岩土工程-学科特点与进展.doc

10 岩土工程学科的特点与进展李广信10.1 岩土工程学科的历史岩土工程（Geotechnical Engineering）是由工程地质、土力学和岩石力学及相关工程技术综合而形成的学科。这个广义的“岩土工程”的概念近30年来已为人们普遍接受和应用。它的工作对象是地球表面部分的材料岩石与土。所有的建筑物和构造物都是建造在岩土之上或者岩土之中。对于人类，岩土是最古老的材料。旧石器时代原始人最初始的武器与工具之一是打制的石器；新石器时代文化的代表则是用土烧制的陶器。“水来土掩”，古代人类在与洪水斗争中，土是他们最方便和有效的武器。大禹治水，“兴人徒以傅土，”也就是大兴土方工程。人类与土之间密不可分，也表现在世界上许多古老文化，如古希腊、古中国、古印度、印弟安人、古希伯莱人和两河文化都有神用泥土造人的传说。“普天之下，莫非王土”，可见土地成为权利和财富的象征。多少人类历史上波澜壮阔的活剧都是围绕着土地出演。随着农业经济和海外贸易的发展，人类逐渐向具有广袤深厚土层的名川大河的中下游移居繁衍。他们耕耘营造，生生不息，建造了宏伟的楼堂殿宇、大坝长堤、千里运河、万里长城。创造了一个个璀璨夺目的古代和现代文明。但岩土工程中的主要学科都是20世纪以后形成的。1925年太沙基（Karl Terzaghi）出版了第一本现代的土力学专著，标志着土力学成为独立的学科。尽管此前（1776年）库仑在土的强度和土压力计算方面提出了他的理论和方法；19世纪达西（Darcy）提出了著名的土中水渗透定律；1914-1922年期间，瑞典的工程师提出了土坡的稳定计算方法。到20世纪60年代，岩土工程的基础理论和工程实践的进展为现代土力学奠定了基础。此前，人们主要用极限平衡的理论和方法解决边坡、地基承载力和挡土墙土压力等问题，不计达到极限状态之前的变形；另一方面，在线弹性理论基础上计算岩土的变形问题，如用传统的分层总和法计算地基的沉降。而不涉及土体的强度和破坏。20世纪中期以后，许多高坝、高重建筑物、地下工程兴建，要求考虑和计算土体的变形大小和过程。这就要求考虑岩土的应力-应变-强度关系，给岩土的非线性数值计算提出了必要性；另一方面，电子计算机技术的发展使人的计算能力陡然提高，从而有可能进行繁复的非线性、弹塑性数值计算。这使土的本构关系模型一时间百花齐放，万紫千红。20世纪80年代以后，人们开始对于土的本构关系模型的研究进行总结和反思。其标志就是连续几次著名的对本构关系模型“考试”性质的研讨会。与土的本构关系并行发展的是岩土数值计算，层出不穷的岩土数值计算理论和方法成为岩土工程和岩土力学领域中最为绚烂的园地。工程实践也要求人们关注非饱和土、原状土和特殊土（区域性土）的研究，以及关于土的液化和液化变形问题、渐进破坏问题等。这些课题也成为现代土力学的研究重点。岩土材料和工程的试验和测试一直是岩土工程科学研究的基础性工作，主要的古典土力学理论都是来自于对试验结果的正确总结。与土的本构关系理论和数值计算平行发展的是土工实验技术和仪器设备的改进和提高。如真三轴仪、方向剪切仪、空心圆柱扭剪仪以及相应的量测技术和控制技术都得到广泛的应用和很大的改进。近年来，随着一些前所没有的工程的兴建，各种模型实验受到极大的重视，土工离心机模型实验以空前的速度普及和发展；一些经济实力雄厚的国家也将注意力集中在足尺试验、原型试验和原位测试方面。几百万到几亿美元的巨大的投入使人感到他们趋利避害的决心，也感到岩土工程的有些问题还不能通过更省钱的方法解决，只能使用这种最直接和原始的方法。10.2 岩土工程中的材料特性岩土工程主要涉及的是地球表面部分的材料，即岩与土。从地质学的角度看，岩石是地壳上的所有地质材料，不管矿物颗粒间是否胶结，不管它们之间连接力的大小。所以土也是岩石的一部分。但是在岩土工程中通常是将岩与土分开，前者是岩石力学研究的对象，后者是土力学的适用领域。从工程的角度看，由较强的内聚力（分子层次的力）将矿物颗粒结合在一起的材料是岩石；岩石矿物颗粒与有机物的松散集合物是土。这种划分有很大的人为因素，例如软岩与硬土之间就很难界定。土胶结可成岩，岩石风化成为土，这种胶结和风化到什么程度才互变也是难以判断的。但是在工程中二者在性质和适用理论是必须区分的。比如岩与土都是多孔介质，但土是碎散的，固态介质是不连续的（见图10.1）；岩石中固相介质是连通的。例如饱和土体的有效应力原理表示为： s=s+u （10.1）对于岩石一般就不适用，因为取任何断面都无法不切割固体部分。图10.1 饱和土体有效应力原理的概念岩石与土都是天然地质历史的产物，它们都不是严格意义上的连续介质，也都是由多相组成的。土是人类接触最多的浅层地表上的碎散物质，它具有以下三大特性。（1）碎散性。由于土是碎散的固体颗粒的集合，它们没有或者只有微弱的联接。固体颗粒的矿物组成、粗细、形状、级配和松密程度都显著地影响土的工程性质。自然界存在着一盘散沙的干砂土；存在着软若泥浆的新近沉积的淤泥土；也存在坚硬如石的硬粘土。其形态相差极大。（2）多相性。由于土是多孔的碎散介质，存在大量的空隙，空隙中的水分和气体是土体的不可分割的组成部分。三者的比例关系和它们的相互作用，导致了土的丰富多彩的力学性质。（3）变异性。作为地质历史的产物，地球上的土都经历过漫长的地质历史年代中的风化、搬运、沉积和地壳运动过程，形成其独特的组成与性质。原状土一般是不均匀的、各向异性的和具有很强的结构性。