(发展战略)土力学发展史回顾最全版
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土木工程的发展历史━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━引言古代土木工程萌芽时期形成时期发达时期近代土木工程奠基时期进步时期成熟时期现代土木工程工程功能化城市立体化交通高速化材料轻质高强化施工过程工业化理论研究精密化━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━引言人类出现以来,为了满足住和行以及生产活动的需要,从构木为巢、掘土为穴的原始操作开始,到今天能建造摩天大厦、万米长桥,以至移山填海的宏伟工程,经历了漫长的发展过程。
土木工程的发展贯通古今,它同社会、经济,特别是与科学、技术的发展有密切联系。
土木工程内涵丰富,而就其本身而言,则主要是围绕着材料、施工、理论三个方面的演变而不断发展的。
为便于叙述,权且将土木工程发展史划为古代土木工程、近代土木工程和现代土木工程三个时代。
以17世纪工程结构开始有定量分析,作为近代土木工程时代的开端;把第二次世界大战后科学技术的突飞猛进,作为现代土木工程时代的起点。
人类最初居无定所,利用天然掩蔽物作为居处,农业出现以后需要定居,出现了原始村落,土木工程开始了它的萌芽时期。
随着古代文明的发展和社会进步,古代土木工程经历了它的形成时期和发达时期,不过因受到社会经济条件的制约,发展颇不平衡。
古代的无数伟大工程建设,是灿烂古代文明的重要组成部分。
古代土木工程最初完全采用天然材料,后来出现人工烧制的瓦和砖,这是土木工程发展史上的一件大事。
古代的土木工程实践应用简单的工具,依靠手工劳动,并没有系统的理论,但通过经验的积累,逐步形成了指导工程实践的成规。
15世纪以后,近代自然科学的诞生和发展,是近代土木工程出现的先声,是它开始在理论上的奠基时期。
17世纪中叶,伽利略开始对结构进行定量分析,被认为是土木工程进入近代的标志。
从此土木工程成为有理论基础的独立的学科。
18世纪下半叶开始的产业革命,使以蒸汽和电力为动力的机械先后进入了土木工程领域,施工工艺和工具都发生了变革。
土木工程的发展历史━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━引言古代土木工程萌芽时期形成时期发达时期近代土木工程奠基时期进步时期成熟时期现代土木工程工程功能化城市立体化交通高速化材料轻质高强化施工过程工业化理论研究精密化━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━引言人类出现以来,为了满足住和行以及生产活动的需要,从构木为巢、掘土为穴的原始操作开始,到今天能建造摩天大厦、万米长桥,以至移山填海的宏伟工程,经历了漫长的发展过程。
土木工程的发展贯通古今,它同社会、经济,特别是与科学、技术的发展有密切联系。
土木工程内涵丰富,而就其本身而言,则主要是围绕着材料、施工、理论三个方面的演变而不断发展的。
为便于叙述,权且将土木工程发展史划为古代土木工程、近代土木工程和现代土木工程三个时代。
以17世纪工程结构开始有定量分析,作为近代土木工程时代的开端;把第二次世界大战后科学技术的突飞猛进,作为现代土木工程时代的起点。
人类最初居无定所,利用天然掩蔽物作为居处,农业出现以后需要定居,出现了原始村落,土木工程开始了它的萌芽时期。
随着古代文明的发展和社会进步,古代土木工程经历了它的形成时期和发达时期,不过因受到社会经济条件的制约,发展颇不平衡。
古代的无数伟大工程建设,是灿烂古代文明的重要组成部分。
古代土木工程最初完全采用天然材料,后来出现人工烧制的瓦和砖,这是土木工程发展史上的一件大事。
古代的土木工程实践应用简单的工具,依靠手工劳动,并没有系统的理论,但通过经验的积累,逐步形成了指导工程实践的成规。
15世纪以后,近代自然科学的诞生和发展,是近代土木工程出现的先声,是它开始在理论上的奠基时期。
17世纪中叶,伽利略开始对结构进行定量分析,被认为是土木工程进入近代的标志。
从此土木工程成为有理论基础的独立的学科。
18世纪下半叶开始的产业革命,使以蒸汽和电力为动力的机械先后进入了土木工程领域,施工工艺和工具都发生了变革。
土力学是土的力学,是把土作为建筑材料(地基)进行研究的科学,是力学理论在岩土工程中的应用,目前在很多方面还处在半经验阶段,有些甚至经验占很重要的地位从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()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。
