土力学发展史回顾

1、土力学发展史回顾土力学的进展能够划分成以下三个历史时期。萌芽期(17731923) 土力学的进展当以Coulomb首开先河，他 在1773年发表了论文极大极小准则在若干静力学咨询题中的应用，为 今后的土体破坏理论奠定了基础。然而，在此后的漫长的150年中，研究工作只是个不学者在探究着进行，而且只限于研究土体的破坏咨询题。两 篇有代表性的论文是1857年英国人Rankine关于土压力的理论和瑞典工程 师Petterson针对Goteborg港滑坡提出的分析方法。20世纪初随着高层建筑 的大量涌现，沉降咨询题开始突出，与土力学紧密有关的学科一一弹性力 学的进展为沉降咨询题的研究提供了必要的手段，从

2、而为了Terzaghi开创的土体变形研究提供了客观条件。古典土力学(1923-1963) 1923年，Terzaghi发表了闻名的论文 粘土中动水应力的消散运算，提出了土体一维固结理论，接着又在另一 文献中提出了闻名的有效应力原理，从而建立起一门独立的学科一土力学。 此后，随着弹性力学的研究成果被大量吸引过来，变形咨询题的研究越来 越成为重要的内容，然而，土体的破坏咨询题始终是当时土力学研究的主 流。这一时期在土体破坏理论研究方面的要紧成就有： Fellenius, Taylo r和Bishop等关于滑弧稳固分析方法的建立与完善；Terzaghi关于极限土压力的研究和提出承载力公式；Cokoj

3、iobckh比散粒体静力学的建立；Shield和沈珠江等关于土体破坏的运动方程和极限平稳理论 的建立。而在变形理论方面则有： 地基沉降运算方法的建立与完善； Mindlin公式的提出及其在桩基沉降运算中的应用；弹性地基梁板的运 算； 砂井固结理论； Biot固结理论的提出和完善。古典土力学能够归结为一个原理一一有效应力原理和两个理论一 一以弹性介质和弹性多孔介质为动身点的变形理论和以刚塑性模型为动身 点的破坏理论(极限平稳理论)。前一理论随着1956年Biot动力方程的建立 而划上一个完满的句号；后一理论则于60年代初完成了差不多的理论框架。然而，真实的土体决不是理想弹性体，也不是理想刚塑性体

4、。能够考虑土 体两个差不多特性（压硬性和剪胀性）的现代土力学理论在50年代初巳开始 蕴酿，例如Skempton的闻名公式皿b 3 a（ 13）中孔隙压力系数A#1/3确实是剪胀性的体现，而Janbu的模量公式E Kpa（ 3，Pa）n中对 3的 考虑确实是压硬性的体现。一方面，随着认识的深化，人们已越来越不满 足于理想弹性介质和理想刚塑性介质如此简单化的描述，另一方面，现代 电子运算技术的进展为采纳复杂的模型提供了手段，从而为现代土力学的 建立制造了客观条件，而Roscoe的工作则直截了当导致现代土力学的产生，现代土力学 尽管在50年代已有人对塑性理论应用于土力学的可 能性进行过探究，但只有到

5、1963年，Roscoe发表了闻名的剑桥模型，才提 出第一个能够全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而能够看作现 代土力学的开端。通过30多年的努力，现代土力学已越过重要的时期而渐 趋成熟，并正在下列几方面取得重要进展：非线性模型和弹塑性模型的 深入研究和大量应用；损害力学模型的引入与结构性模型的初步研究； 非饱和土固结理论的研究；砂土液化理论的研究；剪切带理论及渐 进破旧咨询题的研究；土的细观力学研究等。因此，在这一段时刻内， 古典土力学框架内尚未解决的一些咨询题连续有人在研究，并取得许多进 展，例如土与结构共同作用、土体极限分析中的不平均和非线性咨询题， 而土工数值分析更是这一段时刻内

