針對(duì)土力學(xué)發(fā)展的分析

提 要：巖土工程建設(shè)至今還不能脫離經(jīng)驗(yàn)，但巖土力學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)展已使許多工程的設(shè)計(jì)逐漸擺脫完全依賴經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的狀況，數(shù)值計(jì)算在未來(lái)的巖土工程設(shè)計(jì)中將會(huì)占據(jù)越來(lái)越重要的位置。本文探討了計(jì)算巖土力學(xué)近期可有取得的進(jìn)展并應(yīng)加強(qiáng)研究的幾個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：巖土工程；土力學(xué)

有限元法在我國(guó)普及的初期，許多工程師對(duì)數(shù)值分析能否解決實(shí)際問(wèn)題曾抱著懷疑的態(tài)度，但是不少有識(shí)的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)還是給予熱情的支持。記得上世紀(jì)80年代初在組織三峽深水圍堰第一輪多單位協(xié)作分析計(jì)算時(shí)，長(zhǎng)江水利委員會(huì)司兆樂(lè)總工曾提出計(jì)算分析結(jié)果能達(dá)到“精確定性、粗略定量”的目標(biāo)。到今天，雖然不能說(shuō)這一目標(biāo)已完全實(shí)現(xiàn)，但對(duì)相當(dāng)一部分巖土工程來(lái)說(shuō)，做到這一點(diǎn)已沒(méi)有困難。當(dāng)然，巖土工程的設(shè)計(jì)和施工在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍需要工程師們的經(jīng)驗(yàn)，但是，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)值分析技術(shù)必將越來(lái)越成為人們必須依賴的工具。

同樣，在巖土力學(xué)研究中，計(jì)算也已成為和實(shí)驗(yàn)一樣不可或缺的手段。在某些特殊情況下數(shù)值模擬甚致可以代替實(shí)驗(yàn)。而離心模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的相互配合，已經(jīng)成為解決巖土工程問(wèn)題的一個(gè)重大研究方向。

本文將就21世紀(jì)巖土工程數(shù)值分析的發(fā)展前景提出一些看法，基于作者專業(yè)知識(shí)的局限，重點(diǎn)探討土力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值分析問(wèn)題。

自古以來(lái)，人類就廣泛地利用土作為建筑地基和材料。古代許多偉大建筑物，如我國(guó)長(zhǎng)城、大運(yùn)河、宮殿廟宇、橋梁等，國(guó)外的比薩斜塔、金字塔等的修建都需要有豐富的土的知識(shí)和在土層上修建建筑物的經(jīng)驗(yàn)。由于社會(huì)生產(chǎn)力和技術(shù)條件的限制，這一階段經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間，直到18世紀(jì)中葉，還停留在感性認(rèn)識(shí)階段。

理論提高階段。產(chǎn)業(yè)革命以后，大量建筑物工程的興建，促使人們對(duì)土進(jìn)行了專題研究。把已積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一些理論歸納和解釋。如1773年，法國(guó)科學(xué)家?guī)靷悾–.A.Coulomb）發(fā)表了土壓力理論和土的抗剪強(qiáng)度公式；1856年，法國(guó)工程師達(dá)西（H.Darcy）研究了砂土的透水性，創(chuàng)立了達(dá)西滲透公式；1857年英國(guó)學(xué)者朗肯（W.Jm.Rankine）建立了另一種土壓力理論與庫(kù)倫理論相輔相承；1885年，法國(guó)科學(xué)家布辛內(nèi)斯克（J.Boussinesq）提出了半無(wú)限彈性體中的應(yīng)力分布計(jì)算公式。至今仍都是地基中應(yīng)力計(jì)算的主要方法等等。

形成獨(dú)立學(xué)科階段。從20世紀(jì)20年代起，不少學(xué)者發(fā)表了許多理論和系統(tǒng)的著作。1920年法國(guó)普蘭特發(fā)表了地基滑動(dòng)面的數(shù)學(xué)公式，1916年瑞典彼得森提出了計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的圓弧滑動(dòng)法。而最具代表意義的是1925年美國(guó)太沙基（K.Terzaghi）首次發(fā)表了《土力學(xué)》一書(shū)。這本著作比較系統(tǒng)地論述了若干重要的土力學(xué)問(wèn)題，提出了著名的有效應(yīng)力原理，至此，土力學(xué)開(kāi)始真正地形成獨(dú)立學(xué)科。從那時(shí)起，直到20世紀(jì)60年代，土力學(xué)的研究基本上是對(duì)原有理論與試驗(yàn)充實(shí)與完善。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，使土力學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。