土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律,从而解决工程中土体变形和稳定问题的一门学科。
土力学学科需研究和解决工程中的两大问题。
一是土体稳定问题,这就要研究土体中的应力和强度,例如地基的稳定、土坝的稳定等。
二是土体变形问题,即使土体具有足够的强度能保证自身稳定,然而土体的变形尤其是沉降(竖向变形)和不均匀沉降不应超过建筑物的允许值。
此外,需要指出的对于土工建筑物、水工建筑物地基,或其他挡土挡水结构,除了在荷载作用下土体要满足前述的稳定和变形要求外,还要研究渗流对土体变形和稳定的影响。
学生在学习本课程时,要掌握土力学的基本理论,学会解决实际问题的基本方法和培养基本技能。
在学完土力学课程之后应掌握土的物理性质研究方法;会计算土体应力,了解应力分布规律掌握土的渗流理论、压缩理论、固结理论及有效应力原理、应力历史的概念,能熟练的进行地基沉降和固结计算;掌握土的强度理论及其应用,进行土压力计算,土坡稳定验算,地基承载力的确定。
结合理论学习要培养自己进行各种物理力学试验的技能,通过试验深化理论学习,理解和掌握确定计算参数的方法。
土木工程的发展历史━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━引言古代土木工程萌芽时期形成时期发达时期近代土木工程奠基时期进步时期成熟时期现代土木工程工程功能化城市立体化交通高速化材料轻质高强化施工过程工业化理论研究精密化━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━引言人类出现以来,为了满足住和行以及生产活动的需要,从构木为巢、掘土为穴的原始操作开始,到今天能建造摩天大厦、万米长桥,以至移山填海的宏伟工程,经历了漫长的发展过程。
土木工程的发展贯通古今,它同社会、经济,特别是与科学、技术的发展有密切联系。
土木工程内涵丰富,而就其本身而言,则主要是围绕着材料、施工、理论三个方面的演变而不断发展的。
为便于叙述,权且将土木工程发展史划为古代土木工程、近代土木工程和现代土木工程三个时代。
以17世纪工程结构开始有定量分析,作为近代土木工程时代的开端;把第二次世界大战后科学技术的突飞猛进,作为现代土木工程时代的起点。
人类最初居无定所,利用天然掩蔽物作为居处,农业出现以后需要定居,出现了原始村落,土木工程开始了它的萌芽时期。
随着古代文明的发展和社会进步,古代土木工程经历了它的形成时期和发达时期,不过因受到社会经济条件的制约,发展颇不平衡。
古代的无数伟大工程建设,是灿烂古代文明的重要组成部分。
古代土木工程最初完全采用天然材料,后来出现人工烧制的瓦和砖,这是土木工程发展史上的一件大事。
古代的土木工程实践应用简单的工具,依靠手工劳动,并没有系统的理论,但通过经验的积累,逐步形成了指导工程实践的成规。
15世纪以后,近代自然科学的诞生和发展,是近代土木工程出现的先声,是它开始在理论上的奠基时期。
17世纪中叶,伽利略开始对结构进行定量分析,被认为是土木工程进入近代的标志。
从此土木工程成为有理论基础的独立的学科。
18世纪下半叶开始的产业革命,使以蒸汽和电力为动力的机械先后进入了土木工程领域,施工工艺和工具都发生了变革。
土木工程发展简史关键词:土木工程悠久发展史建筑材料材料美好展望0、引言土木工程是建造各类工程设施的科学技术的总称,它既指工程建设的对象,即建在地上、中的各类工程设施,也只所应用的材料、设备和所进行的勘探技术、施工、保养、维修等技术。
它是最古老的工程科学,与人类的反战和生存息息相关。
从古至今,土木工程一共经历了古代、近代和现代这三大历史时期。
古代土木工程最完全采用天然材料,后来才出现人工烧制的砖和瓦,它没用系统的理论,但通过经验的积累,逐步形成了指导工程实践的成规。
近代土木工程的诞生是以钢铁和水泥的出现为标志,形成了有理论基础的独立科学,钢结构、刚劲混凝土结构、预应力混凝土结构相继在土木工程中广泛应用。
二战后,现代科学技术飞速发展,计算机技术的广泛应用使土木工程领域出现了崭新的面貌,其集中表现为工程功能化、城市立体化和交通高速化,现代土木工程以社会生产力的现代发展为动力,以现代科学技术为背景,以现代工程材料为基础,以现代工艺与机具手段高速度的向前发展。
然而近年来,由于美国自带金融危机的影响,全球的经济收到巨大的冲击,金融业和房地产等行业首当其冲,土木工程的发展也因此受到了阻碍,但是我们知道金融危机也只是暂时的,全球经济这个大的发展趋势不会改变,建设的速度不会止步,对于土木人才的需求量会不断的攀升,因而从长远角度来看,土木工程仍然焕发着勃勃生机和旺盛的生命力。
