岩土工程的哲学思考

岩土工程的一些哲学思考李广信清华大学1.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1.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。1.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。2.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，土爰稼穑。（尚书·洪范）2.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；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。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－分项系数法分项系数分项系数1·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/b0.001－0.0015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。临界荷载pcr、p1/4、p1/3F塑性区2·极限承载力力理论—安全系数数法承载力：极限承载载力公式、平板载载荷试验的极限值值/安全系数（K＝2）地基的破坏与极限限承载力3·极限承载力理理论－分项系数基于可靠度理论的的分项系数设计方方法也是一种承载载能力极限状态设设计方法。由于工程中的荷载载和抗力都是随机机变量，有多少可可能性使荷载大于于抗力而失事是一一个随机事件，破坏的概率（可能能性）决定于两个个随机变量的均值值（众值，中值及及某个分位值）及及其分布。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度设计示意图图可靠度设计其失事概率可用可可靠度指标表示。。例如，相应的可可靠度系数为3.0，则表示失效概率为为万分之9.4，，能够明确地给出安安全与失效的概率率，然后通过经济济、社会、技术的的风险分析，给出出最合理的设计值值。是一种最科学学合理的设计理论论与方法；我国颁布的《建筑筑结构可靠度设计计统一标准》（GB50068-2001）规定定，对于各种结构构设计应遵循该理理论方法。地基基础设计中的的三种荷载组合1·正常使用极限限状态下荷载效应应的标准组合；；2·正常使用极限限状态下的荷载效效应的准永久组合合3·承载能力极限限状态下荷载效应应的基本组合GB50007-2002的设计计理论应用地基承载力－容许许承载力：正常使使用极限状态荷载载效应的标准组合合；稳定分析－单一安安全系数：承载能力极限状态态下荷载效应的基基本组合，分项系数取为1.0;沉降（开裂）计算算：正常使用极限限状态下的荷载效效应的准永久组合合结构计算－可靠度度的分项系数：承载能力极限状态态下荷载效应的基基本组合。岩土工程的不确定定性土层剖面与边界的的不确定性；现场与实验室岩土土指标的不确定性性；现场原位应力与孔孔隙水压力的不确确定性；外加荷载及其分布布的不确定性；岩土材料性质的复复杂性；应力变形形的机理不清楚。。计算理论和方法的的不确定性；岩土定量描述的困困难因果关系的缺失：：源于对象的复杂杂性及影响因素的的多样性；－统计、概率、优优化、可靠度：互补率的破缺－亦亦此亦彼：源于多多因素的相互关联联与转化；－灰色、模糊、混混沌、分形：地基承载力设计理理论的哲学基础1、容许承载力理理论2、极限承载力理理论－安全系数法法3、极限承载力理理论－分项系数法法可靠度设计在岩土土工程中的失败：：可靠度的研究；；桩基技术规范；；欧洲的规范。东方哲学的胜利！！