岩土工程学科特点与进展讲解.docx

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岩土工程学科特点与进展讲解

10岩土工程—学科的特点与进展

李广信

10.1岩土工程学科的历史

岩土工程（GeotechnicalEngineering）是由工程地质、土力学和岩石力学及相关工程技术综合而形成的学科。

这个广义的“岩土工程”的概念近30年来已为人们普遍接受和应用。

它的工作对象是地球表面部分的材料—岩石与土。

所有的建筑物和构造物都是建造在岩土之上或者岩土之中。

对于人类，岩土是最古老的材料。

旧石器时代原始人最初始的武器与工具之一是打制的石器；新石器时代文化的代表则是用土烧制的陶器。

“水来土掩”，古代人类在与洪水斗争中，土是他们最方便和有效的武器。

大禹治水，“兴人徒以傅土，”也就是大兴土方工程。

人类与土之间密不可分，也表现在世界上许多古老文化，如古希腊、古中国、古印度、印弟安人、古希伯莱人和两河文化都有神用泥土造人的传说。

“普天之下，莫非王土”，可见土地成为权利和财富的象征。

多少人类历史上波澜壮阔的活剧都是围绕着土地出演。

随着农业经济和海外贸易的发展，人类逐渐向具有广袤深厚土层的名川大河的中下游移居繁衍。

他们耕耘营造，生生不息，建造了宏伟的楼堂殿宇、大坝长堤、千里运河、万里长城。

创造了一个个璀璨夺目的古代和现代文明。

但岩土工程中的主要学科都是20世纪以后形成的。

1925年太沙基（KarlTerzaghi）出版了第一本现代的土力学专著，标志着土力学成为独立的学科。

尽管此前（1776年）库仑在土的强度和土压力计算方面提出了他的理论和方法；19世纪达西（Darcy）提出了著名的土中水渗透定律；1914-1922年期间，瑞典的工程师提出了土坡的稳定计算方法。

到20世纪60年代，岩土工程的基础理论和工程实践的进展为现代土力学奠定了基础。

此前，人们主要用极限平衡的理论和方法解决边坡、地基承载力和挡土墙土压力等问题，不计达到极限状态之前的变形；另一方面，在线弹性理论基础上计算岩土的变形问题，如用传统的分层总和法计算地基的沉降。

而不涉及土体的强度和破坏。

20世纪中期以后，许多高坝、高重建筑物、地下工程兴建，要求考虑和计算土体的变形大小和过程。

这就要求考虑岩土的应力-应变-强度关系，给岩土的非线性数值计算提出了必要性；另一方面，电子计算机技术的发展使人的计算能力陡然提高，从而有可能进行繁复的非线性、弹塑性数值计算。

这使土的本构关系模型一时间百花齐放，万紫千红。

20世纪80年代以后，人们开始对于土的本构关系模型的研究进行总结和反思。

其标志就是连续几次著名的对本构关系模型“考试”性质的研讨会。

与土的本构关系并行发展的是岩土数值计算，层出不穷的岩土数值计算理论和方法成为岩土工程和岩土力学领域中最为绚烂的园地。

工程实践也要求人们关注非饱和土、原状土和特殊土（区域性土）的研究，以及关于土的液化和液化变形问题、渐进破坏问题等。

这些课题也成为现代土力学的研究重点。

岩土材料和工程的试验和测试一直是岩土工程科学研究的基础性工作，主要的古典土力学理论都是来自于对试验结果的正确总结。

与土的本构关系理论和数值计算平行发展的是土工实验技术和仪器设备的改进和提高。

如真三轴仪、方向剪切仪、空心圆柱扭剪仪以及相应的量测技术和控制技术都得到广泛的应用和很大的改进。

近年来，随着一些前所没有的工程的兴建，各种模型实验受到极大的重视，土工离心机模型实验以空前的速度普及和发展；一些经济实力雄厚的国家也将注意力集中在足尺试验、原型试验和原位测试方面。

