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1、关于土力学研究中的若干问题,赵成刚 教授，博导 北方交通大学土建学院岩土所,自 我 介 绍,赵成刚，北京交通大学岩土工程学科带头人，教授，博导 主要研究方向（主要从事基础性研究） - 连续介质土力学 - 非饱和土力学 - 岩土地震工程 - 地铁抗震 - 环境岩土工程 联系方式： 办公室：隧道中心201室 电话： 51688118（办） Email: ,土力学应掌握的基本功,基本理论（最基本也最重要） 实验与现场测试 数值分析与程序 应注意上述三方面的综合与经验的积累 土性参数变化范围很大，对计算结果影响较大,硕士阶段的基础理论,临界状态土力学 弹塑性力学 有限元与程序 土工实验与现场测试 土动
2、力学 非饱和土力学,博士阶段基础理论,土性分析 连续孔隙介质土力学,一、学习方法,研究生与本科生的学习有何区别 研究生学习的目的不但应掌握所学的内容，更重要的是为创新而学习。 自学方法 批判性阅读与批判性思考方法 渗透性学习方法,二、科学研究方法概述,研究工作的灵魂是要创新 学术意义和学术价值-指在科学上有新的创造和发现，由此 促进了科学的向前发展。这种创造和发现的意义和价值称为学术意义和学术价值。 寻找合适的题目或课题 了解研究领域的发展现状 对所研究的问题建立解决的新方法和新的技术路线 具体工作 撰写论文或研究报告 申报奖励,寻找合适的题目或课题,题目来源有： 学科本身发展中所存在的理论问
3、题 生产实践中所提出的具有普便意义的理论问题 某些工程项目所要解决的具体问题 题目的层次划分： 本领域基础理论方面的题目 本领域某一方面或分支方面一般性题目 应用性题目 注：越基础、涉及的面越广，影响也越大。 题目可分为两类：1.打一枪换一个地方；2.挖坑，越挖越多。,了解研究领域的发展现状,为什么要了解研究发展的现状？ 只有了解别人已经做了些什么，才能避免重复 才能知道存在哪些问题没有解决 才能知道发展的主流和动向 才能知道你的研究处于什么位置和水平 如何了解发展现状？（给出期刊）,对所研究的问题建立解决的新方法和新的技术路线,新的方法和技术路线来自广博的知识、各种试验方法和手段 新的方法和
4、技术路线来自批判性文献阅读 新的方法和技术路线来自其它学科,具体工作,具体工作包括理论或逻辑的推演、数值计算和试验等工作 撰写论文或研究报告 如何进行科研论文的写作 作者排序问题,三、土力学的重要性,地基与基础的好坏与否直接影响其上部结构的安全和正常使用(附图比萨斜塔和加拿大谷仓地基失稳） 调查统计表明，世界各国土建和水利工程事故中，以地基的设计失误或处理不当引起的最多。另外，一旦发生事故，因其通常处于地下，补救工作困难，费用很大。,学习土力学的目的：,1）土力学为认识土的行为和工程性质提供理论基础 2）用土力学的理论指导土工结构物的分析、计算、设计、施工与维护，保证它们的安全与正常使用。,土
5、力学所包括的内容：,它研究土体在荷载作用下，土中应力、应变（变形）、强度（和稳定性）和渗流规律的一门学问。,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,加拿大特朗斯康谷仓,事故： 1913年9月装谷物，10月17日装了31822谷物时， 1小时竖向沉降达30.5cm 24小时倾斜2653 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m 上部钢混筒仓完好无损,概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。 钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。 1911年动工，1913年完工，自重20000T。,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,加拿大特朗斯康谷仓,处理： 事后在
6、下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土桩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其位置比原来降低了米。,原因： 地基土事先未进行勘查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力小于破坏时的基底压力。因此， 谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,1972 Po Shan 滑坡 ( 20,000 m3)(67 死、20 伤),Early 1972 滑坡前,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,香港宝城滑坡,1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-宝城
7、大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7人。,原因： 山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。,1964年日本新泻(Niigata)地震地基的大面积液化,土力学2的重要性工程事故,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,以上几个实例可归结为与土有关的 强度和稳定性问题,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,比萨斜塔,目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m， 塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5 1360：再复工，至1370年竣工，全塔共8 层，高度为55m 1272：复
