针对土力学发展的分析

提 要：岩土工程建设至今还不能脱离经验，但岩土力学的长足进展已使许多工程的设计逐渐摆脱完全依赖经验或半经验的状况，数值计算在未来的岩土工程设计中将会占据越来越重要的位置。本文探讨了计算岩土力学近期可有取得的进展并应加强研究的几个问题。

关键词：岩土工程；土力学

有限元法在我国普及的初期，许多工程师对数值分析能否解决实际问题曾抱着怀疑的态度，但是不少有识的技术领导还是给予热情的支持。记得上世纪80年代初在组织三峡深水围堰第一轮多单位协作分析计算时，长江水利委员会司兆乐总工曾提出计算分析结果能达到“精确定性、粗略定量”的目标。到今天，虽然不能说这一目标已完全实现，但对相当一部分岩土工程来说，做到这一点已没有困难。当然，岩土工程的设计和施工在今后相当长的时期内仍需要工程师们的经验，但是，在科学技术飞速发展的今天，数值分析技术必将越来越成为人们必须依赖的工具。

同样，在岩土力学研究中，计算也已成为和实验一样不可或缺的手段。在某些特殊情况下数值模拟甚致可以代替实验。而离心模型试验与数值模拟的相互配合，已经成为解决岩土工程问题的一个重大研究方向。

本文将就21世纪岩土工程数值分析的发展前景提出一些看法，基于作者专业知识的局限，重点探讨土力学问题的数值分析问题。

自古以来，人类就广泛地利用土作为建筑地基和材料。古代许多伟大建筑物，如我国长城、大运河、宫殿庙宇、桥梁等，国外的比萨斜塔、金字塔等的修建都需要有丰富的土的知识和在土层上修建建筑物的经验。由于社会生产力和技术条件的限制，这一阶段经过了很长时间，直到18世纪中叶，还停留在感性认识阶段。

理论提高阶段。产业革命以后，大量建筑物工程的兴建，促使人们对土进行了专题研究。把已积累的经验进行一些理论归纳和解释。如1773年，法国科学家库伦（C.A.Coulomb）发表了土压力理论和土的抗剪强度公式；1856年，法国工程师达西（H.Darcy）研究了砂土的透水性，创立了达西渗透公式；1857年英国学者朗肯（W.Jm.Rankine）建立了另一种土压力理论与库伦理论相辅相承；1885年，法国科学家布辛内斯克（J.Boussinesq）提出了半无限弹性体中的应力分布计算公式。至今仍都是地基中应力计算的主要方法等等。

形成独立学科阶段。从20世纪20年代起，不少学者发表了许多理论和系统的著作。1920年法国普兰特发表了地基滑动面的数学公式，1916年瑞典彼得森提出了计算边坡稳定性的圆弧滑动法。而最具代表意义的是1925年美国太沙基（K.Terzaghi）首次发表了《土力学》一书。这本著作比较系统地论述了若干重要的土力学问题，提出了著名的有效应力原理，至此，土力学开始真正地形成独立学科。从那时起，直到20世纪60年代，土力学的研究基本上是对原有理论与试验充实与完善。自20世纪60年代以来，随着电子计算机的出现和计算技术的高速发展，使土力学的研究进入了一个全新的阶段。

第四阶段。此时，最突出的工作是用新的非线性应力应变关系代替过去的理想弹塑性体。随着应力应变模型建立，以此为基础建立了新的理论体系。 1957年，D.C.Drucker提出了土力学与加工硬化塑性理论，对土的本构模型研究起了很大的推动作用。许多学者纷纷进行研究，并召开多次学术会议，提出了各种应力应变模型。如在工程中常用的邓肯-张模型、英国剑桥模型等。我国在这个阶段也进行了很多工作，如清华大学黄文熙模型、南京水利科学研究院沈珠江模型和河海大学殷宗泽模型等。这些模型都是对土的非线性应力-应变规律提出数学描述，并用土的实际情况相验证。

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， 罗斯科（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。

将土质学和土力学结合在一起的教材，有20世纪50年代巴布可夫的《土学及土力学》与60年代俞调梅的《土质学及土力学》。在这些土力学教材中，特别强调了应当重视对土的基本性质的认识和土工试验，并将黏性土的物理化学性质内容列入教材，从而形成了土力学与土的工程性质紧密结合的教材体系。

土质学与土力学是研究与土的工程问题有关的学科，它既是工程力学的一个分支学科，又是土木工程学科的一部分。土是一种自然地质的历史产物，是一种特殊的变形体材料，它既服从连续介质力学的一般规律，又有其特殊的应力一应变关系和特殊的强度、变形规律，因此，土质学与土力学形成了不同于一般固体力学的分析方法和计算方法，所以在学习本课程以前必须具备工程地质学、材料力学等预备知识。而土质学与土力学的理论与分析计算方法又是学习土木工程专业课程以及从事土木工程技术工作必需的基础知识，是一门介于基础课与专业课之间的技术基础课。

所有的工程建设项目，包括高层建筑、高速公路、机场、铁路、桥梁、隧道等，都与它们赖以存在的土体有着密切的关系，在很大程度上取决于土体能否提供足够的承载力，取决于工程结构是否遭受超过允许的沉降和差异变形等，这就要涉及土中应力计算、土的压缩性、土的抗剪强度以及地基极限承载力等土力学基本理论。

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。

“从实践中来，到实践中去”，这是任何学科发展的必由之路，当然也是实用性很强的土力学的发展的必由之路。固结理论是从地基沉降计算的需要出发而建立起来的，在指导地基设计中得到不断发展和完善，便是对这一命题的最好说明。

参考文献：

[1]黄文熙.土的工程性质.北京：水利电力出版社，1983.148～161

[2]殷宗泽.土体的沉降与固结.北京：中国电力出版社，1998.39～42

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