土力学发展史回顾

1、土力学发发展史回回顾土力学的的发展可可以划分分成以下下三个历历史时期期。萌芽期(1777319223) 土力力学的发发展当以以Couulommb首开开先河，他在117733年发表表了论文文极大大极小准准则在若若干静力力学问题题中的应应用，为今后后的土体体破坏理理论奠定定了基础础。但是是，在此此后的漫漫长的1150年年中，研研究工作作只是个个别学者者在探索索着进行行，而且且只限于于研究土土体的破破坏问题题。两篇篇有代表表性的论论文是118577年英国国人Raankiine关关于土压压力的理理论和瑞瑞典工程程师Peetteersoon针对对Gotteboorg港港滑坡提提出的分分析方法法。200世

2、纪初初随着高高层建筑筑的大量量涌现，沉降问问题开始始突出，与土力力学紧密密相关的的学科弹性性力学的的发展为为沉降问问题的研研究提供供了必要要的手段段，从而而为了TTerzzaghhi开创的的土体变变形研究究提供了了客观条条件。古典土力力学(11923319663) 19923年年，Teerzaaghii发表了了著名的的论文粘土中中动水应应力的消消散计算算，提提出了土土体一维维固结理理论，接接着又在在另一文文献中提提出了著著名的有有效应力力原理，从而建建立起一一门独立立的学科科土力学学。此后后，随着着弹性力力学的研研究成果果被大量量吸引过过来，变变形问题题的研究究越来越越成为重重要的内内容，但但

3、是，土土体的破破坏问题题始终是是当时土土力学研研究的主主流。这这一时期期在土体体破坏理理论研究究方面的的主要成成就有：Felllenniuss，Taayloor和Bisshopp等关于于滑弧稳稳定分析析方法的的建立与与完善；Terrzagghi关关于极限限土压力力的研究究和提出出承载力力公式；散散粒体静静力学的的建立；Shiieldd和沈珠珠江等关关于土体体破坏的的运动方方程和极极限平衡衡理论的的建立。而在变变形理论论方面则则有：地基沉沉降计算算方法的的建立与与完善；Minndliin公式式的提出出及其在在桩基沉沉降计算算中的应应用；弹性地地基梁板板的计算算；砂井固固结理论论；Bioot固结结

4、理论的的提出和和完善。 古典土土力学可可以归结结为一个个原理有效效应力原原理和两两个理论论以弹弹性介质质和弹性性多孔介介质为出出发点的的变形理理论和以以刚塑性性模型为为出发点点的破坏坏理论(极限平平衡理论论)。前前一理论论随着119566年Biiot动动力方程程的建立立而划上上一个完完满的句句号；后后一理论论则于660年代代初完成成了基本本的理论论框架。但是，真实的的土体决决不是理理想弹性性体，也也不是理理想刚塑塑性体。可以考考虑土体体两个基基本特性性(压硬硬性和剪剪胀性)的现代代土力学学理论在在50年年代初巳巳开始蕴蕴酿，例例如Skkempptonn的著名名公式中中孔隙压压力系数数A133就

5、是剪剪胀性的的体现，而Jaanbuu的模量量公式中中对3的考虑虑就是压压硬性的的体现。一方面面，随着着认识的的深化，人们已已越来越越不满足足于理想想弹性介介质和理理想刚塑塑性介质质这样简简单化的的描述，另一方方面，现现代电子子计算技技术的发发展为采采用复杂杂的模型型提供了了手段，从而为为现代土土力学的的建立创创造了客客观条件件，而RRosccoe的的工作则则直接导导致现代代土力学学的诞生生，现代土力力学 虽然在在50年年代已有有人对塑塑性理论论应用于于土力学学的可能能性进行行过探索索，但只只有到119633年，RRosccoe发发表了著著名的剑剑桥模型型，才提提出第一一个可以以全面考考虑土的的