东方哲学理念下的的医药－中医阴阳：阴虚阳虚；；五行：肝木肾水；；经络：穴位岩土工程与中医望问切闻，综合判判断；对症治病，因地制制宜；经验投药，随时调调整；理论导向，实测定定量，经验判断，，检测验证。太沙基的土力学艺艺术说“无论天然土层结结构怎样复杂；也也无论我们的知识识与土的的实际条条件有多么大的差差距，我们必须利利用处理问题的艺术（art)，在合理造价的的前提下，为土土工结构和地基基基础问题寻求求满意的答案。。”这与中医的手法法是相通的。概念设计与时空空效应抗震设计：不坏坏、可修、不倒倒（不死）；桩基规范：变刚刚度调平、减沉沉疏桩；新奥法：设计、、检测、施工的的一体化方法；；地下工程与基坑坑施工的时空效效应理论；－总之，是基于于理论，依赖于于经验的工作方方法。一个复杂体系的的认识L.A.Zadeh：“当系统的复杂杂性日益增加时时，我们作出系系统特点的精确确而有意义的描描述的能力将相相应降低。”岩土工程中精确确是一种奢求。。土的本构关系模模型的发展：““没有为任何一一个模型戴上王王冠。”沉降计算经验系系数s

Es2.54.07.015.020.0p>fk1.41.31.00.40.2P<fk1.11.00.70.40.23.对象及主主体间的关联与与转化黑格尔：量转化化为质和质转化化为量的规律；；对立的相互渗渗透的规律；否否定之否定的规规律。（现代科学）它它使每个人都或或多或少地局限限在自己的专业业中，只有少数数人没有被它夺夺去全面观察问问题的能力（自自然辩证法）－客观世界是不不分专业的。3.对象及主主体间的关联与与转化土的三大特性：：碎散性：非连续续介质；多相性：固体颗颗粒、水、气体体三组成；变异性：长期地地质历史的产物物。互补率的破缺－－亦此亦彼连续介质，非连连续介质？固体，流体？强度与变形：古古典土力学二者者截然分开强度问题：经典典极限分析与极极限平衡；变形问题：基于于线弹性理论的的分层总和法强度与变形的转转化土的强度，或者破坏是其应力应变过过程的最后阶段段，即在微小的的应力增量下，，会产生很大（（或者不可控制制）的应变增量量。因而破坏是是应力应变关系系的最后阶段。。变形与破坏的转转化ps渗流问题与强度度问题间的转化化二者相互影响；；在一定条件下随随可能是相互转转化的。渗流坡面抗滑稳定分析：：渗透水流以一定定角度从砂土坡坡面逸出时当＝0，＝90时，流土（砂沸）！！土中水与水中土土问题的转化前者土作为载体体，土中水在其其中运动，层流流时服从达西定定律；后者水作为载体体，水中土成为为悬移质被挟带带裹胁运动，服服从流体力学定定律。推移质介于二者者间。几个例子流土（砂沸）；；管涌；流滑；液化；滑坡－泥石流；；崩岸；流土管涌流滑泥石流液化4.感性认识与与理性认识－理理论的价值感觉到了的东西西，我们不能立立刻理解它；只只理解有了的东东西才能更深刻刻地感觉它；没没有理论指导的的实践是盲目的的实践。（实实践论）岩土工程实践已已经有几千年，，而土力学成为为一个学科才80多年，标志志是什么？人与动物、实践践与认识狭义的动物也有有工具，然而这这只是它们的躯躯体的四肢，蚂蚂蚁、蜜蜂、海海狸就是这样。。只有人才给自自然界打上自己己的印记。…..随着对自然然界规律的知识识的迅速增加，，人对自然界施施加反作用的手手段也增加了。。-（自然辩证法法）鼠獭蝼蚁与岩土土工程水獭用树的枝干干和石块在领地地的河道上建造造一座水坝，并并发表了论文““高坝建造技术术”；鼹鼠在草原下营营造了复杂的地地下工程系统，，论文“蜀国的的地下工程规划划”获得最佳论论文奖；白蚁在林地修建建了一个3米高高的蚁穴，出版版了专著《大型型地基基础工程程技术，槐阴国国的地标－超高高层建筑的岩土土工程问题》。。土力学学科的诞诞生太沙基认识到：：鼠獭蝼蚁也能能建造土工建筑筑物，从事岩土土工程的实践。。