绪论—土力学的发展史

土力学学科发展简史和发展态势

发展简史：一般认为，土力学学科的发展经历了以下三个阶段：

萌 芽 期（1773——1925）：18世纪工业革命后，大规模的城市建设和水利、．．．

铁路的兴建面临着许多与土有关的问题，从而促进了土力学理论的产生和发展。1773，法国的Coulomb发表了《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》一文，创立了著名的砂土抗剪强度理论，即Coulomb定律，为今后的土体破坏理论奠定了基础。Coulomb还提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论； 1857年，英国的Rankine用另一方法提出了挡土墙土压力理论；1885年，法国的Boussinesqiu求得弹性半无限大空间体表面作用竖向集中力的应力和变形的理论解答；1922年瑞典的Fellenius为解决铁路塌方提出了土坡稳定分析法。在这150年的漫长时期，研究一般只限于土体的破坏理论，而且只是个别学者的探索。20世纪初随着高层建筑的大量涌现，地基中应力状态发生很大变化，沉降问题开始突出，与土力学紧密相关的的学科——弹性力学的发展为沉降问题的研究提供了必要的手段，也为Terzaghi开创的土体变形研究提供了条件。

古典土力学（1925——1963）：1923年，美国学者K．Terzaghi发表著名的论文《粘．．．．．

土中动水应力的消散计算》，提出饱和土体一维固结理论，接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理。这些工作显示出人们已经开始研究土的变形并开始总结土体具有强度的根本原因。1925年，K．Terzaghi出版了第一本《土力学》（Erdbaumechanik）专著，这一系统的科学论著全面总结了前人的研究成果，吸引更多的学者从事土力学的研究，从此，土力学基础工程成为一门独立的学科而不断得以发展。这一阶段的主要成就有：

（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地基承载力公式；

（3）Co oЛoBCкий散粒体静力学的建立；

（4）地基沉降计算方法的建立与完善；

（5）弹性地基梁板计算；

（6）Biot固结理论的提出和完善；

（7）砂井固结理论等。但是，真实的土体并非理想弹性体，也非理想刚塑性体。可以考虑土体两个基本特性（压硬性和剪变性）的现代土力学理论自20世纪50年代初开始酝酿。随着认识的不断深化，人们已经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的描述，而是关注土体的更真实的力学行为。另一方面，电子计算机技术的发展为采用复杂模型提供了手段。思维和计算技术的变革为现代土力学的建立创造了主观和客观条件，而Roscoe等人的工作则直接导致现代土力学的诞生。

现代土力学（1963——2023?）：如果说有效应力原理是古典土力学的核心，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，古典土力学只能称之为弹性土力学。1963年，基于能量原理和相关联（即正交的）流动法则，英国剑桥大学的Roscoe等人，从金属的塑性屈服联系到土的塑性屈服，提出了著名的剑桥模型（Cam-clay Model），给出了完美的用于描述粘土应力应变

特性的弹塑性本构模型，这一模型可以全面考虑土的压硬性和剪胀性。剑桥模型是最著名的土的弹塑性模型，目前在土体的各种稳定性数值计算中仍被广泛采用。这一阶段人们对土的变形机制开展了广泛的研究，40年来的主要成就有：

（1）非线性模型和塑性模型的深入研究和大量应用；

（2）砂土液化机理的研究；

（3）土的细观力学的研究；

（4）损伤力学模型的引入与结构性模型的初步研究；

（5）非饱和土固结理论的研究。也在土工测试、原位试验方面和离心模型试验方面取得很大进展。经过40年的发展，现代土力学的基本轮廓已经开始清晰，有专家预言现代土力学的基本框架将在2023年左右形成。