6、压硬性性和剪胀胀性的数数学模型型，因而而可以看看作现代代土力学学的开端端。经过过30多多年的努努力，现现代土力力学已越越过重要要的阶段段而渐趋趋成熟，并正在在下列几几方面取取得重要要进展：非线性性模型和和弹塑性性模型的的深入研研究和大大量应用用；损伤力力学模型型的引入入与结构构性模型型的初步步研究；非饱和和土固结结理论的的研究；砂土液液化理论论的研究究；剪切带带理论及及渐进破破损问题题的研究究；土的细细观力学学研究等等。当然然，在这这一段时时间内，古典土土力学框框架内尚尚未解决决的一些些问题继继续有人人在研究究，并取取得许多多进展，例如土土与结构构共同作作用、土土体极限限分析中中的不均均匀和非

7、非线性问问题，而而土工数数值分析析更是这这一段时时间内才才发展起起来的。另外土土工测试试技术等等方面也也取得很很大进展展，特别别是原位位测试技技术和离离心模型型试验技技术。就就土力学学理论研研究而言言，上述述6项中中只有第第一项已已比较成成熟，其其它几项项有的刚刚刚起步步，有的的虽已研研究多年年，尚未未取得重重大突破破。但是是，时至至今日，现代土土力学理理论的基基本轮廓廓已逐渐渐清晰。中国学者者的贡献献 我我国对土土力学的的研究始始于19945年年黄文熙熙在中央央水利实实验处创创立第一一个土工工试验室室，但是是，大规规模的研研究则是是在中华华人民共共和国成成立以后后随着一一批国外外国学人人员回

8、国国和500年代初初大批青青年学者者参加工工作以后后才开始始的。440多年年来，各各方面都都取得了了长足的的进展，提出许许多重要要成果，为土力力学的发发展和完完善作出出了积极极的贡献献。例如如，在土土的特性性方面有有刘祖典典等对黄黄土湿陷陷特性的的研究，魏汝龙龙对软粘粘土强度度变形特特性的研研究和汪汪闻韶对对砂土动动力特性性的研究究等；在在理论和和计算方方面，有有黄文熙熙对地基基应力和和沉降计计算方法法方面的的改进，陈宗基基的流变变模型，钱家欢欢应用李李氏比拟拟法求解解粘弹性性多孔介介质的固固结问题题，谢定定义关于于砂土液液化理论论的研究究，沈珠珠江关于于有效应应力动力力分析方方法的研研究，以

9、以及同济济大学关关于土与与结构共共同作用用的研究究和浙江江大学关关于动力力波传播播的研究究等，在在试验技技术方面面有黄文文熙提议议和汪闻闻韶负责责建成的的振动三三轴仪；在应用用方面有有软土地地基的真真空预压压、广灌灌浆技术术和滑坡坡支挡技技术等。近几年年来，一一批基础础扎实、思想活活跃的青青年学者者投身于于土力学学的研究究，作出出了不少少新的贡贡献，特特别是国国内培养养的一批批博士，写出了了不少高高质量的的论文。这些成成果中属属于理论论方面的的将在本本书中得得到反映映。总的的说来，我国的的土力学学研究水水平在理理论分析析和工程程应用方方面，与与世界各各国相比比并不逊逊色，当当然在测测试技术术方

10、面尚尚比较落落后。现代土力力学的展展望 现代土土力学的的研究，呈现以以下几个个特点： (1)对土的的力学特特性的认认识越来来越深入入，已经经发现了了许多新新的现象象，例如如应力路路线的依依赖性、强剪缩缩性(表表现泊松松比小于于0)和反反向剪绍绍(剪应应力减小小时发生生体缩)等，而而一些研研究多年年的力学学特性，如黄土土湿陷、砂土液液化、粘粘土断裂裂等现象象，也有有了更深深入的认认识。许许多问题题不但经经典土力力学理论论无法解解释，现现有的非非线性和和弹塑性性本构理理论也无无能为力力。目前前，不少少学者正正在探索索新的思思路，包包括从细细观结构构上进行行研究。 (2)由于土土的特性性多变，人们越

