清華大學李廣信：巖土工程的哲學思考92293課件

巖土工程的一些哲學思考清華大學1.前言2.東方哲學與西方哲學3.對象及主體間的關聯(lián)與轉(zhuǎn)化4.感性認識與理性認識－理論的價值5.一個永恒流動與變化的體系6.巖土工程的科學方法7.人與自然的和諧－巖土工程的任務主要內(nèi)容1.前言：巖土與人類人類最早接觸和最早使用的材料：舊、中、新石器時代的標志是人類使用巖土材料的水平；土與文化：幾大古文明中人類起源的傳說：不約而同地認為人是上帝（神）用土創(chuàng)造的；表土與人類文明：人類的幾大古文明的發(fā)生與衰落;土地與農(nóng)業(yè)：“普天之下，莫非王土”－權力與財富；朝代的更替；農(nóng)民戰(zhàn)爭農(nóng)業(yè)文明－土與水目前名川大河的中下游，土層深厚—形成農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、文化、政治中心海洋文化：三角洲文明（交通與信息）巖土與哲學的天然聯(lián)系。2.東方哲學與西方哲學亞里士多德已經(jīng)說過：這些較早的哲學家都設想原初本質(zhì)是某種物質(zhì)：空氣和水；后來赫拉克利特設想是火，但是沒有一個人設想是土，因為它的組成太復雜。（天然辯證法）一曰金，二曰木，三曰水，四曰火，五曰土；水曰潤下，火曰炎上，木曰曲直，金曰從革，土爰稼穡。（尚書·洪范）2.東方哲學與西方哲學西方哲學強調(diào)萬物的組成及分析，東方哲學強調(diào)萬物間的相生相滅。東方哲學崇尚宏觀與定性，主張感悟:陰陽、五行、八卦，經(jīng)絡；西方哲學崇尚精密與定量，強調(diào)理性:結構→構件→分子→原子－電子－光子－量子，以太。生物→器官→細胞→基因時空的無限性“天地玄黃，宇宙洪荒”（千字文）；“大哉乾元，至哉坤元，萬物資生，乃順承天”（易經(jīng)）；“道在天地之間也，其大無外，其小無內(nèi)?！保ü茏印ば男g）道生一，一生二，二生三，三生萬物。”（老子）“無限時間內(nèi)宇宙的永遠重復的連續(xù)更替，不過是無限空間內(nèi)無數(shù)宇宙同時存在的邏輯的補充?！保ㄗ匀晦q證法）地球－太陽系－銀河系－星云－無限宇宙；三種承載力設計理論1、容許承載力理論2、極限承載力理論－安全系數(shù)法3、極限承載力理論－分項系數(shù)法分項系數(shù)分項系數(shù)1·容許承載力理論在載荷試驗中可以由其比例界限確定；按一定沉降比人為規(guī)定，例如s/b0.001－0.0015在理論計算中可以由塑性區(qū)發(fā)展理論中的臨塑荷載pcr、p1/4、p1/3確定。按容許承載力理論確定的承載力，其沉降一般也會滿足要求，常常不需進行沉降驗算。在這種設計中，工程的安全性和可靠性是無定量的概念的。因而是一種經(jīng)驗的設計方法。臨界荷載pcr、p1/4、p1/3F塑性區(qū)地基的破壞與極限承載力3·極限承載力理論－分項系數(shù)基于可靠度理論的分項系數(shù)設計方法也是一種承載能力極限狀態(tài)設計方法。由于工程中的荷載和抗力都是隨機變量，有多少可能性使荷載大于抗力而失事是一個隨機事件，破壞的概率（可能性）決定于兩個隨機變量的均值（眾值，中值及某個分位值）及其分布。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度設計示意圖地基基礎設計中的三種荷載組合1·正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準組合；2·正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應的準永久組合3·承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合GB50007-2002的設計理論應用地基承載力－容許承載力：正常使用極限狀態(tài)荷載效應的標準組合；穩(wěn)定分析－單一安全系數(shù)：承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合，分項系數(shù)取為1.0;沉降（開裂）計算：正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應的準永久組合結構計算－可靠度的分項系數(shù)：承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合。巖土工程的不確定性土層剖面與邊界的不確定性；現(xiàn)場與實驗室?guī)r土指標的不確定性；現(xiàn)場原位應力與孔隙水壓力的不確定性；外加荷載及其分布的不確定性；巖土材料性質(zhì)的復雜性；應力變形的機理不清楚。計算理論和方法的不確定性；地基承載力設計理論的哲學基礎1、容許承載力理論2、極限承載力理論－安全系數(shù)法3、極限承載力理論－分項系數(shù)法可靠度設計在巖土工程中的失敗：可靠度的研究；樁基技術規(guī)范；歐洲的規(guī)范。東方哲學的勝利！東方哲學理念下的醫(yī)藥－中醫(yī)陰陽：陰虛陽虛；五行：肝木腎水；經(jīng)絡：穴位巖土工程與中醫(yī)望問切聞，綜合判斷；對癥治病，因地制宜；經(jīng)驗投藥，隨時調(diào)整；理論導向，實測定量，經(jīng)驗判斷，檢測驗證。概念設計與時空效應抗震設計：不壞、可修、不倒（不死）；樁基規(guī)范：變剛度調(diào)平、減沉疏樁；新奧法：設計、檢測、施工的一體化方法；地下工程與基坑施工的時空效應理論；－總之，是基于理論，依賴于經(jīng)驗的工作方法。一個復雜體系的認識L.A.Zadeh：“當系統(tǒng)的復雜性日益增加時，我們作出系統(tǒng)特點的精確而有意義的描述的能力將相應降低。”巖土工程中精確是一種奢求。土的本構關系模型的發(fā)展：“沒有為任何一個模型戴上王冠。”3.對象及主體間的關聯(lián)與轉(zhuǎn)化土的三大特性：碎散性：非連續(xù)介質(zhì)；多相性：固體顆粒、水、氣體三組成；變異性：長期地質(zhì)歷史的產(chǎn)物。互補率的破缺－亦此亦彼連續(xù)介質(zhì)，非連續(xù)介質(zhì)？固體，流體？強度與變形：古典土力學二者截然分開強度問題：經(jīng)典極限分析與極限平衡；變形問題：基于線彈性理論的分層總和法強度與變形的轉(zhuǎn)化土的強度，或者破壞是其應力應變過程的最后階段，即在微小的應力增量下，會產(chǎn)生很大（或者不可控制）的應變增量。因而破壞是應力應變關系的最后階段。變形與破壞的轉(zhuǎn)化ps滲流問題與強度問題間的轉(zhuǎn)化二者相互影響；在一定條件下隨可能是相互轉(zhuǎn)化的。滲流坡面抗滑穩(wěn)定分析：滲透水流以一定角度從砂土坡面逸出時當＝0，＝90時，流土（砂沸）！土中水與水中土問題的轉(zhuǎn)化前者土作為載體，土中水在其中運動，層流時服從達西定律；后者水作為載體，水中土成為懸移質(zhì)被挾帶裹脅運動，服從流體力學定律。推移質(zhì)介于二者間。幾個例子流土（砂沸）；管涌；流滑；液化；滑坡－泥石流；崩岸；流土管涌流滑泥石流液化4.感性認識與理性認識－理論的價值感覺到了的東西，我們不能立刻理解它；只理解有了的東西才能更深刻地感覺它；沒有理論指導的實踐是盲目的實踐。（實踐論）巖土工程實踐已經(jīng)有幾千年，而土力學成為一個學科才80多年，標志是什么？人與動物、實踐與認識狹義的動物也有工具，然而這只是它們的軀體的四肢，螞蟻、蜜蜂、海貍就是這樣。只有人才給自然界打上自己的印記?！?.隨著對自然界規(guī)律的知識的迅速增加，人對自然界施加反作用的手段也增加了。