0.4 土力學的發展歷史

土力學是一門既古老又年輕的學科，人類自古以來就廣泛利用土作為建筑地基和建筑材料。它的發展總是與社會歷史階段的生產和科技水平相適應。千百年前人類就利用土來防治洪水，并在橋梁、堤壩、運河以及大型建筑如宮殿、廟宇等建造方面積累了豐富的經驗，然而由于社會生產力和技術條件限制，使人類在很長的時間內對土力學的認識還停留在經驗的認知階段，未能形成系統的土力學和工程建設理論。18世紀中葉以后，隨著科技進步和大量建筑物的興建，促使人們對土進行深入研究，并將經驗上升到理論解釋。土力學的發展大致可以劃分成以下三個歷史時期：

（1）萌芽期 （1773—1923年）：土力學的發展當以庫倫（Coulomb）首開先河，他在1773年發表了論文《極大極小準則在若干靜力學問題中的應用》，為今后的土體破壞理論奠定了基礎。但是，在此后的漫長的150年中，研究工作只是少數學者在探索著進行，而且只限于研究土體的破壞問題。這期間英國人朗肯（Rankine）關于土壓力的理論、瑞典工程師彼得森（Petterson）對土坡穩定性的分析、達西（Darcy）對土中水滲流的研究以及布辛納斯克（Boussinesq）對集中力作用下半無限空間中應力的計算等是具有代表性的工作。

（2）古典土力學時期 （1923—1963年）：到了20世紀初，隨著高層建筑的大量涌現，沉降問題開始變得突出。1923年，太沙基（Terzaghi）發表了著名的論文《粘土中動水應力的消散計算》，提出了土體一維固結理論，接著又提出了著名的有效應力原理，出版了第一本土力學教材，這標志著土力學作為一門獨立的學科的建立。此后，隨著彈性力學的研究成果被大量應用于土力學研究，關于變形問題的研究也越來越多，但土體的破壞問題始終是當時土力學研究的主流。

這一時期在土體破壞理論研究方面的主要成就有：①費倫紐斯（Fellenius）、泰勒（Taylor）和畢肖普（Bishop）等關于滑弧穩定分析方法的建立與完善；②太沙基關于極限土壓力的研究和載力公式的提出；③Соколовский散粒體靜力學的建立；④謝爾德（Shield）和沈珠江等關于土體破壞的運動方程和極限平衡理論的建立。而在變形理論方面則有：①地基沉降計算方法的建立與完善；②明德林（Mindlin）公式的提出及其在樁基沉降計算中的應用；③彈性地基梁板的計算；④砂井固結理論；⑤比奧（Biot）固結理論的提出和完善。

古典土力學可以歸結為一個原理——有效應力原理和兩個理論——以彈性介質和彈性多孔介質為出發點的變形理論和以剛塑性模型為出發點的破壞理論（極限平衡理論）。前一理論隨著1956年Biot動力方程的建立而劃上一個完滿的句號；后一理論則于20世紀60年代初完成了基本的理論框架。但是，真實的土體決不是理想彈性體，也不是理想剛塑性體。一方面，隨著認識的深化，人們已越來越不滿足于理想彈性介質和理想剛塑性介質這樣簡單化的描述；另一方面，現代電子計算技術的發展為采用復雜的模型提供了手段，從而為現代土力學的建立創造了客觀條件，而劍橋大學羅斯科（Roscoe）等人的工作則直接導致現代土力學的誕生。

（3）現代土力學（1963年至今）：1963年，劍橋大學羅斯科（Roscoe）教授發表了著名的劍橋模型，提出第一個可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數學模型，因而可以看作現代土力學的開端。經過50多年的努力，現代土力學在以下幾方面取得重要進展：① 土的非線性模型和彈塑性模型的深入研究和應用；② 非飽和土固結理論的研究；③ 砂土液化理論的研究；④ 剪切帶理論及漸進破壞問題的研究；⑤ 土的微細觀力學研究與數值模擬等。當然，在這一段時間內，古典土力學框架內尚未解決的一些問題繼續有人在研究，并取得許多進展，例如土與結構共同作用、土體極限分析中的不均勻和非線性問題，而土工數值分析更是這一段時間內才發展起來的。另外土工測試技術等方面也取得很大進展，特別是原位測試技術和離心模型試驗技術的發展。現代土力學的研究，呈現以下幾個特點：

1）對土的力學特性有了新認識。例如土力學性質的應力路徑依賴性、強剪縮性（表現泊松比小于0）和反向剪縮（剪應力減小時發生體縮）等，而一些研究多年的力學特性，如黃土濕陷、砂土液化、黏土斷裂等現象，也有了更深入的認識。許多問題不但經典土力學理論無法解釋，現有的非線性和彈塑性本構理論也無能為力，因此不少學者正在探索新的思路，包括從微細觀結構上進行研究等。

2）室內土工試驗技術逐漸提高。考慮復雜荷載條件的真三軸試驗、動態空心圓柱扭剪試驗、振動臺試驗、土工離心模型試驗等測試技術的發展，不僅使實驗土力學變成土力學的一個完整的分支，并進一步促進了土力學的發展。

3）原位測試技術逐漸完善。盡管取土技術在不斷改進，但是室內土樣試驗的結果常常不能反映現場的實際情況，原位測試技術正成為土力學的一個重要組成部分。

4）土工數值方法逐漸成熟。隨著電子計算技術的發展，對于非常復雜的數學方程和工程條件，都可以通過數值分析求解和模擬，土工數值分析正成為當前熱門的研究方向之一。

5）土力學的工程應用更加成熟。一方面用現代先進技術進行原位觀測，另一方面用現代計算技術進行反饋分折，通過這一途徑改進當前或今后的工程設計。同時，土力學的實際應用也離不開工程師的經驗，在現代計算技術的基礎上建立聯系理論與經驗的專家系統，這些都是現代土力學的重要特點。

值得提出的是，我國學者在土力學的發展過程中也做了應有的貢獻。中國對土力學的研究始于1945年黃文熙在中央水利實驗處創立第一個土工試驗室，但是，大規模的研究則是在中華人民共和國成立以后隨著一批國外留學人員回國和50年代初大批青年學者參加工作以后才開始的。60多年來，各方面都取得了長足的進展，提出許多重要成果，為土力學的發展和完善作出了積極的貢獻。例如，劉祖典等對黃土濕陷特性的研究，魏汝龍對軟黏土強度變形特性的研究和汪聞韶對砂土動力特性的研究等；在理論和計算方面，有黃文熙對地基應力和沉降計算方法方面的改進，陳宗基的流變模型，錢家歡應用李氏比擬法求解黏彈性多孔介質的固結問題，謝定義關于砂土液化理論的研究，沈珠江關于有效應力動力分析方法的研究，以及同濟大學關于土與結構共同作用的研究和浙江大學關于動力波傳播的研究等。近幾年來，一批基礎扎實、思想活躍的青年學者投身于土力學的研究，作出了不少新的貢獻。