現代土力學理論工程應用最后一公里的思考

現代土力學理論工程應用最后一公里的思考

—寫于《現代土力學理論探索與實踐》出版發行之際

楊光華

以計算機技術的發展和土的本構模型為標志的現代土力學已取得了輝煌的成就，可以進行彈塑性非線性等復雜計算。土的本構模型研究從1963年劍橋模型發表以來已超過半個世紀，建立了眾多的土的本構模型，然而，實際工程應用中仍是以傳統的半理論半經驗的線彈性模型方法為主，這是與現代土力學理論的發展很不相稱的。根本原因是什么呢？或者是影響現代土力學理論工程應用的最后一公里是什么呢？應該是兩個原因，一是工程中土體分布的勘測精度，這應該是通過增加勘測量、改進勘測手段來解決 ；二是缺乏實用的本構模型。土的本構模型雖然眾多，但能在實際工程中被信賴的可靠模型缺乏，核心是缺乏可用的本構模型，關鍵是土的本構模型的參數確定不可靠。目前土的本構模型存在參數多，工程中試驗確定繁復，難以獲得可靠的參數，從而影響計算結果的可靠性。因此，解決現代土力學理論的工程應用，促進現代工程建設的進步，提高設計水平，關鍵是解決土的本構模型的實用性，實質是解決本構模型參數的合理確定。通常土的本構模型參數是由室內試驗確定，而室內土樣存在取樣擾動等的影響，使室內試驗結果與原位土的結果不符，尤其是結構性較強的土體，這樣，使依據室內土工試驗確定參數的本構模型較難預測實際工程的受力變形，難以用于工程設計。發展模型參數少，方便確定，參數穩定可靠的實用本構模型，或發展依據原位試驗確定參數的本構模型，應該是解決現代土力學理論工程應用的關鍵一公里。

《現代土力學理論探索與實踐》所介紹的就是關于現代土力學理論如何應用于解決實際工程問題的探索：發展了新的本構理論—廣義位勢理論，使建立土的彈塑性本構模型變得簡單容易，只需擬合應力應變試驗曲線即可；發展了參數少、物理意義明確、可用原位壓板載荷試驗確定參數的簡單實用本構模型，模型只需要土的三個參數，粘聚力c、內摩擦角 和初始切線模量E_t0，使計算結果能更符合實際，能計算地基基礎的荷載沉降非線性變形全過程的p-s曲線，發展依據荷載沉降過程的p-s曲線進行地基基礎設計的新方法，實現變形控制設計；發展了以e-p曲線為基礎，以有效粘聚力、有效內摩擦角和壓縮模量E_s1-2建立實用本構模型進行軟土非線性沉降計算的方法；發展了以樁土變形協調為基礎的復合地基承載力和沉降計算的方法，可以更科學的計算復雜條件下復合地基的承載力和沉降；發展了以增量法為代表的、能全面模擬施工全過程支護結構受力和變形的現代深基坑支護計算方法；基于實用本構模型，發展了邊坡分析的應力位移場法，可以更全面的認識邊坡的破壞過程和形態，可以依據應力場對局部高應力區進行針對性加固，獲得更有效的加固效果，依據位移與安全系數的關系，進行更科學的預警防災。這些工作的基礎就是充分利用現代計算技術和土的本構模型這一現代土力學理論的核心內容，依據參數簡單易確定的實用本構模型來實現現代土力學的工程應用。因此，我估計，解決現代土力學理論工程應用的最后一公里，關鍵是要建立參數易確定的實用本構模型。

寫于2021年6月28日，廣州。

附李廣信老師所寫的序。

序

在我國的巖土界，埋頭于學術理論研究和從事巖土工程實踐的兩群人似乎有些隔閡與疏離。大批在巖土工程實踐中工作的巖土技術人員，適逢我國空前絕后的土木工程建設高潮，投身于高樓大廈、長橋深洞、高壩巨庫的建設，取得了豐富的經驗和閱歷，但也有偏重經驗，忽視巖土理論和基本概念的問題。隨著一些重視理論，概念清楚的老一輩大師們垂垂老矣，這方面的問題顯得更突出。我國頒布的一些巖土工程標準規范就反映出這個問題。而在大學里也有偏重于深奧的公式，繁復的算法的學者，他們關注于SCI的期刊，而不是大量涌現的工程問題。