发展态势：

（1） 非饱和土力学研究将成为焦点

迄今为止，所有取得的成熟的理论都局限于饱和土体。对于由固液气三相（还有人认为是四相：气液分界面也算一相）组成的非饱和土，其理论远远没有成熟。比如在应力状态变量描述方面、强度理论方面尚存在很多争议，人们试图将饱和土体的成熟理论推广到非饱和土体，然而却发现出现很多矛盾，基质吸力的影响是一个主要问题。非饱和土体的本构理论研究目前尚处于起步阶段。对非饱和土土性认识的不足、试验仪器和检测手段的落后（以至于得不到高水平实验数据）是目前制约非饱和土理论发展的主要原因。所以在今后的很长时间里，非饱和土强度理论、体变规律以及本构模型研究、仪器开发和研制仍是主流之一，很多问题亟待深化和统一。

（2） 岩土本构模型仍是热点

关于土的应力应变关系，人们提出的数学模型数以百计。然而能为实践所接受、应用比较广泛的也只有那么几种，如反映土的非线性弹性性质的Duncan—Chang双曲线模型和反映土的弹塑性性质的剑桥模型，以及Burland（1965）提出的修正剑桥模型等。究其原因，不难发现岩土本构模型研究的困难在于本构模型的多功能要求和简便性要求之间的矛盾。一种模型，人们总是希望它能够全面的描述土的基本力学性状：如压硬性、剪胀性、应力路径相关性等。对于砂土，还需要描述它的反向剪缩以及应变软化等。要描述的内容越多，模型参数也越多，越不容易推广，反之亦反。所以好的模型是在数学的表述和实践的应用上获得一种合理的平衡。本构理论的研究将为土工数值计算提供理论公式，并为预估岩土地基沉降和变形提供依据。任何理论的研究不可一蹴而就，尤其是岩土体本构模型的研究，没有大量的实践资料和坚实的理论基础，是断无成就的。在广义塑性力学的基础上，建立饱和砂土弹塑性本构模型具有极大理论和实用价值[7]。岩土动力本构模型也处于蓬勃发展中。在新的历史条件下，人们对于本构模型的研究会更理智，更科学，更注重试验的验证工作和理论模型的进一步简化，一些实用本构模型将会不断涌现。

（3） 环境土力学方兴未艾

环境岩土工程是一门交叉学科，覆盖了在大气圈、生命圈、地水圈、岩石圈以及地质微生物圈等各种环境下土和岩石及其相互作用问题［8］。主要有城市垃圾的填埋处理、土体的石油污染、核废料处理、沙漠化问题、海岸的浸蚀等。岩土工程本就复杂，随着人口增长、生活水平的提高和工业化进程，将变得更加复杂。

在各种环境条件下，目前用于分析图形的土力学原理和方法已经受到挑战，因此，环境岩土工程迅速崛起。自1986年召开第一届环境岩土工程国际研讨会至今，经过近20年的发展，已经形成两个重要分支：地质环境工程和生态环境工程。美国在这方面起步较早，连著名的ASCE刊物“岩土力学分册”也更名为“岩土工程与环境工程分册”。美籍华人方晓阳博士提出了一个用于分析各种环境条件下土性的统一方法——粒子能场理论，受到国际广泛关注。我国由于经济发展的原因，在环境岩土工程方面的研究刚刚起步，随着现代化程度的不断提高，这方面的问题已经突现出来，环境岩土工程正逐渐形成热点。

其它如土工试验和检测、地基加固技术和理论、土工数值计算及数学分析方法在新的世纪也将得到长足发展。

截止目前，已经召开了15届国际土力学与基础工程学术会议、9届全国土力学与基础工程学术会议，以及其它区域性土会议。这些成就标志这人们对于土力学理论的研究和实践正在走向成熟和完善。土力学作为独立的学科，已经走过了近80年的历程。80年，对一门学科来讲，犹如早晨八、九点钟的太阳，正处于蓬勃的上升时期。土体十分复杂，这既给本学科的发展增加了难度，也提供了广阔的发展空间。土力学学科有一些成熟的理论，但更多的是不完善、不成熟的东西，各个分支都有值得深入探究的课题。但从历史的角度审视学科的发展规律，有专家预测，经过百年的发展，到本世纪中叶，土力学学科必将在强度、本构模型、土工试验、数值计算等多方面产生重大突破，这是社会发展和科学发展的必然趋势。