几百万到几亿美元的巨大的投入使人感到他们趋利避害的决心，也感到岩土工程的有些问题还不能通过更省钱的方法解决，只能使用这种最直接和原始的方法。

10.2岩土工程中的材料特性

岩土工程主要涉及的是地球表面部分的材料，即岩与土。

从地质学的角度看，岩石是地壳上的所有地质材料，不管矿物颗粒间是否胶结，不管它们之间连接力的大小。

所以土也是岩石的一部分。

但是在岩土工程中通常是将岩与土分开，前者是岩石力学研究的对象，后者是土力学的适用领域。

从工程的角度看，由较强的内聚力（分子层次的力）将矿物颗粒结合在一起的材料是岩石；岩石矿物颗粒与有机物的松散集合物是土。

这种划分有很大的人为因素，例如软岩与硬土之间就很难界定。

土胶结可成岩，岩石风化成为土，这种胶结和风化到什么程度才互变也是难以判断的。

但是在工程中二者在性质和适用理论是必须区分的。

比如岩与土都是多孔介质，但土是碎散的，固态介质是不连续的（见图10.1）；岩石中固相介质是连通的。

例如饱和土体的有效应力原理表示为：

u（10.1）

对于岩石一般就不适用，因为取任何断面都无法不切割固体部分。

图10.1饱和土体有效应力原理的概念

岩石与土都是天然地质历史的产物，它们都不是严格意义上的连续介质，也都是由多相组成的。

土是人类接触最多的浅层地表上的碎散物质，它具有以下三大特性。

（1）碎散性。

由于土是碎散的固体颗粒的集合，它们没有或者只有微弱的联接。

固体颗粒的矿物组成、粗细、形状、级配和松密程度都显著地影响土的工程性质。

自然界存在着一盘散沙的干砂土；存在着软若泥浆的新近沉积的淤泥土；也存在坚硬如石的硬粘土。

其形态相差极大。

（2）多相性。

由于土是多孔的碎散介质，存在大量的空隙，空隙中的水分和气体是土体的不可分割的组成部分。

三者的比例关系和它们的相互作用，导致了土的丰富多彩的力学性质。

（3）变异性。

作为地质历史的产物，地球上的土都经历过漫长的地质历史年代中的风化、搬运、沉积和地壳运动过程，形成其独特的组成与性质。

原状土一般是不均匀的、各向异性的和具有很强的结构性。

严格地讲，世界上没有完全相同的原状土。

正如世界上没有两个完全相同的人一样。

土的这些特性使土的力学性质十分复杂。

比如其应力应变关系的非线性、弹塑性、压硬性、剪胀性、应变软化、各向异性、流变性，应力历史和应力路径的相关性等等。

土的强度主要是颗粒间相互作用引起的摩擦强度。

土的空隙允许水流过，表现其渗透性和渗透引起的破坏。

与土的三个基本特性相关的是岩土工程中的三大工程问题。

它们是：

（1）强度问题。

如边坡稳定问题，地基承载力问题、土压力问题和地基土的液化问题。

与强度问题相伴的是往往是巨大的灾害：

地质和工程滑坡、泥石流、基坑的崩塌、建筑物的倾覆和由液化引发的严重问题。

（2）变形问题。

地基的沉降会引起建筑物的倾斜和开裂。

轻者影响使用，重者造成灾害。

除了荷载引起土体变形的因素以外，由于水分变化引起的膨胀土和湿陷性黄土的变形；由于冻胀引起的地基土的隆起；由于地震引起的震陷都是经常遇到的问题。

（3）渗透问题。

土中的渗透不仅引起漏水，而且由于作用在土颗粒上的渗透力会引起土中的有效应力的变化，从而引起管涌和流土等渗透破坏问题。

高土石坝的失事，江河堤防的溃决，深基坑的倒塌的祸首常常就是土中的渗流。

以我国的98洪水为例，长江堤防共发生了4700处险情，其中60%是渗透变形问题。

著名的四大溃口都是由渗透破坏引起的。

美国的弟顿坝（Teton）和我国青海省的沟后水库混凝土面板坝的失事都源于渗透破坏，造成巨大损失。

岩石材料也存在类似的问题，其广泛存在的的节理和不同程度的风化，使岩体的性质也是十分复杂和多变的。

每年的高岩体滑坡无论其规模和破坏都甚于土体的滑坡。

10.3.岩土工程中的理论

10.3.1理论在岩土工程中的作用

人类从事岩土工程的实践已有上万年了，古代的半坡村和河姆渡的遗址都发现有大规模的挖方工程及简单的基础工程的遗迹。

几千年前，人类就建造了宏伟的万里长城和金字塔等巨型建筑物。

另一方面，鼠獭蝼蚁也可以建造相当规模的土方建筑。

可是只有在太沙基提出了有效应力原理和渗流固结理论以后，才标志着土力学学科的诞生。

所以理论是学科的标志。

它表明了人们对于对象的内在关系和固有机理的深层次的理性的认识。