11、越来越不不满足于于一个土土层具有有一定力力学指标标的定值值研究方方法，从从70年年代开始始的土的的随机性性研究正正方兴未未艾。 (33)随着着电子计计算技术术的发展展，再复复杂的数数学方程程和工程程条件，也可以以通过数数值分析析求解和和模拟，土工数数值分析析正是当当前最热热门的研研究课题题之一。 (4)尽管取取土技术术在不断断改进，但是越越来越多多的人认认识到，室内土土样试验验的结果果常常不不能反映映现场的的实际情情况，原原位测试试技术正正成为土土力学的的一个重重要组成成部分。 (5)土工离离心模型型试验虽虽然始于于30年年代，但但真正大大规模的的发展则则是近220年的的事。离离心模型型试验的

12、的完善与与成熟将将使实验验土力学学变成土土力学的的一个完完整的分分支。 (6)“边设计计边观观测”曾是Teerzaaghii和Pecck提出出的一种种研究方方法，用用现代术术语说这这就是反反馈分析析。一方方面用现现代先进进技术进进行原体体观测，一方面面用现代代计算技技术进行行反馈分分折，通通过这一一途径改改进当前前或今后后的工程程设计，无疑是是现代土土力学的的一个重重要特点点。 (7)土力学学的实际际应用离离不开工工程师的的经验，在现代代计算技技术的基基础上建建立联系系理论 与经经验的专专家系统统，必将将是现代代土力学学的一个个重要内内容。 综上所所述，现现代土力力学可以以归结为为一个模模型、

13、三个理理论和四个分分支。一一个模型型即本构构模型，特别是是指结构构性模型型。这是是因为迄迄今为止止所提出出的本构构模型都都是从重重塑土的的变形特特点出发发的，并并把颗粒粒之间的的滑移看看作塑性性变形的的根源，而包括括砂土在在内的天天然土类类都具有有内部结结构，变变形过程程必然伴伴随着结结构的破破坏和改改变。因因此发展展新一代代的结构构性模型型是现代代土力学学的核心心问题。三个理理论即一一个变形形理论和和两个破破坏理论论，其主主要目标标如下， (1)非饱和和土固结结理论，这是饱饱和土固固结理论论的推广广，必须须建立在在合理的的本构模模型的基基础上，并用于于分析黄黄土、膨膨胀土和和冻土的的变形问问

14、题。 (2)液化破破坏理论论，即描描述由于于孔隙压压力升高高而导致致土体破破坏的理理论，其其核心是是要建立立一个能能反映复复杂应力力路线下下变形规规律的本本构模型型，研究究对象既既可以是是饱和砂砂土，也也可以是是饱和粘粘土。 (3)渐进破破坏理论论，即描描述荷载载增加情情况下土土体真实实破坏过过程的理理论，它它的建立立可能要要运用损损伤力学学、细观观力学和和分叉理理论等现现代力学学分支，最后要要完成对对应变软软化问题题和剪切切带形成成过程的的数学模模拟。四个分支支即理论论土力学学、计算算土力学学、实验验土力学学和应用用土力学学，后者者也可以以叫做土土工学(Soiil EEngiineeerin

15、ng)，各自的的主要内内容如图图l所示示，其中中的室内内模拟试试验是指指把土样样当作边边值问题题进行试试验研究究，与把把土样当当作一个个元素进进行试验验有根本本的不同同。现代代土力学学已有330多年年的历史史，可能能还需要要30年年才能大大体上完完成其基基本框架架。现代土力学(19632023?)应用土力学理论土力学实验土力学计算土力学本构模型理论土力力学的地地位“从实践践中来，到实践践中去”，这是是任何学学科发展展的必由由之路，当然也也是实用用性很强强的土力力学的发发展的必必由之路路。固结结理论是是从地基基沉降计计算的需需要出发发而建立立起来的的，在指指导地基基设计中中得到不不断发展展和完善