但是靠它们的的本能和经验，，而只有对客观世世界的深入理解解和正确的理论论描述才能够上上升为科学技术术。于是他闭门思索索和潜心试验，，提出了土的有有效应力原理和和单向渗流固结结理论，1925年出版了《《土力学和地基基基础》（ErdbaumechanikaufbodenphysikalscherGrundlage）一书书。人们公认这标志志土力学作为一一门独立学科的的诞生。忽视理论受到报报复钻孔灌注桩施工工：孔内水位为为什么要高于地地下水位？土坝的边蓄水边边填筑；弟顿坝的水力劈劈裂破坏；挖方施工－快！！填方施工－慢慢！献礼工程的事故故；承载力理论的意意义加拿大特朗斯康康谷仓：1913年9月月装谷物，10月17日倾覆覆，1173年动工工1370年竣工工1940年在软软粘土地基上的的水泥仓的倾覆5.一个永恒流流动与变化的体体系一切僵硬的东西西融化了，一切切固定的东西消消散了，一切被被当作永远存在在的东西变成了了转瞬即逝的东东西。整个自然然界被证明是在在永恒的流动和和循环中运动着着。阴阳：一分为二二、阴阳交感、、矛盾转化、发发展变化。5.一个个永恒流流动与变变化的体体系人不能过过同一条条河;我们不能能用同一一个土样样作一个个完整的的试验：：在每一瞬瞬时，土土的内部部结构、、土的性性质都都都不是前前一瞬时时的那个个土了。。非线性、、弹塑性性、剪胀胀性和与与应力路路径有关关的性质质。土的应力力应变与与组成、、状态和和结构的的耦合！！DDA(discontinousdeformationanalysis)非连续变变形分析析DDA计计算三轴轴试验曲曲线正常固结结粘土的的固结与与强度pe任一应力力下的土土样都是是不同的的,它它是不同同密度和和结构土土样强度度的集合合。各种土的的本构关关系的相相通性应力变形形－组成成、状态态、结构构之间的的描述尺尺度：弹塑性模模型：硬硬化参数数H(pij);损伤模型型：损伤伤变量w(ij);内时理论论模型：：内部时时间变量量z(ij).都是表明明土在受受力变形形工程中中的结构构与状态态变化尺尺度。6.岩岩土工程程的科学学方法归纳和演演绎；抽象和具具体；外推和内内插；分析和综综合；；概化和细细化；类比与借借鉴；移植与引引进。归纳和演演绎归纳：经经验公式式演绎：三三段论式式演绎论证证：微分分方程＋＋边界条条件→解解答演绎推测测：设计计理论与与方法＋＋设计参参数→工工作对象象普遍适用用的理论论＋补补充陈陈述→→推论论大前提小前提归纳法的的错误实实例平面应变变方向的的中主应应力平面应变变试验归归纳的结结果不具具普遍性性违背虎克克定律：：<<<归归纳法法归纳法的的错误实实例对于很软软泥土，，复合深深度修正正系数为为0.8.dA=1演绎法的的错误实实例膨胀土地地基的承承载力膨胀力是是引起膨膨胀土膨膨胀的原原因原有的地地基承载载力公式式没有考考虑膨胀胀力所以必须须修改公公式。<<<演演绎法法抽象和具具体抽象性质抽象象——弹弹性和塑塑性关系抽象象——虎虎克定律律和达西西定律具体误用的原原因：一一般是补补充陈述述（小前提）有错误误超过理论论适用范范围补充条件件有错误误边界条件件错误设计参数数错误人为的任任意性，，实际的的困难性性。经验理论具体化＝＝理论的的应用抽象的意意义对土性质的认识

曾经历的四次飞跃压硬性→摩擦定律→极限平衡理论排水压密性→有效应力原理→固结理论剪胀性→剑桥弹塑性模型结构性→?