土力学学术论文篇二
土力学发展概况
摘 要：随着社会的高度现代化，土力学在工程上的应用范围越来越广，人类对土力学的研究也更加的深入。本文通过回顾土力学发展历程，分析当前土力学研究的缺陷，包括土力学经典理论的局限性，非饱和土力学研究的缺陷性，动荷载作用下土体研究的不成熟性。最后结合土力学研究的缺陷，对今后土力学的发展提出预测。
关键词：饱和土 非饱和土 动荷载
中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2014)04(b)-0225-01
土力学是运用工程力学的理论和方法来研究土体力学性质的学科[1]。它在实际工程如地基、挡土墙、土工建筑物中都有重要的应用。研究土力学，对我们从事土木工程活动的人士来说具有重要意义。本文根据土力学发展历史，分析当前土力学研究缺陷，预测土力学未来的发展。
1 土力学的发展历程
土力学历史悠久，起源于人类生产生活所积累的经验，古时候人们用压实土料修筑堤坝防洪，用夯实土基兴修各类工程等均属于土力学的范畴。近代土力学的发展开始于1776年库仑土压力理论的提出[1]。此后，1856年法国科学家达西发表了著名的达西渗透定律，1857年英国科学家郎肯发表了郎肯土压力理论，这些理论促进了近代土力学的发展。1925年太沙基提出了有效应力原理及渗透固结理论，从此土力学成为一门独立的科学。1950年后人类在土的基本性质、测试手段、计算技术、加固方法等方面均有较大发展。1980年后，土力学出现了新的分支，如计算土力学[2]，海洋土力学等。
土力学自成立以来经历两个发展阶段。第一阶段即1925年―1960年的近代土力学阶段，这一阶段土力学都是以太沙基理论为基础而展开研究的，但由于该理论过于片面，土体性质过于复杂，导致很多问题无法深入研究。第二阶段即1960年后的现代土力学阶段，以罗斯科为代表的临界土力学创立，从此人类对土体本构关系的研究步入了新的境界。人们开始综合考虑研究土体受力后的应力、应变、强度、稳定性以及它们和时间之间的关系[3]。
2 土力学当前发展中存在的问题
纵观土力学的发展历程，虽然取得了很大的进步，但是仍然存在着不少问题。
2.1 土力学理论不够完备
土力学是一门以实验为基础的理论学科，但是由于土体性质复杂，到目前为止，仍处于半经验办理论的发展阶段，未能形成公认的基础理论。太沙基把土体的压密和渗透结合起来推导出的一维固结微分方程能很好的反映土体单向固结的机理，但是在多维固结问题上并不适用。比奥固结理论能解出孔压分布，给出位移场，获得土体应力应变非线性、弹塑性和骨架的流变情况，但是参数确定的偏差会导致工程计算结果和实际测量结果差别很大[1]。所以这些理论都有自身的局限性，不能符合一般土体受力状态下的性能。
2.2 解决非饱和土问题方法欠缺
传统土力学理论只适用于解决饱和土的问题，其规律也是根据饱和土试验得出。然而工程中遇到饱和土的情况十分罕见，即使是软土地区，其表层土也不会是饱和的。将处理饱和土的方法应用于非饱和土不是很妥当，因为土的特性随其含水量有很大的不同，如膨胀土遇水后体积会膨胀，而失陷性黄土遇水后体积会收缩，而且它们的强度也会因遇水而降低[3]。于是有人提出了非饱和土强度理论，这些理论都是以吸力及为计算依据，但是由于吸力测试技术不够成熟，存在很多问题，不能被广泛采纳。
2.3 动荷载作用下土体规律的研究还不成熟
研究动荷载作用尤其是循环动荷载作用下土的力学特性，在道路的建设和维护方面具有重要意义[4]。尽管国内外开展了不少这方面的研究，提出了相关理论，但是动荷载作用下土体的变形、强度、以及液化规律比静荷载作用更复杂、更难把握，所以相关研究结论适用条件和范围都很有限，理论就更不成熟了。
3 土力学发展方向预测