6、才进展起来的。另外土工测试技术等方 面也取得专门大进展，专门是原位测试技术和离心模型试验技术。就土力 学理论研究而言，上述6项中只有第一项已比较成熟，其它几项有的刚刚 起步，有的虽已研究多年，尚未取得重大突破。然而，时至今日，现代土 力学理论的差不多轮廓已逐步清晰。中国学者的奉献 我国对土力学的研究始于1945年黄文熙在中央水利 实验处创立第一个土工试验室，然而，大规模的研究则是在中华人民共和 国成立以后随着一批国外国学人员回国和 50年代初大批青年学者参加工作 以后才开始的。40多年来，各方面都取得了长足的进展，提出许多重要成 果，为土力学的进展和完善作出了主动的奉献。例如，在土的特性方面有

7、 刘祖典等对黄土湿陷特性的研究，魏汝龙对软粘土强度变形特性的研究和汪闻韶对砂土动力特性的研究等；在理论和运算方面，有黄文熙对地基应 力和沉降运算方法方面的改进，陈宗基的流变模型，钞票家欢应用李氏比 拟法求解粘弹性多孔介质的固结咨询题，谢定义关于砂土液化理论的研究， 沈珠江关于有效应力动力分析方法的研究，以及同济大学关于土与结构共 同作用的研究和浙江大学关于动力波传播的研究等，在试验技术方面有黄 文熙提议和汪闻韶负责建成的振动三轴仪；在应用方面有软土地基的真空 预压、广灌浆技术和滑坡支挡技术等。近几年来，一批基础扎实、思想活 跃的青年学者投身于土力学的研究，作出了许多新的奉献，专门是国内培 养的

8、一批博士，写出了许多高质量的论文。这些成果中属于理论方面的将 在本书中得到反映。总的讲来，我国的土力学研究水平在理论分析和工程 应用方面，与世界各国相比并不逊色，因此在测试技术方面尚比较落后。现代土力学的展望现代土力学的研究，出现以下几个特点：(1)对土的力学特性的认识越来越深入，差不多发觉了许多新的现 象，例如应力路线的依靠性、强剪缩性(表现泊松比小于0)和反向剪绍(剪应 力减小时发生体缩)等，而一些研究多年的力学特性，如黄土湿陷、砂土液 化、粘土断裂等现象，也有了更深入的认识。许多咨询题不但经典土力学 理论无法讲明，现有的非线性和弹塑性本构理论也无能为力。目前，许多 学者正在探究新的思路，

9、包括从细观结构上进行研究。(2)由于土的特性多变，人们越来越不满足于一个土层具有一定力 学指标的定值研究方法，从70年代开始的土的随机性研究正方兴未艾。(3)随着电子运算技术的进展，再复杂的数学方程和工程条件，也 能够通过数值分析求解和模拟，土工数值分析正是当前最热门的研究课题 之一。(4)尽管取土技术在持续改进，然而越来越多的人认识到，室内土 样试验的结果常常不能反映现场的实际情形，原位测试技术正成为土力学 的一个重要组成部分。(5)土工离心模型试验尽管始于30年代，但真正大规模的进展则是 近20年的事。离心模型试验的完善与成熟将使实验土力学变成土力学的一 个完整的分支。(6) ”边设计一一

10、边观测”曾是 Terzaghi和Peck提出的一种研究方 法，用现代术语讲这确实是反馈分析。一方面用现代先进技术进行原体观 测，一方面用现代运算技术进行反馈分折，通过这一途径改进当前或今后 的工程设计，无疑是现代土力学的一个重要特点。(7)土力学的实际应用离不开工程师的体会，在现代运算技术的基 础上建立联系理论 与体会的专家系统，必将是现代土力学的一个重要内 容。综上所述，现代土力学能够归结为一个模型、三个理论和四个分 支。一个模型即本构模型，专门是指结构性模型。这是因为迄今为止所提 出的本构模型差不多上从重塑土的变形特点动身的，并把颗粒之间的滑移 看作塑性变形的根源，而包括砂土在内的天然土类