楊光華教授則是文革后的一代大學生中在巖土界為數不多的能把理論與工程實踐結合得非常出色的專家。在其上世紀80年代初的研究生學習期間， 正值土的本構理論模型研究高潮，他以固體力學專業參與了這一研究領域，充分發揮其數學力學基礎好的優勢， 在隨后的長期巖土工程的實踐中，總是能在不同于一般工程技術人員的高度理解與認識工程所遇到的問題，并從中發現重要的科學問題，開展深入的研究，取得新的成果，并用于更好的解決工程實踐中的問題。例如他通過觀察深基坑支護的受力過程，提出了支護結構計算的增量法，成為目前工程設計中廣泛應用的方法；通過數學的方法，從更高的角度理解土的本構理論，提出了更具普遍性的建模理論—廣義位勢理論；從現場壓板載荷試驗與基礎受力的相似性，提出計算地基沉降和確定地基承載力的新方法，破解地基沉降算不準的難題。這些都是理論與實踐結合所產生的非常精彩的創新成果。

說起土的本構關系數學模型研究，很多工程技術人員總是敬而遠之，認為那是脫離實際的純理論研究，復雜、深奧而無用。但我記得有一個很有影響的土力學專家講過：“如果把土的本構關系理論搞清楚了，對各種土的工程問題都會有更深入、更清楚地理解”。當然，前提是不把土的本構模型研究只當作發表論文的途徑。

上個世紀60年代興起的土的本構關系理論研究熱潮的一個值得關注的突破就是縫補了經典土力學中土的變形與土的強度之間的割裂。使人們認識到，作為由碎散顆粒組成的土，在其承載與試驗中受力變形，其物理狀態與力學特性是耦合的，亦即其變形同時引起物理狀態與力學特性的變化，這是一個過程，所謂土的本構關系就是一個過程的描述。其變形特性而非只由其受力狀態所決定，也受應力路徑、應力歷史影響。在這個過程中，變形與破壞，剛度與強度都處于過程的不同階段。所謂土的強度，就是這樣的階段：土在被施加一個微小的應力增量后，將發生無限大或者不可控制的變形增量，亦即強度是土的受力變形的最后階段。

在土力學中，“概念”是對于土性的基本認識，正如顧寶和大師所說：“概念是科學原理的內核，巖土工程的重大失誤，基本上都是概念不清所致”。在巖土工程中，對于研究對象的深刻認識是成功實踐的保證。

在這本《現代土力學理論探索與實踐》書中，充分體現了楊光華對于土有別于其他材料的這一獨特性狀的深刻的理解：通過基于壓板載荷試驗等現場測試建立地基強度與變形統一的計算模型；揭示軟土地基的非線性沉降的本構特征，并提出簡易的解決方法；通過變形協調的方法，建立剛性樁復合地基的承載力和沉降變形的計算方法；將位移引進邊坡穩定，通過邊坡的應力與位移場分析，具體地區分牽引式、推移式和漸進式破壞的過程，更深刻的認識邊坡的失穩過程，確定合理的加固位置，建立位移與穩定的關系。這些研究都表現其力從土的本構關系研究所感悟到的對土性的認識：從過程認識土體的變形與破壞，而不是簡單地從極限平衡狀態來解決地基承載力、基坑、邊坡等強度問題和沉降、位移等變形問題。這本著作匯集了楊光華理論結合實踐多年探索的成果，部分成果已在行業中被廣泛應用，對提高行業水平、促進學科發展發揮了重要作用。本書是現代土力學理論真正發揮工程應用之力作！更可作為巖土界的工程技術人員和科學研究人員很有價值的參考讀物！                                                                                                                     

                        李廣信

2021.1．9    于清華園

李廣信先生是清華大學教授，博士生導師，主編了研究生精品教材《高等土力學》。是原中國土木工程學會土力學與巖土工程分會常務副理事長，原中國土工合成材料工程協會理事長。