1、巖土工程的一些哲學思考清華大學11. 前言2. 東方哲學與西方哲學3. 對象及主體間的關聯與轉化4. 感性認識與理性認識理論的價值5. 一個永恒流動與變化的體系6. 巖土工程的科學方法7. 人與自然的和諧巖土工程的任務主要內容21. 前言：巖土與人類人類最早接觸和最早使用的材料：舊、中、新石器時代的標志是人類使用巖土材料的水平；土與文化：幾大古文明中人類起源的傳說：不約而同地認為人是上帝（神）用土創造的；表土與人類文明：人類的幾大古文明的發生與衰落;土地與農業：“普天之下，莫非王土” 權力與財富 ；朝代的更替；農民戰爭 農業文明土與水目前名川大河的中下游，土層深厚形成農業、經濟、文化、政治中心

2、海洋文化：三角洲文明（交通與信息）巖土與哲學的天然聯系。31. 前言：巖土材料非連續性：顆粒與裂隙，巖石與巖體；多相性：固體、水、氣體三相間的相互關聯及作用；變異性：長期地質歷史的產物：原狀性、區域性、不均勻性、各向異性；巖土工程是充滿了不確定性及風險與挑戰，充滿了哲學的命題；巖土工程科學與哲學以哲學的高度來認識。42. 東方哲學與西方哲學亞里士多德已經說過：這些較早的哲學家都設想原初本質是某種物質：空氣和水；后來赫拉克利特設想是火，但是沒有一個人設想是土，因為它的組成太復雜。（天然辯證法）一曰金，二曰木，三曰水，四曰火，五曰土；水曰潤下，火曰炎上，木曰曲直，金曰從革，土爰稼穡。（尚書洪范）5

3、2. 東方哲學與西方哲學西方哲學強調萬物的組成及分析，東方哲學強調萬物間的相生相滅。東方哲學崇尚宏觀與定性，主張感悟: 陰陽、五行、八卦，經絡；西方哲學崇尚精密與定量，強調理性:結構構件分子原子電子光子量子，以太。生物器官細胞基因6時空的無限性“天地玄黃，宇宙洪荒”（千字文）；“大哉乾元，至哉坤元，萬物資生，乃順承天”（易經）；“道在天地之間也，其大無外，其小無內?！保ü茏有男g）道生一，一生二，二生三，三生萬物。”（老子）“無限時間內宇宙的永遠重復的連續更替，不過是無限空間內無數宇宙同時存在的邏輯的補充?！保ㄗ匀晦q證法）地球太陽系銀河系星云無限宇宙；7關于地基承載力設計理論承載能力極限狀態：安

4、全系數法和可靠度法；正常使用極限狀態：（沉降、抗裂、耐久性）容許承載力法；定值理論：容許承載力與安全系數法；非定值理論：分項系數法可靠度法。8三種承載力設計理論1、容許承載力理論2、極限承載力理論安全系數法3、極限承載力理論分項系數法分項系數分項系數91容許承載力理論在載荷試驗中可以由其比例界限確定；按一定沉降比人為規定，例如s/b0.0010.0015在理論計算中可以由塑性區發展理論中的臨塑荷載pcr、p1/4、 p1/3確定。按容許承載力理論確定的承載力，其沉降一般也會滿足要求，常常不需進行沉降驗算。在這種設計中，工程的安全性和可靠性是無定量的概念的。因而是一種經驗的設計方法。10臨界荷載

5、 pcr、p1/4、 p1/3F塑性區112 極限承載力理論安全系數法承載力：極限承載力公式、平板載荷試驗的極限值/安全系數（K2）12地基的破壞與極限承載力133極限承載力理論分項系數基于可靠度理論的分項系數設計方法也是一種承載能力極限狀態設計方法。由于工程中的荷載和抗力都是隨機變量，有多少可能性使荷載大于抗力而失事是一個隨機事件，破壞的概率（可能性）決定于兩個隨機變量的均值（眾值，中值及某個分位值）及其分布。 14R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度設計示意圖15可靠度設計其失事概率可用可靠度指標表示。例如，相應的可靠度系數為3.0，則表示失效概率為萬分之9.4，能夠明確地給出安全與

