关于土力学研究的若干问题硕士课件

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1、 关于土力学研究中的若干问题关于土力学研究中的若干问题赵成刚赵成刚 教授，博导教授，博导北方交通大学土建学院岩土所北方交通大学土建学院岩土所自自 我我 介介 绍绍赵成刚，北京交通大学岩土工程学科带头人，教授，博导赵成刚，北京交通大学岩土工程学科带头人，教授，博导l 主要研究方向主要研究方向（主要从事基础性研究）（主要从事基础性研究） - - 连续介质土力学连续介质土力学 - - 非饱和土力学非饱和土力学 - - 岩土地震工程岩土地震工程 - - 地铁抗震地铁抗震 - - 环境岩土工程环境岩土工程l 联系方式：联系方式：办公室：隧道中心办公室：隧道中心2 20 01 1室室电话：电话： （办）（

2、办） Email: Email: 土力学应掌握的基本功l基本理论（最基本也最重要）l实验与现场测试l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l临界状态土力学l弹塑性力学l有限元与程序l土工实验与现场测试l土动力学l非饱和土力学博士阶段基础理论l土性分析l连续孔隙介质土力学一、学习方法一、学习方法l研究生与本科生的学习有何区别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。要的是为创新而学习。l自学方法自学方法l批判性阅读与批判性思考方法批判性阅读

3、与批判性思考方法l渗透性学习方法渗透性学习方法二、科学研究方法概述二、科学研究方法概述研究工作的灵魂是要创新研究工作的灵魂是要创新学术意义和学术价值学术意义和学术价值- -指在科学上有新的创造和指在科学上有新的创造和发现，由此发现，由此 促进了科学的向前发展。这种创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造和发现的意义和价值称为学术意义和学术价值。值。 寻找合适的题目或课题寻找合适的题目或课题 了解研究领域的发展现状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 具体工作具体工作 撰写论文或研究报告撰

4、写论文或研究报告 申报奖励申报奖励寻找合适的题目或课题寻找合适的题目或课题题目来源有：题目来源有：l学科本身发展中所存在的理论问题学科本身发展中所存在的理论问题l生产实践中所提出的具有普便意义的理论问题生产实践中所提出的具有普便意义的理论问题l某些工程项目所要解决的具体问题某些工程项目所要解决的具体问题题目的层次划分：题目的层次划分：l本领域基础理论方面的题目本领域基础理论方面的题目l本领域某一方面或分支方面一般性题目本领域某一方面或分支方面一般性题目l应用性题目应用性题目 注：越基础、涉及的面越广，影响也越大。注：越基础、涉及的面越广，影响也越大。题目可分为两类：题目可分为两类：1.打一枪换

5、一个地方；打一枪换一个地方；2.挖坑，挖坑，越挖越多。越挖越多。了解研究领域的发展了解研究领域的发展现状现状为什么要了解研究发展的现状？为什么要了解研究发展的现状？l只有了解别人已经做了些什么，才能避免只有了解别人已经做了些什么，才能避免重复重复l才能知道存在哪些问题没有解决才能知道存在哪些问题没有解决l才能知道发展的主流和动向才能知道发展的主流和动向l才能知道你的研究处于什么位置和水平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）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对所研究的问题建立解决的新方法和新的技术路线和新的技术路线l新的方法和技术路线来自广博

6、的知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识、各种试验方法和手段l新的方法和技术路线来自批判性文新的方法和技术路线来自批判性文献阅读献阅读l新的方法和技术路线来自其它学科新的方法和技术路线来自其它学科具体工作具体工作l具体工作包括理论或逻辑的推演、数值具体工作包括理论或逻辑的推演、数值计算和试验等工作计算和试验等工作撰写论文或研究报告撰写论文或研究报告l如何进行科研论文的写作如何进行科研论文的写作l作者排序问题作者排序问题三、土力学的重要性三、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的安全和正常使用(附图比萨斜塔

7、和加拿大谷附图比萨斜塔和加拿大谷仓地基失稳）仓地基失稳） 调查统计表明，世界各国土建和水利工程事调查统计表明，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。地下，补救工作困难，费用很大。 学习土力学的目的：学习土力学的目的： 1 1）土力学为认识土的行为和工程性质提供）土力学为认识土的行为和工程性质提供理论基础理论基础 2 2）用土力学的理论指导土工结构物的分析、）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