————《土木工程概论》1历史上的土木工程自从人类诞生的那天开始,土木工程就伴随着人类的衣、食、住、行,土木的发展有很深的渊源。
它一直随着人类的进化而发展,直到今天,土木工程仍然是人类日常生活不可缺少的部分。
相信随着社会的发展,土木工程的前景也会用有更加广阔的明天。
从远古时代开始,人类在十分落后的条件下开始了土木工程的开端。
他们在生存斗争的压迫下,开始不得不利用周围的物体来保护自己,于是便逐渐学会使用了石器、木材,甚至于利用野兽的骨头及皮毛来制作各种各样的工具。
土力学发展史18世纪欧美国家在产业革命推动下,社会生产力有了快速发展,大型建筑、桥梁、铁路、公路的兴建,促使人们对地基土和路基土的一系列技术问题进行研究。
1773年法国科学家C.A.库仑(Coulomb)发表了《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》,介绍了刚滑楔理论计算挡土墙墙背粒料侧压力的计算方法;法国学者H.达西(Darcy,1855)创立了土的层流渗透定律;英国学者W.T.M.朗肯(Rankine,1857),发表了土压力塑性平衡理论;法国学者J.布辛奈斯克(Boussinesq,1885)求导了弹性半空间(半无限体)表面竖向集中力作用时土中应力、变形的理论解。
这些古典理论对土力学的发展起了很大的推动作用,一直沿用至今。
20世纪20年代开始,对土力学的研究有了迅速的发展。
瑞典K.E.彼得森(Petterson,1915)首先提出的,后由瑞典W.费兰纽斯(Fellenius)及美国D.W.泰勒(Taylor)进一步发展的土坡稳定分析的整体圆弧滑动面法;法国学者L.普朗德尔(Prandtl,1920)发表了地基剪切破坏时的滑动面形状和极限承载力公式;1925年美籍奥地利人K.太沙基(Terzaghi)写出了第一本《土力学》专著,他是第一个重视土的工程性质和土工试验的人,他所创导出的饱和土的有效应力原理,将土的主要力学性质,如应力-变形-强度-时间各因素相互联系起来,并有效地用于解决一系列的土工问题,从此土力学成为一门独立的学科;L.伦杜利克(Rendulic,1936)发现土的剪胀性,土的应力-应变非线性关系,土具有加工硬化与软化的性质。
有关土力学论著和教材方面,象雨后春笋般地蓬勃发展,例如前苏联学者H.M.格尔谢万诺夫(Герсеванов,1931)出版了《土体动力学原理》专著;苏联学者H.A.崔托维奇(Цытович,1935,…)写出了《土力学》教材;K.太沙基(Terzaghi,K.and Peck,R.B.,1948)又出版了《工程实用土力学》教材;苏联学者B.B.索科洛夫斯基(Cоколовский,1954)出版了《松散介质静力学》一书;美籍华人吴天行1966年写了《土力学》专著并于1976年出第二版;英国的G.N.史密斯和Ian G.N.史密斯(Smith,1968,…)出版了《土力学基本原理》大学本科教材;美国H.F.温特科恩(Winterkorn,1975)和方晓阳主编《基础工程手册》一书,由7个国家27位岩土工程著名专家编写而成,该书25章内容包括地基勘察、土力学、基础工程三大部分,取材新颖,成为当时比较系统论述土力学与基础工程的一本有影响的著作。
土力学发展史土力学发展史18世纪欧美国家在产业革命推动下,社会生产力有了快速发展,大型建筑、桥梁、铁路、公路的兴建,促使人们对地基土和路基土的一系列技术问题进行研究。
1773年法国科学家C.A.库仑(Coulomb)发表了《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》,介绍了刚滑楔理论计算挡土墙墙背粒料侧压力的计算方法;法国学者H.达西(Darcy,1855)创立了土的层流渗透定律;英国学者W.T.M.朗肯(Rankine,1857),发表了土压力塑性平衡理论;法国学者J.布辛奈斯克(Boussinesq,1885)求导了弹性半空间(半无限体)表面竖向集中力作用时土中应力、变形的理论解。
这些古典理论对土力学的发展起了很大的推动作用,一直沿用至今。
20世纪20年代开始,对土力学的研究有了迅速的发展。
瑞典K.E.彼得森(Petterson,1915)首先提出的,后由瑞典W.费兰纽斯(Fellenius)及美国D.W.泰勒(Taylor)进一步发展的土坡稳定分析的整体圆弧滑动面法;法国学者L.普朗德尔(Prandtl,1920)发表了地基剪切破坏时的滑动面形状和极限承载力公式;1925年美籍奥地利人K.太沙基(T erzaghi)写出了第一本《土力学》专著,他是第一个重视土的工程性质和土工试验的人,他所创导出的饱和土的有效应力原理,将土的主要力学性质,如应力-变形-强度-时间各因素相互联系起来,并有效地用于解决一系列的土工问题,从此土力学成为一门独立的学科;L.伦杜利克(Rendulic,1936)发现土的剪胀性,土的应力-应变非线性关系,土具有加工硬化与软化的性质。