-（自然辯證法）鼠獺螻蟻與巖土工程水獺用樹的枝干和石塊在領地的河道上建造一座水壩，并發(fā)表了論文“高壩建造技術”；鼴鼠在草原下營造了復雜的地下工程系統(tǒng)，論文“蜀國的地下工程規(guī)劃”獲得最佳論文獎；白蟻在林地修建了一個3米高的蟻穴，出版了專著《大型地基基礎工程技術，槐陰國的地標－超高層建筑的巖土工程問題》。土力學學科的誕生太沙基認識到：鼠獺螻蟻也能建造土工建筑物，從事巖土工程的實踐。但是靠它們的本能和經(jīng)驗，而只有對客觀世界的深入理解和正確的理論描述才能夠上升為科學技術。于是他閉門思索和潛心試驗，提出了土的有效應力原理和單向滲流固結理論，1925年出版了《土力學和地基基礎》（ErdbaumechanikaufbodenphysikalscherGrundlage）一書。人們公認這標志土力學作為一門獨立學科的誕生。忽視理論受到報復鉆孔灌注樁施工：孔內(nèi)水位為什么要高于地下水位？土壩的邊蓄水邊填筑；弟頓壩的水力劈裂破壞；挖方施工－快！填方施工－慢！獻禮工程的事故；承載力理論的意義加拿大特朗斯康谷倉：

1913年9月裝谷物，10月17日傾覆，1173年動工1370年竣工1940年在軟粘土地基上的水泥倉的傾覆5.一個永恒流動與變化的體系一切僵硬的東西融化了，一切固定的東西消散了，一切被當作永遠存在的東西變成了轉(zhuǎn)瞬即逝的東西。整個自然界被證明是在永恒的流動和循環(huán)中運動著。陰陽：一分為二、陰陽交感、矛盾轉(zhuǎn)化、發(fā)展變化。5.一個永恒流動與變化的體系人不能過同一條河;我們不能用同一個土樣作一個完整的試驗：在每一瞬時，土的內(nèi)部結構、土的性質(zhì)都都不是前一瞬時的那個土了。非線性、彈塑性、剪脹性和與應力路徑有關的性質(zhì)。土的應力應變與組成、狀態(tài)和結構的耦合！DDA(discontinousdeformationanalysis)非連續(xù)變形分析DDA計算三軸試驗曲線正常固結粘土的固結與強度pe任一應力下的土樣都是不同的,它是不同密度和結構土樣強度的集合。各種土的本構關系的相通性應力變形－組成、狀態(tài)、結構之間的描述尺度：彈塑性模型：硬化參數(shù)H(pij);損傷模型：損傷變量w(ij);內(nèi)時理論模型：內(nèi)部時間變量z(ij).都是表明土在受力變形工程中的結構與狀態(tài)變化尺度。6.巖土工程的科學方法歸納和演繹；抽象和具體；外推和內(nèi)插；分析和綜合；概化和細化；類比與借鑒；移植與引進。歸納和演繹歸納：經(jīng)驗公式演繹：三段論式演繹論證：微分方程＋邊界條件→解答演繹推測：設計理論與方法＋設計參數(shù)→工作對象普遍適用的理論＋補充陳述→推論大前提小前提歸納法的錯誤實例平面應變方向的中主應力平面應變試驗歸納的結果不具普遍性違背虎克定律：<<<歸納法歸納法的錯誤實例對于很軟泥土，復合深度修正系數(shù)為0.8.dA=1演繹法的錯誤實例膨脹土地基的承載力膨脹力是引起膨脹土膨脹的原因原有的地基承載力公式?jīng)]有考慮膨脹力所以必須修改公式。<<<演繹法抽象和具體抽象性質(zhì)抽象——彈性和塑性關系抽象——虎克定律和達西定律具體誤用的原因：一般是補充陳述（小前提）有錯誤超過理論適用范圍補充條件有錯誤邊界條件錯誤設計參數(shù)錯誤人為的任意性，實際的困難性。經(jīng)驗理論具體化＝理論的應用抽象的意義對土性質(zhì)的認識

曾經(jīng)歷的四次飛躍壓硬性→摩擦定律→極限平衡理論排水壓密性→有效應力原理→固結理論剪脹性→劍橋彈塑性模型結構性→?具體化中誤用實例抗剪強度理論快剪＝不排水剪砂與碎石土使用固結不排水指標勘測資料失誤殘積土上多層建筑基坑地基土的快剪試驗強度指標與非飽和土吸力<<<具體化外推和內(nèi)插外推外推＝拓寬理論適用范圍一維 → 二維、三維線性 → 非線性飽和土 → 非飽和土內(nèi)插普遍適用的理論退回到有限范圍適用的理論 倫杜列克固結理論(1936)→Barron砂井固結理論(1948)參數(shù)與數(shù)值的內(nèi)插