8、计算、设计、施工与维护，保证它们的安全与正常使用。全与正常使用。 土力学所包括的内容：土力学所包括的内容： 它它研研究究土土体体在在荷荷载载作作用用下下，土土中中应应力力、应应变变（变变形形）、强强度度（和和稳稳定定性性）和和渗渗流流规律的一门学问。规律的一门学问。与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：19131913年年9 9月装谷物，月装谷物，1010月月1717日装了日装了3182231822谷物时，谷物时，1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm2424小时倾斜小时倾斜26532653西端下沉西

9、端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损概况：长概况：长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565个圆筒仓。个圆筒仓。 钢混筏板基础，厚钢混筏板基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。 19111911年动工，年动工，19131913年完工，自重年完工，自重20000T20000T。与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？加拿大特朗斯康谷仓 处理：处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土桩，使用事后在下面做了七十多个

10、支撑于基岩上的混凝土桩，使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其位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。置比原来降低了米。 原因：原因：地基土事先未进行勘查，地基土事先未进行勘查，据邻近结构物基槽开挖取据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。载力应用到此谷仓。19521952年经勘察试验与计算，地年经勘察试验与计算，地基实际承载力小于破坏时基实际承载力小于破坏时的基底压力。因此，的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动破坏而滑动。2653失事后1913.10.1

11、81952.10.5 试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 试验孔1972 Po Shan 滑坡滑坡 ( 20,000 m3)(67 死、死、20 伤伤)Po Shan RoadPo Shan RoadConduit RoadConduit RoadNotewell RoadNotewell RoadEarly 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？香港宝城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附月某日清晨，香港宝城路附近，

12、两万立方米残积土从山坡上下滑，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巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒宝城大厦，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塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。宅。死亡死亡7 7人。人。原因：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土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。动。1964年日本新泻年日本新泻(Niigata)地震地基的大面积液化地震地基的大面

13、积液化 土力学土力学2 2的重要性工程事故的重要性工程事故与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？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与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m， 塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.513601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m12721272：复工，经复工，经6 6年，

14、至年，至7 7层，高层，高48m48m，再，再停工停工11781178：至至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工，因倾斜停工11731173：动工动工原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低层，模量较低，变形较大变形较大。1590:1590: 伽利伽利略在此塔做略在此塔做落体实验落体实验 与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？比萨斜塔1838-18391838-1839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加

15、固19901990年年1 1月月: : 封闭封闭19921992年年7 7月：月：加固塔身，用压重加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理目目 前前: : 已向游人开放。已向游人开放。 处理措施值得注意：值得注意：l设计与建造时是利用经验设计与建造时是利用经验l1990年后的加固设计与施工是利用现代年后的加固设计与施工是利用现代土力学的理论进行的土力学的理论进行的Teton坝坝概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事损失：损失：直接直接80008000万美元

16、，起诉万美元，起诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元，死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，3232公里铁公里铁路路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？Teton坝坝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与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？Teton坝坝1111：0000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与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要

17、学习土力学？Teton坝坝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的设施。与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？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坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？12：00过后坍塌口加宽Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学

18、？洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？失事现场目前的状况Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？土的基本特点土的基本特点l土的三个基本特征土的三个基本特征1、碎散性、碎散性2、不均匀性和自然变异性、不均匀性和自然变异性3、三相体、三相体 l土的两种表现土的两种表现1、土的易变性、土的易变性2、土的不确定性、土的不确定性 与土木工程中的其它学科相比，与土木工程中的其它学科相比，土力学最大的一个特点是土力学最大的一个特点是不确定不确定性非常大。性非

19、常大。 土力学的工程分析与预测：由于土这种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很大的不确定性，与实际工程的表现相比，可能相差很大。比，可能相差很大。为减少这种不确定性，土力学更强调试为减少这种不确定性，土力学更强调试验。验。例例1、Hynes和和Vanmark1975年曾报道了一个盲测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求每位工程师按自己的经验与方法预测这个堆堤试

20、验的各项反应（例如沉降、孔隙压力、破坏时的填验的各项反应（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。方高度等），最后公布原位观测结果。 十位工程师的预测结果：十位工程师的预测结果：破坏时填方高度：七人给出了估计的最大、最小破坏时填方高度：七人给出了估计的最大、最小区间，三个给出了定值估计。区间预测值的上限区间，三个给出了定值估计。区间预测值的上限最大值最大值9.1米，下限最小值米，下限最小值1.5米，其中有三个人米，其中有三个人的预测区间覆盖了观测值，命中率为的预测区间覆盖了观测值，命中率为43%。实测。实测值为：值为：5.7米。米。例例2、旧金山湾区的东部、旧金山湾区的