岩土工程中理论的作用还表现在它对实践的指导作用。

无数工程失事的案例表明，岩土工程中的事故总是由于人们对岩土的机理认识和对理论的理解方面有误，亦即由于基础理论的忽视或无知。

工程实践不断提出新问题，岩土的试验不断揭示新的现象，这就要求理论工作不断地发展。

理论来自于实践，用以指导工程实践，理论表明人们认识的飞跃和学科的进展。

基于岩土材料性质的复杂性和影响因素的不可预见性，理论用于解决工程问题往往不是如一些人想象那么直接和简单。

“岩土工程更像一门艺术”，这一点常常使年轻的岩土工程者迷惑，只有他们在经历长期实践和挫折以后才会体会到这种无奈。

企图一蹴而就的发现一种适用于一切岩土材料的理论，企图彻底改造岩土工程设计中的经验和半经验状态是不现实的。

单纯的理论推算、数值分析往往不能有效地解决具体的工程问题，经验的判断常常是决定性的。

另一方面，少数长期从事岩土实践的工程师忽视了理论的学习和理解，只凭感觉工作，陷入了另一种误区和盲目性。

10.3.2土力学中理论的发展

针对岩土材料的强度、变形和渗透问题，经典土力学发展了三大基本理论：

（1）摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度理论。

它突出了岩土材料的摩擦强度这个特点，确定了滑裂面上正应力与抗剪强度间的关系。

百年来，它一直是岩土材料应用最广泛的强度理论。

（2）达西（Darcy）定律。

它反映了多孔介质中层流状态的水渗流规律，确定了渗流势能与流速间的关系。

（3）基于有效应力原理的太沙基（Terzaghi）饱和土体的一维渗流固结理论。

它成功地反映了土体中荷载－变形－时间的关系，反映了土体应力变形的本质，是土力学中标志性的理论。

在不同的时期，从不同的角度，人们将土力学进行分类。

早期太沙基将土力学分为理论土力学（TheoreticalSoilMechanics）和实践土力学（PracticalSoilMechanical）。

近年来，沈珠江将土力学分为：

理论土力学、计算土力学和试验土力学。

这种不同的分类表明了学科的发展和人们认识的变化。

近代的理论土力学中包括了：

强度理论、应力应变关系理论、饱和土和非饱和土的固结理论、极限平衡理论、渗流理论和土的液化理论等。

以土的应力有应变关系理论（本构关系理论）为例，可以分为线弹性模型、非线弹性模型、高阶的弹性模型、塑性模型、损伤模型。

塑性模型又可分为刚塑性模型、理想塑性模型、弹塑性模型，后者又包括：

单屈服面模型、多屈服面模型、边界面模型和内时理论模型等。

图10.2定性地表示了不同模型反映的应力应变关系。

a线弹性

b非线弹性

c刚塑性

d弹性-理想塑性

f边界面塑性

g损伤模型

e弹塑性

图10.2几种本构关系模型表示的土的应力应变关系曲线

10.3.3岩土工程中理论发展的问题与方向

岩土工程理论发展的困难在于材料性质的复杂性和众多的影响因素。

例如尽管已提出的本构关系模型数以百计，有的模型包含20多个参数，还是没有一个能够准确描述土的全部性状的模型。

首先，物理和数学模型必须对对象进行理想化和简化，忽略其次要因素，强化其主要特性。

模型的参数需要用土工试验确定，现场取样的扰动、试验条件和技术的限制、应力路径和应力条件的局限性，使这些参数的精度和适用性有限。

而且岩土工程的特殊的边界条件和影响因素很难准确地模拟。

这些问题大大限制了岩土工程中理论解决工程问题的能力。

因而在具体应用时，不能片面追求准确，应当采用能突出重点，简单适用，特别是有经验的积累的理论。

简单的邓肯—张（Duncan-Chang）得到了工程界的广泛应用和承认就是一个例子。

另一种情况是突出工程问题的主要方面，针对性地建立和使用最适用的理论和方法。

近年来在岩土工程中，各种不确定性的理论和方法受到人们的重视。

各种数理统计与概率论、可靠度、优化、神经网络；模糊数学、灰色理论、混沌与分形、信息化方法等用以描述因果关系的破缺和亦此亦彼的互补率的破缺问题。

对于复杂的、充满不确定性的岩土材料与工程问题，应用这些理论是有其合理性的。

进行必要的探讨是一条有希望的途径。

但是它们的应用的前提是大量的资料和信息的积累，是丰富的经验的科学的总结。

因而这是一条漫长的，