如何用好土力學.doc

如何用好土力學在學習和應用中應探求和了解隱藏在土力學公式后面的東西。在巖土工程這門半藝術(shù)、半科學的學科中，豐富的工程經(jīng)驗和良好的判斷能力與土力學的理論同等重要。任何土木工程的設計、建造和正常使用都離不開土力學理論的指導，而如何較好地、有效地應用土力學的理論，是剛畢業(yè)的土木工程專業(yè)的學生和青年工程師們所關(guān)注的問題。這一問題在經(jīng)典土力學時期（19251963）由Terzaghi、Casagrand、Peck等人多次論述過，但近些年，國內(nèi)好像忘卻了這一問題，而且在土力學的教學中又很少涉及這方面的問題，使得剛畢業(yè)的學生不懂得如何正確應用土力學的理論。本來這一問題由一些具有豐富工程經(jīng)驗和良好土力學理論水準的工程師來討論和評述會更好一些；但令人遺憾的是，到目前為止，國內(nèi)很少有這類文章發(fā)表，而對剛畢業(yè)的學生來說又很難接觸到老的文獻。因此，作為一名土力學教師，有責任再次提醒大家關(guān)注這一問題，以便使得青年土木工程師對土力學的理論有一個正確的認識和看法。土木工程專業(yè)的學生在學完鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)以后，會產(chǎn)生這樣一種印象，認為土木工程結(jié)構(gòu)都可以根據(jù)預先對建筑材料力學性質(zhì)（例如材料的剛度、強度等）的假設來進行計算和設計。例如，對房屋或橋梁的設計，只要把土力學理論掌握好，再加上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的知識，就可以基本解決其中的結(jié)構(gòu)設計問題。理論在這里處于主要地位，而經(jīng)驗只居于次要地位。這些理論計算結(jié)果之所以可信，是因為所使用的建筑材料的不確定性相對較?。ㄅc土相比），它們的邊界條件和材料的力學性質(zhì)都是比較簡單和確定的，力學模型也能反映它們的工作狀態(tài)和力學行為。因而在鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設計中，按預先的假設進行計算和設計，通常是可行的，其計算結(jié)果和實際的誤差一般不大，這在工程上是可以接受的。所以，結(jié)構(gòu)工程師可以不管其建筑材料是如何試驗的，通常把注意力都集中在上部結(jié)構(gòu)的美學、功能、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)計算上，而把建筑材料的試驗、檢測和力學參數(shù)的獲取交給別人去做。一名剛畢業(yè)的土木工程專業(yè)的大學生可以按照規(guī)范、標準和標準的設計過程進行上部結(jié)構(gòu)的設計，這樣雖然不能做到十分完美，但至少可以保證安全。與此相對照，土工工程師即使很好地掌握了土力學的理論知識，但他如果缺少工程經(jīng)驗和判斷力，缺少對實際土性的了解，則就很容易出現(xiàn)問題和發(fā)生工程事故。土跟其他建筑材料（一般建筑材料的力學性質(zhì)和質(zhì)量是可控制的）不同，它不是人工制造的，而是長期自然風化與沉積的產(chǎn)物；它一般是不均勻的（不論在水平向或豎向一般都不均勻）；它又是三相體，其物理和力學性質(zhì)非常復雜，不確定性非常大。由于土的這種不確定性，從鋼、鋼筋混凝土過渡到土，設計過程和方程不再像鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)那樣靈驗和準確了。其原因在于，（1）自然形成的土一般都是非均勻的；（2）如前所述，土的物理力學性質(zhì)太復雜，難以準確的用數(shù)學模型描述。另外，靠少數(shù)樣本點難以真實描述整個場地的物理力學性能；（3）土的邊界條件難以確定，室內(nèi)試驗難以準確描述現(xiàn)場的實際情況；（4）難以高質(zhì)量地獲取土的參數(shù)?；谏鲜鲈?，對土力學公式也不能像其他力學公式那樣去認識和理解。