严格地讲，世界上没有完全相同的原状土。正如世界上没有两个完全相同的人一样。土的这些特性使土的力学性质十分复杂。比如其应力应变关系的非线性、弹塑性、压硬性、剪胀性、应变软化、各向异性、流变性，应力历史和应力路径的相关性等等。土的强度主要是颗粒间相互作用引起的摩擦强度。土的空隙允许水流过，表现其渗透性和渗透引起的破坏。与土的三个基本特性相关的是岩土工程中的三大工程问题。它们是：（1）强度问题。如边坡稳定问题，地基承载力问题、土压力问题和地基土的液化问题。与强度问题相伴的是往往是巨大的灾害：地质和工程滑坡、泥石流、基坑的崩塌、建筑物的倾覆和由液化引发的严重问题。（2）变形问题。地基的沉降会引起建筑物的倾斜和开裂。轻者影响使用，重者造成灾害。除了荷载引起土体变形的因素以外，由于水分变化引起的膨胀土和湿陷性黄土的变形；由于冻胀引起的地基土的隆起；由于地震引起的震陷都是经常遇到的问题。（3）渗透问题。土中的渗透不仅引起漏水，而且由于作用在土颗粒上的渗透力会引起土中的有效应力的变化，从而引起管涌和流土等渗透破坏问题。高土石坝的失事，江河堤防的溃决，深基坑的倒塌的祸首常常就是土中的渗流。以我国的98洪水为例，长江堤防共发生了4700处险情，其中60%是渗透变形问题。著名的四大溃口都是由渗透破坏引起的。美国的弟顿坝（Teton）和我国青海省的沟后水库混凝土面板坝的失事都源于渗透破坏，造成巨大损失。岩石材料也存在类似的问题，其广泛存在的的节理和不同程度的风化，使岩体的性质也是十分复杂和多变的。每年的高岩体滑坡无论其规模和破坏都甚于土体的滑坡。10.3. 岩土工程中的理论10.3.1理论在岩土工程中的作用人类从事岩土工程的实践已有上万年了，古代的半坡村和河姆渡的遗址都发现有大规模的挖方工程及简单的基础工程的遗迹。几千年前，人类就建造了宏伟的万里长城和金字塔等巨型建筑物。另一方面，鼠獭蝼蚁也可以建造相当规模的土方建筑。可是只有在太沙基提出了有效应力原理和渗流固结理论以后，才标志着土力学学科的诞生。所以理论是学科的标志。它表明了人们对于对象的内在关系和固有机理的深层次的理性的认识。岩土工程中理论的作用还表现在它对实践的指导作用。无数工程失事的案例表明，岩土工程中的事故总是由于人们对岩土的机理认识和对理论的理解方面有误，亦即由于基础理论的忽视或无知。工程实践不断提出新问题，岩土的试验不断揭示新的现象，这就要求理论工作不断地发展。理论来自于实践，用以指导工程实践，理论表明人们认识的飞跃和学科的进展。基于岩土材料性质的复杂性和影响因素的不可预见性，理论用于解决工程问题往往不是如一些人想象那么直接和简单。“岩土工程更像一门艺术”，这一点常常使年轻的岩土工程者迷惑，只有他们在经历长期实践和挫折以后才会体会到这种无奈。企图一蹴而就的发现一种适用于一切岩土材料的理论，企图彻底改造岩土工程设计中的经验和半经验状态是不现实的。单纯的理论推算、数值分析往往不能有效地解决具体的工程问题，经验的判断常常是决定性的。另一方面，少数长期从事岩土实践的工程师忽视了理论的学习和理解，只凭感觉工作，陷入了另一种误区和盲目性。10.3.2 土力学中理论的发展针对岩土材料的强度、变形和渗透问题，经典土力学发展了三大基本理论：（1）摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度理论。它突出了岩土材料的摩擦强度这个特点，确定了滑裂面上正应力与抗剪强度间的关系。百年来，它一直是岩土材料应用最广泛的强度理论。（2）达西 (Darcy) 定律。它反映了多孔介质中层流状态的水渗流规律，确定了渗流势能与流速间的关系。（3）基于有效应力原理的太沙基 (Terzaghi) 饱和土体的一维渗流固结理论。它成功地反映了土体中荷载变形时间的关系，反映了土体应力变形的本质，是土力学中标志性的理论。在不同的时期，从不同的角度，人们将土力学进行分类。早期太沙基将土力学分为理论土力学（Theoretical Soil Mechanics）和实践土力学(Practical Soil Mechanical) 。近年来，沈珠江将土力学分为：理论土力学、计算土力学和试验土力学。这种不同的分类表明了学科的发展和人们认识的变化。近代的理论土力学中包括了：强度理论、应力应变关系理论、饱和土和非饱和土的固结理论、极限平衡理论、渗流理论和土的液化理论等。以土的应力有应变关系理论（本构关系理论）为例，可以分为线弹性模型、非线弹性模型、高阶的弹性模型、塑性模型、损伤模型。塑性模型又可分为刚塑性模型、理想塑性模型、弹塑性模型，后者又包括：单屈服面模型、多屈服面模型、边界面模型和内时理论模型等。图10.2定性地表示了不同模型反映的应力应变关系。 a 线弹性b非线弹性c 刚塑性d弹性-理想塑性f 边界面塑性g 损伤模型e 弹塑性图10.2 几种本构关系模型表示的土的应力应变关系曲线10.3.3 岩土工程中理论发展的问题与方向岩土工程理论发展的困难在于材料性质的复杂性和众多的影响因素。例如尽管已提出的本构关系模型数以百计，有的模型包含20多个参数，还是没有一个能够准确描述土的全部性状的模型。首先，物理和数学模型必须对对象进行理想化和简化，忽略其次要因素，强化其主要特性。模型的参数需要用土工试验确定，现场取样的扰动、试验条件和技术的限制、应力路径和应力条件的局限性，使这些参数的精度和适用性有限。而且岩土工程的特殊的边界条件和影响因素很难准确地模拟。