有关土力学论著和教材方面,象雨后春笋般地蓬勃发展,例如前苏联学者H.M.格尔谢万诺夫(Герсеванов,1931)出版了《土体动力学原理》专著;苏联学者H.A.崔托维奇(Цытович,1935,…)写出了《土力学》教材;K.太沙基(Terzaghi,K.and Peck,R.B.,1948)又出版了《工程实用土力学》教材;苏联学者B.B.索科洛夫斯基(Cоколовский,1954)出版了《松散介质静力学》一书;美籍华人吴天行1966年写了《土力学》专著并于1976年出第二版;英国的G.N.史密斯和Ian G.N.史密斯(Smith,1968,…)出版了《土力学基本原理》大学本科教材;美国H.F.温特科恩(Winterkorn,1975)和方晓阳主编《基础工程手册》一书,由7个国家27位岩土工程著名专家编写而成,该书25章内容包括地基勘察、土力学、基础工程三大部分,取材新颖,成为当时比较系统论述土力学与基础工程的一本有影响的著作。
土质学与土力学的发展史及实际应用摘要:本文主要回顾土质学与土力学的发源,及整体发展史。
此外,还介绍了土质学与土力学在国内的发展历程,及学科的形成过程。
最后,介绍了其再交通,土木工程等中的地位及作用。
关键词:土质学,土力学,发展史,工程。
土质学与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。
土质学是从工程地质学范畴里发展起来的,它从图的成因与成分出发,研究土的工程性质的本质与机理,对土在荷载、温度及湿度等因素作用下发生的变化作出数量上的评价,并根据土的强度、变形机理提出改良土质的有效途径。
土力学是从工程力学范畴里发展起来的,它把土作为物理—力学系统,根据土的盈利—应变—强度关系提出力学计算模型,用数学力学方法求解土在各种条件下的应力分布、变形以及土压力、地基承载力与土坡稳定等课题,同时根据土的实际情况评价各种力学计算方法的可靠性与适用条件。
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。
土力学的回顾1) 土力学学科的形成一般认为,土力学自太沙基在1925年发表《土力学原理》后才成为一门独立的学科。
但是,关于土的理论并非在l925年才有。
实际上,1925年以前,土力学的某些规律和理论已经被发现、创立和运用。
按太沙基的说法,土力学始于1776年库仑土压力理论的发表(比1925年早149年)。
此外,反映水在多孔介质中流动规律的达西定律、描述土体极限平衡状态的理论等等也都是土力学早期理论上成就的突出例子。
太沙基认为,就土力学原理来说,它是两门早已确立的工程学科分科——材料试验和应用力学的派生物。
可见土力学不仅来自自身的实践,而且也充分地借鉴了相关学科的成就。
不难看.在太沙基之前,人们对土实际上早已有相当的认识,提出了诸多关于土的理论和规律。
但当时这些理论和规律还是零散的、不系统的,对土的认识也还仅仅是局部的或者是唯象的。
可以说当时土力学的发展还缺乏许多反映土的本质和真实面目的东西,因此尚未形成一门独立的学科。
太沙基主要功绩之一,是他将当时已有的孤立的规律、原理或理论,按土的特性将它们联系和系统化起来,总结提出了土的3个特性,即“粘性”、“弹性”和“渗透性”,并且凭借丰富的实践经验和深邃的洞察力发展了土力学原理,拓宽了土力学领域,使之形成一门独立的学科。
其中有几个重要的贡献是特别值得提出的。
首先他强调土的分类,并依据其物理力学性质将“粘土”和“砂土”区别开来。
他认识到“砂土”的强度属纯摩擦材料的强度,而“粘土”的强度则是其“粘性”所致。
虽然用现在的眼光看,这样的认识似乎太简单化,但它毕竟是从土本身特性出发的,不再是简单地借用别的学科的原理。
这样,土力学就具有了自己的个性;其次是建立了有效应力原理和一维固结微分方程。
如果说一维固结微分方程可能与太沙基曾作为热传导教授的经历有关,从而带有热传导方程的某些痕迹的话(诚然,这种借鉴别的学科成就来丰富本学科内容的做法也是学科发展的必由道路之一),那么有效应力原理则完全是从土的本性出发,确切地反映了土的力学性状本质的。
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。
(发展战略)土力学发展史回顾土力学发展史回顾土力学的发展能够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。
