土力学的发展史、现状及对土木工程的应用

土力学的发展、现状、展望及对土木工程的作用
冯新辉
（哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨 150090，hitfxh@）
摘要：回顾了土力学的发展史，分析了当代土力学的现状，讨论了土力学的发展前景，论述了土力学对整个土木工程的作用。

关键词：土力学；发展；现状；展望；土木工程
一、土力学的发展
土力学是人们在在长期工程实践中形成发展起来的一门学科。

我国劳动人民从远古时代就能利用土石作为地基和建筑材料修筑房屋了。

如西安新石器时代的半坡村遗址，就发现有土台和石础，这就是古代的"堂高三尺、茅茨土阶"的建筑。

我国举世闻名的秦万里长城逾千百年而留存至今。

充分体现了我国古代劳动人民的高超水平。

隋朝石工李春所修建成的赵州石拱桥，造型美观，至今安然无恙。

桥台砌置于密实的粗砂层上，一千三百多年来估计沉降量约几厘米。

现在验算其基底压力约500-600kpa，这与现代土力学理论给出的承载力值很接近。

北宋初著名木工喻皓（公元989年）在建造开封开宝寺木塔时，考虑到当地多西北风，便特意使建于饱和土上的塔身稍向西北倾斜，设想在风力的长期断续作用下可以渐趋复正。

可见在当时的工匠已考虑到建筑物地基的沉降问题了。

而作为本学科理论基础的土力学的发端，始于十八世纪兴起了工业革命的欧洲。

随着资本主义工业化的发展，为了满足向国内外扩张市场的需要，陆上交通进入了所谓"铁路时代"，因此，最初有关土力学的个别理论多与解决铁路路基问题有关。

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，并且创立了著名的砂土抗剪强度公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。

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Terzaghi开创的土体变形研究提供了客观条件。

1923年，Terzaghi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：关于滑弧稳定分析方法的建立与完善，关于极限土压力的研究和提出承载力公式，散粒体静力学的建立，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：地基沉降计算方法的建立与完善，弹性地基梁板的计算，砂井固结理论， Biot固结理论的提出和完善。

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。

二、土力学的现状与展望
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土工测试的上述各方面都有了很大发展.土体的物理力学性质、微观结构等的试验仪器和方法逐步成熟.尤其三轴仪，除了普通三轴仪外，还发展了应力路径三轴仪、K0 固结三轴仪、非饱和土三轴仪、真三轴仪、高压三轴仪、大型三轴仪、动三轴仪、共振柱三轴仪等，成为土体力学特性试验的主要设备.模型试验已发展了静力模型、动力模型、渗透力模型、离心模型等.现场试验和现场观测设备和方法已经多样化.但是，当前的测试技术只适应当前的学科水平.在新世纪土力学学科要发展，还必须发展实验技术. 太沙基把土体的压密与渗透结合起来，推导了一维的固结微分方程.它恰当地反映了土体固结的机理.在一维条件下，它是精确的.依据该微分方程，已经给出了各种实用情况下的解析解，包括边界的透水与不透水、荷载随时间线性增加、双层土地基、土层厚度随时间变化等，还可以反映简单的非线性固结问题.对于较复杂的边界条件、加荷条件，可用有限元或差分法求解. 二维和三维固结问题，比奥固结理论是严格的.它不仅能解出孔压分布，而且也给出位移场.用有限元法求解，可以考虑任何复杂的边界条件、荷载条件、土层情况，还可反映土体应力应变非线性、弹塑性和骨架的流变. 应该说，饱和土的现有固结理论是比较完善的，无论在机理上，还是在各种类型实际问题的应用上，都已经不存在障碍，落后于实际的只是参数确定. 地基稳定分析从极限平衡出发建立的公式已不下十余个，包括朗肯、普朗特尔、太沙基、迈耶霍夫、汉森、魏锡克、别列赞采夫、索科洛夫斯基等.所考虑的因素逐步全面，方法已趋成熟，不过不像土坡稳定分析那么有把握. 关于土坡和地基稳定的问题从可靠度方面来研究还没有达到实用化的程度，还不够成熟.考虑复杂因素的计算也有待改进.譬如，膨胀土边坡和地基的稳定性；有加强体(如土工织物)存在时的稳定性，滑动面为空间曲面的情况.有动力荷载下的情况.滑动从软弱区开始逐步扩展的情况以及考虑蠕变的稳定性等等.
土体中的问题是复杂的，成层、各向异性、非线性、复杂边界条件、复杂加荷条件、涉及土与水的共同作用、涉及土与结构的共同作用，求解析解要作很多简化假定，实际上是不精确的.随着电算技术的发展，用数值方法解复杂问题成为可能，就使土工数值计算成为一个新的领域迅速发展.数值解也有若干方法，其中有限元法最为优越.自 1966 年首次用于土坝非线性应力变形分析以来，已迅速应用于土力学的各领域，包括桩基础、复合地基、挡土结构、地下工程、固结问题、流变问题、动力问题、膨胀土的变形、黄土的湿陷等.土力学中的计算问题差不多都可以用它.它也确实能解决许多用传统计算方法无法解决的问题。

