话，还希望医生提 供治疗方法。他开始调查我们的经历、家庭、环境和最近的症状等问题；然后，他做一些定 性的物理测试。他敲击我们的胸部听一下声音，用听疹器听一下里面的声音，用橡皮锤敲打 一下膝盖看一下反应，拨下舌头看一下喉咙，这些实践活动没有一个会被认为是科学的。因 为他们没有提供任何定量指标来直接用于诊断；但这些却给出了定性的数据，这些定性的数 据是通过与

14、上数千个个体行为的经验建立起联系的。医生在下一步会要求做一些能够提供定量指标的试验。这些试验是对诸如体重、身高和 血压等的例行检查。有一些，例如血细胞计数和血沉检查必须由受过专业训练的技师来做； 一些要求更高水平的技术训练，例如基础代谢试验。这些试验是建立在科学研究的基础上， 但他们本身并不是科学的。他们提供了一些类似于土力学指标一样的数值指标，这些指标的 作用就在于建立许多人行为在数值上的普遍联系。在专业领域的真正艺术家会考虑他能取得的所有信息，在他的专业和经验基础上消化、 研究他们，达成一个作为假说的试探性的诊断。显然，医生的经验越丰富，弄清我们病因的 机率越高。而且，他同时会研读一些当前

15、的医学文献，那他准备得就更充分了。作为一个更 年轻的医生，如果他精通医学并且能做一些医学方面的研究，也会增加他的诊断技能。然而， 我们要意识到这些素质的简单叠加不会造就一个真正的艺术家。同样的经历对一些人比对其 它人更有意义。艺术家能够会注意到一些新手们忽略的无形之物，诸如：皮肤颜色、眼睑下 垂方式、进入他办公室时走路方式。这些印象综合起来会让他完成诊断。但是诊断至多不过是一个没有被验证的假说，这位医疗专业的艺术家要通过试探性的治 疗来完成他的验证。如果诊断是正确的，他的疗法会治愈患者；反之，他可以通过患者的反 应来给出更好的治疗。因此，他叮嘱我们在一周后再来检查一下我们的感觉和反应，他会重

16、复一些定性的试验，甚至会重复一些定量的试验。在第二次检查的基础上，他会搞清你的疗 法是否有错；如果他计划好他的治疗方式，我们的反应会给他提供做出更好诊断的信息。他 现在可能更加确信给我们开出了能够治愈疾病的治疗方式。如果我们的情况又特殊又困难， 他可能做出第二个，第三个，第四个假说，他不断优化自己的疗法，研究我们的反应直至我 们的反应和他的预期相符。最后，他可以确定他的诊断。当然，真正的大师可能在第一次就诊断成功，或者是比他的低水平同行做得更快。但是， 如果患者能够在这个试验过程中幸存下来的话，这个方法甚至对那些低水平的人也有效。如 果我们情况紧急，希望能够及时得到合适治疗的话，我们还是要去咨

17、询那些可能最好的诊断 专家。这个过程与岩土工程师的边做边学的相似性非常明显。为处理土坝、高难度的基础和基 坑问题，岩土工程师会发现观察过程是最强有力的工具。让我们简略地留意一下医疗科学，会惊讶地看到许多杰出的工作者并不是医学博士，而 是不同领域的哲学博士和理学博士，他们可能是生物学家、生物化学家、物理化学家、心理 学家，甚至是固体物理学家。例如，在现今对癌症问题发起的进攻中，我们能够看到各种类 型的科学家和技师，他们也可能作为团队成员在看起来与癌症异常遥远的问题上合作。许多 天才的和高度训练过的人在研究这个从他们的科学观点上引起他们兴趣的问题。这些人缺乏 医疗实践，可能是非常糟糕的诊断医生。实

18、际上，他们中大多都没有资格去从事医疗实践。 但他们还是对渗入实践的医疗科学贡献许多，虽然这门科学本质上实践性的。执业医生并不是不进行科学教育，他们要学习解剖学、生理学、化学、物理以及许多其 它科学课程。他的大部分教育都建立在医疗科学基础上的，但他不是一个科学家，他的科学 家朋友不是医学技艺的实践者。在观察过程中，工程师主要依赖他的科学背景，包括力学、水力学以及土力学和地质学。 在一些例子中他没有做任何基于理论的计算，但与现象联系的参数的理论关系已经植根于他 的头脑中，成为他的第二本能。他也应用了广泛的知识，这些知识包括施工知识和设计实践、 他的技能和对地质现象进行解释的知识。所有这种知识都被用

19、来集中解决他要处理的独特问 题。他和一个医生意识到没有两个人是相同的一样，也意识到没有两个基础和挖方工程是相 同的。他必须知道，关于一般沉积土哪些是共同特性，而对一个特殊的沉积层他要知道哪些 是特殊的。他的规划勘察程序和设计现场观测的技能是他最难能可贵的财富之一。尽管他大量应用土力学和地质学，但他的专业工作既不是土力学也不是地质学；而应该 是这些学问的综合，他应该是这些背景知识的各方面的主人，否则，他不可能成功地实践这 门技艺。另一方面，掌握着土力学这门工程科学的专家实际上是一个科学家。他可以是一个对理 想材料感兴趣的理论家，他也可以是对控制着土的物理力学性质的参数关系感兴趣的试验 家，他也可

20、能对土颗粒间力的作用感兴趣，他可能是一位物理化学家、土壤学家，或者是一 名机械工程师。他对土力学的贡献就是发现这门科学在技艺中的应用，但他们本身并不构成 工程实践。这种区别就象在医学与医术之间一样明显。很明显，在土力学上的专业学识水平并不能保证在岩土工程这门技艺实践中一定成功。 相反地，一些最有专业精神的实践者却可能会对土力学做出重要贡献。偶然情况下，同一个 人可能会对科学和艺术都有贡献。这样的个体非常稀少，但如果没有太沙基这样具有双重特 质的人，土力学的诞生和应用都无可能。当然，太沙基总是能够最清楚地意识在土力学和土 工实践之间的区别。上面的类比也对工程教育有所启示。在今天，越来越强烈地意识

21、到工程教育必须包括工 程科学的教育，土力学恰好就是这种科学。另一方面，岩土工程这门技艺被降级为一个讲座， 或者根本不讲。在学术圈中流行着技艺不可能被教的观点。医疗专业不相信这个错觉，他们相信医术可以传授。他们看到学生应该获得一些科学和 试验技术知识，但他们也训练新手们积累专业经验，新手要有疹疗方法和诊所实习的经历。 绝不能相信仅靠教室里教就可以造就一个好的诊断医生，但一些关于诊断方法的训练也是医 学教育的一方面。医学界相信仅靠科学教育就成为一个有医学专业技能的专家是不可能的。争论在土力学领域的学者和有岩土工程实践的有造诣的实践家哪一个相对更重要毫无 意义，两个都属于有价值的职业。但是，这两个职业本质上象艺术与科学一样不同。日益积 累科学知识以及把科学在岩土工程应用对工程系的学生而言都必不可少。但是，基础工程作 为一门技艺的实践要求学生的远不只是土力学，这些知识中大多在大学阶段能够也应该被传 授。地质学的应用和鉴别评价也必不可少，一些可能来自钢筋混凝土结构设计过程的概念 也是有必要传授的内容。此外，这种观察过程的本质应通过实例来教授和演示。如果土力学 只是广阔的专业知识总体上的一个替代