这些问题大大限制了岩土工程中理论解决工程问题的能力。因而在具体应用时，不能片面追求准确，应当采用能突出重点，简单适用，特别是有经验的积累的理论。简单的邓肯张（Duncan-Chang）得到了工程界的广泛应用和承认就是一个例子。另一种情况是突出工程问题的主要方面，针对性地建立和使用最适用的理论和方法。近年来在岩土工程中，各种不确定性的理论和方法受到人们的重视。各种数理统计与概率论、可靠度、优化、神经网络；模糊数学、灰色理论、混沌与分形、信息化方法等用以描述因果关系的破缺和亦此亦彼的互补率的破缺问题。对于复杂的、充满不确定性的岩土材料与工程问题，应用这些理论是有其合理性的。进行必要的探讨是一条有希望的途径。但是它们的应用的前提是大量的资料和信息的积累，是丰富的经验的科学的总结。因而这是一条漫长的，充满荆棘的道路，而不是一条终南捷径。这就是为什么岩土的可靠度研究和应用在经过一阵繁荣以后，又终归沉寂的原因。学科的交叉可能会结硕果，也可能收到垃圾。将岩土的问题戴上一个时髦的帽子，得出一些似是而非的结果，既没有发展所引进的学科，也没有解决岩土工程中的的问题或者对岩土问题的认识有所前进。这样，往往是一阵鼓噪之后，还是在原地徘徊。10.4. 岩土数值计算岩土数值计算大大加强和拓宽了人们解决岩土工程问题的能力，从而成为岩土工程与岩土力学中的一个重要的分支。数值计算深入岩土工程的各个领域：渗流计算、应力变形计算、极限平衡的数值计算、渗流固结与不同本构关系模型耦合的计算、动力反应分析、地基基础上部结构的共同作用计算等等。在计算方法上又可以分为确定性方法计算与不确定性方法计算（随机有限元、神经网络、专家系统），正分析与反分析，连续介质单元法与离散介质单元法。岩土本来是不连续或者是不完全连续的介质，而早期的数值计算是直接从固体力学中引进的，首先将不连续的岩土假设为连续介质，随后在空间上将其离散化。采用的方法包括：有限单元法、有限差分法、边界单元法、有限条法、有限线法、无单元法以及各种方法的组合。首先考虑岩土问题的不连续性的计算是边界面单元的设立和边界面模型的应用。它主要模拟不同材料间的接触问题。70年代以后，针对岩体的节理与构造面问题，离散单元法（DEM, Discrete Element Method）被a. 峰值强度时P. Cundall提出和得到较多的应用，目前已经发展了二维和三维的计算程序。81年代我国学者石根华对于岩体的非连续性问题提出了块体理论，发展了非连续变形计算(DDA, Discontinuous Deformation Analysis)目前也已经开发了二维和三维的计算程序。图10.3 是用二维DDA程序计模拟的密实砂土的应力有应变关系曲线，可见它可以成功地反映其变形的非线性、弹塑性、剪胀性、应变软化、应力循环中的b 残余强度时c 计算的竖向应力-应变-应变关系曲线 图10.3 用DDA计算的密砂的应力应变关系曲线滞回圈、减载体缩等独特的应力应变关系。从颗粒间的相互作用和和运动，可以使人们了解和分析这些变形的微观机理。这是非常有益的工作。石根华又以拓扑流形和微分流形为基础提出了流形元法(MEM, Manifold Element Method)。利用有限覆盖的技术将连续与非连续介质综合考虑。颗粒流法 (PFC, Particle Flow Code)是离散元法的分支，它可以用圆形颗粒有效地模拟大变形问题，模拟崩塌跌落过程。60年代以前，人们用光弹试验模拟弹性固体及其边值问题的应力应变关系，而自从线弹性有限元法可以准确地计算出光弹试验的结果，使光弹试验很快被淘汰。同样，渗流计算已代替了电场法模拟渗流试验。数值计算大大地提高了人们解决实际边值问题的能力，成为大型岩土工程设计的不可缺少的手段。但岩土材料毕竟是不连续、非线弹性的，材料性质的复杂性和对边界条件的敏感性，使岩土数值计算遇到了与岩土理论应用同样的困难。所以数值计算也同样不能精确地定量地解决岩土问题。配合经验和观测的结果进行定性的分析是正确的途径。脱离实际的过分追求计算程序的完美和不切合实际的精确，可能会败坏岩土数值计算的声誉。有些初从事岩土工程与岩土力学的青年，回避艰苦的试验工作和工程实践，企图用一台微机打遍天下，无疑是走向了歧路。10.5. 岩土工程与试验岩土试验是认识其材料特性和揭示岩土工程问题的重要手段，古典的岩土理论都是基于对试验的观测和对试验结果的分析之上的。试验又是岩土理论、岩土数值计算与工程设计之间的纽带，亦即通过试验确定参数。试验也是检验理论和数值计算的重要依据和手段。模型试验更是解决工程问题的直接手段。与经典的岩土力学强度理论和计算相对应的试验是测定强度指标的直剪试验；与用分层总和法计算相对应的是侧限压缩试验和确定渗透系数的渗透试验。随着土的本构关系模型理论研究的进展，反应土的应力应变关系的三轴试验越来越成为重要的试验手段。同时为了揭示土在复杂应力路径下的性状，和验证所提出的本构关系模型，各种真三轴试验、方向剪切仪试验和空心圆柱扭剪试验迅速普及和发展。图10.4表示的是两种真三轴仪，改制的真三轴仪和盒式的真三轴仪。前者是在三轴仪的压力室中加入一对侧向压力板，另一对侧面暴露在压力室中。由于这对自由面上的主应力不可能成为大主应力，所以其试验的应力路径受到限制。盒式真三轴仪不受这种限制，可以独立施加很大的应变，成为很受欢迎的试验设备。 a. 改造的真三轴仪 b. 