岩土工程的一些哲学思考

岩土工程的一些哲学思考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·极限限承载力理理论—安全全系数法承载力：极极限承载力力公式、平平板载荷试试验的极限限值/安全全系数（K＝2）地基的破坏坏与极限承承载力3·极限承承载力理论论－分项系系数基于可靠度度理论的分分项系数设设计方法也也是一种承承载能力极极限状态设设计方法。。由于工程中中的荷载和和抗力都是是随机变量量，有多少少可能性使使荷载大于于抗力而失失事是一个个随机事件件，破坏的概率率（可能性性）决定于于两个随机机变量的均均值（众值值，中值及及某个分位位值）及其其分布。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度设计计示意图可靠度设计计其失事概率率可用可靠靠度指标表表示。例如如，相应的的可靠度系系数为3.0，则表示失效效概率为万万分之9.4，能够明确地地给出安全全与失效的的概率，然然后通过经经济、社会会、技术的的风险分析析，给出最最合理的设设计值。是是一种最科科学合理的的设计理论论与方法；；我国颁布的的《建筑结结构可靠度度设计统一一标准》（（GB50068-2001）规定，，对于各种种结构设计计应遵循该该理论方法法。地基基础设设计中的三三种荷载组组合1·正常使使用极限状状态下荷载载效应的标标准组合；；2·正常使使用极限状状态下的荷荷载效应的的准永久组组合3·承载能能力极限状状态下荷载载效应的基基本组合GB50007-2002的的设计理论论应用地基承载力力－容许承承载力：正正常使用极极限状态荷荷载效应的的标准组合合；稳定分析－－单一安全全系数：承载能力极极限状态下下荷载效应应的基本组组合，分项系数取取为1.0;沉降（开裂裂）计算：：正常使用用极限状态态下的荷载载效应的准准永久组合合结构计算－－可靠度的的分项系数数：承载能力极极限状态下下荷载效应应的基本组组合。岩土工程的的不确定性性土层剖面与与边界的不不确定性；；现场与实验验室岩土指指标的不确确定性；现场原位应应力与孔隙隙水压力的的不确定性性；外加荷载及及其分布的的不确定性性；岩土材料性性质的复杂杂性；应力力变形的机机理不清楚楚。计算理论和和方法的不不确定性；；岩土定量描描述的困难难因果关系的的缺失：源源于对象的的复杂性及及影响因素素的多样性性；－统计、概概率、优化化、可靠度度：互补率的破破缺－亦此此亦彼：源源于多因素素的相互关关联与转化化；－灰色、模模糊、混沌沌、分形：：地基承载力力设计理论论的哲学基基础1、容许承承载力理论论2、极限承承载力理论论－安全系系数法3、极限承承载力理论论－分项系系数法可靠度设计计在岩土工工程中的失失败：可靠靠度的研究究；桩基技技术规范；；欧洲的规规范。东方哲学的的胜利！东方哲学理理念下的医医药－中医医阴阳：阴虚虚阳虚；五行：肝木木肾水；经络：穴位位岩土工程与与中医望问切闻，，综合判断断；对症治病，，因地制宜宜；经验投药，，随时调整整；理论导向，，实测定量量，经验判判断，检测测验证。太沙基的土土力学艺术术说“无论天然然土层结构构怎样复杂杂；也无论论我们的知知识与土的的的实际条条件有多么么大的差距距，我们必必须利用处处理问题的的艺术（art)，在合理造造价的前提提下，为土土工结构和和地基基础础问题寻求求满意的答答案。”这与中医的的手法是相相通的。概念设计与与时空效应应抗震设计：：不坏、可可修、不倒倒（不死））；桩基规范：：变刚度调调平、减沉沉疏桩；新奥法：：设计、、检测、、施工的的一体化化方法；；地下工程程与基坑坑施工的的时空效效应理论论；－总之，，是基于于理论，，依赖于于经验的的工作方方法。一个复杂杂体系的的认识L.A.Zadeh：：“当系统统的复杂杂性日益益增加时时，我们们作出系系统特点点的精确确而有意意义的描描述的能能力将相相应降低低。”岩土工程程中精确确是一种种奢求。。土的本构构关系模模型的发发展：““没有为为任何一一个模型型戴上王王冠。””沉降计算算经验系系数s

