土的强度和相关工程研究是古老的工程技术问题,但土力学是一门相对年轻的应用学科。
19世纪欧洲工业革命的兴起,大规模的城市、水利和道路、铁路的兴建,遇到了很多与土力学有关的问题。在此之前,1773年,法国学者库仑(Coulomb)根据实验提出了砂土抗剪强度公式和挡土墙土压力的滑楔理论,即库仑理论(库仑被认为是第一个用力学问题研究挡土墙稳定性的学者);1856年,法国学者达西(Darcy)创立了砂土的渗透定律,即达西定律;1869年,英国学者朗肯(Rankine)又从不同的途径建立了挡土墙的土压力理论,即朗肯理论;1885年,法国学者布辛奈斯克(Boussinesq)求得半无限弹性体在垂直集中力作用下,应力和变形的理论解答;1922年,瑞典学者费兰纽斯(Fellenius)提出了解决土坡稳定的条分法,即瑞典法;1925年,维也纳工业大学教授太沙基(Terzaghi)归纳了前人的成就,并出版了土力学专著,使土力学逐步成为一门独立的学科(太沙基被认为是土力学之父)。
土力学虽出现于1925年,但关于土和地基的强度变形和稳定性研究早在人类工程实践中开展。图1.14和图1.15分别是德国哥尼斯堡(Konigsberg)教堂及其长达500年地基沉降研究的记录,说明他们对建筑物地基的变形经过了几十代人长期的坚持记录,我们可以从中得到很多启发。
图1.14 德国哥尼斯堡教堂结构简图
图1.15 哥尼斯堡教堂的地基沉降记录
20世纪60年代以后,现代科技成果尤其是电子技术渗入土力学的研究领域,土测试设备及技术的迅速发展推动了土力学研究工作的进一步深入开展。近年来,土力学基础理论的研究也取得重要进展,它们表现在以下几方面:
(1)基本理论的研究。如土的本构关系、黏弹塑性应力—应变—强度—时间关系、土与结构物的相互作用、土的动力特性研究等。
土力学理论也有了令人瞩目的发展,并衍生出理论土力学、计算土力学、实验土力学、土塑性力学、土动力学、不饱和土力学等分支学科。
土的强度理论方面,由于1900年建立的莫尔-库仑强度理论(单剪强度理论)较为简单,应用方便,因此得到了广泛的应用。莫尔-库仑强度理论的数学建模方程只考虑一个剪应力,可称之为单剪强度准则。由于莫尔-库仑理论没有考虑中间主应力的影响,因此很多现象不能得到解释。
20世纪50年代以来,世界上提出了众多的曲线型土体强度理论,例如Drucker-Prager准则、Matsuoka-Nakai准则、Lade-Dunken准则、Desai准则等。沈珠江院士把这一类准则称为三剪类强度准则。
1951年,美国科学院院士Drucker教授提出了著名的Drucker公设[4],由此可以得出屈服面的外凸性,为强度理论的研究奠定了理论框架。现代的强度理论研究表明,莫尔-库仑强度理论是所有可能的强度理论的内边界(下限,图1.16(a)),俞茂宏在1985年提出的双剪强度理论是所有可能的强度理论的外边界(上限,图1.16(b)),而三剪类强度准则介于上下限之间。单剪强度理论和双剪强度理论是线性准则,各种材料的破坏极限面必须是外凸的且在这两个内外边界之间。1991年出现的统一强度理论不仅将强度理论由单一的一个准则发展为系列化的准则,而且将单剪理论和双剪理论联系起来,产生了一系列新的准则[5]。统一强度理论的极限面覆盖了从内边界到外边界的全部区域(图1.16(c))。
图1.16 土体强度理论的内外边界。(a)内边界(1900);(b)外边界(1985);(c)统一(1991)(www.xing528.com)
关于统一强度理论,中国岩石力学与工程学会理事长钱七虎院士在同济大学孙钧院士的讲座中指出[6]:“单剪理论的进一步发展为双剪理论,而双剪理论的进一步发展为统一强度理论。单剪、双剪理论以及介于二者之间的其他破坏准则都是统一强度理论的特例或线性逼近。因此可以说,统一强度理论在强度理论的发展史上具有突出的贡献。”