6、失效的概率，然后通過經濟、社會、技術的風險分析，給出最合理的設計值。是一種最科學合理的設計理論與方法；我國頒布的建筑結構可靠度設計統一標準（GB50068-2001）規定，對于各種結構設計應遵循該理論方法。16地基基礎設計中的三種荷載組合1正常使用極限狀態下荷載效應的標準組合 ；2正常使用極限狀態下的荷載效應的準永久組合3承載能力極限狀態下荷載效應的基本組合17GB50007-2002的設計理論應用地基承載力容許承載力：正常使用極限狀態荷載效應的標準組合；穩定分析單一安全系數：承載能力極限狀態下荷載效應的基本組合，分項系數取為1.0;沉降（開裂）計算：正常使用極限狀態下的荷載效應的準永久組合結

7、構計算可靠度的分項系數：承載能力極限狀態下荷載效應的基本組合。18巖土工程的不確定性土層剖面與邊界的不確定性；現場與實驗室巖土指標的不確定性；現場原位應力與孔隙水壓力的不確定性；外加荷載及其分布的不確定性；巖土材料性質的復雜性；應力變形的機理不清楚。計算理論和方法的不確定性；19巖土定量描述的困難因果關系的缺失：源于對象的復雜性及影響因素的多樣性；統計、概率、優化、可靠度：互補率的破缺亦此亦彼：源于多因素的相互關聯與轉化；灰色、模糊、混沌、分形：20地基承載力設計理論的哲學基礎1、容許承載力理論2、極限承載力理論安全系數法3、極限承載力理論分項系數法可靠度設計在巖土工程中的失?。嚎煽慷鹊难芯?；

8、樁基技術規范；歐洲的規范。東方哲學的勝利！21東方哲學理念下的醫藥中醫陰陽：陰虛陽虛；五行：肝木腎水；經絡：穴位22巖土工程與中醫望問切聞，綜合判斷；對癥治病，因地制宜；經驗投藥，隨時調整；理論導向，實測定量，經驗判斷，檢測驗證。23太沙基的土力學藝術說“無論天然土層結構怎樣復雜；也無論我們的知識與土的的實際條件有多么大的差距，我們必須利用處理問題的藝術（art)，在合理造價的前提下，為土工結構和地基基礎問題尋求滿意的答案?！边@與中醫的手法是相通的。24概念設計與時空效應抗震設計：不壞、可修、不倒（不死）；樁基規范：變剛度調平、減沉疏樁；新奧法：設計、檢測、施工的一體化方法；地下工程與基坑施工

9、的時空效應理論；總之，是基于理論，依賴于經驗的工作方法。25一個復雜體系的認識L.A.Zadeh：“當系統的復雜性日益增加時，我們作出系統特點的精確而有意義的描述的能力將相應降低?！?巖土工程中精確是一種奢求。土的本構關系模型的發展：“沒有為任何一個模型戴上王冠?！?6沉降計算經驗系數s Es2.54.07.015.020.0pfk1.41.31.00.40.2Pfk1.11.00.70.40. 2273. 對象及主體間的關聯與轉化黑格爾：量轉化為質和質轉化為量的規律；對立的相互滲透的規律；否定之否定的規律。（現代科學）它使每個人都或多或少地局限在自己的專業中，只有少數人沒有被它奪去全面觀察問

10、題的能力（自然辯證法）客觀世界是不分專業的。283. 對象及主體間的關聯與轉化土的三大特性：碎散性：非連續介質；多相性：固體顆粒、水、氣體三組成；變異性：長期地質歷史的產物。29互補率的破缺亦此亦彼連續介質，非連續介質？固體，流體？強度與變形：古典土力學二者截然分開強度問題：經典極限分析與極限平衡；變形問題：基于線彈性理論的分層總和法30強度與變形的轉化土的強度，或者破壞是其應力應變過程的最后階段，即在微小的應力增量下，會產生很大（或者不可控制）的應變增量。因而破壞是應力應變關系的最后階段。31變形與破壞的轉化ps32滲流問題與強度問題間的轉化二者相互影響；在一定條件下隨可能是相互轉化的。33