剑桥盒式真三轴仪图10.4两种真三轴仪在解决岩土工程的问题时，通过现场测试取得参数是重要的手段，包括各种触探试验、旁压仪试验、载荷试验、现场剪切试验和各种物探方法。它们一般都是间接地获取设计所需要的参数。人们早就通过模型试验研究特定的边值问题和模拟具体的岩土工程问题，但1g的小比尺的模型试验有很大的局限性。这是由于岩土的应力应变关系和强度是非线性的。土工离心机模型试验用离心力模拟重力，是ng情况下的小比尺模型试验，其中的应力和应变与原型的相同。目前离心机试验技术和设备发展很块，可以模拟沉桩、开挖等施工过程；可以与振动台结合模拟地震反应；可以进行低温下的冻土问题。图10.5 表示的是土工离心机的设备简图。图10. 5 土工离心机试验装置简图渗水力模型试验是利用渗透力模拟重力，但是受到较大的限制。小比尺的模型试验毕竟存在着局限性和误差，比如较难真实地模拟施工过程；材料尺寸和边界条件模拟的困难；不同问题时同一个参数的比尺效应不同。所以足尺的模型试验和原型的观测就十分珍贵。但是造价昂贵，不可能进行大量的重复的试验。近年来，岩土试验向着两个方向发展。一是向着更精细的方向，如各种精密稳定的传感器和量测手段，例如东京大学的龙冈文夫（Tatsuoke）使用可量测10-5应变的技术进行硬土与软岩的试验。另一方面，使用射线、声发生、差热分析、电镜扫描、CT技术、功能陶瓷等，向着岩土的微观领域观测和探索。另外，像吸力的量侧，土的结构性试验等也受到重视。另一个方向是试验的大型化，例如为进行堆石料试验的大型三轴仪，试样直径达到300 mm 500 mm 700 mm甚至更大；巨型的直剪仪直径达400mm。土工合成材料加筋构造物的足尺的模型试验，模型槽高达数米；野外的模型试验投资几十万美元；日本和美国都计划建造长宽几十米的大型振动台。这种不惜工本的大投入表明人们认识到理论分析和数值计算的局限性。同时这些测试资料也是验证理论和计算标准；是进行反分析和信息化施工的依据。10.6 岩土工程实践的进展近百年是土木工程迅猛发展的时期：高速公路、铁路遍布大陆；高层建筑栉次鳞比；高坝巨塔耸立河谷；穿山越海隧道使天堑变通途；巨大的海洋平台使陆上建筑物相形见绌。工程的实践大大推动了岩土工程学科的发展。10. 6.1 水利水电工程近年来。由于西方国家对于环境问题的敏感和相对发展比较早，大型的水利水电工程项目都集中在印度、中国、巴西等发展中国家或者中等发展国家。随着我国经济建设的快速发展，我国在水利水电工程建设中的许多岩土工程项目都直逼国际水平。在我国于1997年11月完成的长江三峡工程的大江截流工程中，截流流量达14000-19400m3/s；围堰的抛填总方量1000万m3。无论是截流流量还是日抛填方量都居世界第一。图10. 6 三峡二期围堰的断面图随后的二期围堰是在抛填砂和沉积砂上完成的。采用塑性混凝土和土工膜垂直防渗，成功地抵御了1998年的长江洪水，确保了大坝主体工程的施工。见图10.6。我国的小浪底水电工程位于黄河的最后一个峡口，坝址覆盖层深达70米，最大坝高154米，总库容126.5亿方。大坝采用斜心墙堆石坝，塑性混凝土防渗墙。地质条件十分复杂，工程中解决了许多技术关键问题。创我国堆石坝施工的最大强度。由于重型的碾压机械和滑模技术的推广，混凝土面板堆石坝在国内外得到了广泛的应用。目前，我国已经修建了面板堆石坝62座，100米以上的10座。已建成的天生桥一级水电站的大坝最大坝高178米，居世界第二；总库容102.6亿方，居这种坝型的水库库容第一。已经开工的水布垭工程面板堆石坝最大坝高233米，将位于世界第一。我国在混凝土面板堆石坝的材料特性研究，本构关系模型建立和数值计算方面；在施工的滑模，接缝技术方面居世界先进水平。南水北调工程是另一项闻名中外的工程项目，其中中线方案中隧洞穿过黄河的沉积砂层；渠道经过大段的膨胀土地区，都是重要的技术难题。西线的要经过大的峡谷和高山，经过永久冻土地区，工程条件十分复杂。拟建的最长的隧洞段达131公里。10. 6.2 高层建筑的深基础工程随着世界城市化的进程加快和高强轻质建筑材料（钢材）的应用，高层建筑成为城市的主要景观。19世纪末，纽约的巴特立（Battery）大厦达到20层。1930年帝国大厦在纽约建成，102层，381米高。这个号称“摩天大楼”的建筑物标志着真正意义上的现代高层建筑的诞生。1973年纽约世界贸易中心建成，它达到110层，高412米，方形双筒结构。基础位于20米深的页岩地基上，首次采用地下连续墙泥浆护壁施工，斜锚杆支护。现场面积16英亩，土石方开挖1600万方。美国芝加哥是另一个高层建筑集中的地区，1974年110层的西尔斯塔楼（Sears Tower）高达443米，近30年一直雄居世界第一高楼。最近马来西亚的双塔大厦高度452米，成为世界最高楼。关于高层建筑的功过长短一直是建筑业争论的问题。随着亚洲经济的腾飞，高层建筑也在这个地区雄起。这些地区多属软土地基，高层建筑的地基基础问题成为岩土工程的热点问题。其中关于深基坑水土压力的水土分算和水土合算；桩的承载力检测；沉降控制设计桩基础；地基、基础、上层建筑的共同作用的计算分析成为基础工程中的重要课题。我国于80年代开始兴建高层建筑。1994年北京的京广大厦208米高，曾是我国最高楼，采用22.5米的桩基础，基坑18.5米深，开挖采用地下连续墙和土层锚杆支护。以后高层建筑随着经济的发展到广东，广州的中天大厦高322米；深圳的地王大厦325米，成为全国第一高楼。