土力学发展史回顾

土力学发展史回顾

土力学的发展可以划分成以下三个历史时期。

萌芽期 (1773—1923) 土力学的发展当以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问题中的应用》，为今后的土体破坏理论奠定了基础。但是，在此后的漫长的150年中，研究工作只是个别学者在探索着进行，而且只限于研究土体的破坏问题。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，沉降问题开始突出，与土力学紧密相关的学科─—弹性力学的发展为沉降问题的研究提供了必要的手段，从而为了Terzagh i 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 发表了著名的论文《粘土中动水应力的消散计算》，提出了土体一维固结理论，接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理，从而建立起一门独立的学科—土力学。此后，随着弹性力学的研究成果被大量吸引过来，变形问题的研究越来越成为重要的内容，但是，土体的破坏问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主要成就有：① Fellenius ，Taylor 和Bishop 等关于滑弧稳定分析方法的建立与完善；② Terzaghi 关于极限土压力的研究和提出承载力公式；③Соколовский散粒体静力学的建立；④ Shield 和沈珠江等关于土体破坏的运动方程和极限平衡理论的建立。而在变形理论方面则有：① 地基沉降计算方法的建立与完善；② Mindlin 公式的提出及其在桩基沉降计算中的应用；③弹性地基梁板的计算；④ 砂井固结理论；⑤ Biot 固结理论的提出和完善。

古典土力学可以归结为一个原理——有效应力原理和两个理论——以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论和以刚塑性模型为出发点的破坏理论(极限平衡理论)。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年代初完成了基本的理论框架。但是，真实的土体决不是理想弹性体，也不是理想刚塑性体。可以考虑土体两个基本特性(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 的著名公式)]([313σσσ-+=A B u w 中孔隙压力系数A ≠1／3就是剪胀性的体现，而Janbu 的模量公式n a a i p Kp E )/(3σ=中对σ3的考虑就是压硬性的体现。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

介质这样简单化的描述，另一方面，现代电子计算技术的发展为采用复杂的模型提供了手段，从而为现代土力学的建立创造了客观条件，而Roscoe的工作则直接导致现代土力学的诞生，

现代土力学虽然在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索，但只有到1963年，Roscoe发表了著名的剑桥模型，才提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而可以看作现代土力学的开端。经过30多年的努力，现代土力学已越过重要的阶段而渐趋成熟，并正在下列几方面取得重要进展：①非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用；②损伤力学模型的引入与结构性模型的初步研究；③非饱和土固结理论的研究；④砂土液化理论的研究；⑤剪切带理论及渐进破损问题的研究；⑥土的细观力学研究等。当然，在这一段时间内，古典土力学框架内尚未解决的一些问题继续有人在研究，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均匀和非线性问题，而土工数值分析更是这一段时间内才发展起来的。另外土工测试技术等方面也取得很大进展，特别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。但是，时至今日，现代土力学理论的基本轮廓已逐渐清晰。

中国学者的贡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，但是，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，为土力学的发展和完善作出了积极的贡献。例如，在土的特性方面有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；在理论和计算方面，有黄文熙对地基应力和沉降计算方法方面的改进，陈宗基的流变模型，钱家欢应用李氏比拟法求解粘弹性多孔介质的固结问题，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，作出了不少新的贡献，特别是国内培养的一批博士，写出了不少高质量的论文。这些成果中属于理论方面的将在本书中得到反映。总的说来，

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，当然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，呈现以下几个特点：

(1)对土的力学特性的认识越来越深入，已经发现了许多新的现象，例如应力路线的依赖性、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。许多问题不但经典土力学理论无法解释，现有的非线性和弹塑性本构理论也无能为力。目前，不少学者正在探索新的思路，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)随着电子计算技术的发展，再复杂的数学方程和工程条件，也可以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)尽管取土技术在不断改进，但是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况，原位测试技术正成为土力学的一个重要组成部分。

(5)土工离心模型试验虽然始于30年代，但真正大规模的发展则是近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——边观测”曾是Terzaghi和Peck提出的一种研究方法，用现代术语说这就是反馈分析。一方面用现代先进技术进行原体观测，一方面用现代计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经验，在现代计算技术的基础上建立联系理论与经验的专家系统，必将是现代土力学的一个重要内容。

综上所述，现代土力学可以归结为一个模型、三个理论和四个分支。一个模型即本构模型，特别是指结构性模型。这是因为迄今为止所提出的本构模型都是从重塑土的变形特点出发的，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都具有内部结构，变形过程必然伴随着结构的破坏和改变。因此发展新一代的结构性模型是现代土力学的核心问题。三个理论即一个变形理论和两个破坏理论，其主要目标如