11、都具有内部结构，变形 过程必定相伴着结构的破坏和改变。因此进展新一代的结构性模型是现代 土力学的核心咨询题。三个理论即一个变形理论和两个破坏理论，其要紧 目标如下，(1)非饱和土固结理论，这是饱和土固结理论的推广，必须建立在 合理的本构模型的基础上，并用于分析黄土、膨胀土和冻土的变形咨询题。(2)液化破坏理论，即描述由于孔隙压力升高而导致土体破坏的理 论，其核心是要建立一个能反映复杂应力路线下变形规律的本构模型，研 究对象既能够是饱和砂土，也能够是饱和粘土。(3)渐进破坏理论，即描述荷载增加情形下土体真实破坏过程的理 论，它的建立可能要运用损害力学、细观力学和分叉理论等现代力学分支， 最后要完

12、成对应变软化咨询题和剪切带形成过程的数学模拟。四个分支即理论土力学、运算土力学、实验土力学和应用土力学，后 者也能够叫做土工学(Soil Engineering),各自的要紧内容如图l所示，其中 的室内模拟试验是指把土样当作边值咨询题进行试验研究，与把土样当作一个元素进行试验有全然的不同。现代土力学已有30多年的历史，可能还 需要30年才能大体上完成其差不多框架理论土力学的地位“从实践中来，到实践中去”，这是任何学科进展的必由之路，因 此也是有用性专门强的土力学的进展的必由之路。固结理论是从地基沉降 运算的需要动身而建立起来的，在指导地基设计中得到持续进展和完善， 便是对这一命题的最好讲明。那

13、个地点“来”包含两重意义，一是理论为 生产实践的需要而提出，二是从具体事例中抽象出来；“去”也包含两重意义， 一是对实践的指导，二是到实际中进行检验。不符合上述原则的理 论是脱离实际的，它要么是无用的，要么是错误的。已提出的许多本构模 型中大部分没有多大的有用价值，有的从未被工程师们所同意，确实是例 证。然而，正确的理论一旦为宽敞的工程师所把握，就一定会产生庞大的 力量。有效应力原理对饱和土的变形和强度理论的阻碍及其在软基加固和 砂土液化分析中的作用，确实是最好的例证。相反，许多学者孜孜不倦追 求的所谓“粒间应力”理论，则是错误的，因为土体骨架仅仅是人们头脑 中的一种抽象，不能人为地把土体割裂

14、成骨架和孔隙流体两部分。这种错 误倾向在非饱和土有效应力原理的研究中更曾引起许多纷乱。另一方面，土力学中尚有许多理论没有被广泛地把握，在实践中 显现过一些盲目做试验、写论文或者盲目设计、施工等咨询题。例如古典 的土体破坏理论中采纳了刚塑性体的假设，实际的土体破坏过程与理论相 差甚远，因此，对试桩曲线上确定破坏点的咨询题，找出一个比前人更合 理的方法可能是白费的。所谓合理，应当是符合刚塑性体的假设，这明显 是做不到的。在那个地点，最好依旧用约定俗成的体会方法。又如在有限 元法引人土工运算的初期，曾有人对每一个单元运算安全系数，然后以某 种方式平均得出整体的安全系数。这种方法是不可取的，因为它混淆

15、了设 计应力状态与极限应力状态，不符合极限设计的差不多原则。还有一个末 被所有人认识的例子是土的剪缩性。粗粒料在低围压下剪胀，高围压下剪 缩。因此，许多在重力场下所做的土梢模型试验，有的能够定性地模拟实 际情形，有的则连定性都做不到，甚至可能得到错误的结果。例如100m高 的堆石坝，如果做成1m高的模型放在振动台上，振动过程中坝坡将逐步鼓 出，实际遇到地震时由于堆石体的剪缩，坝顶会有相当的塌陷，但坝被不 一定有明显的鼓出。当混凝土板与土石料接触时，接触面上的摩控力方向 可能因剪胀或剪缩而改变，从而板内本来是压应力的地点显现拉应力，因 此试验结果甚至定性上也是错误的。综上所述，可见正确把握土力学