很快经济发展高潮转到上海，在浦东兴建的金茂大厦高420.5米，成为世界第四高楼。它的基础施工是上海软土地基中最深和最大的基坑。基坑支护采用一米厚，30米深的地下连续墙和多功能钢筋混凝土空间支撑结构。混凝土标号为C50的筏板基础厚达4米，混凝土方1.35万方。上海拟建的环球贸易中心460米；深圳和重庆也拟建更高的建筑。10. 6.3 地下工程随着人类的活动范围的拓宽，地下空间的利用和地下交通的发展成为近代岩土工程的一个重要的方面。穿山跨海的隧道工程，大城市的地铁工程，地下防护工程和大规模的地下商城、娱乐场迅速兴建，并且有更快发展的趋势。1985年正式凿通的日本青函海底隧道连接本州和北海道全长53.8公里，马蹄形断面，高9米，宽11.9米。英吉利海峡隧洞连接英国的福克斯通和法国的卡莱斯，全长51公里，主隧道直径7.3米。两条单轨隧洞和一条辅助隧洞相互平行。见图10.7。日本的东京湾采用桥隧结合的形式，以便于港口的通航和停靠，全长15公里。图10. 7 英吉利海峡隧洞断面图我国近年来的地下工程发展十分迅速。秦岭的铁道隧洞全长18.5公里，是我国最长的隧洞。跨海的琼州海峡隧洞、渤海湾桥隧工程和台湾海峡隧洞都在论证之中。其中南海的琼州海峡隧洞是我国从黑龙江到海南三亚的同三高速公路必经之隧洞，海峡最窄20公里，海水最深达160米，地质条件复杂。渤海湾桥隧工程全长57公里，连接辽宁和山东。台湾海峡隧洞实现的政治和技术难度都很大，两岸岩土和其他技术人员进行了联合论证。我国的地铁建设水平迅速提高。60年代修建我国第一条地铁-北京一线地铁时，采用打明挖施工。现在已经全部采用暗挖方法。地铁车站采用逆作法（北京大北窑站）、双眼镜法（西单地铁站）等方法。北京复兴门折返段采用浅埋暗挖法施工，解决了碱性地基中灌浆技术，新型的地下支护结构技术等。上海的地铁在软粘土地基中施工，根据时空效应理论，施工中全面的观测，反馈，实现了信息化施工。广州的过珠江的水下隧洞在我国首次采用沉管法施工，隧道段长721米，预制管段最长120米，宽33，高8。采用不加胶结料的后填砂流法基础和柔性接头。上海的苏州河改造中，采用大直径顶管法施工。10. 6.4 高边坡工程在公路、铁路的挖方段和隧道进出口，在水利水电工程的引水建筑物进出口，船闸、溢洪道岸坡，都会遇到岩土高边坡的问题。天然的岩土高边坡稳定以及由于水库蓄水和施工引起的天然岩土边坡的稳定问题都是严重的岩土工程的课题。如三峡船闸在岩石中最大开挖高度170米，含直立段50米。在工程勘测中采用电视成像，直接观测岩体的结构面产状。在工程设计中，采用了多种数值计算方法进行稳定分析。我国在边坡稳定分析方面取得很大进展。对摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）方法进行了重大的改进。用优化的理论和方法对天生桥、漫湾等重大水利水电工程进行分析和边坡治理。 7 岩土工程中的预测与检验由于岩土工程中材料性质的复杂性和对于边界条件的敏感性，用理论、试验和数值计算“精确”地反映其性状几乎是不可能的。但我们仍然可以在很多发表的文章和报告中见到主观预测与实测结果符合得惊人的一致的情况。有些结果的完美达到天衣无缝的程度。其结论是提出的理论和方法如何精确可靠。真所谓“各夸自家颜色好，百花园中各称王” 。因而在岩土工程和岩土力学中需要一种客观、公正和有说服力的检验手段。20世纪80年代，针对大量的土的本构关系模型纷纷被提出，并且都自我感觉良好的现象，组织了几次国际性的“考试”或“竞赛”。首先委托一家或者几家实验室进行基本试验和目标试验。前者结果公布，以便参赛者确定土的参数和认识土性；后者给出试验的条件（如应力路径）。然后在全世界范围征求参赛者。各预测的结果上交以后召开研讨会，公布实验观测结果；评分、答辩、总结与研讨。这是十分公正和权威的方法：以试验为依据，让事实来说话。针对室内试验、原位测试、模型试验、理论预测和数值计算，在其它方面，也举行过许多类似的活动。成为一种有效的验证手段。10. 7.1 试验方法和设备的检验比较1 不同仪器的相同试验的检验1982年在法国Grenoble 召开的“土的本构关系国际研讨会”上，用剑桥式的立方体真三轴仪分别由德国的Karlsrube 大学和法国的Grenoble大学对同样的砂土和粘性土进行复杂应力路径和应变路径的真三轴试验，两份试验结果是存在着差别的。由于使用的仪器与土料都是相同的，差别主要源于操作方法和技巧。1987年在美国克里夫兰召开的“非粘性土的本构关系国际研讨会”上，利用美国Case Western Reserve大学的空心圆柱扭剪仪和法国Grenoble大学的剑桥式立方体真三轴仪进行砂土的相同应力路径的试验。试验内容包括：(a) b=不同常数的不同密度两种砂土的真三朝试验；其中，b=（s1-s2）/（s1-s3）(b) 在p平面上应力路径为圆周（两周）的的真三轴试验。图10.8表示了对于Hostun 密砂（干密度rd=1.65g/cm3）在b =不同常数，中主应力s2=500kPa保持不变，用两种仪器试验得到的轴向应力与轴向应变关系曲线，轴向应变和体应变的关系曲线。可见在b=0和0.28时，不同仪器试验结果的差别是很大的。但是在评价它们时，主持者说：对于轴应变，除了b=0.286的结果很差（very poor）以外，其他的曲线符合的很好（very well）；而对于图10.8（b）的曲线认为符合得很优良（excellent）。