Es2.54.07.015.020.0p>fk1.41.31.00.40.2P<fk1.11.00.70.40.23.对对象及主主体间的的关联与与转化黑格尔：：量转化化为质和和质转化化为量的的规律；；对立的的相互渗渗透的规规律；否否定之否否定的规规律。（现代科科学）它它使每个个人都或或多或少少地局限限在自己己的专业业中，只只有少数数人没有有被它夺夺去全面面观察问问题的能能力（自自然辩证证法）－客观世世界是不不分专业业的。3.对对象及主主体间的的关联与与转化土的三大大特性：：碎散性：：非连续续介质；；多相性：：固体颗颗粒、水水、气体体三组成成；变异性：：长期地地质历史史的产物物。互补率的的破缺－－亦此亦亦彼连续介质质，非连连续介质质？固体，流流体？强度与变变形：古古典土力力学二者者截然分分开强度问题题：经典典极限分分析与极极限平衡衡；变形问题题：基于于线弹性性理论的的分层总总和法强度与变变形的转转化土的强度，或者破坏是其应力力应变过过程的最最后阶段段，即在在微小的的应力增增量下，，会产生生很大（（或者不不可控制制）的应应变增量量。因而而破坏是是应力应应变关系系的最后后阶段。。变形与破破坏的转转化ps渗流问题题与强度度问题间间的转化化二者相互互影响；；在一定条条件下随随可能是是相互转转化的。。渗流坡面抗滑稳定定分析：：渗透水流流以一定定角度从从砂土坡坡面逸出出时当＝0，＝90时，流土（砂砂沸）！！土中水与与水中土土问题的的转化前者土作作为载体体，土中中水在其其中运动动，层流流时服从从达西定定律；后者水作作为载体体，水中中土成为为悬移质质被挟带带裹胁运运动，服服从流体体力学定定律。推移质介介于二者者间。几个例子子流土（砂砂沸）；；管涌；流滑；液化；滑坡－泥泥石流；；崩岸；流土管涌流滑泥石流液化4.感性性认识与与理性认认识－理理论的价价值感觉到了了的东西西，我们们不能立立刻理解解它；只只理解有有了的东东西才能能更深刻刻地感觉觉它；没没有理论论指导的的实践是是盲目的的实践。。（实实践论））岩土工程程实践已已经有几几千年，，而土力力学成为为一个学学科才80多年年，标志志是什么么？人与动物物、实践践与认识识狭义的动动物也有有工具，，然而这这只是它它们的躯躯体的四四肢，蚂蚂蚁、蜜蜜蜂、海海狸就是是这样。。只有人人才给自自然界打打上自己己的印记记。…..随着着对自然然界规律律的知识识的迅速速增加，，人对自自然界施施加反作作用的手手段也增增加了。。-（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。5.一个永恒流流动与变化的体体系人不能过同一条条河;我们不能用同一一个土样作一个个完整的试验：：在每一瞬时，土土的内部结构、、土的性质都都都不是前一瞬时时的那个土了。。非线性、弹塑性性、剪胀性和与与应力路径有关关的性质。土的应力应变与与组成、状态和和结构的耦合！！DDA(discontinousdeformationanalysis)非连续变形分析析DDA计算三轴轴试验曲线正常固结粘土的的固结与强度pe任一应力下的土土样都是不同的的,它是不同同密度和结构土土样强度的集合合。各种土的本构关关系的相通性应力变形－组成成、状态、结构构之间的描述尺尺度：弹塑性模型：硬硬化参数H(pij);损伤模型：损伤伤变量w(ij);内时理论模型：：内部时间变量量z(ij).都是表明土在受受力变形工程中中的结构与状态态变化尺度。6.岩土工程程的科学方法归纳和演绎；抽象和具体；外推和内插；分析和综合；；概化和细化；类比与借鉴；移植与引进。归纳和演绎归纳：经验公式式演绎：三段论式式演绎论证：微分分方程＋边界条条件→解答演绎推测：设计计理论与方法＋＋设计参数→工工作对象普遍适用的理论论＋补充陈陈述→推论论大前提小前提归纳法的错误实实例平面应变方向的的中主应力平面应变试验归归纳的结果不具具普遍性违背虎克定律：：<<<归纳法法归纳法的错误实实例对于很软泥土，，复合深度修正正系数为0.8.dA=1演绎法的错误实实例膨胀土地基的承承载力膨胀力是引起膨膨胀土膨胀的原原因原有的地基承载载力公式没有考考虑膨胀力所以必须修改公公式。<<<演绎法法抽象和具体抽象性质抽象——弹弹性和塑性关系抽象——虎虎克定律和达西西定律具体误用的原因：一一般是补充陈述述（小前提）有错误超过理论适用范范围补充条件有错误误边界条件错误设计参数错误人为的任意性，，实际的困难性性。