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学习太沙基,超越太沙基 - 顾宝和

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东南西北人 发表于 2020-7-30 21:06:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
学习太沙基,超越太沙基
顾宝和
1 土样和土体
我曾多次阅读太沙基传记方面的文献,深深被他高尚的人格魅力和深刻的学术思想折服。太沙基开创土力学快一百年了,至今仍是指导土工实践的理论基础;太沙基离开我们已经六十多年了,至今还没有一个人能够和他并提并论。岩土工程似乎还是处在太沙基时代,学习太沙基,超越太沙基,是我们的光荣使命。

太沙基之前,工程建设遇到土工问题时,只能凭经验处理,没有理论指导。是他首先运用科学方法研究土的力学问题,提出了有效应力原理,建立了第一个土工试验室。用土样在室内试验,是传统的科学方法,与物理学、化学、力学的研究方法一脉相承。优点是可以根据研究者的要求,控制土样的应力和排水条件,測定应力、变形和孔隙水压力,还可根据要求,设计多种试验仪器和试验方法。一百年了,虽然发展了多种原位测试,但室内试验仍是主流的试验方法,

但是,工程实践表明,用土样代表土体,用室内试验取得的参数计算,问题实在不小。严格地说,土体和土样是两个不同的概念:土体有埋藏条件下的初始应力,土样在取样过程中应力已经释放;土体有多种多样不同的组合,土样就比较单一;钻探、取样、运输、制备、试验过程中,一定程度的扰动是不可避免的;更何况,土样尺寸太小,要求试验成果代表现玚土体的性质实在很难。室内渗透试验、固结试验、抗剪强度试验,虽然完全符合土力学原理,但成果并不理想。譬如理论上变形模量E0应小于压缩模量Es。但实际经验相反,除软土外,大多数情况Es<E0。有经验认为E0=(2.2~2.5) Es ,有的甚至达到E0=(6~10)Es。济南某工程闪长岩残积土,压缩模量仅3.76MPa,而变形模量达28 MPa,工程建成实测证明后者正确。港珠澳桥隧工程厚层粉质黏土压缩模量仅5.6 MPa,静力触探根据经验得到的变形模量达30 MPa,堆载试验判定后者更接近实际。用《地基规范》计算沉降,经验修正系数为0.2~1.4,也就是说,对于较硬的土,实际沉降量只有计算沉降量的五分之一!原因主要在于室内试验压缩模量偏小太多。

固结试验如此,室内渗透试验、抗剪强度试验问题更多。试验成果不理想的原因,固然有土样质量、人员素质等因素,但用土样做室内试验本身的缺陷肯定是存在的。有人在吹填土中做了UU试验、十字板强度试验、静力触探试验、扁铲侧胀试验的对比,发现即使用薄壁取土器,尽量避免土的扰动,UU试验的强度还是最低。室内试验和抽水试验测到的渗透系数,差别可达1~2个数量级!水平方向和垂直方向的渗透系数,室内试验差别不太大,现场层状土垂直与水平则天壤之别。

为科学研究、理论研究做试验,研究者并不关心土样对现场土体的代表性。但作为工程师,则土样一定要代表土体,否则试验成果怎能用于设计计算?影响岩土工程计算可靠性主要有两个因素,计算模式与计算参数,而计算参数更为重要。很多学者和工程师觉得,既然室内试验效果不理想,何不致力于探索用原位测试成果进行岩土工程的分析计算?太沙基也注意到,小小土样不足以代表土体,所以他特别强调工程师一定要到现场去,实际调查现场的地质条件,还创立了至今仍广为应用的标准贯入试验。我们今天学习太沙基,就是要继承他的学术思想,把重点放在现场;我们今天要超越太沙基,突破口就在参数,把重点转向原位测试和现场监测。

岩体有宽窄不等、间隔不均、或续或断、极不规则、难以量测和描述的裂隙系统,比土体还要复杂。岩体的力学指标和岩样的力学指标有时相差很远,室内试验的成果绝对不能直接用于设计计算,因而发展原状测试更为迫切。

我的意思决不是废弃室内试验。室内试验的功能,原位测试是不能完全替代的。譬如一些基本物理性指标,含水量、密度、土粒比重、液塑限等。況且,土作为一种材料,只有通过室内试验才能深刻认识其力学特性。但由于土样和岩样不能真正代表土体和岩体,使建立在室内试验基础上的理论体系和计算方法,模型做得再完善,试验做得再仔细,理论研究得再深入,也不能取得真正突破。期待重心向现场转移,以原位测试、现场检测、工程监测为主要手段,在这个基础上进行理论研究,结合先进的信息技术、物联网技术、智能技术、施工技术,闯出一条新路来。原位测试的地质条件和应力条件远比室内试验复杂,过去的研究很不深入,只是简单而肤浅地做些对比试验,总结些经验关系,这是远远不够的。衷心希望专家学者们不要天天关在实验室和书斋里,岩土在现场,工程在现场,岩土工程的学问也在现场。

