岩土感知与认识.pdf

岩土论坛岩土工程界 第8卷 第6期感知与揭示— — — 访著名土力学专家、 清华大学教授李广信苗国航 陈仁俊李广信 教授,博士生导师 1941年10月生1966年毕业于清华大学水利系后在黑龙江省呼兰县工作,曾任水利局副局长1981年和1985年分别获清华大学工学硕士和博士学位被评为清华大学优秀博士生、 全国优秀中青年土木工作者、 国家教委和国务院学位委员会授于《做出突出贡献的中国博士学位获得者 》 1988年晋升为副教授, 1991年晋升为教授主要从事教学和科研工作, 1993 - 1998年任土力学教研组主任先后在1993年赴美国科罗拉多大学、1998年赴新加坡国立大学作高级访问学者培养博士与硕士研究生各10余名现任清华大学学术委员会委员、 岩土工程系列课组长;土力学及岩土工程学会常务副理事长;水力发电学会理事,土工合成材料专业委员会主任;深基础协会理事;中国土工合成材料协会常务理事; IGS中国委员会副主席;国际低平地学会理事(Lowland Technology) ;《岩土工程学报 》 、《 工业建筑 》 、《 地基处理 》 期刊编委主要研究方向:土的本构关系,高土石坝筑坝材料,基础工程,土工合成材料等。

已发表学术论文180余篇多年来从事教学工作和科研工作,有丰富的教学经验和较高教学水平,参编教材5部 《 土的本构关系研究 》 获1987年国家自然科学三等奖、《 土质防渗体高土石坝研究 》 获1993年国家科技进步一等奖;多次获得市部级科研奖励作为课程负责人,《 高等土力学 》 教学获得2002年清华大学教学优秀成果一等奖;作为主要编者,《 基础工程 》 获得2001年优秀教材二等奖; 1995年获优秀教学成果二等奖;也获得1999年度和2000年度的“ 良师益友 ” 奖励目前负责主要纵向科研项目:国家重大自然科学基金项目“ 洪水特性及减灾方法研究 ”,第三课题(50099620) ,自然科学基金面上项目“ 土石减载和加载下的屈服 ”(50279014)等项目问:土的本构关系是土力学研究中的理论基础,您从事多年这方面的研究,土的本构关系揭示了土的哪些性质?土有哪些最基本的特点?李教授:土的本构关系实际上就是指土的力学的基本性质,包括压力应力、 变形、 强度的关系,英文称behavior,就是相当于物质的性状人对于土是从感性认识开始的,几千年前人们离不开土,在实践中从感性认识土一直到20世纪五、 六十年代都很难把它定量化。

真正的把它用数学公式表示出来比较难,究其原因,一方面是土的性质太复杂,不像其它的如:钢材、 混凝土等,遵循虎克定律,或者具有理想塑性特性;另一方面是工程应用中的计算手段不行,此前如果计算非线性,要用计算尺或者手摇计算机即使用条分法进行稳定分析,几十个滑动面需要好几天的时间,这样的计算手段限制了非线性分析20世纪60年代以后,一方面高、 重建筑物的工程发展很快,像100～200米高的土石坝、 深覆盖层上的坝、 核电站厂房、 大型的高层建筑,对于变形的要求就比较严格了,有一些对变形要求十分精密,这时线性和非线性的区别显得非常的重要,如上海的磁悬浮轨道对于软土地基变形要求精度达毫米级,这同以前建一个普通的房子是不一样的,提出了变形及变形过程计算的必要性;再有就是非线性计算可能性, 20世纪60年代以后,计算机的技术的发展使人的计算能力大大的提高,所以各种复杂的非线性增量计算都可以实现了到80年代和90年代,人们对土的本构关系认识逐步深化,发展很快,提出的模型也非常多但此后,研究的人以及论文的数量大幅度减少,有些人开始怀疑土的本构关系是否有用,因为常常本构模型很复杂,但是针对实际的问题差距还是很大,预测的结果不理想。

