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:土力学;土质学;发展
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,它从土的成因与成分出发,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做出数量上的评价,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。
土力学的发展可以划分成以下三个历史时期。
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。但是,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。两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,与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Terzaghi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》,提出了土体一维固结理论,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,但是,土体的破坏问题始终是当时土力学研究的主流。这一时期在土体破坏理论研究方面的主要成就有:① Fellenius,Taylor和Bishop等关于滑弧稳定分析方法的建立与完善;② Terzaghi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;④ Shield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。
古典土力学可以归结为一个原理——有效应力原理和两个理论——以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论和以刚塑性模型为出发点的破坏理论(极限平衡理论)。前一理论随着1956年Biot动力方程的建立而划上一个完满的句号;后一理论则于60年代初完成了基本的理论框架。但是,真实的土体决不是理想弹性体,也不是理想刚塑性体。可以考虑土体两个基本特性(压硬性和剪胀性)的现代土力学理论在50年代初已开始蕴酿,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。一方面,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,另一方面,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;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项中只有第一项已比较成熟,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。但是,时至今日,现代土力学理论的基本轮廓已逐渐清晰。
此外中国学者对土力学也有着巨大的贡献,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一个土工试验室,但是,大规模的研究则是在中华人民共和国成立以后随着一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做出了积极的贡献。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,以及同济大学关于土与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,一批基础扎实、思想活跃的青年学者投身于土力学的研究,做出了不少新的贡献,特别是国内培养的一批博士,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。
由此可见,土质学与土力学的学习和今后的土木工程技术工作有着非常密切的关系。对地基的设计、施工、及对建筑的抗震性能具有相当重要的作用。对土木工程的发展起着去足轻重的作用。它主要研究土体的地质特性及其在工程活动影响下的应力、变形、强度和稳定性。随着人口不断密集,人 类活动的范围日益狭小,现代工程建设不得不向高、深、远的方向发展。同时通过对不良场地土体的改善进行工程建设,可以充分地利用日益紧缺的土地资源。因此土质土力学在现代交通、土木工程建设事业中拥有着非常重要的地位。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,与世界各国相比并不逊色,当然在测试技术方面尚比较落后。
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