土力学是研究土体特性的学科，土是经过漫长的地壳运动而形成的，不同地域的土其成分有很大的差异，即使是同一地方的土因所处的地层不同性质而相差很大，而且土的构造和结构对土的性质也有至关重要的影响，因此土的特性很强。土有的时候是饱和的，有的时候是不饱和的，有时可以看成是连续的介质，有时又不能看成连续的介质，它具有弹性、粘性和塑性等性能，这些都说明了土体的性质十分复杂。因此研究土力学需要采用理论、试验相结合的方式。
3.1 土的微观和细观研究
土是由固、液、气三相组合而成，土颗粒之间固液气三相的相互作用决定了土的力学性质区别于其他一切材料。土体强度、变形的宏观规律是与其微观结构直接相关的，通过微观试验研究，以探究土的非线性、弹塑性、各向异性、流变性等问题，可以更清楚的认识宏观规律的机理，从而初步把握其宏观规律。因此，微观和宏观相结合有可能使土体力学特性的研究出现转机。
3.2 土体的原位试验和无损探测
室内试验和原位试验之间存在着不可忽视的差别，室内试验时，压缩模量是在无侧向变形条件下测出的，而土的初始应力状况与沉积条件有关;在完全相同的条件下测量土的沉降量，试验结果表明压缩模量越大的土，它的计算沉降和实测沉降相差越大[3]。现有原位实验方法如标准贯入试验，触探试验只能用于小型工程，钻孔取土愈深，土的结构破坏愈大，试验结果的可靠度也就越差。因此发展更加先进的测探技术，可以克服取土后土结构的巨大变化和应力状态的改变，能大大提高试验结果的精确性。
3.3 非饱和土的研究
非饱和土力学理论之所以没能像饱和土力学理论一样同步发展，最主要的原因是影响非饱和土性质因素众多，关系复杂，它很难像饱和土那样找出应力应变之间一一对应的关系。此外非饱和土特性测试技术难度比饱和土大得多，这进一步制约了非饱和土理论的发展。由于非饱和土中存在气体，较之饱和土性质大有区别而且更加的复杂，研究非饱和土中固、液、气之间的相互影响关系成为解决非饱和土问题的重要出路。今后非饱和土的研究将着重于土体表面吸力的测定，土-水特征性能表征等方面。
4 结语
正如太沙基所说：土力学既是一门科学，又是一门艺术[1]。工程实践经验具有不可替代的重要意义。随着科技的进步，各种研究方法和手段不断进步，各种各样的工程勘察设备和试验设备得以研制，电子计算机的应用水平和实验测试技术的自动化程度不断提高，今后土力学的发展将呈现蓬勃的朝气。
参考文献
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韦昌富，1965年生，博士，研究员。2006年入选中国科学院“百人计划”，并于2008年获得中国科学院“引进海外杰出人才计划”的择优支持。现任职于中国科学院武汉岩土力学研究所，为岩土力学与工程国家点实验室副主任。长期从事多相孔隙介质理论及其应用方面的研究，在多相孔隙介质连续理论、含天然气水合物沉积物力学特性、非饱和土力学等方面已取得多项重要的研究成果，其中包括：（1）揭示了多相孔隙介质连续理论的Lagrange结构，证明了该类理论与Biot多孔介质理论在一般意义上的等价性，并建立了能够模拟孔隙介质多相、多组分、多场耦合问题的理论框架；（2）奠定了模拟毛细滞后问题的热力学基础，建立实用的毛细循环内变量模型，并提出了能系统地描述非饱和-的弹塑性变形和毛细循环过程耦合效应的本构理论；（3）建立了模拟微观、细观与宏观孔隙流动之间的跨尺度关联效应的理论模型，即多孔介质的非平衡流动理论模型，提出了确定多孔介质局部结构的声波探测技术以及快速确定非饱和水力学参数的有效方法。 发表论文80余篇（被SCI他引70余次），授权专利8项，省部级自然科学一等奖1项（排名第三）。国际土力学学会非饱和土分会理事，中国力学学会岩土力学专业委员会常务委员、中国爆破工程协会理事、湖北省力学学会常务理事，兼《岩土力学学报》编委。 卢宁（Ning Lu）博士，美国科罗拉多矿业大学教授，讲授“非饱和土力学”与“水文学”等课程。