可是,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。
俩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,和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》,提出了土体壹维固结理论,接着又在另壹文献中提出了著名的有效应力原理,从而建立起壹门独立的学科—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,可是,土体的破坏问题始终是当时土力学研究的主流。
这壹时期在土体破坏理论研究方面的主要成就有:①Fellenius,Taylor和Bishop等关于滑弧稳定分析方法的建立和完善;②Terzaghi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;④Shield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和完善;②Mindlin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;⑤Biot固结理论的提出和完善。
古典土力学能够归结为壹个原理——有效应力原理和俩个理论——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)。
前壹理论随着1956年Biot动力方程的建立而划上壹个完满的句号;后壹理论则于60年代初完成了基本的理论框架。
可是,真实的土体决不是理想弹性体,也不是理想刚塑性体。
能够考虑土体俩个基本特性(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的模量公式中对 3的考虑就是压硬性的体现。
壹方面,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,另壹方面,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,才提出第壹个能够全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型,因而能够见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,且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和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,在这壹段时间内,古典土力学框架内尚未解决的壹些问题继续有人在研究,且取得许多进展,例如土和结构共同作用、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壹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项中只有第壹项已比较成熟,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。
可是,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壹个土工试验室,可是,大规模的研究则是在中华人民共和国成立以后随着壹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和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,壹批基础扎实、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,特别是国内培养的壹批博士,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,和世界各国相比且不逊色,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,而壹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壹个土层具有壹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,也能够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壹。