16、善，便是是对这一一命题的的最好说说明。这这里“来”包含两两重意义义，一是是理论为为生产实实践的需需要而提提出，二二是从具具体事例例中抽象象出来；“去”也包含含两重意意义， 一是是对实践践的指导导，二是是到实际际中进行行检验。不符合合上述原原则的理理论是脱脱离实际际的，它它要么是是无用的的，要么么是错误误的。已已提出的的许多本本构模型型中大部部分没有有多大的的实用价价值，有有的从未未被工程程师们所所接受，就是例例证。但但是，正正确的理理论一旦旦为广大大的工程程师所掌掌握，就就一定会会产生巨巨大的力力量。有有效应力力原理对对饱和土土的变形形和强度度理论的的影响及及其在软软基加固固和砂土土液化分分析

17、中的的作用，就是最最好的例例证。相相反，许许多学者者孜孜不不倦追求求的所谓谓“粒间应应力”理论，则是错错误的，因为土土体骨架架仅仅是是人们头头脑中的的一种抽抽象，不不能人为为地把土土体割裂裂成骨架架和孔隙隙流体两两部分。这种错错误倾向向在非饱饱和土有有效应力力原理的的研究中中更曾引引起不少少混乱。 另一方方面，土土力学中中尚有许许多理论论没有被被广泛地地把握，在实践践中出现现过一些些盲目做做试验、写论文文或者盲盲目设计计、施工工等问题题。例如如古典的的土体破破坏理论论中采用用了刚塑塑性体的的假设，实际的的土体破破坏过程程与理论论相差甚甚远，因因此，对对试桩曲曲线上确确定破坏坏点的问问题，找找出

18、一个个比前人人更合理理的办法法恐怕是是徒劳的的。所谓谓合理，应当是是符合刚刚塑性体体的假设设，这显显然是做做不到的的。在这这里，最最好还是是用约定定俗成的的经验办办法。又又如在有有限元法法引人土土工计算算的初期期，曾有有人对每每一个单单元计算算安全系系数，然然后以某某种方式式平均得得出整体体的安全全系数。这种方方法是不不可取的的，因为为它混淆淆了设计计应力状状态与极极限应力力状态，不符合合极限设设计的基基本原则则。还有有一个末末被所有有人认识识的例子子是土的的剪缩性性。粗粒粒料在低低围压下下剪胀，高围压压下剪缩缩。因此此，许多多在重力力场下所所做的土土槽模型型试验，有的可可以定性性地模拟拟实际

19、情情况，有有的则连连定性都都做不到到，甚至至可能得得到错误误的结果果。例如如1000m高的的堆石坝坝，如果果做成11m高的的模型放放在振动动台上，振动过过程中坝坝坡将逐逐渐鼓出出，实际际遇到地地震时由由于堆石石体的剪剪缩，坝坝顶会有有相当的的塌陷，但坝被被不一定定有明显显的鼓出出。当混混凝土板板与土石石料接触触时，接接触面上上的摩控控力方向向可能因因剪胀或或剪缩而而改变，从而板板内本来来是压应应力的地地方出现现拉应力力，因此此试验结结果甚至至定性上上也是错错误的。 综上所所述，可可见正确确把握土土力学基基本理论论的重要要性。如如果说，有效应应力原理理是古典典土力学学的核心心，曾经经发挥过过巨大

20、作作用，那那么现代代土力学学的核心心问题必必定是本本构模型型。在某某种意义义上，古古典土力力学只能能称为弹弹性土力力学，它它的大部部分成果果只是借借用弹性性力学中中已有的的解答，而真正正的土力力学必须须建立在在符合土土本身特特性的本本构模型型的基础础上，因因此，一一个优秀秀的土工工工程师师必须对对土的本本构模型型有基本本的了解解，掌握握常用的的本构模模型的适适用性与与局限性性，并善善于选用用适应实实际工程程特点的的模型。土力学理理论问题题的研究究方法 理论问问题的研研究途径径，无非非是归纳纳法和演演绎法(包括类类比法)的交替替使用。一方面面能掌握握土的基基本物理理力学性性质，一一方面善善于借用