在土力學中，任何公式或計算機程序的計算結(jié)果的準確性從不會超過粗略或大致的估計。土力學的理論可以告訴我們，在進行計算時需要用到哪些參數(shù)，通過鉆孔取樣并進行室內(nèi)試驗可以得到這些參數(shù)；但由于取土的擾動，土的狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，而這種變化對計算結(jié)果和試驗結(jié)果的影響也只能由經(jīng)驗得知。因此，理論和現(xiàn)實的差距只能通過經(jīng)驗來估計和判斷。在土力學的理論初建時，開創(chuàng)者會敏銳地認識到其理論所包含的大膽假設及其適用場合和應用范圍。在最初使用這些理論時，沒有人愿意僅在表面或形式上接受它們。多年后，這些理論被寫成教科書并傳授給大學生們，這時它們表現(xiàn)出形式和教條的特征。而學生也被這種形式特征所吸引，忽略了隱藏在這些公式和規(guī)律背后的背景知識和真正實際內(nèi)涵。而且這些理論一旦出現(xiàn)在大學的考試卷上，就變成了被盲目相信的可怕的神圣信條。很多接受大學土力學教育的學生和青年工程技術(shù)人員認為，土力學理論和室內(nèi)試驗構(gòu)成了土力學的全部內(nèi)容，但他們不知道經(jīng)驗和判斷力的重要性。他們對土力學教科書的內(nèi)容和公式較熟悉，但對其在實際應用中的適用性、誤差范圍和不確定性卻缺乏必要的了解。在土工設計時，他們迅速地從土力學教科書中選出針對所處理問題的公式，并主觀的斷定所選公式是正確的，根本不考慮它的局限性和適用范圍；并且在選用土工參數(shù)時，他們甚至不看土樣，僅滿足于別人提供給他們的勘測資料和設計參數(shù)，而忽略了隱藏在這些資料和參數(shù)后面的粗糙性和離散性。像這樣處理土工問題，遲早會出現(xiàn)事故和問題的。做過土工試驗的人都會知道，即使是同一土樣，采用同一實驗方法和同一實驗儀器，獲取同一參數(shù)，不同的人所做的試驗也會得到不同的結(jié)果，尤其是剪切強度的試驗結(jié)果，其離散性更大。也有很多人看到土力學教科書的缺陷，進而否定了土力學理論對土工實踐的指導作用，并轉(zhuǎn)而夸大和過分依賴經(jīng)驗和判斷的作用，有時甚至無知地蠻干。這樣做也是片面的，它使我們退回到1925年經(jīng)典土力學誕生以前的年代。關(guān)于如何應用土力學的理論，Terzaghi曾指出，土力學的內(nèi)容只有在工程判斷的指導下才能被使用。除非已經(jīng)具有這種判斷能力，否則不會成功地應用土力學理論。如何積累工程經(jīng)驗和培養(yǎng)工程判斷的能力？這種經(jīng)驗和判斷能力很難在課堂上獲得，它是工程師經(jīng)過多年的土工現(xiàn)場鍛煉，并有意識地在處理不同困難的土工問題中積累經(jīng)驗和增加對土的感性認識后，才逐漸建立起來的。這個過程分為3個步驟：（1）分析與預測；（2）現(xiàn)場觀測；（3）對分析、預測和現(xiàn)場觀測結(jié)果進行比較、分析、評估和總結(jié)。只有通過第3步才能總結(jié)和積累起經(jīng)驗和判斷能力。而在目前一些實際工作中通常缺少第2步或第3步，所以很難積累起有意義的經(jīng)驗和判斷能力。很多有造詣的工程師就是靠在第3步中的積累而有所成就的，但第3步是在第1步和第2步的基礎(chǔ)上才能進行。在這方面，土工工程師有些好像外科醫(yī)生。一名剛從學校畢業(yè)的外科醫(yī)生，雖然學到了一些抽象的理論知識；但要想成為一名成功的有水平的外科醫(yī)生，還必須經(jīng)過多年的臨床實踐和經(jīng)驗積累，才能做好各種手術(shù)，成為一名杰出的外科醫(yī)生。土木工程師的成長也完全類似于外科醫(yī)生，他必須經(jīng)過多年的土工實踐，并有意識地利用已學得的理論去分析實際工程問題，在這過程中積累經(jīng)驗和判斷力。當然這一過程可以加速或縮短，即可在有豐富經(jīng)驗和高水平的工程師的指導下，盡可能多的參加不同困難問題的設計、施工和處理，迅速的積累經(jīng)驗和判斷能力，從而可能在不太長的時間內(nèi)成為出色的富有經(jīng)驗和判斷力的工程師。