2 力学和地质学
太沙基开创土力学人人知道,但不要忘了,太沙基还是一位地质学家。早在青年时代读大学时,他就专修地质学。从事土木工程时,他特别注意地质调查。73岁高龄退休后,还在哈佛大学多年讲授工程地质学,可见其对工程地质的重视。太沙基热爱大自然,对各种地质现象感到兴趣,非常注意地质与工程的关系。但由于时代局限,未能将土力学与工程地质学结合,上升到理论。我们今天学习太沙基,超越太沙基,就要继承他的学术思想,更上一层楼,开创力学和地质学结合的新天地。
岩土工程是在传统力学理论基础上发展起来的,但是,单纯的力学计算并不可靠,不能解决复杂的实际问题。岩土的力学性质非常特殊,有固体材料的弹性性质而非典型的弹性,有塑性材料的塑性性质而非理想塑性,有黏滞体的流变性质而非单纯的流变。主要原因就在于岩土工程师面临的材料,和结构工程师面临的材料完全不同。结构工程师面临的混凝土、钢材等,材质相对均匀,材料和结构都是由工程师选定或设计,是可控的。且计算条件明确,建立在力学基础上的计算是可信的。岩土材料则是漫长历史时期复杂地质作用的产物,工程师不能随意选用和控制,只能通过勘察查明,而又不能完全查明。要正确认识和理解这些条件,就必须依靠地质科学。例如岩体中复杂的裂隙系统,软弱结构面,地下水的渗流通道等,如果离开地质学的指导,企图概化为可供计算的力学模型,几乎是不可能的。

岩土工程师不能不懂工程地质学。如果不懂,到工地就无法识别工程建设中出现的现象和问题。见到了岩石,只能识别其颜色和软硬,连岩浆岩、沉积岩、变质岩三大岩类都分不清,怎能知道地层的分布规律,怎能明白整合、不整合、假整合、断层等接触关系?只能在硬的硬,软的软,似乎杂乱无章的地质体前一片迷茫!而地质学家则在地表看到一些零星的岩石露头,就可推测地下深处的地层和构造。我国有些地方有第四纪玄武岩,在十分坚硬的岩层下面又是松软的土,没有基本地质知识的人就觉得不可思议。学过土力学的人都知道达西定律,但是,地下水运动受相对不透水岩土约束,其赋存和径流决定于地质构造和强弱透水层的空间分布,岩石中的地下水更是完全由裂隙带和岩溶发育带控制,不懂地质行吗?,崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、地裂缝等等,都是由地质作用发展而成地质灾害,识别地质灾害需要地质知识,治理地质灾害更需要地质知识。有人登高一望,就能判别是顺层滑坡还是切层滑坡,推移滑坡还是牵引滑坡,发展到了哪个阶段,发展趋势如何,怎样治理,靠的就是深厚的地质知识和长期积累的经验。溶隙、溶洞、漏斗、落水洞、溶槽、石芽等喀斯特现象,以及在此基础上发展起来的土洞和塌陷,都是地质作用的产物。不懂得地质知识,不了解地质作用的规律,治理地质灾害就不能对症下药,药到病除。

岩土不仅是有一定物理力学性质的材料,而且还是一个个“活的”地质体。地质体不是静止的,都是处在不断运动之中,经过漫长的历史演化,发生过各种地质作用,才形成现在的岩土性状和地质构造,而且以后还要继续演化。演化的速度有时很慢,人生看不到,有时很快,甚至突然暴发。地质构造的形成,地质作用的发生,地质历史的演变,都服从地质科学的规律。表面看来似乎杂乱无章的地质现象,其实都有规律。不懂得地质学,怎能理解地质体?因此,岩土工程师如果只知道力学,不懂地质学,他的知识是不全面的。
相对于力学,地质学研究有自己的特点:一是观察和调查是研究的基本手段,地质研究也有实验,但主要手段还是现场观察,实地调查。几乎一切地质学的基本知识和基本理论,都是观察和调查积累起来的。二是归纳推理是思维的主要方法,即根据实地调查,观察到大量地质现象,进行对比综合,经过“去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里”的一翻功夫,推断出共同的规律,与力学以演绎推理为主的思维方法有所不同。三是注重成因和演化,地质学家认为,地壳每时每刻都在不断地运动,都在不断地演化。地形地貌、土和岩石、地质构造,都是地质作用的历史产物,都有其成因和演化过程。研究地质成因和演化,是地质学家的基本追求之一,万事都问成因成了地质工作者的一种习惯。

