土力学发展史回顾

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

土力学的发展可以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。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。而在变形理论方面则有：① 地基沉降计算方法的建立与完善；② Mindlin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；⑤ Biot固结理论的提出和完善。

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s3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；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，在这一段时间内，古典土力学框架内尚未解决的一些问题继续有人在研究，并取得许多进展，例如土与结构共同作用、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一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。

综上所述，现代土力学可以归结为一个模型、三个理论和四个分支。一个模型即本构模型，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，并把颗粒之间的滑移看作塑性变形的根源，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。因此发展新一代的结构性模型是现代土力学的核心问题。三个理论即一个变形理论和两个破坏理论，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，并用于分析黄土、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，其核心是要建立一个能反映复杂应力路线下变形规律的本构模型，研究对象既可以是饱和砂土，也可以是饱和粘土。

(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，后者也可以叫做土工学(Soil Engineering)，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，与把土样当作一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，可能还需要30年才能大体上完成其基本框架。

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。在某种意义上，古典土力学只能称为弹性土力学，它的大部分成果只是借用弹性力学中已有的解答，而真正的土力学必须建立在符合土本身特性的本构模型的基础上，因此，一个优秀的土工工程师必须对土的本构模型有基本的了解，掌握常用的本构模型的适用性与局限性，并善于选用适应实际工程特点的模型。