经验理论具体化＝理论的的应用抽象的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→?具体化中误用实实例抗剪强度理论快剪＝不排水剪剪砂与碎石土使用用固结不排水指指标勘测资料失误残积土上多层建建筑基坑地基土的快快剪试验强度指指标与非饱和土土吸力<<<具体化化外推和内插外推外推＝拓宽理论论适用范围一维 → 二维维、三维线性 → 非线线性饱和土 →非非饱和土内插普遍适用的理论论退回到有限范范围适用的理论论伦杜列克固结理理论(1936)→Barron砂井固结结理论(1948)参数与数值的内内插分析和综合西方还原论的精精华结构→构件→分分子→原子生物→器官→细细胞→基因分析实体分析：有限限单元法，条分分法，离散元法法等成份分析：颗粒粒分析，化学分分析总应力＝有效应应力＋孔隙压力力注意两点分析时出现而综综合时消失的，，如渗透力综合时存在而分分析时消失的，，如人体筋络系系统，地应力虚构的概念渗透流速，有效效应力分析的关键是如如何划分<<<分析III土骨架水土体总重=土土骨架浮容重重+孔隙水？？概化和细化概化数学分析略高阶阶小量桩基计算中的剪剪切位移法地基土的渗透系系数细化渗透系数由标量量改为张量单一屈服面改为为双屈服面总应力分为有效效应力和孔隙水水压力简化或理想化＝＝略去次要因素素细化＝增加考虑虑的因素类比与借鉴类比电拟试验、光弹弹试验，各种物物理模型试验渗透达西定律－－电流的欧姆定定律借鉴仿生学，优化理理论中的遗传算算法、蚂蚁算法法、树根桩学科间的交叉正正是为了发挥借借鉴比拟＝从相似事事物的比较中得得出结果借鉴＝从其它事事物的观测中得得到启发移植与引进移植土壤学（吸力）），混凝土（断断裂）的研究成成果引进数学力学的一般般理论如分形几几何、拓扑数学学、损伤力学高新技术如数字字技术，GPS移植＝直接引用用相邻学科的成成果引进＝引入普遍遍适用的理论或或方法引进和借鉴的三三个原则以中国革命为例例对应原则中国革命需要马马克思列宁主义义马克思列宁主义义适合中国国情情没有死搬俄国十十月革命的经验验需要适合活用“需要”的原则则带着问题去取经经不要为引进而引引进—屠龙术的的笑话成功实例——塑塑性力学、遗传传算法；一维压缩－稳定定系统（系统论论）“适合”的原则则杀鸡不用牛刀——性价比最高原原则复合载体夯扩桩桩成功实例—遗传传算法、许多半半经验方法部分成功实例——压缩曲线的双双曲线拟合有争议的实例－－有限元强度折折减法压缩曲线的拟合合pelogpe“活用”的原则则引进是再创新过过程成功实例—经典典塑性力学：圆圆筒屈服面、圆圆锥屈服面帽子形屈服面σ1σ3σ1＝σ2＝σ3突变理论——应应用案例H应变弱化区段弹性性质区段试错与相关分析析试错法：确定定性方法排除归纳法－因因果关系研究假定几种可能的的原因通过演绎法推断断每一种原因将将会出现的结果果与已经发生的事事实比较公安破案，医生生找病因，工程程事故的原因分分析相关分析：非确确定性方法实例分析地震滑坡的拟静静力法地震滑坡原因液化引起的强度度降低地震惯性力拟静力法：地震震惯性力理论——从结构动力学学中借鉴实例分析地震滑坡的拟静静力法实例分析真空预压机理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.人与自然的的和谐－岩土工工程的任务天何言哉？四时时行焉，万物生生焉。（论语··阳货）道在天地之间也也。（管子·心心术）岩土工程对象的的演变美国的土木工程程师协会（ASCE）下所主主办的本学科期期刊创办时名为为“土力学及基基础工程”（Soilmechanicsandfoundationengineering）；；1974年以后后更名为“土力力学及岩土工程程”（Soilmechanicsandgeotechnicalengineering），相相应的学会也改改成此名；20世纪90年年代以后，期刊刊又更名为“岩岩土工程与环境境岩土工程”（（geotechnical&environmentalengineering）。。人与自然的和谐谐－岩土工程的的任务我国近20年来来随着国民经济济和各类土木工工程的快速发展