16、差不多理论的重要性。如果讲，有效 应力原理是古典土力学的核心，曾经发挥过庞大作用，那么现代土力学的 核心咨询题必定是本构模型。在某种意义上，古典土力学只能称为弹性土 力学，它的大部分成果只是借用弹性力学中已有的解答，而真正的土力学 必须建立在符合土本身特性的本构模型的基础上，因此，一个优秀的土工 工程师必须对土的本构模型有差不多的了解，把握常用的本构模型的适用 性与局限性，并善于选用适应实际工程特点的模型。土力学理论咨询题的研究方法理论咨询题的研究途径，无非是归纳法和演绎法 （包括类比法）的交替 使用。一方面能把握土的差不多物理力学性质，一方面善于借用相邻学科 中行之有效的方法，这是取得成功的

17、必由之路。Terzaghi固结理论确实是一 个专门好的实例，它是从建筑物实际沉降观测中归纳出来的，又是借用了 热传导理论中已有的解答。从一个领域归纳出来的理论或从更普遍的公理演绎出来的理论，能否 用于另一个领域，需要检验，并按照实际情形加以一定的修正。典型的例 子如DruckerPrager模型，纯粹是从金属塑性理论和 Drucker公设推演出 来的，尽管在岩石力学中有人还在用，但始终没有得到土工工程师的普追 认同；而帽子形的剑桥模型，尽管也借用了金属塑性理论的差不多概念， 但通过修正，能够考虑土的体积塑性应变和剪缩性，从而得到较广泛的应 用。适用于一种土类的理论，搬到另一种土类，往往也会显现

18、同样的咨询 题。例如Coulomb摩擦定律是从总结砂土的破坏规律得出的， 应用于粘土， 就产生一系列的咨询题，历史上曾对粘土的三种强度理论，即总强度理论、 真强度理论和有效强度理论，产生过专门大的争辩。总之，借用相邻学科 中的成熟的东西，始终是理论研究的一条捷径，但成功与否，关键在于把 握所研究对象的具体特点，加以灵活运用。如果仅仅从相邻学科中引进一 些新名词，而不深入研究土的具体特性，可能算不上什么创新。理论研究离不开假设。能够毫不夸张地讲，没有假设就没有理论。土 力学中常用的假设也专门多，如小应变假设、各向同性假设、Winker假设等。其中最重要的有效应力路线无关的假设，土力学进展史上许多

19、重大的 争辩往往是围绕这一假设而展开的。有效应力强度指标与应力路线无关的 假设今天已被普遍同意，然而关于具有较强结构性的土类，这一假设未必 正确。近年来受到广泛注意的塑性应变方向与应力路线无关的假设（塑性势假设）是又一个例子。假设是对复杂事物的一种简化，只要能在一定范畴内 适用，简化假设就会有生命力，土的弹性体假设确实是例证。假设越少， 考虑的因素越全面的理论，如果使用起来太复杂，就未必优于更简单的理 论，有的甚至是画蛇添足，多此一举。该简单的地点简单，复原杂的地点 复杂，这可能是研究工作的一条重要原则。例如率无关假设（即不考虑流变）, 对大部分土类适用，对某些土可能不适用。但即使对同一种土类