21、用相邻学学科中行行之有效效的方法法，这是是取得成成功的必必由之路路。Teerzaaghii固结理理论就是是一个很很好的实实例，它它是从建建筑物实实际沉降降观测中中归纳出出来的，又是借借用了热热传导理理论中已已有的解解答。 从一个个领域归归纳出来来的理论论或从更更普遍的的公理演演绎出来来的理论论，能否否用于另另一个领领域，需需要检验验，并根根据实际际情况加加以一定定的修正正。典型型的例子子如DrruckkerPraagerr模型，纯粹是是从金属属塑性理理论和DDrucckerr公设推推演出来来的，虽虽然在岩岩石力学学中有人人还在用用，但始始终没有有得到土土工工程程师的普普追认同同；而帽帽子形的的

22、剑桥模模型，虽虽然也借借用了金金属塑性性理论的的基本概概念，但但经过修修正，可可以考虑虑土的体体积塑性性应变和和剪缩性性，从而而得到较较广泛的的应用。适用于于一种土土类的理理论，搬搬到另一一种土类类，往往往也会出出现同样样的问题题。例如如Couulommb摩擦擦定律是是从总结结砂土的的破坏规规律得出出的，应应用于粘粘土，就就产生一一系列的的问题，历史上上曾对粘粘土的三三种强度度理论，即总强强度理论论、真强强度理论论和有效效强度理理论，产产生过很很大的争争论。总总之，借借用相邻邻学科中中的成熟熟的东西西，始终终是理论论研究的的一条捷捷径，但但成功与与否，关关键在于于把握所所研究对对象的具具体特点

23、点，加以以灵活运运用。如如果仅仅仅从相邻邻学科中中引进一一些新名名词，而而不深入入研究土土的具体体特性，恐怕算算不上什什么创新新。理论研究究离不开开假设。可以毫毫不夸张张地说，没有假假设就没没有理论论。土力力学中常常用的假假设也很很多，如如小应变变假设、各向同同性假设设、Winkker假假设等。其中最最重要的的有效应应力路线线无关的的假设，土力学学发展史史上许多多重大的的争论往往往是围围绕这一一假设而而展开的的。有效效应力强强度指标标与应力力路线无无关的假假设今天天已被普普遍接受受，但是是对于具具有较强强结构性性的土类类，这一一假设未未必正确确。近年年来受到到广泛注注意的塑塑性应变变方向与与应

24、力路路线无关关的假设设(塑性性势假设设)是又又一个例例子。假假设是对对复杂事事物的一一种简化化，只要要能在一一定范围围内适用用，简化化假设就就会有生生命力，土的弹弹性体假假设就是是例证。假设越越少，考考虑的因因素越全全面的理理论，如如果使用用起来太太复杂，就未必必优于更更简单的的理论，有的甚甚至是画画蛇添足足，多此此一举。该简单单的地方方简单，恢复杂杂的地方方复杂，这恐怕怕是研究究工作的的一条重重要原则则。例如如率无关关假设(即不考考虑流变变)，对对大部分分土类适适用，对对某些土土可能不不适用。但即使使对同一一种土类类，也不不能笼统统地说都都要考虑虑或者都都不要考考虑。软软粘土的的流变现现象是

25、比比较明显显的，但但很多情情况下可可以不必必考虑。例如660年代代曾发现现许多建建于斜坡坡上的码码头结构构遭到破破坏，当当时许多多人把原原因归之之于软土土的剪切切流变。以后的的研究表表明，主主要的原原因是土土层压缩缩变形引引起的差差异沉降降造成的的。砂土土料的流流变特性性不明显显，但如如果和混混凝土构构件相互互作用，持续的的少量变变形可能能引起构构件破坏坏，则同同样需要要考虑。地下洞洞室的支支护中甚甚至耍考考虑岩石石的流变变，就是是例证。总之，任何一一项有价价值的理理论研究究成果都都必须有有明确的的基本假假设，能能大致规规定其适适用范围围，并通通过对比比(包括括与已有有理论的的对比及及试验资资