8、工，经6年，至7层，高48m，再 停工 1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工 1173：动工,原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，变形较大。,1590: 伽利略在此塔做落体实验,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,比萨斜塔,1838-1839：挖环形基坑卸载 1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固 1990年1月: 封闭 1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理 目 前: 已向游人开放。,处理措施,值得注意： 设计与建造时是利用经验 1990年后的加固设计与施工是利用现代土力学的理论进行的,Teton坝,概况： 土坝，高90m，
9、长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事,损失： 直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因： 渗透破坏水力劈裂,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,Teton坝,11：00左右 洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,Teton坝,11:30 洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处
10、的设施。,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,11：50左右 洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,12：00过后 坍塌口加宽,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,失事现场目前的状况,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,土的基本特点,土的三个基本特征 1、碎散性 2、
11、不均匀性和自然变异性 3、三相体 土的两种表现 1、土的易变性 2、土的不确定性,与土木工程中的其它学科相比，土力学最大的一个特点是不确定性非常大。 土力学的工程分析与预测：由于土这种很大的不确定性，与实际工程的表现相比，可能相差很大。 为减少这种不确定性，土力学更强调试验。,例1、Hynes和Vanmark1975年曾报道了一个盲测的结果，他们向十位知名的岩土工程师提供了一个堆堤试验的基本资料，有堆堤的尺寸、方法等，要求每位工程师按自己的经验与方法预测这个堆堤试验的各项反应（例如沉降、孔隙压力、破坏时的填方高度等），最后公布原位观测结果。,十位工程师的预测结果： 破坏时填方高度：七人给出了估
12、计的最大、最小区间，三个给出了定值估计。区间预测值的上限最大值9.1米，下限最小值1.5米，其中有三个人的预测区间覆盖了观测值，命中率为43%。实测值为：5.7米。,例2、旧金山湾区的东部Bay Farm岛，要修建一个占地23平方米的建筑。,初次：A公司预测最大不均匀沉降不大于300mm B公司预测最大不均匀沉降不大于30mm 修正后：A公司预测最大不均匀沉降不大于250mm B公司预测最大不均匀沉降不大于50mm Duncan预测最大不均匀沉降不大于100mm,产生不确定性的原因有如下几个方面：,取样扰动、试验方法和试验过程产生的不确定性 土的性质随空间和时间变化而产生的不确定性 参数选取与
13、实际情况有偏差而产生的不确定性 理论模型与实际有偏差而产生的不确定性 数值计算的误差产生的不确定性 土力学性质复杂难以准确描述产生的不确定性 施工与设计要求不一致产生的不确定性 实际荷载与设计荷载不一致产生的不确定性 人的经验和人为因素产生的不确定性 为减少不确定性，土力学更加依赖于试验,当一个理论工作者得到一个新的成果时，除他本人以外，没有别人会相信！而当一个实验工作者得到一个新的成果时，除他本人以外，所有的人都会相信！（对土力学的实验尤其如此）,岩土工程是一门半科学、半艺术的学科,土力学理论不能解决全部工程问题 工程经验和判断起很大的作用 技巧、艺术在岩土工程中发挥巨大的作用,土力学的特点
14、,一门半理论半经验的学科 工程经验很重要 工程判断是解决工程问题的关键 因此有人否认理论在岩土工程的重要性 由于历史的传统，岩土工程学科更强调实际应用，并强调理论的实用性,工程师与科学家的区别。土的科学研究、描述和工程应用是2种不同的事情 土力学的理论基础本来就不坚实，需要花大力力气发展。作为土力学的研究者，不仅要解决工程问题，更重要的是要促进土力学理论向前发展，这才是一个真正的学者或研究者所要考虑的问题。这也正是研究者或学者与工程师的区别，同时也是科学研究与技术研究相互区别的关键所在。 比萨斜塔的加固设计与施工就充分体现了现代土力学理论的威力和作用,五、土力学的发展,古典土力学（1925年以
15、前） 库伦、朗肯土压力理论、莫尔库伦强度理论、达西渗流定律 经典土力学（1925年1960或1963年） 有效应力原理、一维固结理论、地基承载力 理论（刚塑性）等,古典与经典土力学的局限性：, 用弹性理论计算土中的应力 变形计算本质上是一维的 只有一维固结理论能用于工程实际 强度与变形分别处理与计算，没有互相联系起来 只能采用刚塑性理论进行稳定性分析,现代土力学（1960、1963至今） 现代土力学的特征：应力应变强度时间互相有机的联系起来 土的本构关系就是研究上述关系的 Roscoe建立了临界土力学的理论（1958，1963，1968） 该理论是以临界状态和应力应变孔隙比（体积）的关系为基础
16、建立的。,目前现代土力学在下述几方面正在发展：,非饱和土理论 土动力学理论与振动液化理论 土的徐变理论 土的破坏理论（分歧、剪切破坏带） 土的结构对强度、变形、渗透的定量影响 土的实验、测试方法与技术,土力学仍然处于发展的初级阶段 其主要原因在于还没有建立起一套坚实的理论基础，各种概念和方法之间缺少有机的联系和统一的理论基础（例如变形、强度与渗流缺少有机的联系）；经验主义和经验公式还随处可见，并居于重要的地位，这就是土力学不成熟的标志。 临界状态土力学是现代土力学发展的里程碑。它建立了变形与强度之间的关系，进一步完善了土力学的理论基础。但这种发展与变化仍然没有从根本上改变上述状况，土力学统一的理论基础仍有待于发展和研究。,科学的进步并没有从根本上改变土力学处于半理论半经验的状况 土力学处于发展的初级阶段,二战以后，连续介质力学的理论以Rivlin和Truesdell的开创性工作为基础，得到了迅速的发展，并取得了引人瞩目的成果