研究方向为非饱和土力学，渗流一应力耦合作用及浅层滑坡的监测、分析与预测。他提出的吸应力与统一的有效应力原理，将非饱和土力学与传统的饱和土力学有机地结合在一起，是非饱和土力学领域标志性的成果。他主持研制的“土壤水分特征曲线和渗透系数实验室快速测量仪器”，使得非饱和细粒土脱湿、吸湿参数的测量时间大大缩短，促进了非饱和土力学的发展。他将非饱和土力学理论运用于浅层滑坡的监测和预测中，取得了非常好的效果。他分别于2007年与2010年获美国土木工程师学会Normal Medal奖和J．James Croes Medal奖。William J．Likos博士美国威斯康星大学土木与环境工程系副教授，讲授“土力学”与“土质学”等课程。他曾是美国地质调查局的一名岩土工程师。他发表了多篇与非饱和土、膨胀土相关的论文。他是Geotechnicot Testing Journal主编，美国土木工程师学会、黏土矿物学会会员。他分别于2005年与2007年获美国土木工程师学会Arthur Casagrande奖和Normal Medal奖。
摘要：本文简要论述了环境岩土工程的定义，环境岩土工程中的基本观点以及以及环境岩土工程的研究现状，并对我国环境岩土工程进行了展望。 关键词：环境岩土工程 研究 随着和、的迅速，人们越来越意识到人类活动对环境产生的两个负面：环境污染和生态破坏。因此，应运产生了一门新兴学科——环境岩土工程学。它既是一门性的工程学，又是一门学。它把技术和、经济和文化相结合的跨学科的新型学科。 1.环境岩土工程定义 环境岩土工程（EnvironmentalGeotechnology）一词，源自1986年4月美国宾州里海大学土木系美籍华人方晓阳教授主持召开的第一届环境岩土工程国际学术研讨会，并在其著名的“Introductory Remarks on EnvironmentalGeotechnology”论文中，将环境岩土工程定位为“跨学科的边缘，覆盖了在大气圈、生物圈、水圈、岩石圈及地质微生物圈等多种环境下土和岩石及其相互作用的”，主要是研究在不同环境周期（循环）作用下水土系统的工程性质。 2.环境岩土工程研究的及分类 环境岩土工程是研究应用岩土工程的概念进行环境保护的一门学科。这是一门跨学科的边缘学科，涉及面很广，包括：气象、水文、地质、农业、化学、医学、工程学等等。 环境岩土工程研究的内容大致可以分为三类： (1)环境工程。主要指用岩土工程的方法来抵御由于天灾引起的环境问题。例如：抗沙漠化、洪水、滑坡、泥石流、地震、海啸等。这些问题通常泛指为大环境问题。 (2)环境卫生工程。主要指用岩土工程的方法抵御由于各种化学污染引起的环境问题。例如城市各种废弃物的处理、污泥的处理等。 (3)人类工程活动引起的一些环境问题。例如在密集的建筑群中打桩时，由于挤土、振动、噪声等对周围居住环境的影响；深基坑开挖时，降水和边坡位移等。 3.环境岩土工程研究中基本观点及研究方法 补充： 3.1 基本观点 (1) 岩土 实践的范围是地球表层, 而地球对于宇宙来讲是一个子系统, 它的变化受其他子系统的影响, 它们之间有物质和能量的交换, 是一个开放的系统; (2) 资源是有限的。 我们 只有一个地球 , 并且随着人口的增长, 资源与人口相比越来越小, 所以我们应实施 可持续发展战略 , 而不能盲目地掠夺式地利用, 以防止对环境造成不利的影响; (3) 人类无计划的活动会毁灭人类自身; (4) 界在不断地变化, 有一些直接危害人类, 反过来人类要避开危害, 就必须采取措施; (5) 虽然 岩土工程 曾带来一些消 极影 响, 但它是由于人类认识上的片面性和的局限性造成的, 所以从上讲, 所有的环境岩土工程问题是可以解决的, 但它依赖于人们 环境意识 的提高, 岩土工程技术的进步和法制建设的健全。 