在80年代的几次“ 考试 ” 中,先让一些单位做基本试验,要求将预测结果与目标试验对比,基本试验的结果是公开的,目标试验是保密的,谁提出本构模型都可以参加预测,给你目标试验的应力路径和利用基本试验确定参数,要求算出应变这样的“ 考试 ” 和“ 竞赛 ”进行过多次,据我所知,就有4、5次,像欧洲、 美国、 加拿大都举办过这样的活动,但最终的结71© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.岩土论坛GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 8 No. 6果不是很理想尽管有的模型很复杂,最多的参数有23个,仍不能预测一些土的复杂变形性质,定量预测则更有差距,这样就造成了人们对本构模型的怀疑:“ 搞的这么复杂还解决不了问题 ”,而且这仅仅是在室内的测验,跟工程实践之间的差别会更大在20世纪末对土的本构关系研究的怀疑是比较突出的,认为本构关系研究太复杂又用不上,对研究基本上持否定态度尤其工程界的人,一听说弹塑性模型头就疼,觉得太复杂了,脱离实际,有的甚至相当的反感。

如何看待土的本构模型的研究,我感觉应该一分为二在早期的60、70年代到80年代的研究高潮中,不仅仅表现为数学理论公式方面,还带动了室内外试验,使试验的手段得以提高,像三轴试验、 真三轴试验、 空心圆柱扭剪试验、 土的循环与动力试验等,这些试验揭示了土的复杂的变形特性比如近几年提出土的卸载的体缩、 各类循环加载下的不可恢复的体变的积累,这些现象都是通过试验揭示出来的,使人们对土的认识达到了一个前所未有的深度,美国一位教授说:土的本构关系搞清楚了,土的其他问题也就都解决了,这是有一定道理的对于研究土的本构关系来说,尽管定量很难,但是定性的研究对土的认识会相当的深入,对土及其基本原理的掌握是有很大意义的如关于土的剪胀性、 土的围压的影响、 循环加载下的性状等概念性的认识非常有用比如复合地基问题,无论是用夯、挤,还是爆,对于土来讲,密实的土最好不要去扰动它,一扰动它可能会剪胀,越来越松对地基处理还是要动松土不要动密实的土,这就是土的剪胀原理我的导师黄文熙先生曾经问过我一个问题,砂土地基如果地下水位上升了,上面的楼怎么变形我理解因为应力卸载,应当是地基回弹,其实恰恰相反,地基会下沉,因为砂土的模量是与其围压有关的,围压减小了,土的模量也降低了。

这一点在邓肯 — 张模型中有反映:初始模量Ei与土的围压 σ3成n次方的函数关系对土的本构关系的理解,使人对土的认识深入的多了,所以说是不能够抹煞土的本构关系的研究,持完全否定态度这是其一;其二就是对土的本构关系的研究过程中把相邻的力学学科、数学学科、 不确定性的理论知识和成果都用在土力学当中来,拓宽了土力学的手段和领域其三就是它还是解决了一些重大工程问题,比如说像三峡二期围堰,十几个单位用了七、 八个模型平行计算,结果和测试的结果相比可能不是那么完全准确,但最后的数量还是比较接近的,特别是对于方案的比较,设一道还是两道防渗墙,哪道先修和后修都有比较,应当说还是有效果的像解决三峡二期围堰、 小浪底高土石坝,还有目前的一些面板堆石坝,只能是通过数字计算对方案进行比较,因为也不太可能去做原形试验,离心机模型试验作不了那么大的坝,因此只要是符合实际情况,对解决问题还是有用的现在土的本构关系模型研究的去向如何,是继续提模型还是有别的方法,目前国内一个比较统一的认识就是对于提出的众多模型尽量的去简化、 选择,如分层总和法,虽然粗糙,但实践多了就有了经验,还是能基本符合实际邓肯 — 张双曲线模型大家用的比较多,用的多也就熟悉了,知道问题所在和能够解决什么问题。

