现代土力学理论工程应用最后一公里的思考

现代土力学理论工程应用最后一公里的思考

—写于《现代土力学理论探索与实践》出版发行之际

杨光华

以计算机技术的发展和土的本构模型为标志的现代土力学已取得了辉煌的成就，可以进行弹塑性非线性等复杂计算。土的本构模型研究从1963年剑桥模型发表以来已超过半个世纪，建立了众多的土的本构模型，然而，实际工程应用中仍是以传统的半理论半经验的线弹性模型方法为主，这是与现代土力学理论的发展很不相称的。根本原因是什么呢？或者是影响现代土力学理论工程应用的最后一公里是什么呢？应该是两个原因，一是工程中土体分布的勘测精度，这应该是通过增加勘测量、改进勘测手段来解决 ；二是缺乏实用的本构模型。土的本构模型虽然众多，但能在实际工程中被信赖的可靠模型缺乏，核心是缺乏可用的本构模型，关键是土的本构模型的参数确定不可靠。目前土的本构模型存在参数多，工程中试验确定繁复，难以获得可靠的参数，从而影响计算结果的可靠性。因此，解决现代土力学理论的工程应用，促进现代工程建设的进步，提高设计水平，关键是解决土的本构模型的实用性，实质是解决本构模型参数的合理确定。通常土的本构模型参数是由室内试验确定，而室内土样存在取样扰动等的影响，使室内试验结果与原位土的结果不符，尤其是结构性较强的土体，这样，使依据室内土工试验确定参数的本构模型较难预测实际工程的受力变形，难以用于工程设计。发展模型参数少，方便确定，参数稳定可靠的实用本构模型，或发展依据原位试验确定参数的本构模型，应该是解决现代土力学理论工程应用的关键一公里。

《现代土力学理论探索与实践》所介绍的就是关于现代土力学理论如何应用于解决实际工程问题的探索：发展了新的本构理论—广义位势理论，使建立土的弹塑性本构模型变得简单容易，只需拟合应力应变试验曲线即可；发展了参数少、物理意义明确、可用原位压板载荷试验确定参数的简单实用本构模型，模型只需要土的三个参数，粘聚力c、内摩擦角 和初始切线模量E_t0，使计算结果能更符合实际，能计算地基基础的荷载沉降非线性变形全过程的p-s曲线，发展依据荷载沉降过程的p-s曲线进行地基基础设计的新方法，实现变形控制设计；发展了以e-p曲线为基础，以有效粘聚力、有效内摩擦角和压缩模量E_s1-2建立实用本构模型进行软土非线性沉降计算的方法；发展了以桩土变形协调为基础的复合地基承载力和沉降计算的方法，可以更科学的计算复杂条件下复合地基的承载力和沉降；发展了以增量法为代表的、能全面模拟施工全过程支护结构受力和变形的现代深基坑支护计算方法；基于实用本构模型，发展了边坡分析的应力位移场法，可以更全面的认识边坡的破坏过程和形态，可以依据应力场对局部高应力区进行针对性加固，获得更有效的加固效果，依据位移与安全系数的关系，进行更科学的预警防灾。这些工作的基础就是充分利用现代计算技术和土的本构模型这一现代土力学理论的核心内容，依据参数简单易确定的实用本构模型来实现现代土力学的工程应用。因此，我估计，解决现代土力学理论工程应用的最后一公里，关键是要建立参数易确定的实用本构模型。

写于2021年6月28日，广州。

附李广信老师所写的序。

序

在我国的岩土界，埋头于学术理论研究和从事岩土工程实践的两群人似乎有些隔阂与疏离。大批在岩土工程实践中工作的岩土技术人员，适逢我国空前绝后的土木工程建设高潮，投身于高楼大厦、长桥深洞、高坝巨库的建设，取得了丰富的经验和阅历，但也有偏重经验，忽视岩土理论和基本概念的问题。随着一些重视理论，概念清楚的老一辈大师们垂垂老矣，这方面的问题显得更突出。我国颁布的一些岩土工程标准规范就反映出这个问题。而在大学里也有偏重于深奥的公式，繁复的算法的学者，他们关注于SCI的期刊，而不是大量涌现的工程问题。