21、东部Bay Farm岛，要岛，要修建一个占地修建一个占地23平方米的建筑。平方米的建筑。初次：初次：A公司预测最大不均匀沉降不大于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公司预测最大不均匀沉降不大于30mm修正后：修正后：A公司预测最大不均匀沉降不大于公司预测最大不均匀沉降不大于250mmB公司预测最大不均匀沉降不大于公司预测最大不均匀沉降不大于50mmDuncan预测最大不均匀沉降不大于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取样扰动、试验方法和试验过程产生的不确定性l 土的性质随空间和时间

22、变化而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l 参数选取与实际情况有偏差而产生的不确定性参数选取与实际情况有偏差而产生的不确定性l 理论模型与实际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l 数值计算的误差产生的不确定性数值计算的误差产生的不确定性l 土力学性质复杂难以准确描述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l 施工与设计要求不一致产生的不确定性施工与设计要求不一致产生的不确定性l 实际荷载与设计荷载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l 人的经验和人为因素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

23、，土力学更加依赖于试验为减少不确定性，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！（对土力学的实验外，所有的人都会相信！（对土力学的实验尤其如此）尤其如此）岩土工程是一门半科学、半艺术的学科岩土工程是一门半科学、半艺术的学科l土力学理论不能解决全部工程问题土力学理论不能解决全部工程问题l工程经验和判断起很大的作用工程经验和判断起很大的作用l技巧、艺术在岩土工程中发挥巨大

24、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l一门半理论半经验的学科一门半理论半经验的学科l工程经验很重要工程经验很重要l工程判断是解决工程问题的关键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因此有人否认理论在岩土工程的重要性l由于历史的传统，岩土工程学科更强调由于历史的传统，岩土工程学科更强调实际应用，并强调理论的实用性实际应用，并强调理论的实用性l工程师与科学家的区别。土的科学研究、描工程师与科学家的区别。土的科学研究、描述和工程应用是述和工程应用是2种不同的事情种不同的事情l土力学的理论基础本来就不坚实，需要花大土力学的理论基础本来就不坚实，需要花大力力气

25、发展。作为土力学的研究者，不仅要力力气发展。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。研究相互区别的关键所在。l比萨斜塔的加固设计与施工就充分体现了现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代土力学理论的威力和作用五、土力学的发展五、土力学的发展l古典土力学（古典土

26、力学（1925年以前）年以前）库伦、朗肯土压力理论、莫尔库伦强库伦、朗肯土压力理论、莫尔库伦强度理论、达西渗流定律度理论、达西渗流定律l经典土力学（经典土力学（1925年年1960或或1963年）年）有效应力原理、一维固结理论、地基承有效应力原理、一维固结理论、地基承载力载力 理论（刚塑性）等理论（刚塑性）等古典与经典土力学的局限性：古典与经典土力学的局限性： 用弹性理论计算土中的应力用弹性理论计算土中的应力 变形计算本质上是一维的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，没有互相强度与变形分别处理与计算，没有互相联系起来联

27、系起来 只能采用刚塑性理论进行稳定性分析只能采用刚塑性理论进行稳定性分析l现代土力学（现代土力学（1960、1963至今）至今） 现代土力学的特征：应力应变强度时现代土力学的特征：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（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）的关系为基础建立的。（体积）的关系为基础建立的。目前现代土力学在下述几方面正在发展：目前现代土力学在下述几方面正在发展：l非饱和土理论

28、非饱和土理论l土动力学理论与振动液化理论土动力学理论与振动液化理论l土的徐变理论土的徐变理论l土的破坏理论（分歧、剪切破坏带）土的破坏理论（分歧、剪切破坏带）l土的结构对强度、变形、渗透的定量影土的结构对强度、变形、渗透的定量影响响l土的实验、测试方法与技术土的实验、测试方法与技术l土力学仍然处于发展的初级阶段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

29、义和经验公式还随处少有机的联系）；经验主义和经验公式还随处可见，并居于重要的地位，这就是土力学不成可见，并居于重要的地位，这就是土力学不成熟的标志。熟的标志。 临界状态土力学是现代土力学发展的里程碑。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。论基础仍有待于发展和研究。 l科学的进步并没有从根本上改变土力学科学的进步并没有从根本上改变土