26、料和原原型观测测资料的的对比)证明其其优越性性。土的力学学性质 土的力力学性质质是建立立土的强强度和本本构理论论的基础础，而强强度和本本构理论论的研究究又进一一步深化化人们对对土的力力学性质质的认识识。本节节介绍土土的基本本力学特特性和重重要力学学特性。所谓基基本力学学特性，是指对对所有土土类和主主要受力力阶段都都有重要要影响的的力学性性质，是是土区别别于其它它工程材材科的标标志，而而重要力力学特性性则是指指对一定定土类在在一定受受力阶段段有重要要影响的的，在其其它情况况下可以以忽略不不计。 土的基基本特性性有两个个，即压压硬性和和剪胀性性，因此此土可以以定义为为具有压压硬性和和剪胀性性的工程

27、程材料。按照这这一定义义，堆石石体也应应看作土土的一种种。土的的重要特特性很多多，例如如非线性性、流变变性性、各向异异性等等等。土的许多多力学特特性与其其颗粒排排列和颗颗粒间结结合情况况即结结构性有有关，涉涉及这方方面的问问题将后后续章节节介绍。基本力学学特性压硬性 指土土的强度度和刚度度随压应应力的增增大而增增大和随随压应力力的降低低而降低低。库仑仑摩擦定定律是有有关压硬硬性的最最早表述述，Hvvorsslevv把这一一定律推推广用于于粘性土土。至于于模量方方面，则则下列JJanbbu公式式是有关关压硬性性的最明明确的体体现式中：KK和n为常数数。 在土力力学的理理论和实实践中，人们无无不自

28、觉觉或不自自觉地应应用土的的这一基基本特性性。软土土的 排水固固结就是是明显的的例证，粘土孔孔隙压力力研究的的最终目目的无非非就是为为了判断断有效压压应力可可能增加加多少。许多工工程的成成功和失失败正是是与是否否正确运运用这一一特性有有关。例例如，软软粘土上上填土要要求慢速速施工，硬粘土土中开挖挖则要求求快速施施工和及及时回填填。剪胀性 指土土体在剪剪切时产产生体积积膨胀或或收缩的的特性。密砂剪剪胀，松松砂剪缩缩，早在在30 年代代就广为为人知。据此，Cassagrrandde提出出了表征征不胀不不缩的临临界孔隙隙比的概概念。粘粘土的剪剪胀性，虽然亦亦早在119366年就为为Renndulli

29、c发发现，但但长期没没有引起起注意。Skeemptton于于19554年提提出著名名的孔隙隙压力公公式 再次把把粘性土土的剪胀胀性提了了出来，因A133就意味味剪胀或或剪缩。至600年代初初，魏汝汝龙对土土的剪胀胀性作了了较全面面的总结结，此后后剪胀性性的概念念逐渐被被普遍接接受。 如果把把应力张张量分为为球张量量和偏张张量两部部分，压压硬性表表示应力力球张量量对应变变偏张量量的 影响，而剪胀胀性则表表示应力力偏张量量对应变变球张量量的影响响。这就就意味着着应力球球张量一一应变偏偏 张张量和应应力偏张张且一应应变球张张量之间间存在交交叉影响响，下列列广义虎虎克定律律不再适适用而必须改改用下式式代之式中； 和；Kp、Kq和Gp、Gq则可以以分别称称为压缩缩模量、剪胀模模量、压压硬模量量和剪切切模量，以上表表述实际际上就是是次弹性性模型的的一种。二、重要要力学特特性各向异性性 引引起各向向异性的的原因有有两个，一是天天然土在在沉积过过程中或或人工土土在填筑筑过 程程中形成成的，二二是受力力过程中中逐渐形形成的，与扁平平形颗粒粒的扁平平面取向向于垂直直大主应应力方向向有关，后者常常称应力力引起的的各向异异性。本本构模型型中是否否要考虑虑第一种种各向异异性，须须视情况况而定，而第二二种各向向异性，则在一一个