第四階段。此時(shí)，最突出的工作是用新的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系代替過(guò)去的理想彈塑性體。隨著應(yīng)力應(yīng)變模型建立，以此為基礎(chǔ)建立了新的理論體系。 1957年，D.C.Drucker提出了土力學(xué)與加工硬化塑性理論，對(duì)土的本構(gòu)模型研究起了很大的推動(dòng)作用。許多學(xué)者紛紛進(jìn)行研究，并召開(kāi)多次學(xué)術(shù)會(huì)議，提出了各種應(yīng)力應(yīng)變模型。如在工程中常用的鄧肯-張模型、英國(guó)劍橋模型等。我國(guó)在這個(gè)階段也進(jìn)行了很多工作，如清華大學(xué)黃文熙模型、南京水利科學(xué)研究院沈珠江模型和河海大學(xué)殷宗澤模型等。這些模型都是對(duì)土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律提出數(shù)學(xué)描述，并用土的實(shí)際情況相驗(yàn)證。

雖然在50年代已有人對(duì)塑性理論應(yīng)用于土力學(xué)的可能性進(jìn)行過(guò)探索，但只有到 1963 年， 羅斯科（Roscoe）發(fā)表了著名的劍橋模型，才提出第一個(gè)可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數(shù)學(xué)模型， 因而可以看作現(xiàn)代土力學(xué)的開(kāi)端。經(jīng)過(guò) 30 多年的努力，現(xiàn)代土力學(xué)已越過(guò)重要的階段而漸趨 成熟，并正在下列幾方面取得重要進(jìn)展：①非線性模型和彈塑性模型的深入研究和大量應(yīng)用；②損傷力學(xué)模型的引入與結(jié)構(gòu)性模型的初步研究；③非飽和土固結(jié)理論的研究；④砂土液化理 論的研究；⑤剪切帶理論及漸進(jìn)破損問(wèn)題的研究；⑥土的細(xì)觀力學(xué)研究等。

將土質(zhì)學(xué)和土力學(xué)結(jié)合在一起的教材，有20世紀(jì)50年代巴布可夫的《土學(xué)及土力學(xué)》與60年代俞調(diào)梅的《土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)》。在這些土力學(xué)教材中，特別強(qiáng)調(diào)了應(yīng)當(dāng)重視對(duì)土的基本性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和土工試驗(yàn)，并將黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)內(nèi)容列入教材，從而形成了土力學(xué)與土的工程性質(zhì)緊密結(jié)合的教材體系。

土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)是研究與土的工程問(wèn)題有關(guān)的學(xué)科，它既是工程力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，又是土木工程學(xué)科的一部分。土是一種自然地質(zhì)的歷史產(chǎn)物，是一種特殊的變形體材料，它既服從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一般規(guī)律，又有其特殊的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和特殊的強(qiáng)度、變形規(guī)律，因此，土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)形成了不同于一般固體力學(xué)的分析方法和計(jì)算方法，所以在學(xué)習(xí)本課程以前必須具備工程地質(zhì)學(xué)、材料力學(xué)等預(yù)備知識(shí)。而土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)的理論與分析計(jì)算方法又是學(xué)習(xí)土木工程專業(yè)課程以及從事土木工程技術(shù)工作必需的基礎(chǔ)知識(shí)，是一門介于基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的技術(shù)基礎(chǔ)課。

所有的工程建設(shè)項(xiàng)目，包括高層建筑、高速公路、機(jī)場(chǎng)、鐵路、橋梁、隧道等，都與它們賴以存在的土體有著密切的關(guān)系，在很大程度上取決于土體能否提供足夠的承載力，取決于工程結(jié)構(gòu)是否遭受超過(guò)允許的沉降和差異變形等，這就要涉及土中應(yīng)力計(jì)算、土的壓縮性、土的抗剪強(qiáng)度以及地基極限承載力等土力學(xué)基本理論。

現(xiàn)代土力學(xué)可以歸結(jié)為一個(gè)模型、三個(gè)理論和四個(gè)分支。一個(gè)模型即本構(gòu)模型，特別是指結(jié)構(gòu)性模型。這是因?yàn)槠駷橹顾岢龅谋緲?gòu)模型都是從重塑土的變形特點(diǎn)出發(fā)的，并把顆粒之間的滑移看作塑性變形的根源，而包括砂土在內(nèi)的天然土類都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，變形過(guò)程必然伴隨著結(jié)構(gòu)的破壞和改變。因此發(fā)展新一代的結(jié)構(gòu)性模型是現(xiàn)代土力學(xué)的核心問(wèn)題。

“從實(shí)踐中來(lái)，到實(shí)踐中去”，這是任何學(xué)科發(fā)展的必由之路，當(dāng)然也是實(shí)用性很強(qiáng)的土力學(xué)的發(fā)展的必由之路。固結(jié)理論是從地基沉降計(jì)算的需要出發(fā)而建立起來(lái)的，在指導(dǎo)地基設(shè)計(jì)中得到不斷發(fā)展和完善，便是對(duì)這一命題的最好說(shuō)明。

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