具体化中中误用实实例抗剪强度度理论快剪＝不不排水剪剪砂与碎石石土使用用固结不不排水指指标勘测资料料失误残积土上上多层建建筑基坑地基基土的快快剪试验验强度指指标与非非饱和土土吸力<<<具具体化化外推和内内插外推外推＝拓拓宽理论论适用范范围一维→→ 二维维、三维维线性 →非非线性饱和土→→ 非饱和和土内插普遍适用的的理论退回回到有限范范围适用的的理论伦杜列克固固结理论(1936)→Barron砂井固结结理论(1948)参数与数值值的内插分析和综合合西方还原论论的精华结构→构件件→分子→→原子生物→器官官→细胞→→基因分析实体分析：：有限单元元法，条分分法，离散散元法等成份分析：：颗粒分析析，化学分分析总应力＝有有效应力＋＋孔隙压力力注意两点分析时出现现而综合时时消失的，，如渗透力力综合时存在在而分析时时消失的，，如人体筋筋络系统，，地应力虚构的概念念渗透流速，，有效应力力分析的关键键是如何划划分<<<分分析III土骨架水土体总重=土骨骨架浮容重重+孔隙隙水？概化和细化化概化数学分析略略高阶小量量桩基计算中中的剪切位位移法地基土的渗渗透系数细化渗透系数由由标量改为为张量单一屈服面面改为双屈屈服面总应力分为为有效应力力和孔隙水水压力简化或理想想化＝略去去次要因素素细化＝增加加考虑的因因素类比与借鉴鉴类比电拟试验、、光弹试验验，各种物物理模型试试验渗透达西定定律－电流流的欧姆定定律借鉴仿生学，优优化理论中中的遗传算算法、蚂蚁蚁算法、树树根桩学科间的交交叉正是为为了发挥借借鉴比拟＝从相相似事物的的比较中得得出结果借鉴＝从其其它事物的的观测中得得到启发移植与引进进移植土壤学（吸吸力），混混凝土（断断裂）的研研究成果引进数学力学的的一般理论论如分形几几何、拓扑扑数学、损损伤力学高新技术如如数字技术术，GPS移植＝直接接引用相邻邻学科的成成果引进＝引入入普遍适用用的理论或或方法引进和借鉴鉴的三个原原则以中国革命命为例对应原则中国革命需需要马克思思列宁主义义马克思列宁宁主义适合合中国国情情没有死搬俄俄国十月革革命的经验验需要适合活用“需要”的的原则带着问题去去取经不要为引进进而引进——屠龙术的的笑话成功实例———塑性力力学、遗传传算法；一维压缩－－稳定系统统（系统论论）“适合”的的原则杀鸡不用牛牛刀—性价价比最高原原则复合载体夯夯扩桩成功实例——遗传算法法、许多半半经验方法法部分成功实实例—压缩缩曲线的双双曲线拟合合有争议的实实例－有限限元强度折折减法压缩曲线的的拟合pelogpe“活用”的的原则引进是再创创新过程成功实例——经典塑性性力学：圆圆筒屈服面面、圆锥屈屈服面帽子形屈服服面σ1σ3σ1＝σ2＝σ3突变理论———应用案案例H应变弱化区区段弹性性质区区段试错与相关关分析试错法：：确定性方方法排除归纳法－－因果关系研研究假定几种可能能的原因通过演绎法推推断每一种原原因将会出现现的结果与已经发生的的事实比较公安破案，医医生找病因，，工程事故的的原因分析相关分析：非非确定性方法法实例分析地震滑坡的拟拟静力法地震滑坡原因因液化引起的强强度降低地震惯性力拟静力法：地地震惯性力理理论—从结构构动力学中借借鉴实例分析地震滑坡的拟拟静力法实例分析真空预压机理理4种假设水平位移垂直位移容重变化向外向下大气压力向外向下渗透力向内向上有效应力增加向内向下零压线7.人与自然然的和谐－岩岩土工程的任任务天何言哉？四四时行焉，万万物生焉。（（论语·阳货货）道在天地之间间也。（管子子·心术）岩土工程对象象的演变美国的土木工工程师协会（（ASCE））下所主办的的本学科期刊刊创办时名为为“土力学及及基础工程””（Soilmechanicsandfoundationengineering）；1974年以以后更名为““土力学及岩岩土工程”（（Soilmechanicsandgeotechnicalengineering），，相应的学会会也改成此名名；20世纪90年代以后，，期刊又更名名为“岩土工工程与环境岩岩土工程”（（geotechnical&environmentalengineering）。人与自然的和和谐－岩土工工程的任务我国近20年年来随着国民民经济和各类类土木工程的的快速发展，，岩土工程建建设空前兴旺旺发达；但是，几乎在在同期，国际际的岩土工程程学科的领域域和范围发生生了明显的变变化。随着人们对于于资源和生