30、力学处于半理论半经验的状况处于半理论半经验的状况l土力学处于发展的初级阶段土力学处于发展的初级阶段l二战以后，连续介质力学的理论以二战以后，连续介质力学的理论以Rivlin和和Truesdell的开创性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。工作为基础，得到了迅速的发展，并取得了引人瞩目的成果。 连续介质力学处理变形体的问题，早期它仅限于处理一些简连续介质力学处理变形体的问题，早期它仅限于处理一些简单的特殊理想变形体，例如一些同温或没有热能交换的变形体。单的特殊理想变形体，例如一些同温或没有热能交换的变形体。然而从更加普遍的情况，连续介质力学必须考虑质量交换、能然而从更加

31、普遍的情况，连续介质力学必须考虑质量交换、能量交换、能量的耗散以及平衡，这就必然要涉及到连续介质热量交换、能量的耗散以及平衡，这就必然要涉及到连续介质热动力学理论。动力学理论。l1960年以后，连续介质热动力学开始得到人们的重视并开展了年以后，连续介质热动力学开始得到人们的重视并开展了深入地研究，还把场论引入了连续介质热动力学。深入地研究，还把场论引入了连续介质热动力学。l有些人认为：连续介质热力学只不过是把热和与温度有关的因有些人认为：连续介质热力学只不过是把热和与温度有关的因素在连续介质力学中加以考虑，但如果工程允许忽略温度的影素在连续介质力学中加以考虑，但如果工程允许忽略温度的影响，则连

32、续介质热力学对变形体的研究意义不大。但他们没有响，则连续介质热力学对变形体的研究意义不大。但他们没有认识到，连续介质热力学不仅要研究热和温度的影响，它更一认识到，连续介质热力学不仅要研究热和温度的影响，它更一般地要研究变形体的质量交换、能量交换、能量的耗散以及平般地要研究变形体的质量交换、能量交换、能量的耗散以及平衡。衡。 而变形体，尤其是混合物、多孔介质等物体，其内部不同组而变形体，尤其是混合物、多孔介质等物体，其内部不同组元之间的相互作用是可以通过它们之间的质量交换、能量交换元之间的相互作用是可以通过它们之间的质量交换、能量交换以及平衡来描述的。另外，材料的塑性变形和徐变要涉及到系以及平衡

33、来描述的。另外，材料的塑性变形和徐变要涉及到系统内的能量耗散，因此，连续介质热力学对各种变形体的力学统内的能量耗散，因此，连续介质热力学对各种变形体的力学描述来说，意义重大。描述来说，意义重大。l上世纪六七十年代发展起来的混合物理论可以统一的上世纪六七十年代发展起来的混合物理论可以统一的描述多相介质中复杂的相互作用以及它在外力和环境描述多相介质中复杂的相互作用以及它在外力和环境作用下的响应，它有希望成为描述多相孔隙材料行为作用下的响应，它有希望成为描述多相孔隙材料行为的理论基础。但能否成为描述土的行为的理论基础还的理论基础。但能否成为描述土的行为的理论基础还在讨论和研究中。在讨论和研究中。l混

34、合物理论从基本的物理规律出发，针对问题的具体混合物理论从基本的物理规律出发，针对问题的具体情况进行数学演绎，所以在该理论框架下所建立的本情况进行数学演绎，所以在该理论框架下所建立的本构方程都可以按一定的规则提出，所考虑的多相介质构方程都可以按一定的规则提出，所考虑的多相介质的物理性质，物理规律的限制，分析、演绎中的具体的物理性质，物理规律的限制，分析、演绎中的具体假定和简化都有清楚的表述。所以这种本构方程具有假定和简化都有清楚的表述。所以这种本构方程具有系统性，对各种因素的考虑也具有一致性，可以避免系统性，对各种因素的考虑也具有一致性，可以避免得出不协调的结论。得出不协调的结论。l当然用混合物

35、理论（或孔隙介质力学的理论）作为土当然用混合物理论（或孔隙介质力学的理论）作为土力学的理论基础还有很多工作要做，例如如何用混合力学的理论基础还有很多工作要做，例如如何用混合物理论对现有的土力学成果（在一定的假设和前提条物理论对现有的土力学成果（在一定的假设和前提条件下）给予解释和说明。另外，如何用这一理论探索件下）给予解释和说明。另外，如何用这一理论探索土力学中的一些复杂的现象，例如对非饱和土和冻土土力学中的一些复杂的现象，例如对非饱和土和冻土行为的分析和研究等。行为的分析和研究等。l土力学中的本构关系是属于土力学中的基础理土力学中的本构关系是属于土力学中的基础理论，它涉及到土的最基本的研究对