对比我们的一些论文中对比曲线二者丝丝入扣的符合，就显得很不真实。在这两个试验中试样的破坏形态也有很大不同：空心圆柱试样发生颈缩；立方体试样产生V形的剪切带。这些差别可能是由于试样的制样方法不同，试样中的实际应力分布不同和试验中的边界条件不同引起的。2 土工离心机模型试验1986年由欧洲共同体资助，发起“土工离心机的合作试验” 。参赛者有三家：英国的剑桥大学、法国的道桥中心研究室和丹麦的工程院。试验的内容是模拟饱和砂土地基上的圆形浅基础的承载力和荷载沉降关系。试验土料统一为巴黎盆地天然沉积的一种均匀石英细砂。模型地基的孔隙比规定为e=0.66（相对密度Dr=86%），规定圆形基础的模型尺寸为直径D=56.6mm，离心加速度=28.2g，基底完全粗糙。(b)体应变eV与轴向应变eZ间试验曲线（a） 轴向应力sZ与轴向应变eZ间试验曲线图10. 8 b=常数的真三轴试验与空心圆柱试验的比较此前，由丹麦岩土研究所对于这种土进行了物性试验和三轴试验，其结果公布于众。要求荷载-沉降关系表示成无量纲的变量q/gnb-s/b关系曲线。其中：q=基础上施加的荷载（kPa）； g=土的浮容重（kN/m3） n=重力加速度水平，即模型比尺 b=模型基础的尺寸（m） s=基础的中心垂直沉降（m）同时也进行了相同条件下的现场载荷试验，以便与模型试验结果对比。这三家使出了浑身解数，精心制样、安装、运转和量测，反复摸索，反复校验，校正各种参数和影响因素。剑桥大学还在离心机上作了静力触探试验。最后，剑桥大学提交了一组试验结果，另外两家按要求给出了一条曲线。图10.9表示了其试验结果，其中剑桥大学是笔者选取的最接近于要求的条件的试验结果（e=0.664）。可见，这种世界先进水平的土工离心模型试验的误差在30%以上。值得提出的是，这是一种条件非常简单明确的模型试验。而现场的工程实际情况的条件和影响因素远比这复杂。在这个试验中，加载速率、模型地基砂的密度、制样方法和运行程序对试验结果都有影响。例如剑桥大学的试验表明，砂土的孔隙比变化0.01（相当于相对密度变化3%），则其承载力变化18%，如图10.10所示。而由于模型地基是先制样，后运转，保证地基内砂土处处均匀，孔隙比误差在0.01范围内是有较大难度的。3 单桩的动测法的考试1992年在荷兰海牙进行了一次动测桩的“考试” 4。在第一轮，10根预制桩预先被沉入地基，桩径250mm，桩长18m（7#桩17m）。要求测出其预制的“缺陷”。其中一根桩完整无缺；其余的9根桩各有缺陷：颈缩、扩径和在不同部位的10 mm宽，130 mm深的刻槽。事先由特尔夫公司进行了地基勘察，将土层资料公布于众。有12家具有国际声誉的公司参赛，用小应变动测法检测。结果是：平均测对4根；最多对7根，最少对两根。没有一家测出那根完整无损的桩。他们认为对于只有10 mm宽的缺痕很难分辨。图10. 9 圆形天然浅基础的试验荷 图10. 10 地基承载力与模型地基孔隙比间关系载-沉降关系曲线 （剑桥大学试验结果） 第二轮是沉入11.5 m 19m长的5根桩，然后用静载荷试验测出极限承载力。10家公司用大应变动测法测试其极限承载力。其结果也不乐观。比如，由静载试验为340kN的一根桩，各家给出的结果分布在90kN-510kN的范围。4 堤防隐患检测的“大比武”我国目前有各类堤防25万公里，很多已具有近千年和几百年的历史。是民堤逐年加高培厚或者在汛期抢修形成的。地质条件及堤身土料和质量千差万别，隐患很多。1998年洪水期间发生的许多险情和决口都是由于渗透通道形成的管涌和蚁穴鼠洞、裂隙异物和局部疏松土体等造成的。为此水利部和防汛办于1999年3月在湖南宜阳召开了“堤防隐患综合检测技术检验会”，也北被称为“大比武”。有我国的十几家科研院所、大专院校和少数厂家（包括美国的劳雷公司）参加。检测堤段位于宜阳的一段废堤上。每个参赛的检测方法负责200米堤段，时间是两小时。几处“隐患”是事先人工布置的，埋设了稻草、钢管，模拟蚁穴和鼠洞。一般在两米深范围内。人们使用的测试手段包括：高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震波法、弹性波法和探地雷达等。这些方法都有一定的分辨率限制，即分辨尺寸与深度之比一般是相对固定的。因而两米深的隐患的检测不应算是难题。检测结果聘请有关专家评审，打分。图10.11所给的分数只是相对的。组织者感到测试结果没有达到预期的目标。参赛者各自对其结果的误差的原因进行了解释。针对这种结果，水利部斥资几百万，开展专题研究，目标是“傻瓜”式的快速检测仪器和方法。关键问题可能是要结合各地具体情况和长期的抗洪防汛经验，因地制宜，积累资料和经验，合理判释，仪器才会发挥作用。很难想象，可以身背“傻瓜机”，走遍天下都会灵验。5 土工合成材料的联合试验这是我国于2001春组织的一次规模较大的联合测试活动。针对土工格栅、土工膜和无纺土工布，由厂家在近期生产的产品中随机取样，然后寄往指定实验室。 应力（kPa） 12 （检测组数） 500 上限Si=0 400 Si1 6 300 Si=1 200 2 下限Si=0 100 应变（%） 30 20 10 （分数） 0 2 4 6 图10. 11 堤防隐患的检测结果评分 图10. 12本构模型预测的评分各实验室在统一规定的条件下进行试验。试验项目包括：物理性质、力学性质和水力性质等共20余项。