0.4 土力学的发展历史

土力学是一门既古老又年轻的学科，人类自古以来就广泛利用土作为建筑地基和建筑材料。它的发展总是与社会历史阶段的生产和科技水平相适应。千百年前人类就利用土来防治洪水，并在桥梁、堤坝、运河以及大型建筑如宫殿、庙宇等建造方面积累了丰富的经验，然而由于社会生产力和技术条件限制，使人类在很长的时间内对土力学的认识还停留在经验的认知阶段，未能形成系统的土力学和工程建设理论。18世纪中叶以后，随着科技进步和大量建筑物的兴建，促使人们对土进行深入研究，并将经验上升到理论解释。土力学的发展大致可以划分成以下三个历史时期：

（1）萌芽期 （1773—1923年）：土力学的发展当以库伦（Coulomb）首开先河，他在1773年发表了论文《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》，为今后的土体破坏理论奠定了基础。但是，在此后的漫长的150年中，研究工作只是少数学者在探索着进行，而且只限于研究土体的破坏问题。这期间英国人朗肯（Rankine）关于土压力的理论、瑞典工程师彼得森（Petterson）对土坡稳定性的分析、达西（Darcy）对土中水渗流的研究以及布辛纳斯克（Boussinesq）对集中力作用下半无限空间中应力的计算等是具有代表性的工作。

（2）古典土力学时期 （1923—1963年）：到了20世纪初，随着高层建筑的大量涌现，沉降问题开始变得突出。1923年，太沙基（Terzaghi）发表了著名的论文《粘土中动水应力的消散计算》，提出了土体一维固结理论，接着又提出了著名的有效应力原理，出版了第一本土力学教材，这标志着土力学作为一门独立的学科的建立。此后，随着弹性力学的研究成果被大量应用于土力学研究，关于变形问题的研究也越来越多，但土体的破坏问题始终是当时土力学研究的主流。

这一时期在土体破坏理论研究方面的主要成就有：①费伦纽斯（Fellenius）、泰勒（Taylor）和毕肖普（Bishop）等关于滑弧稳定分析方法的建立与完善；②太沙基关于极限土压力的研究和载力公式的提出；③Соколовский散粒体静力学的建立；④谢尔德（Shield）和沈珠江等关于土体破坏的运动方程和极限平衡理论的建立。而在变形理论方面则有：①地基沉降计算方法的建立与完善；②明德林（Mindlin）公式的提出及其在桩基沉降计算中的应用；③弹性地基梁板的计算；④砂井固结理论；⑤比奥（Biot）固结理论的提出和完善。

古典土力学可以归结为一个原理——有效应力原理和两个理论——以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论和以刚塑性模型为出发点的破坏理论（极限平衡理论）。前一理论随着1956年Biot动力方程的建立而划上一个完满的句号；后一理论则于20世纪60年代初完成了基本的理论框架。但是，真实的土体决不是理想弹性体，也不是理想刚塑性体。一方面，随着认识的深化，人们已越来越不满足于理想弹性介质和理想刚塑性介质这样简单化的描述；另一方面，现代电子计算技术的发展为采用复杂的模型提供了手段，从而为现代土力学的建立创造了客观条件，而剑桥大学罗斯科（Roscoe）等人的工作则直接导致现代土力学的诞生。

（3）现代土力学（1963年至今）：1963年，剑桥大学罗斯科（Roscoe）教授发表了著名的剑桥模型，提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而可以看作现代土力学的开端。经过50多年的努力，现代土力学在以下几方面取得重要进展：① 土的非线性模型和弹塑性模型的深入研究和应用；② 非饱和土固结理论的研究；③ 砂土液化理论的研究；④ 剪切带理论及渐进破坏问题的研究；⑤ 土的微细观力学研究与数值模拟等。当然，在这一段时间内，古典土力学框架内尚未解决的一些问题继续有人在研究，并取得许多进展，例如土与结构共同作用、土体极限分析中的不均匀和非线性问题，而土工数值分析更是这一段时间内才发展起来的。另外土工测试技术等方面也取得很大进展，特别是原位测试技术和离心模型试验技术的发展。现代土力学的研究，呈现以下几个特点：

1）对土的力学特性有了新认识。例如土力学性质的应力路径依赖性、强剪缩性（表现泊松比小于0）和反向剪缩（剪应力减小时发生体缩）等，而一些研究多年的力学特性，如黄土湿陷、砂土液化、黏土断裂等现象，也有了更深入的认识。许多问题不但经典土力学理论无法解释，现有的非线性和弹塑性本构理论也无能为力，因此不少学者正在探索新的思路，包括从微细观结构上进行研究等。

2）室内土工试验技术逐渐提高。考虑复杂荷载条件的真三轴试验、动态空心圆柱扭剪试验、振动台试验、土工离心模型试验等测试技术的发展，不仅使实验土力学变成土力学的一个完整的分支，并进一步促进了土力学的发展。

3）原位测试技术逐渐完善。尽管取土技术在不断改进，但是室内土样试验的结果常常不能反映现场的实际情况，原位测试技术正成为土力学的一个重要组成部分。

4）土工数值方法逐渐成熟。随着电子计算技术的发展，对于非常复杂的数学方程和工程条件，都可以通过数值分析求解和模拟，土工数值分析正成为当前热门的研究方向之一。

5）土力学的工程应用更加成熟。一方面用现代先进技术进行原位观测，另一方面用现代计算技术进行反馈分折，通过这一途径改进当前或今后的工程设计。同时，土力学的实际应用也离不开工程师的经验，在现代计算技术的基础上建立联系理论与经验的专家系统，这些都是现代土力学的重要特点。

值得提出的是，我国学者在土力学的发展过程中也做了应有的贡献。中国对土力学的研究始于1945年黄文熙在中央水利实验处创立第一个土工试验室，但是，大规模的研究则是在中华人民共和国成立以后随着一批国外留学人员回国和50年代初大批青年学者参加工作以后才开始的。60多年来，各方面都取得了长足的进展，提出许多重要成果，为土力学的发展和完善作出了积极的贡献。例如，刘祖典等对黄土湿陷特性的研究，魏汝龙对软黏土强度变形特性的研究和汪闻韶对砂土动力特性的研究等；在理论和计算方面，有黄文熙对地基应力和沉降计算方法方面的改进，陈宗基的流变模型，钱家欢应用李氏比拟法求解黏弹性多孔介质的固结问题，谢定义关于砂土液化理论的研究，沈珠江关于有效应力动力分析方法的研究，以及同济大学关于土与结构共同作用的研究和浙江大学关于动力波传播的研究等。近几年来，一批基础扎实、思想活跃的青年学者投身于土力学的研究，作出了不少新的贡献。