我国在高土石坝数值计算中,研究逐渐凸现出几个模型,被人们所熟悉和使用其次就是一些特殊的问题,比如循环加载的问题、 特殊土的问题、 非饱和土的问题、 结构性土的问题等这几年关于损伤模型、 损伤理论、 非饱和土吸力模型,有较快的发展当然60、70年代以后的研究有些是脱离实际的,这也反映了一个问题,把模型做的太复杂,参数达到20～30个,参数如何确定,使得盲目性增大了,所谓“ 阳春白雪,和者盖寡 ”,工程界的人一看就反感;还有一种情况,模型的提出者并不在模型的应用上下功夫,而是对模型过于精雕细刻,有的文章提出一个模型,给定一些参数,自己来验算怎样好其实这里关键是参数是怎么来,如果从试验中来,再去算那些试验,那就不叫验证,只能叫参数拟合,自己闭合的东西算来算去,没有意义现在国内比较热的一个是结构性模型,跟损伤有关;另一个是非饱和土模型,但是也应当总结以往的教训国内20世纪末以前提出的土的模型基本是重塑土的本构模型,更多的是针对土石坝、 围堰等工程,对基坑的数值计算就不是很准确现在研究土的结构性,一部分土是损伤的,就是扰动土,一部分没损伤的,就是原状土德塞(Desai)在80年代提出的“ 扰动状态 ” 的概念,就是说土的扰动是有多方面原因的,比方说变形是一方面,热、 水、 温度、 冻融对土都有扰动。

目前的损伤模型往往只把损伤当成一个简单的变形的函数而膨胀土、 湿陷性黄土是跟水有关的;像永久性冻土、 季节冻土是跟温度和其它外界的环境有关的;所以广义上引起土的变形不是应力一个因素,有多种因素现在的理论研究是81© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.岩土论坛岩土工程界 第8卷 第6期逐渐的加深了,把热的运动、 力场、 变形场、 水都耦合在一起考虑,那将相当复杂,距实际工程应用还有很大差距我感觉还可以走另外的一条路线,譬如我们绕过这些复杂因素,建立更简单的模型对于非饱和土,弗雷德兰德(Fredlund)提出了吸力的概念,它本身并不仅仅是一个简单的力,在很大情况下数值计算还有困难吸力的加入到底起到了什么样的作用,是不是跟力一样?这一点不清楚如湿陷性黄土含水量增加,吸力减少了,那就塌陷了;对于膨胀土来说,含水量增加吸力减少了,反而膨胀了,这里面不能用一个用简单的力来解释这些问题说明它只是提出了一个方向,现在建立的模型也是很多的,但是非饱和土的模型不是很容易成功的,原状土的模型也不是很成功,与实际工作的应用有距离。

所以对于原状土的研究应当在取样技术和现场测试等方面下功夫,这样可能离实际问题的应用更近一些现在的探索有两种方向:一种是从细、 微观方面的力、 热、 水的渠道出发建立力学的关系;另一种就是建立一个表观的关系,如在弹塑性模型中把含水量直接放到硬化参数里面去,省去中间的过程,直接建立关系,可能是一个应用的方向像原来搞土石坝,第一次蓄水坝体会发生浸水变形,这是堆石料干变湿的变形过程,称为湿化在“ 七五 ” 和“ 八五 ” 科技攻关的时候,我们都提出了很多的湿化的模型不只是土石坝,很多土,例如黄土、 新近沉积土等都有湿陷性,其变形不是力的变化而是含水量的变化一个变形由力引起的,一个变形由水引起的,可以把它耦合起来,各自计算在工程界和学术界往往思路不一致,工程界希望能简单化,实用化像邓肯 —张模型比较容易理解和接受,象弹塑性模型就比较难对于工程界来说更希望看到是工程上可以借鉴的资料,而不是大量的方程公式和数学模型如何让学术界的研究更加贴近工程而不是偏离,是应该考虑的问:现在的一些模型往往是工程完工后进行计算与实际结果对比验证,如果根据实际工程的基本条件、 基本要求事先利用模型和数值程序进行计算分析,工程完工后根据实际测定参数验证模型的正确与否,其准确性将会有什么区别?李 教 授:在 美 国 曾 经 举 办 过 一 种 活 动(VELACS) ,用土工离心机做了九种工况的地震反应试验,有基础、 墙、 坡等,分A、B、C三类考卷,A是在实验没有做之前只告诉拟进行的试验的情况,让其预测;B是试验完成以后交待了试验的过程但不告诉其实验的结果; C告诉你试验的结果。

最后的“ 考试 ” 结果是C的预测成绩明显的高、B其次、A末之知道实验的结果,就有明显的定向趋势了;知道实验的过程,对边界条件较为贴。