杨光华教授则是文革后的一代大学生中在岩土界为数不多的能把理论与工程实践结合得非常出色的专家。在其上世纪80年代初的研究生学习期间， 正值土的本构理论模型研究高潮，他以固体力学专业参与了这一研究领域，充分发挥其数学力学基础好的优势， 在随后的长期岩土工程的实践中，总是能在不同于一般工程技术人员的高度理解与认识工程所遇到的问题，并从中发现重要的科学问题，开展深入的研究，取得新的成果，并用于更好的解决工程实践中的问题。例如他通过观察深基坑支护的受力过程，提出了支护结构计算的增量法，成为目前工程设计中广泛应用的方法；通过数学的方法，从更高的角度理解土的本构理论，提出了更具普遍性的建模理论—广义位势理论；从现场压板载荷试验与基础受力的相似性，提出计算地基沉降和确定地基承载力的新方法，破解地基沉降算不准的难题。这些都是理论与实践结合所产生的非常精彩的创新成果。

说起土的本构关系数学模型研究，很多工程技术人员总是敬而远之，认为那是脱离实际的纯理论研究，复杂、深奥而无用。但我记得有一个很有影响的土力学专家讲过：“如果把土的本构关系理论搞清楚了，对各种土的工程问题都会有更深入、更清楚地理解”。当然，前提是不把土的本构模型研究只当作发表论文的途径。

上个世纪60年代兴起的土的本构关系理论研究热潮的一个值得关注的突破就是缝补了经典土力学中土的变形与土的强度之间的割裂。使人们认识到，作为由碎散颗粒组成的土，在其承载与试验中受力变形，其物理状态与力学特性是耦合的，亦即其变形同时引起物理状态与力学特性的变化，这是一个过程，所谓土的本构关系就是一个过程的描述。其变形特性而非只由其受力状态所决定，也受应力路径、应力历史影响。在这个过程中，变形与破坏，刚度与强度都处于过程的不同阶段。所谓土的强度，就是这样的阶段：土在被施加一个微小的应力增量后，将发生无限大或者不可控制的变形增量，亦即强度是土的受力变形的最后阶段。

在土力学中，“概念”是对于土性的基本认识，正如顾宝和大师所说：“概念是科学原理的内核，岩土工程的重大失误，基本上都是概念不清所致”。在岩土工程中，对于研究对象的深刻认识是成功实践的保证。

在这本《现代土力学理论探索与实践》书中，充分体现了杨光华对于土有别于其他材料的这一独特性状的深刻的理解：通过基于压板载荷试验等现场测试建立地基强度与变形统一的计算模型；揭示软土地基的非线性沉降的本构特征，并提出简易的解决方法；通过变形协调的方法，建立刚性桩复合地基的承载力和沉降变形的计算方法；将位移引进边坡稳定，通过边坡的应力与位移场分析，具体地区分牵引式、推移式和渐进式破坏的过程，更深刻的认识边坡的失稳过程，确定合理的加固位置，建立位移与稳定的关系。这些研究都表现其力从土的本构关系研究所感悟到的对土性的认识：从过程认识土体的变形与破坏，而不是简单地从极限平衡状态来解决地基承载力、基坑、边坡等强度问题和沉降、位移等变形问题。这本著作汇集了杨光华理论结合实践多年探索的成果，部分成果已在行业中被广泛应用，对提高行业水平、促进学科发展发挥了重要作用。本书是现代土力学理论真正发挥工程应用之力作！更可作为岩土界的工程技术人员和科学研究人员很有价值的参考读物！                                                                                                                     

                        李广信

2021.1．9    于清华园

李广信先生是清华大学教授，博士生导师，主编了研究生精品教材《高等土力学》。是原中国土木工程学会土力学与岩土工程分会常务副理事长，原中国土工合成材料工程协会理事长。