1998年,俞茂宏将双剪强度理论推广到饱和土和非饱和土问题研究中,并且提出双剪有效应力强度理论;2004年,俞茂宏进一步将统一强度理论推广到该领域,提出有效应力统一强度理论[7-9];2011—2012年,他将有效应力统一强度理论写入《强度理论新体系:理论、发展和应用》(第二版)[10]以及《双剪土力学》[11]。
(2)地基、土压力和挡土结构以及边坡和路堤是土力学的三个典型工程问题。20世纪出现了大量的研究成果。从强度方面看,它们的强度问题研究都是采用莫尔-库仑的单剪理论得出的,是单一的单剪解。1988年开始,黄文彬、李跃明、马国伟等将双剪屈服准则和统一屈服准则应用于工程实际问题,主要是金属类材料。从1994年开始,人们逐步将双剪强度理论和统一强度理论应用于岩土类材料,出现了一批以双剪强度理论或统一强度理论为理论基础的新的双剪解和统一解。这些新的应用在中国期刊网等都可查到,这些实践应用还在不断发展。
特别需要指出的是,1994年,俞茂宏等[12]提出“双剪正交和非正交滑移线场理论”;1997年,俞茂宏等[13]将其进一步发展为“平面应变统一滑移线场理论”,推导得出一系列关于平面应变问题的结构极限荷载计算公式以及相应的材料统一强度参数计算公式。
平面应变统一滑移线场理论具有很重要的意义,原因如下:
①岩土工程中的很多问题,包括条形基础、圆形基础、土压力、边坡以及地下洞室结构等,都可以归结为平面应变问题,因此这篇论文可以应用于很多领域。
②该论文推导得出了一系列关于平面应变问题的结构极限荷载计算公式以及相应的材料统一强度参数计算公式,它们都具有普遍性的意义。
③平面应变统一滑移线场理论将统一强度理论与滑移线场理论结合起来,它得到的公式与莫尔-库仑强度理论得出的公式具有相同的形式。通过平面应变统一滑移线场理论得出的材料的统一强度参数,可以直接应用于不同的材料和结构。
④平面应变统一滑移线场理论以及提出的材料的统一强度参数,可以直接推广应用于其他相关强度理论的问题。
⑤平面应变统一滑移线场理论以及提出的材料的统一强度参数,可以推广应用于饱和和非饱和土等问题的有效应力强度理论研究中。由它得出的强度数学建模公式、强度理论公式、应力空间屈服面、偏平面极限迹线等,都与俞茂宏统一强度理论和统一滑移线场的材料强度参数相同,但它用有效应力代替了一般的主应力σ1、σ2和σ3。
(3)计算技术。电子计算技术在土力学中的广泛应用,导致了计算土力学的新的分支学科的出现。近年来,很多学者发表了将双剪统一强度理论装入计算机程序并进行土工问题分析的论文,其中沈珠江院士是较早进行这方面研究的工作者之一[14-15]。沈珠江院士应用单剪理论和双剪理论分析地基等多个工程问题。
(4)模型试验与原位观测。实验是验证理论计算和实际设计正确性的较好手段。实验土力学是土力学的重要分支学科。改革开放以来,全国大学的实验设备有很大发展,国产实验设备的质量不仅有很大提高,而且引进了很多新的设备。
(5)发展。土力学虽然发展得很快,但仍然有很多问题需要研究。例如图1.8的大雁塔和图1.9的应县木塔,它们的基础、地基材料、物理性能和基础形状等问题我们仍知之甚少。这些塔属于世界历史文化遗产和重点保护文物,不能任人随意开挖和试验。而且它们都是高度为65 m以上的建筑物,相当于现代的20多层高楼,往往需要采用桩基础,但在古时不可能有打桩的技术。古代高层建筑的基础和地基处理技术是一个非常有意义的问题。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。