于2001年6月在上海召开“土工合成材料测试技术研讨会”进行了全面的总结与分析。结果表明，物性指标（质量和厚度）结果的一致性较好，各实验室给出的均值的变异系数小于每个实验室单样的变异系数。这表明实验室的系统误差不大。但力学性质指标离散很大，如无纺织物的拉伸强度的均值的变异系数达0.15，高于单样的变异系数。说明各实验室的条件、设备和技术存在系统误差。图10.13 是两个实验室给出的土工膜拉伸的试验曲线。同一产品，有的给出的延伸率为15%，有的高达2000%。 拉力 （N） 400 (G) (K) 200 0 120 240 360 480 变形 (mm)图10. 13 两种典型的土工膜的拉伸试验曲线10. 7.2 土的本构关系的检验80年代以来，关于土的本构关系的“考试”至少进行了 3次。1980年美国和加拿大召开了“岩土工程中极限平衡、塑性理论和一般的应力应变关系北美研讨会” 。会前用两种天然粘土、一种重塑的高岭粘土和渥太华砂进行了一系列试验。试验包括：平均主应力p=常数的三轴试验， b=常数的真三轴试验砂土在p平面上应力路径为圆周的真三轴试验天然粘土大主应力方向与其沉积方向成不同角度的三轴试验。事先将土的物性参数和基本试验的结果公开提供。然后在全世界范围征求参赛者。参加预测的有个不同国家的17个本构模型。从给出的结果看，轴向应力应变关系（s1-s3）e1预测的精度一般尚可；体应变预测的精度差别很大。对于应力路径在p平面上为圆周的情况，许多模型无能为力。由于原状土的各向异性，对于其循环加载和超固结性状很难预测，只有少数模型参加了预测。结果表明，没有一个模型能够合理地预测所有的试验情况。正如会议主席Finn所说；“没有给任何一个本构模型戴上王冠”。这也是符合当前的土力学理论发展的现状的。1982年在法国召开了“土的本构关系国际研讨会”人们用不同的理论模型对砂土和粘土的复杂应力路径和应变路径的试验结果进行了类似的预测。如上所述，也对试验本身进行了检验。1987年在美国克里夫兰召开了“非粘性土的本构关系国际研讨会” 。会议征求对真三轴试验和空心扭剪试验结果用理论模型进行预测。共有世界各国的32个土的本构模型参赛。其中包括：3个次弹性模型（H）3个增量非线性弹性模型（I）1个内时模型（E）9个具有一个屈服面的弹塑性模型（EP1）10个具有两个屈服面的弹塑性模型（EP2）6个其他形式的弹塑性模型（EP）会议将预测结果与试验结果比较，按四个单项评分。评分的标准见图12。规定了上下限，按统计方法打分。图10.14与图10.15表示出b=常数的真三轴试验的预测得分情况。可见其轴向应力应变关系预测经过还差强人意；而体应变的预测则基本是全不及格。图10.14轴向应力应变关系得分的直方图 图10.15 体应变与轴向应变关系得分的直方图 （满分100） （满分100） 这些“考试”基本上反映了人们当前认识和描述土的应力应变关系的能力和水平。它表明，即使对于实验室制作的重塑土试样，其应力应变关系也是相当复杂的。现有的关于土的本构关系的数学模型的描述能力在精度和条件方面都是有限的。有的模型使用了20多个，甚至40多个常数，结果仍然不另人满意。 10.7.3 土工计算的考试1 土工加筋挡土墙的计算60年代以来，随着计算机和计算技术的发展，土工数值计算大大加强了我们解决复杂的岩土工程边值问题的能力。有人提出可将土力学分成理论土力学、实验土力学和计算土力学三部分。由于它几乎可以精确解决任何边值问题，似乎一台计算机，几页打印纸，就可以驰骋在岩土工程的所有领域。这种表观上的简单、快捷和“精确”，常使青年岩土工作者产生误解，忽视了其与实际工程问题间的距离，轻视在岩土工程实践中积累经验的重要意义。加筋土的计算是岩土数值计算中很有代表性的课题。它涉及到土的本构模型，筋材的应力应变关系模型和筋土间的界面模型及这些模型涉及的参数。目前已经有较多的计算程序和经验。1991年在美国的科罗拉多大学，由美国联邦公路局资助，在足尺试验的基础上进行了加筋土计算的竞赛8。目标试验是在一个高3.05米，宽1.22米，长2.084米的大型的试验槽中进行的。铺设了12层长为1.68米的无纺土工织物，作成土工织布加筋挡土墙。墙顶采用气囊加压。气囊下铺设5厘米的砂垫层。试验用的土料有两种：一种是均匀的砂土，D50=0.42 mm；另一种为粉质粘土，塑限WP=19%，液限WL=37%。事先公布了砂土的三轴试验，粘土的不同排水条件下的三轴试验，土工布的拉伸试验和筋土间的界面直剪试验等试验的结果。征求世界各国同行们进行数值计算，预算试验观测结果。预测项目有：（a）两种加筋挡土墙在顶部加载103.5 kPa以后的墙顶最大位移、不同位置的墙面位移及筋的应变（b）在加载100小时后的以上各项位移和应变共有15个不同国家的大学和研究单位参赛。包括美国的科罗拉多大学等8家，英国的哥拉斯格大学等两家，日本的东京大学等3家。中国和加拿大各一家。其中14家参加了荷载-变形和应变关系的预测。计算的结果见图10.16和图10.17。它们分别表示了砂土和粘土在上述荷载下的墙顶最大位移的预测误差。有几家没有预测粘土加筋挡土墙，有几家计算得到的结果表明，在此荷载下挡土墙早就破坏。只有少数计算的误差在30%以内。对于砂土加筋挡土墙试验的破坏荷载是207 kPa，预测极限值从10 kPa到517 kPa不等。粘土加筋挡土墙在荷载加到230 kPa时由于气囊爆破而未能继续试验，但挡土墙并没有破坏。