為了正確的應用土力學理論，還要求熟悉土性，熟知勘察、取樣和試驗方法及其離散程度，至少應該知道工程場地土的實際分類情況。如果不熟悉上述諸方面的內(nèi)容和方法，則可能從低劣的鉆孔、取樣和不令人滿意的室內(nèi)試驗中得到扭曲的錯誤信息，從而導致設計失誤和工程事故。土工工程師如果完全相信鉆孔勘察和室內(nèi)試驗的結(jié)果，而沒有認識到這些結(jié)果的粗糙性和不確定性，那么這不僅說明他缺乏實際經(jīng)驗，而且可能會帶來嚴重后果。優(yōu)秀的土木工程師必須堅持進行可靠的勘察和試驗，必須知道不良的勘察結(jié)果會導致怎樣的后果。必要時，可以做兩組平行的勘察工作，以避免大的誤差和減少不確定性。一個有豐富經(jīng)驗和良好判斷力的工程師，由于其非常熟悉土性，僅憑目視和手工探查就可以大致判斷場地土在土的塑性圖中的位置和它的分類。而且對于一個經(jīng)驗豐富的土工工程師來說，土的塑性圖就好像一張地圖，他對圖內(nèi)每個區(qū)域中的土所具有的工程意義和工程性質(zhì)及其分類劃分都了然于心。很多關(guān)于土工的知識都來自于文獻閱讀，如何進行文獻閱讀是青年土工工作者首先應該培養(yǎng)的良好習慣。目前的土工文獻正在以指數(shù)的形式迅速增長，有經(jīng)驗的讀者都會感覺到，讀得越多就會更加認識到所讀內(nèi)容大部分都是無用的或錯誤的拓展，甚至其中有些就是錯的。因此，讀者應該學會批判性閱讀，所謂批判性閱讀就是在閱讀文獻時，讀者應學會找出它的不足或缺點，也就是挑毛病。當然這種毛病不是無足輕重的小毛病，如文字或某一局部的無關(guān)緊要的毛病，而是一些重要的缺點或不足。例如，它的基本假定是否恰當，對這些假定能否做更進一步的更符合實際情況的假定，其考慮是否全面，如采用更好的方法能否得到更好的結(jié)果，還有什么地方可以做更進一步的改進等。通過批判性閱讀，讀者就可以從中找到真正的有用知識。通過長期的批判性閱讀訓練，就可以逐漸地培養(yǎng)閱讀的經(jīng)驗和判斷力。另外，在當前的巖土工程文獻中，可以有趣的發(fā)現(xiàn)在很多文獻中計算分析結(jié)果與其實測或試驗數(shù)據(jù)吻合得非常好。有經(jīng)驗的巖土專家都知道，巖土工程的不確定性是非常大的，計算分析結(jié)果與實測或試驗數(shù)據(jù)吻合得非常好，這不但不能說明理論計算結(jié)果的正確性，反而說明它可能有問題。如果對這種吻合得非常好的結(jié)果進行考察，可以無一例外地發(fā)現(xiàn)實測或試驗數(shù)據(jù)是被首先得到的，而計算和分析是其后的結(jié)果。也就是說，假如計算分析的結(jié)果與實測或試驗的數(shù)據(jù)差別較大，通?？赏ㄟ^調(diào)整輸入?yún)?shù)來減少這種差別，直到吻合較好為止。很少有人先進行計算和分析并得到預測結(jié)果，然后再拿實測或試驗結(jié)果與之進行比較分析的。下面討論精確數(shù)學模型在土力學中的應用問題。在一般結(jié)構(gòu)分析中，因材料的力學性質(zhì)簡單，不確定性小，用精確數(shù)學模型分析一般會獲得較為精確的結(jié)果。但是，就土這種材料而言，因其不確定性非常大，這里情況發(fā)生了很大的變化。由于場地土性和其參數(shù)的勘察結(jié)果的精度與準確性很差，即使采用了很精確的數(shù)學模型，但因輸入?yún)?shù)的精度不能與之相匹配，其計算結(jié)果同樣很差。而且往往會造成這樣一種錯覺，即認為采用了精確的數(shù)學模型計算的結(jié)果也一定會更好，更可靠。這可能誤導人們的注意力，使人們忘記了精確的數(shù)學公式也會出錯的可能性。只有當輸入?yún)?shù)的質(zhì)量和精度很高，并且與精確的數(shù)學模型相匹配時，才有可能得到較為準確的計算結(jié)果。這里還需要注意的是，精確的計算模型需要正確地反映土工問題的實際情況，才有可能得到較好的結(jié)果。Casagrande對實際應用土力學，建議了以下幾條要求。（1） 具有很好的理論知識，包括土力學、工程地質(zhì)及工程實用土力學。（2） 培養(yǎng)出色的工程判斷能力，它是由豐富的