36、象：土的应论，它涉及到土的最基本的研究对象：土的应力、应变和强度，它的重要性是毫无疑问的，力、应变和强度，它的重要性是毫无疑问的，因此吸引了许多优秀的土力学学者和某些力学因此吸引了许多优秀的土力学学者和某些力学学者的关注，建立了数百计的土力学本构模型。学者的关注，建立了数百计的土力学本构模型。l建立土力学本构模型通常是采用经典塑性力学建立土力学本构模型通常是采用经典塑性力学的方法，即根据试验观测结果，建立宏观唯象的方法，即根据试验观测结果，建立宏观唯象的能反映各种材料特性的屈服面和塑性势面、的能反映各种材料特性的屈服面和塑性势面、硬化函数以及塑性流动法则。它们的选择或多硬化函数以及塑性流动法则

37、。它们的选择或多或少地都具有一定的独立性和经验性，由此得或少地都具有一定的独立性和经验性，由此得到土的本构方程。利用这种方式建立的本构方到土的本构方程。利用这种方式建立的本构方程是半经验性的，对不同的材料其本构方程是程是半经验性的，对不同的材料其本构方程是各异的；这些不同的本构方程不能通过普遍性各异的；这些不同的本构方程不能通过普遍性原理建立起相互之间的联系，有些本构方程还原理建立起相互之间的联系，有些本构方程还违背热力学基本定律。违背热力学基本定律。l我们在我们在岩土工程学报岩土工程学报（2009年年9期）期）一篇文章中介绍了一篇文章中介绍了“连续孔隙介质土力连续孔隙介质土力学学”的理论及其

38、在建立非饱和土本构模的理论及其在建立非饱和土本构模型中的应用。这一理论可以把土的渗流型中的应用。这一理论可以把土的渗流-变形变形-热传导热传导-污染物扩散等问题统一起来，污染物扩散等问题统一起来，用连续孔隙介质土力学理论进行描述。用连续孔隙介质土力学理论进行描述。l另外我们在另外我们在力学进展力学进展（2006年年4期）期）一篇文章中介绍一种基于热力学理论建一篇文章中介绍一种基于热力学理论建立土力学本构方程的一般性理论框架。立土力学本构方程的一般性理论框架。基于这种方法建立的本构方程会自动满基于这种方法建立的本构方程会自动满足热力学第一和第二定律。而目前使用足热力学第一和第二定律。而目前使用的

39、一些土力学本构方程并不满足热力学的一些土力学本构方程并不满足热力学定律；因此，它们在使用中就会具有局定律；因此，它们在使用中就会具有局限性，我们就不会放心和有把握地应用限性，我们就不会放心和有把握地应用它们。它们。土力学应用时应注意的问题土力学应用时应注意的问题（一）使用简单的数学模型和本构关系（一）使用简单的数学模型和本构关系工程问题工程问题简单的数学模型原因：简单的数学模型原因：l试验数据或结果满足不了复杂模型的要试验数据或结果满足不了复杂模型的要求求l土工试验的精度不够（例如土样扰动等）土工试验的精度不够（例如土样扰动等）l土体不均匀产生的不确定性（几点代表土体不均匀产生的不确定性（几点

40、代表整个空间场地）整个空间场地）l试验的边界条件不能充分地控制试验的边界条件不能充分地控制（四）科学研究的目的有两种：（四）科学研究的目的有两种：l认识自然（科学家）认识自然（科学家）l改造自然（工程师）改造自然（工程师） 工程师通常为改造自然而进行研究，强调实用意工程师通常为改造自然而进行研究，强调实用意义，其功利性很强。其中有些人强调实用的研究义，其功利性很强。其中有些人强调实用的研究而否定认识自然的研究，认为认识自然的研究或而否定认识自然的研究，认为认识自然的研究或基础研究太空，无直接用途或实际的意义；基础研究太空，无直接用途或实际的意义； 科学家不强调功利，而侧重基础的研究，他们是科学