土工数值分析，是把数值方法应用于土力学，解决土工中所遇到的一些特殊问题.现在有些问题已经得到了解决，如土体的非线性、变形与渗流的耦合、土坝施工逐级加荷、深基坑开挖、土与结构的共同作用等；有些问题虽然作了近似的数值模拟，但还不令人满意，如土体浸水变形、接触面的变形、桩基础、加筋土、隧道的盾构施工等.用非线性有限元法解决土工问题还有许多工作要做.
除了数值分析而外，还有许多数学方法近年来被用于土工分析.其中有重大影响的是概率论和数理统计方法，从而形成了土工可靠度分析的新领域.土工结构设计中存在大量的不确定性因素，长期使用安全系数笼统地处理众多不确定性.而许可安全因数的取值又主要凭经验，有一定盲目性.60 年代末，概率统计方法开始引入土工设计，开辟了一种处理土工不确定性的新方法.这种方法正逐步被工程界接受，并部分地被引入规范.但这一领域还不成熟，还有很大发展余地. 除了数值分析而外，还有许多数学方法近年来被用于土工分析.其中有重大影响的是概率论和数理统计方法，从而形成了土工可靠度分析的新领域.土工结构设计中存在大量的不确定性因素，长期使用安全系数笼统地处理众多不确定性.而许可安全因数的取值又主要凭经验，有一定盲目性.60 年代末，概率统计方法开始引入土工设计，开辟了一种处理土工不确定性的新方法.这种方法正逐步被工程界接受，并部分地被引入规范.但这一领域还不成熟，还有很大发展余地.
土力学作为独立的学科，已有 70 年的历史.70 年对一门学科的发展来说，犹如早晨八点
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钟的太阳，正处在蓬勃发展的阶段.土体十分复杂，这给土力学学科的发展增加了难度，也提供了宽阔的余地.土力学学科中已有些成熟的理论，但更多的是不完善、不成熟，大部分领域都有值得深入研究的课题.随着科学技术的飞速发展，预期在新的世纪土力学学科也必将出现多方面的重大突破
三、土力学对土木工程的作用
土力学是一门综合性非常强的基础学科，它是土木工程的基础。

对地基的设计、施工、及对建筑的抗震性能具有相当重要的作用。

对土木工程的发展起着去足轻重的作用。

它主要研究土体的地质特性及其在工程活动影响下的应力、变形、强度和稳定性。

随着人口不断密集，人类活动的范围日益狭小，现代工程建设不得不向高（高层建筑）、深（地下工程）、远（高速公路）的方向发展。

同时通过对不良场地土体的改善进行工程建设，可以充分地利用日益紧缺的土地资源。

因此土质土力学在现代土木工程建设事业中发挥着举足轻重的作用。

众所周知，地基是建筑物相当关键的部位，对整个建筑的寿命、使用状况起着至关重要的作用，对于这个基础的指导学科就是土力学，由此可见土力学作用的关键所在。

参考文献
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【2】黄文熙.土的工程性质.北京：水利电力出版社，1983.148～161
【3】殷宗泽.土体的沉降与固结.北京：中国电力出版社，1998.39～42
【4】杨代泉.非饱和土广义固结理论及其数值模拟与试验研究：［学位论文］.南京：南京水利科学研究院，1990
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土力学的发展、现状和展望及对土木工程的作用
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