分析和綜合

西方還原論的精華結構→構件→分子→原子生物→器官→細胞→基因分析實體分析：有限單元法，條分法，離散元法等成份分析：顆粒分析，化學分析總應力＝有效應力＋孔隙壓力注意兩點分析時出現(xiàn)而綜合時消失的，如滲透力綜合時存在而分析時消失的，如人體筋絡系統(tǒng)，地應力虛構的概念滲透流速，有效應力分析的關鍵是如何劃分<<<分析III土骨架水土體總重=土骨架浮容重+孔隙水？概化和細化概化數(shù)學分析略高階小量樁基計算中的剪切位移法地基土的滲透系數(shù)細化滲透系數(shù)由標量改為張量單一屈服面改為雙屈服面總應力分為有效應力和孔隙水壓力簡化或理想化＝略去次要因素細化＝增加考慮的因素類比與借鑒類比電擬試驗、光彈試驗，各種物理模型試驗滲透達西定律－電流的歐姆定律借鑒仿生學，優(yōu)化理論中的遺傳算法、螞蟻算法、樹根樁學科間的交叉正是為了發(fā)揮借鑒比擬＝從相似事物的比較中得出結果借鑒＝從其它事物的觀測中得到啟發(fā)移植與引進移植土壤學（吸力），混凝土（斷裂）的研究成果引進數(shù)學力學的一般理論如分形幾何、拓撲數(shù)學、損傷力學高新技術如數(shù)字技術，GPS移植＝直接引用相鄰學科的成果引進＝引入普遍適用的理論或方法引進和借鑒的三個原則以中國革命為例對應原則中國革命需要馬克思列寧主義馬克思列寧主義適合中國國情沒有死搬俄國十月革命的經(jīng)驗需要適合活用“需要”的原則帶著問題去取經(jīng)不要為引進而引進—屠龍術的笑話成功實例——塑性力學、遺傳算法；一維壓縮－穩(wěn)定系統(tǒng)（系統(tǒng)論）“適合”的原則殺雞不用牛刀—性價比最高原則復合載體夯擴樁成功實例—遺傳算法、許多半經(jīng)驗方法部分成功實例—壓縮曲線的雙曲線擬合有爭議的實例－有限元強度折減法壓縮曲線的擬合pelogpe“活用”的原則引進是再創(chuàng)新過程成功實例—經(jīng)典塑性力學：圓筒屈服面、圓錐屈服面帽子形屈服面σ1σ3σ1＝σ2＝σ3突變理論——應用案例H應變?nèi)趸瘏^(qū)段彈性性質(zhì)區(qū)段試錯與相關分析試錯法：確定性方法排除歸納法－因果關系研究假定幾種可能的原因通過演繹法推斷每一種原因?qū)霈F(xiàn)的結果與已經(jīng)發(fā)生的事實比較公安破案，醫(yī)生找病因，工程事故的原因分析相關分析：非確定性方法實例分析地震滑坡的擬靜力法地震滑坡原因液化引起的強度降低地震慣性力擬靜力法：地震慣性力理論—從結構動力學中借鑒實例分析地震滑坡的擬靜力法實例分析真空預壓機理4種假設水平位移垂直位移容重變化向外向下大氣壓力向外向下滲透力向內(nèi)向上有效應力增加向內(nèi)向下零壓線7.人與自然的和諧－巖土工程的任務天何言哉？四時行焉，萬物生焉。（論語·陽貨）道在天地之間也。（管子·心術）巖土工程對象的演變美國的土木工程師協(xié)會（ASCE）下所主辦的本學科期刊創(chuàng)辦時名為“土力學及基礎工程”（Soilmechanicsandfoundationengineering）；1974年以后更名為“土力學及巖土工程”（Soilmechanicsandgeotechnicalengineering），相應的學會也改成此名；20世紀90年代以后，期刊又更名為“巖土工程與環(huán)境巖土工程”（geotechnical&environmentalengineering）。人與自然的和諧－巖土工程的任務我國近20年來隨著國民經(jīng)濟和各類土木工程的快速發(fā)展，巖土工程建設空前興旺發(fā)達；但是，幾乎在同期，國際的巖土工程學科的領域和范圍發(fā)生了明顯的變化。隨著人們對