浅谈土力学发展史及未来前景

浅谈土力学发展史及未来前景

浅谈土力学发展史及未来前景

摘要：从1773年法国库仑创立了著名的土的抗剪强度的库仑定律和土压力理论，到1963

年，Roscoe发表著名的剑桥模型，土力学经历了萌发期、古典土力学、现代土力

学三个历史时期。随着现代科技的发展，土力学从广度和深度方面都有了长足发展。

在这个过程中人们充分认识到了试验、实践和经验的重要性。在未来土力学的发展

中信息化施工方法将成为一个趋势，开展土力学工程问题计算机分析研究也将成为

一个重要的研究方向。

关键词：古典土力学本构模型信息化施工数值模拟

一、土力学发展的三个历史时期

1、萌发期(1773—1923）

1773年法国库仑根据试验，创立了著名的土的抗剪强度的库仑定律和土压力理论。

发表了《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》，为土体破坏理论奠定基础。1857

年英国朗肯提出又一种土压力理论。1885年法国布辛尼斯克求得半无限空间弹性体，在竖

向集中力作用下，全部6个应力分量和3个变形的理论解。在此后的漫长的150年中，而且

只限于研究土体的破坏问题。

2、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，开创了土体变形研究。接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理，从而

建立起一门独特的学科—土力学。

古典土力学可归结为：

一个原理——有效应力原理

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

以刚塑性模型为出发点的破坏理论（极限平衡理论）

传统力学的研究内容可用框图表示如下：

3、现代土力学（1963—今）

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。

下列几方面取得重要进展：

1、非线性模型和弹塑性模型

2、损伤力学模型与结构性模型

3、非饱和土固结理论

4、砂土液化理论的研究

5、剪切带理论及渐进破损

6、土的细观力学

二、土力学的发展现状

土木工程功能化、城市立体化、交通高速化，以及改善综合居往环境成为现代土木工程

建设的特点。人们将不断拓展新的生存空间，开发地下空间，向海洋拓宽，修建跨海大桥、

海底隧道和人工岛，改造沙漠，修建高速公路和高速铁路等。展望土力学的发展，不能离开

对我国现代土木工程建设发展趋势的分析。

一个学科的发展还受科技水平及相关学科发展的影响。二次大战后，特别是在20世纪

60年代以来，世界科技发展很快。电子技术和计算机技术的发展，计算分析能力和测试

能

力的提高，使土力学计算机分析能力和室内外测试技术得到提高和进步。科学技术进步还促

使土力学新材料和新技术的产生。如近年来土工合成材料的迅速发展成为土力学的一次革

土力学测试技术一般分为室内试验技术、原位试验技术和现场监测技术等几个方面。在

原位测试方面，地基中的位移场、应力场测试，地下结构表面的土压力测试，地基土的强度

特性及变形特性测试等方面将会成为研究的重点，随着总体测试技术的进步，这些传统的难

点将会取得突破性进展。虚拟测试技术将会在土力学测试技术中得到较广泛的应用。利用电

子计算机技术、电子测量技术、光学测试技术、航测技术、电、磁场测试技术、声波测试技

术、遥感测试技术等方面的新的进展都有可能在土力学测试方面找到应用的结合点。

考察现代土力学的进展可以看到，虽然它取得了长足的进步，但这种进步并没有从根本

上改变上述致使土力学处于半理论半经验状况的原因。这就是目前土力学的发展所处的水平荷载的多维性、荷载随时间的变化、重复荷载、振动荷载，地层条件和边界形状的复

杂性，

饱和程度的变化，物理状态的变化，渗流和孔隙压力的存在，土与结构的相互作用，时间、

温度等因素的作用等等。这引出了土力学学科许多领域，如土体本构理论、强度理论、流变

理论、非饱和土力学理论、土压力理论、边坡稳定理论和地基承载力理论、土动力学、环境

土力学、地基加固的方法与理论等。这些理论的发展与研究是遵循一定的规律的。

随着研究的深入，现代土力学迅速地发展，土力学在由经验逐步过渡到理论方面取得了

重要的进展，但是

1）没有坚实的理论基础，各种概念和方法之间缺少有机的联系和统一的理论基础

2）土是自然沉积而形成的，通常是不均匀的；仅靠少数几个空间点的土样试验结果难以

全面地描述不均匀建筑场地整体的物理力学性能

3）土的三相性导致土体的物理力学性质非常复杂和易变，难以准确地用数学模型描述

4）土的边界条件难以准确的给出或确定

5）由于扰动、易变以及测试误差的存在，土性参数很粗糙，它很难准确和高质量地得到

6）受目前测试仪器和测试水平的限制，难以满足复杂本构模型对测试参数在多样性和质

量上的要求

7）土的抗剪强度的工程测定方法几十年没有本质的变化（指饱和土），难以对建筑场地

中土的强度给出全面而准确的评价，其测定的结果不确定性很大

由于上述原因导致土力学中的分析方法不确定性非常大，土力学中的公式不能像其它力学公式那样去认识和理解。在土力学中由于这种不确定性的存在，任何公式或计算结果的准确性从来不会超过粗略的大致估计。而这种不确定性的范围和大小只有靠长期工程经验才能够判断和认识。因此，经验在土力学中具有巨大的作用。

三、土力学的发展特点

1、试验和实践的重要性

土力学研究的特点，往往是先技术、后理论、先实验、后理论。因此，对于土力学而言，由于它不是基础科学的范畴，而是属于技术科学的范畴，理论、试验、实践三者是互为因果，不可分离的。理论虽然十分重要，但如果没有试验和实践，就将停止发展并失去意义了。土力学是一门实验性很强的学科，土力学学科的实验与测试技术在建筑工程实践中

十分重要，而且在土力学理论的形成和发展过程中起着决定性作用。离开了实验和测试土力学理论就无法发展。另一方面，土工试验如果离开了理论的指导，也就失去了意义。二者是相辅相成的。试验设备和试验方法是在理论指导下提出的。于是，研制新仪器，提出新的试验方法，用试验证实了设想，则设想就上升为理论，或者通过试验发现了新的规律，就总结出了理论。我们无法预知下一世纪会出现哪些新仪器、新方法，但可以肯定，土工实验与测试领域必定会有新的发展，因为土力学理论的发展离不开实验，两者是同步进行、互动发展的。

2、理论与经验孰轻孰重

关于土力学的发展存在两种不同的观点：1.认为土力学的理论很不完善，需要不断的发展

和完善；2.需要发展和积累更多的适用于不同情况的经验公式和经验；还认为理论的发展