20、，也不能 笼统地讲都要考虑或者都不要考虑。软粘土的流变现象是比较明显的，但 专门多情形下能够不必考虑。例如 60年代曾发觉许多建于斜坡上的码头结 构遭到破坏，当时许多人把缘故归之于软土的剪切流变。以后的研究表明， 要紧的缘故是土层压缩变形引起的差异沉降造成的。砂土料的流变特性不明显，但如果和混凝土构件相互作用，连续的少量变形可能引起构件破坏, 则同样需要考虑。地下洞室的支护中甚至耍考虑岩石的流变，确实是例证。 总之，任何一项有价值的理论研究成果都必须有明确的差不多假设，能大 致规定其适用范畴，并通过对比(包括与已有理论的对比及试验资料和原型 观测资料的对比)证明其优越性。土的力学性质土的力学性

21、质是建立土的强度和本构理论的基础，而强度和本构 理论的研究又进一步深化人们对土的力学性质的认识。本节介绍土的差不 多力学特性和重要力学特性。所谓差不多力学特性，是指对所有土类和要 紧受力时期都有重要阻碍的力学性质，是土区不于其它工程材科的标志， 而重要力学特性则是指对一定土类在一定受力时期有重要阻碍的，在其它 情形下能够忽略不计。土的差不多特性有两个，即压硬性和剪胀性，因此土能够定义为 具有压硬性和剪胀性的工程材料。按照这一定义，堆石体也应看作土的一 种。土的重要特性专门多，例如非线性、流变性性、各向异性等等。土的许多力学特性与其颗粒排列和颗粒间结合情形一一即结构性有 关，涉及这方面的咨询题将

22、后续章节介绍。差不多力学特性压硬性 指土的强度和刚度随压应力的增大而增大和随压应力的 降低而降低。库仑摩擦定律是有关压硬性的最早表述，Hvorslev把这一定律推广用于粘性土。至于模量方面，则下列Janbu公式是有关压硬性的最明 确的体现Ei Kpa( 3/Pa)n式中：K和n为常数。在土力学的理论和实践中，人们无不自觉或不自觉地应用土的这 一差不多特性。软土的 排水固结确实是明显的例证，粘土孔隙压力研究的最终目的无非确实是为了判定有效压应力可能增加多少。许多工程的成 功和失败正是与是否正确运用这一特性有关。例如，软粘土上填土要求慢 速施工，硬粘土中开挖则要求快速施工和及时回填。剪胀性 指土体

23、在剪切时产生体积膨胀或收缩的特性。密砂剪胀， 松砂剪缩，早在30年代就广为人知。据此，Casagrand彘出了表征不胀 不缩的临界孔隙比的概念。粘土的剪胀性， 尽管亦早在1936年就为Rendul ic发觉，但长期没有引起注意。Skempton于1954年提出闻名的孔隙压力公 式Uw B 3 A( 13)再次把粘性土的剪胀性提了出来，因A? 1/3就意味剪胀或剪缩。 至60年代初，魏汝龙对土的剪胀性作了较全面的总结，此后剪胀性的概念 逐步被普遍同意。如果把应力张量分为球张量和偏张量两部分，压硬性表示应力球 张量对应变偏张量的阻碍，而剪胀性则表示应力偏张量对应变球张量的阻碍。这就意护着应力球张量

24、一应变偏张量和应力偏张且一应变球张量之间驿在交即dP下列广义虎克定律不再适用d v 去dq K7dq而必须KB卡式岛11ddp dq式中；GA 1 2 G)/3 和 q ( 1 2)2 ( 2 3)2 ( 3 1)21/2/& ； Kp、 Kq和Gp、Gq则能够分不称为压缩模量、剪胀模量、压硬模量和剪切模量， 以上表述实际上确实是次弹性模型的一种。二、重要力学特性各向异性 引起各向异性的缘故有两个，一是天然土在沉积过程 中或人工土在填筑过 程中形成的，二是受力过程中逐步形成的，与扁平形 颗粒的扁平面取向于垂直大主应力方向有关，后者常称应力引起的各向异 性。本构模型中是否要考虑第一种各向异性，须视情形而定，而第二种各 向异性，则在一个