力学模型与地质模型需要耦合。风化作用使岩体劣化是地质与力学关联最显而易见的例子。风化过程有时很慢,有吋很快。某些泥岩和粉砂岩,天然状态下相当坚硬,暴露后几天便逐渐开裂、崩解、剥落,并不断向深部发展,危及基坑和边坡的稳定。大挖大填,蓄水引水是人为地质作用,与岩土力学性质密切关连。准格尔选煤厂整平场地,大挖大填,改变了地下水的均衡与动态,致水位上升,土性软化,地基承载力和变形均不能满足,不得不采取补救措施,延误了工期。从力学角度考虑,滑坡是岩土体失去平衡,可采用力学方法进行分析。但是,滑坡还是一种地质作用,有其成因和演化规律。不同性质的滑坡 (牵引式、推移式等)、不同类型的滑坡 (均质体滑坡、顺层滑坡、切层滑坡、浅层滑坡等),演化过程是不同的。滑坡是分阶段逐步演变的,与岩土构成、岩土性质、地下水、外力作用等多因素有关,决非单一的力学平衡问题。至于环境岩土工程,问题就更复杂了,还涉及化学、生物、生态等更广泛的科学问题。

力学和地质学是岩土工程的两大理论支柱,两种思维方法有很好的互补性,互相渗透,互相嫁接,必能在学科发展和解决复杂岩土工程问题中发挥巨大作用。力学平衡、应力应变对工程显而易见,又便于定量,可操作性很强,是岩土工程的表象;地质演化比较隐含、抽象,而且多样,内在规律藏在深处,二者互为表里。现在的办法是力学+地质综合分析,体现岩土工程师的智慧;今后两大学科可否进一步融合,开发出一套可以定量分析的新理论、新方法、

3 科学和艺术
太沙基曾多次强调,“Geotechnology is an art rather than a science”。中文意思是“岩土工程与其说是一门科学,不如说是一门艺术”。我体会,太沙基的话并非否定岩土工程的科学性,而是认为岩土工程作为一门科学,还不严格、不完善、不成熟,却富有艺术的品格,具有丰富多彩的艺术魅力。有人总觉得,岩土工程和艺术粘不上边,建议将art翻译成“技艺”。但我觉得还是翻译为“艺术”更加贴切。

岩土工程中蕴含着深刻的科学原理,其科学性是无庸置疑,的。但科学崇尚用数学模型描述,定量计算,追求严密、精细、准确,从这个角度看,岩土工程还不严密、不完善、不成熟。艺术是指一种美的物体、环境或行为,是能与他人共享的一种创意。除了绘画、音乐、文学、戏剧、景观等外,还有领导艺术、指挥艺术、外交艺术、公关艺术等等,体现在它的巧妙,体现在它的可欣赏性和诱人的魅力。艺术与科学的不同在于:科学强调客观规律,而艺术强调主观创意和共享;科学讲究普适性和理性,可大量重复,而艺术讲究个性和悟性,各具神韵,丰富多彩;科学创新有时“昙花一现”,不久就被超越,而艺术创意则是永恒,常温常新。技术或多或少含有艺术元素,而岩土工程面对的是千变万化的地质条件和多种多样的岩土特性,需因时制宜,因地制宜,处理办法常因人而异,不同的人可以开出不同的处方,因而富含更多的艺术元素。有些处置得巧妙,有创意性,有可欣赏性,给人以美感;有的则平庸无奇,仅仅满足于千篇一律的“批量化生产”,当然无艺术性可言。

先谈谈岩土工程科学性的不足,譬如土力学中的压硬性原理,土在有效自重压力作用下,固结压密,形成强度和刚度。按固结状态分为欠固结、正常固结和超固结。但这个法则其实只适用于水中沉积的黏性土,对砂土、砾石、卵石便不适用,这些粒状土主要不是压硬,而主要由于冲刷和振动而密实。所以风成砂非常松散,暂时性水流冲下的碎石土有的还有湿陷性。我国大量分布的黄土、红黏土、膨胀土、残积土等,强度和刚度的形成,都和压硬性原理无关。再譬如地基承载力这个最普通最常遇到的问题,结构工程已经采用极率极限状态可靠度设计,分项系数表达;岩土工程还是容许应力法,连个极限状态都不知道,安全系数都不知道,是不严密、不完善、不成熟最典型的表现。至于沉降和变形的计算、岩土压力的计算、边坡稳定的计算,问题就更多了。有人戏言滑坡计算是“安慰算”,我觉得的确并非妄言。我不是说岩土工程不要计算,但不能只依靠计算,对计算的误差要心中有数。现在有了软件,计算非常方便,没有软件不能设计,但有了软件不是就能做好设计。