计算的破坏荷载在21 kPa到207 kPa之间。其误差之大令人沮丧。图10.16 砂土加筋挡土墙的 图10.17 粘土加筋挡土墙的墙顶最大位移计算误差 的墙顶最大位移计算的误差 2 土的液化分析方法的检验在1989-1994年间由美国NSF拨款350万美元，资助用离心机模型试验来检验地震反应分析方法。这是NSF历年来投入单项经费最多的项目。项目简称VELACS。参加的单位和个人包括：美国加州大学戴维斯分校，加州理工大学，英国剑桥大学等7座大学；其中有10名美国国家科学院院士和英国皇家学会会员。参加考试的考生有美、加、日和欧洲的23个数值计算专家和研究组。项目动用了9台带有振动台的土工离心机，并且进行了平行试验。模拟地震的振动模型试验内容包括：(a) 水平自由地基(b) 倾斜地基 组合地基（一半是密砂，另一半是松砂）(d) 成层水平地基（刚性箱和柔性箱各一种）(e) 护岸的重力式挡土墙(f) 堤坝(g) 心墙坝(h) 砂基础上的刚性建筑物涉及以上9种边值问题的模型试验，都是相当简单的工程问题。在土工离心机试验的基础上，提出了三类考题：A 在离心机试验前，提供试验的初始条件和边界条件，在尚无任何试验资料的情况下，进行数值计算。是一种“盲测”。B 离心试验完成以后，但不公布试验结果。但向计算者提供试验的较为详细的条件和细节。C 公布试验结果，让“考生”用自己的数值计算进行计算，比较。考试的成绩按照A B C的次序有所提高，对于A类考题，有30多个数值计算模型参加考试。预测的地震反应加速度比较接近；计算的静孔压和沉降量与试验量测的结果比较，趋势还是相同的。但二者差别很大，多达几十倍。但是在试验后，考虑了试验中的具体条件量测方法，修正计算条件和参数，计算结果明显改善。10.8 一些结论1 岩土材料是性质复杂的天然材料，不可能仅仅通过完美的理论和精确的数值计算解决岩土工程问题。2 岩土工程和岩土力学中基本理论是指导性的。是岩土工程工作的基础。不可忽视；也不应过分迷恋。不确定性的理论和方法需要长期艰苦的积累和工作，可能是今后发展的有希望的途径。3 岩土数值计算是解释岩土工作机理和解决工程问题的强有力的武器。但应当结合实际，脱离实际的计算是没有价值的。4 岩土工程实践的快速发展提出了许多研究课题，实践是岩土学科发展的动力，也是检验研究成果的的标准。在岩土工程中，试验的作用是十分重要的。不应忽视试验在理论发展、数值计算和工程实践中的作用。5岩土理论、数值计算和试验测试的结果的正确性必须有客观、公正和权威的检验。对于自我的预测和验证结果要有正确的分析。6 在岩土工程中，理论和实践相伴前进。“理论导向，经验判断，精密观测，合理反算。”应当成为岩土工程领域中的工作方针。提要岩土工程学科由土力学、岩石力学和工程地质所组成，它涉及到广泛的工程领域。岩石与土是人类接触到的最古老的材料，岩土工程是人类最古老的工程实践之一。作为一种天然材料，岩石与土是非连续体，含有大量的孔隙或裂隙，其中又充满了水与气体。这种不连续的，三相组成的天然材料其工程性质十分复杂多变。这就使岩土工程充满了不确定性。千万年来，人们以岩土为材料或者环境进行了长期的工程实践，积累了丰富的感性知识和经验。古代的人们基本是凭经验和感觉完成了大量的与岩土有关的工程。理论的发展只是近代才得以实现。18世纪，库仑（Coulomb）提出了土的强度公式和土压力理论；19世纪，达西（Darcy）提出了土中水的渗流定律；20世纪初期，瑞典的一些工程师提出了边坡稳定分析的简单条分法。人们普遍认为只是在太沙基(Terzaghi)于1925年发表了其土力学一书以后，土力学学科才真正诞生，并以有效应力原理和渗流固结理论区别于其它学科。20世纪是岩土工程实践和理论迅速发展的时期。鳞次栉比的高层建筑，截断江河的高土石坝，规模浩大的地下工程和高边坡工程标志着岩土工程进入一个新阶段。这些工程实践提出了新的岩土科学技术问题，推动了岩土工程中的理论、实验、数值计算和工程管理方面的迅速发展。出现岩土本构关系理论、岩土数值计算方法和实验仪器设备的研究热潮。基于岩土材料性质的复杂性和岩土工程的不确定性，理论和计算不可能精确地解决岩土工程地实际问题。在理论指导下的经验判断常常是岩土工程中解决问题的基本方法。因而，人们常说岩土工程更像是一门艺术，而不像一门技术。这含有人们在实践中失败的经验和辛酸。本文介绍了岩土材料和岩土工程的特点，介绍了近年来岩土工程各方面的实践和理论的发展。指出了岩土工程中理论与计算的局限性和应当采取的正确的工作方法。SummaryCharacteristic and Development of Geotechnical Engineering Li GuangxinThe materials in geotechnical engineering are soil and rock. They are all natural material and highly variable. They are discontinuous and with voids and fissures which usually filled with water or air. Therefor their mechanical properties are very complex: heterogeneous, nonlinear, nonconservative, and anisotropic.