(4)尽管取土技术在不断改进,可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壹个重要组成部分。
(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和成熟将使实验土力学变成土力学的壹个完整的分支。
(6)“边设计——边观测”曾是Terzaghi和Peck提出的壹种研究方法,用现代术语说这就是反馈分析。
壹方面用现代先进技术进行原体观测,壹方面用现代计算技术进行反馈分折,通过这壹途径改进当前或今后的工程设计,无疑是现代土力学的壹个重要特点。
(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和经验的专家系统,必将是现代土力学的壹个重要内容。
综上所述,现代土力学能够归结为壹个模型、三个理论和四个分支。
壹个模型即本构模型,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,且把颗粒之间的滑移见作塑性变形的根源,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。
因此发展新壹代的结构性模型是现代土力学的核心问题。
三个理论即壹个变形理论和俩个破坏理论,其主要目标如下,(1)非饱和土固结理论,这是饱和土固结理论的推广,必须建立在合理的本构模型的基础上,且用于分析黄土、膨胀土和冻土的变形问题。
(2)液化破坏理论,即描述由于孔隙压力升高而导致土体破坏的理论,其核心是要建立壹个能反映复杂应力路线下变形规律的本构模型,研究对象既能够是饱和砂土,也能够是饱和粘土。
(3)渐进破坏理论,即描述荷载增加情况下土体真实破坏过程的理论,它的建立可能要运用损伤力学、细观力学和分叉理论等现代力学分支,最后要完成对应变软化问题和剪切带形成过程的数学模拟。
四个分支即理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学,后者也能够叫做土工学(SoilEngineering),各自的主要内容如图l所示,其中的室内模拟试验是指把土样当作边值问题进行试验研究,和把土样当作壹个元素进行试验有根本的不同。
现代土力学已有30多年的历史,可能仍需要30年才能大体上完成其基本框架。
理论土力学的地位“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,便是对这壹命题的最好说明。
这里“来”包含俩重意义,壹是理论为生产实践的需要而提出,二是从具体事例中抽象出来;“去”也包含俩重意义,壹是对实践的指导,二是到实际中进行检验。
不符合上述原则的理论是脱离实际的,它要么是无用的,要么是错误的。
已提出的许多本构模型中大部分没有多大的实用价值,有的从未被工程师们所接受,就是例证。
可是,正确的理论壹旦为广大的工程师所掌握,就壹定会产生巨大的力量。
有效应力原理对饱和土的变形和强度理论的影响及其在软基加固和砂土液化分析中的作用,就是最好的例证。
相反,许多学者孜孜不倦追求的所谓“粒间应力”理论,则是错误的,因为土体骨架仅仅是人们头脑中的壹种抽象,不能人为地把土体割裂成骨架和孔隙流体俩部分。
这种错误倾向在非饱和土有效应力原理的研究中更曾引起不少混乱。
另壹方面,土力学中尚有许多理论没有被广泛地把握,在实践中出现过壹些盲目做试验、写论文或者盲目设计、施工等问题。
例如古典的土体破坏理论中采用了刚塑性体的假设,实际的土体破坏过程和理论相差甚远,因此,对试桩曲线上确定破坏点的问题,找出壹个比前人更合理的办法恐怕是徒劳的。
所谓合理,应当是符合刚塑性体的假设,这显然是做不到的。
在这里,最好仍是用约定俗成的经验办法。
又如在有限元法引人土工计算的初期,曾有人对每壹个单元计算安全系数,然后以某种方式平均得出整体的安全系数。
这种方法是不可取的,因为它混淆了设计应力状态和极限应力状态,不符合极限设计的基本原则。
仍有壹个末被所有人认识的例子是土的剪缩性。
粗粒料在低围压下剪胀,高围压下剪缩。
因此,许多在重力场下所做的土槽模型试验,有的能够定性地模拟实际情况,有的则连定性都做不到,甚至可能得到错误的结果。
例如100m高的堆石坝,如果做成1m高的模型放在振动台上,振动过程中坝坡将逐渐鼓出,实际遇到地震时由于堆石体的剪缩,坝顶会有相当的塌陷,但坝被不壹定有明显的鼓出。
当混凝土板和土石料接触时,接触面上的摩控力方向可能因剪胀或剪缩而改变,从而板内本来是压应力的地方出现拉应力,因此试验结果甚至定性上也是错误的。
综上所述,可见正确把握土力学基本理论的重要性。
如果说,有效应力原理是古典土力学的核心,曾经发挥过巨大作用,那么现代土力学的核心问题必定是本构模型。