因此,岩土工程的科学水平现在还相当低,理论远远落后于实践,太沙基等老前辈留下的遗产实在不够用。岩土工程需要学问,专家学者们仍需努力。

岩土工程的艺术性主要体现在巧妙,拙作《岩土工程典型案例述评》和《求索岩土之路》已经做了比较详细的说明。譬如边坡开挖,用支撑顶住侧土压力本是传统方法,锚杆则用背拉方式解决了这个问题,既节省费用,又少占空间,非常巧妙;高填方、高路堤放坡,占用大量土地,加筋土解决了土体缺乏抗拉强度的问题,边坡改陡,非常巧妙;开挖隧道和地下工程,新奥法不用厚壁混凝土支承,而是充分利用围岩自身承载能力,用锚喷加固与薄壁柔性结构形成支承环,并通过观测不断调整开挖和支护,非常巧妙。在处理结构与岩土关系时,经常采用调整刚度,刚柔共济的办法,也是一种艺术。四两拨千斤,内藏科学,外显艺术。

现在和一百年前的太沙基时代相比,已经大不一样了。工程项目多,规模大、难度大、为我们提供了广阔的表演舞台;互联网、大数据、云计算、智能技术,为我们准备了崭新的道具,一场场精彩的节目正等待着我们上演。

评价科学性是两分法,对或者错,是或者非,二者必居其一,所以科学性是条底线。1980年左右,当时土工界的一位知名专家,过于迷信梅纳动力固结理论,用强夯法处理厚层软土,把场地夯得一团糟,就是逾越科学底线的一个实例。“成亦概念,败亦概念”就是这个道理。评价艺术性是优劣,没有最好,只有更好。匠心就是追求更好,追求精益求精。大工程要做好,小工程也要做好,件件作品都要精美,这就是工匠精神。上世纪50年代有个规模不大的肉类加工厂项目,勘察时发现冷库坐落在厚层泥炭土上,使地基基础设计非常被动,曾拟另选厂址。勘察项目负责人判断,可能是牛轭湖沉积,局部分布,建议扩大钻探范围,固然移动不远,冷库就坐落在良好的地基上。付出很少,却为工程建设节约了大量资金,保证了工期。

4 知和行
太沙基开创土力学,当然是一位学者,一位理论家;但他毕生更多致力于工程实践,更是一位大工程师,大实践家。他还是教授,教育家,致力于推广他的理论、经验和学术思想,培养了一大批知名专家。

太沙基出身欧洲,开创土力学在土耳其,普及土力学在美国,并在欧美多所大学任教,为世界上许多工程提供咨询,涉及房屋建筑、水利、公路、机场、隧道、地铁、堆场、船坞、护岸、多年冻土、滑坡等领域,还专程调查热带土。他开创的理论主要是通过野外观察,以工程经验为基础,提炼、总结出来的,没有工程实践就没有土力学。我们作为后人,既要认真学习他的理论,“读万卷书”;更要学习他深入现场,“行万里路”。岩土性质和地质条件极为多种多样,工程要求各有不同,没有广阔的阅历,绝对成不了大家。很多经验书本上是学不来的,很多现象不亲眼见过是不认识的。现在有些人只靠数据和他人的描述编报告,做设计,将成为不识岩土的岩土工程师。

知必行,行必知,知行合一,理论与实践高度结合,是岩土工程师成功的不二法门。

岩土工程的所有知识,小至一块土,一块石头、一种地质现象,大至高深的理论,都是通过实践总结出来的。同时,又必须在实践中反复认识、反复检验、反复纠错,才能逐渐加深认识。花岗岩是最普通岩石,没有反复辨认过,能认识吗?黏性土的可塑性,没有摸过、搓过,能理解吗?只从书本上学习的知识,未经实践,是空虚的,不牢靠的;经过反复实践,知识才变得实实在在,受用一生。掌握了沉降计算方法,不等于真正懂得了沉降计算,必须经过反复工程实践,才逐渐懂得荷载该怎么取值,参数该怎么选用,计算结果有多大的可靠性,怎样才能避免误入歧途。书本学习已经明白的有效应力原理,到了实际工程该如何认识,如何处理,有时著名专家之间都有不同看法,很多岩土工程师于了一辈子也没真正弄清楚。至于勘测新技术、新方法,施工新技术、新方法,更必须在工程中反复应用,反复检验,才能真正掌握。