41、家不强调功利，而侧重基础的研究，他们是理想主义者理想主义者 科学家堂吉诃德科学家堂吉诃德 工程师中国人（务实，但缺形而上学的东西）工程师中国人（务实，但缺形而上学的东西） Terzaghi科学家与工程师完美结合的典范科学家与工程师完美结合的典范l土力学的理论基础本来就不坚实。作为土力土力学的理论基础本来就不坚实。作为土力学的研究者，不仅要解决工程问题，更重要学的研究者，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，同时也正是研究者

42、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也是科学研究与技术研究相互区别的关键所在。不能因为土力学是一门应用背景很强的在。不能因为土力学是一门应用背景很强的学科，就否定其纯学术的研究（它有时并不学科，就否定其纯学术的研究（它有时并不一定具有直接的实用目的）。一定具有直接的实用目的）。l理论研究和应用研究不要互相排斥，而应互理论研究和应用研究不要互相排斥，而应互相促进。起码各做各的。相促进。起码各做各的。（五）一般结构设计与土工结设计的（五）一般结构设计与土工结设计的区别区别 力学公式力学公式 钢结构、钢筋混凝土结构钢结构、钢筋混凝土结构-较较为准确为准确 土力学土力学-不

43、准确、大致的估计不准确、大致的估计 一般结构可以根据预先对材料力学性质（例刚一般结构可以根据预先对材料力学性质（例刚度、强度等）的假设进行设计。度、强度等）的假设进行设计。 这样做的理由：结构所使用的材料可通过质这样做的理由：结构所使用的材料可通过质量检验得到控制，其不确定性较小，边界条量检验得到控制，其不确定性较小，边界条件和力学性质是简单的、确定的；力学模型件和力学性质是简单的、确定的；力学模型能够反映结构的行为，其计算结果与实际情能够反映结构的行为，其计算结果与实际情况误差不大。况误差不大。 结构工程师可以不管其建筑材料是如何试验结构工程师可以不管其建筑材料是如何试验的（可让他人去做），

44、而把注意力集中在结的（可让他人去做），而把注意力集中在结构的功能、美学、结构构造和结构计算上。构的功能、美学、结构构造和结构计算上。 土工工程师要是按上述结构工程师的做法去设计则土工工程师要是按上述结构工程师的做法去设计则不行，容易出现问题，原因是：不行，容易出现问题，原因是： 土是自然风化与沉积的产物，它一般是不均匀的，土是自然风化与沉积的产物，它一般是不均匀的，其力学性质不能人工控制（其它材料是可人工控制其力学性质不能人工控制（其它材料是可人工控制的），不确定性非常大。因此土力学的因果关系或的），不确定性非常大。因此土力学的因果关系或公式不象其它力学中那样简明，也不能象其它力学公式不象其它

45、力学中那样简明，也不能象其它力学公式那样去认识和理解。公式那样去认识和理解。 土力学公式的计算结果的准确性从来不会超过粗略土力学公式的计算结果的准确性从来不会超过粗略或大致的估计。或大致的估计。 由于前述的不确定性对计算结果和实验结果的影响由于前述的不确定性对计算结果和实验结果的影响和误差的大小只能凭经验来推测，即：理论公式与和误差的大小只能凭经验来推测，即：理论公式与现实的差距只能通过经验和判断来估计。现实的差距只能通过经验和判断来估计。l 如何正确地应用土力学的理论？如何正确地应用土力学的理论？ Terzaghi指出，土力学的内容只有在工指出，土力学的内容只有在工程判断的指导下才能被使用，

46、除非已经程判断的指导下才能被使用，除非已经具有这种判断力，否则不会成功的应用具有这种判断力，否则不会成功的应用土力学的理论。土力学的理论。l 如何积累工程经验和建立工程判断能力如何积累工程经验和建立工程判断能力？积累过程有三个步骤值得重视:l分析与预测分析与预测l现场观测现场观测l把分析与预测和现场观测结果进行对比把分析与预测和现场观测结果进行对比,分析分析,评估和总结评估和总结只有通过第三步才能总结和积累起经只有通过第三步才能总结和积累起经验和判断力验和判断力l它是经过多年与土工现场打交道并有意识地它是经过多年与土工现场打交道并有意识地在处理不同的土工问题中积累起经验和对土在处理不同的土工问题中积累起经验和对土的感性认识后，才逐渐建立起来。的感性认识后，才逐渐建立起来。l有些像外科医生有些像外科医生l在有经验的工程师的指导下可以加速和缩短在有经验的工程师的指导下可以加速和缩短 这一积累过程这一积累过程土力学精确模型的应用问题土力学精确模型的应用问题