3.2 研究方法 环境岩土工程是一个系统工程。它涉及许多学科领域, 所以在研究中应从学科间的交叉处着眼, 以辩证的观点和解决问题。 其次, 应用岩土工程的观点去改善环境, 使其更符合人类的生存需求。 4.环境岩土工程与相关学科的关系 与环境岩土工程相关的学科有: 工程地质学 、岩土力学、岩土工程学、地质工程、环境工程 地质学 。 工程地质学的基础理论是地质学, 指导它的理论主要是自然历史观1 它的基本理论是认为地质成因和演化过程决定地质体的工程特性, 相应地在研究方法上就是从地质体局部特性的研究, 探索地质体在生成时的地质环境以及形成地质体的地质作用和演化过程, 从而在整体上认识和把握地质体的组成和结构以及发育, 并进一步探讨和预测它在工程建筑物作用下的表现和工程行为。 工程地质学的服务对象完全是人为设计, 人为施工的建物。 这一应用性决定了工程地质学的边缘性、交叉性和综合性等特性。 所谓边缘性指它处在地质学科的外层, 位于和 工程学 科接壤的部位。 所谓交叉性表明在它的学科发展中不断吸收工程学科的理论、概念和方法, 并和地质学结合起来。所谓综合性是指工程地质学的目标是解决问题, 它是借助于地质学各基础学科的成就来综合地工作的. 补充： 岩土力学、 岩土工程 和 工程地质学 在研究对象和目标上有很大的相同之处, 是密切相邻的学科。但是岩土力学属于力学学科的边缘, 而岩土工程属于 工程学 科的边缘1 虽然对 岩土 的地质认识是建立岩土力学模型和本构关系的重要基础, 但岩土力学更偏于模型及建模后的力学研究。 岩土工程是将岩土作为工程结构物的一部分工程学科。不过岩土力学和岩土工程与其他的力学或工程学科相比, 需要更多 地质学 科的支持, 或者说更需要与地质学科的结合。 5.环境岩土工程的研究现状 20世纪50-60年代公害事件的显现，人们不断探索，反思，并已取得了基本的共识。国外对环境岩土工程的研究主要集中于垃圾土、污染土的性质、理论与控制等方面，而国内则在此基础上有较大的扩展，就目前涉及的问题来分，可以归纳为两大类：第一类是人类与自然环境之间的共同作用问题。这类问题的动因主要是由自然灾变引起的。例如 地震灾害 、土壤退化、洪水灾害、 温室效应 等。这些问题通常称为大 环境问题 。第二类是人类的生活、生产和工程活动与环境之间的共同作用问题。它的动因主要是人类自身。例如 城市垃圾 、工业生产中的废水、废液、废渣等有毒有害废弃物对生态环境的危害；工程建设活动如 打桩 、 强夯 、基坑开挖、 盾构 施工对周围环境的影响；过量抽汲地下水引起的 地面沉降 等等。有关这方面的问题，统称为小环境问题。 6.环境岩土工程的展望 20世纪90年代后，我国进入了大规模工程建设时期。从沿 海地 区开始，逐步向内陆扩展， 高层建筑 、地铁、道路、隧道等等的建设以及 城市化进程 步伐的加快向环境岩土工程不断提出新的挑战。同时，环境的变化，地震、 洪涝灾害 的频频发生，温室效应的加剧， 水土流失 ，土壤退化等大环境，也引发了一系列新的环境岩土工程问题。相对 发达国家 来说，我国的岩土工程工作者面临更为艰巨的任务。一方面，我国正处于大规模工程建设时期，有许多 工程问题 需要解决;另一方面，基于 可持续发展 要求，我们面临严峻的 环境保护 与治理工作。在环境岩土工程问题上，未来几年应重点并解决下面几个问题。其中，西部问题，包括生态环境建设与保护区域稳定性与地下工程。东部问题，包括大城市地面变形不稳定性、悬河化 水资源 、水环境等。在一些方面还急需解决的问题如下：卫生填埋场的设计问题;大规模工程建设的区域环境岩土工程问题评估;城市施工环境岩土工程问题;岩土工程手段在环境的治理中的应用等。 补充： 具体是这样了自己慢慢看把
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