实践出真知,实践出新知,新知识都是从实践中总结岀来的。黄土的湿陷,源于上世纪30年代苏联的一个钢铁基地,阿别列夫根据现场考察和工程资料,深入研究,得到了湿陷性土上建筑的一套理论和方法;上世纪70年代,我国几十个工程发生膨胀土事故,经集思广益,将经验教训系统化、条例化,编成了膨胀土规范;早先,鉴于高低层荷载差别很大,沉降差别很大,除了做沉降缝外,还预留了标高,但实践证明没有必要,不结合理论进行分析,怎么知道其中的缘由?如果只是忙于完成任务,怎么能温故而知新?
知识在哪里?知识在书本,知识更在现场。

上面讨论了知必行,下面来讨论行必知。这个问题似乎很简单,做工程的都是专业人员,当然懂得专业知识,其实未必。公式、软件、标准、规范等,如知其然而不知其所以然,不注意实际情况和公式、软件有多少差别,和标准、规范的精神是否一致,盲目套用,就是当前普遍存在的一种不良倾向。譬如规范给出了承载力计算公式,如果不注意工程实际与公式假定有哪些差别,盲目代入计算,很可能发生错误。况且,按有效应力原理,饱和黏性土的强度,其实不是固定的值,而是随着孔隙水压力的消散逐渐增长的。再譬如降低地下水位,如果只知道按规范、按常规方法计算,不深入考察现场条件,不了解薄夹层、渗出面的影响,就可能导致降水失效。知其然而不知其所以然,决不是真知。不能用理论指导实践,极可能犯概念性错误。

我们要像太沙基那样,实践第一,深入现场,认真调查,不断创新,把工程当学问做。地质学家的前辈们带着罗盘、铁锺、放大镜“三大件”,一步一步前行,一块石头一头石头敲打,仔细观察、对比和思考,事事追究成因,时时想着演化,总结出一座博大精深的地质学宝库,这种精神值得岩工程师学习。经验只能一点一滴积累,认识只能一步一步提高,没有捷径好走。熟读规范而不求甚解,是一种急功近利的浮躁心态。

太沙基开创土力学后的一百年来,土力学的进步有目共睹,本构关系加深了对土性的认识,数值法使计算技术发生了革命性的变化,勘测和施工技术今非昔比,工程规模和难度和当年更是天壤之别。但是,高深的学问似乎藏在学者们的书斋里,科学落后于技术,理论落后于实践。没有灵魂,再硬的拳脚也击不中要害,岩土工程的“基本面”似乎还是太沙基时代,依然不严密、不完善,不成熟,没有出现一位像太沙基那样知行合一,文韬武略,既是学者又是工程师的杰出人物。时势造英雄,按理,现在正是造英雄的时势。国内土木工程方兴未艾,“一带一路”引领我们走向世界,环境岩土开辟出一片崭新的巨大空间,互联网、大数据、智能化为岩土插上新技术翅膀,超越太沙基,在他学术思想的指引下推陈出新,万事俱备,只欠东风了。

东风是什么?“东”就是正确的方向;“风”就是强劲的动力。本文用了不少文字谈方向,没有谈动力。在市场经济的环境中,动力应该是良性竞争。比谁做得优秀,比谁做得安全而经济,争先恐后地创新,争先恐后地采用适用的新技术。但目前,似乎缺乏这样的机制与氛围,急功近利,浮躁之风充斥。这种情况有其深刻的社会背景和历史原因,非我们这些专业人员所能左右。

后太沙基时代,路漫漫!


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zspkd 发表于 2020-7-31 15:38:21 | 显示全部楼层
的确,太沙基,类似于武术界的张三丰!
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 楼主| 东南西北人 发表于 2020-7-30 21:10:40 | 显示全部楼层
大学里的老师要有这么多实践经验就好了!
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kalashinikv 发表于 2020-7-31 21:22:41 | 显示全部楼层
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kalashinikv 发表于 2020-7-31 22:38:25 | 显示全部楼层
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gghh8488 发表于 2020-8-1 01:22:13 来自手机 | 显示全部楼层
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sdf916 发表于 2020-8-1 07:58:08 | 显示全部楼层
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zlz1999 发表于 2020-8-1 08:21:13 来自手机 | 显示全部楼层
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djun 发表于 2020-8-2 06:54:33 来自手机 | 显示全部楼层
超越都成大师。
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