11、滲流坡面抗滑穩定分析：滲透水流以一定角度從砂土坡面逸出時當0，90 時，流土（砂沸）！34土中水與水中土問題的轉化前者土作為載體，土中水在其中運動，層流時服從達西定律；后者水作為載體，水中土成為懸移質被挾帶裹脅運動，服從流體力學定律。推移質介于二者間。35幾個例子流土（砂沸）；管涌；流滑；液化；滑坡泥石流；崩岸；36流土37管涌38流滑39泥石流40液化414.感性認識與理性認識理論的價值感覺到了的東西，我們不能立刻理解它；只理解有了的東西才能更深刻地感覺它；沒有理論指導的實踐是盲目的實踐。 （實踐論）巖土工程實踐已經有幾千年，而土力學成為一個學科才80多年，標志是什么？42人與動物、實踐與認

12、識狹義的動物也有工具，然而這只是它們的軀體的四肢，螞蟻、蜜蜂、海貍就是這樣。只有人才給自然界打上自己的印記。.隨著對自然界規律的知識的迅速增加，人對自然界施加反作用的手段也增加了。-（自然辯證法）43鼠獺螻蟻與巖土工程水獺用樹的枝干和石塊在領地的河道上建造一座水壩，并發表了論文“高壩建造技術”；鼴鼠在草原下營造了復雜的地下工程系統，論文“蜀國的地下工程規劃”獲得最佳論文獎；白蟻在林地修建了一個3米高的蟻穴，出版了專著大型地基基礎工程技術，槐陰國的地標超高層建筑的巖土工程問題。 44土力學學科的誕生太沙基認識到：鼠獺螻蟻也能建造土工建筑物，從事巖土工程的實踐。但是靠它們的本能和經驗，而只有對客觀

13、世界的深入理解和正確的理論描述才能夠上升為科學技術。于是他閉門思索和潛心試驗，提出了土的有效應力原理和單向滲流固結理論，1925年出版了土力學和地基基礎（Erdbaumechanik auf bodenphysikalscher Grundlage）一書。人們公認這標志土力學作為一門獨立學科的誕生。45忽視理論受到報復鉆孔灌注樁施工：孔內水位為什么要高于地下水位？土壩的邊蓄水邊填筑；弟頓壩的水力劈裂破壞；挖方施工快！填方施工慢！獻禮工程的事故；46承載力理論的意義加拿大特朗斯康谷倉： 1913年9月裝谷物，10月17日傾覆，1173年動工1370年竣工1940年在軟粘土地基上的水泥倉的傾覆47

14、5.一個永恒流動與變化的體系一切僵硬的東西融化了，一切固定的東西消散了，一切被當作永遠存在的東西變成了轉瞬即逝的東西。整個自然界被證明是在永恒的流動和循環中運動著。陰陽：一分為二、陰陽交感、矛盾轉化、發展變化。485.一個永恒流動與變化的體系人不能過同一條河;我們不能用同一個土樣作一個完整的試驗：在每一瞬時，土的內部結構、土的性質都都不是前一瞬時的那個土了。非線性、彈塑性、剪脹性和與應力路徑有關的性質。土的應力應變與組成、狀態和結構的耦合！49DDA (discontinous deformation analysis)非連續變形分析DDA計算三軸試驗曲線50正常固結粘土的固結與強度pe任一應

15、力下的土樣都是不同的, 它是不同密度和結構土樣強度的集合。51各種土的本構關系的相通性應力變形組成、狀態、結構之間的描述尺度：彈塑性模型：硬化參數H(pij);損傷模型：損傷變量w(ij );內時理論模型：內部時間變量z (ij ).都是表明土在受力變形工程中的結構與狀態變化尺度。526. 巖土工程的科學方法歸納和演繹；抽象和具體；外推和內插；分析和綜合 ；概化和細化；類比與借鑒；移植與引進。53歸納和演繹歸納：經驗公式演繹：三段論式演繹論證：微分方程邊界條件解答演繹推測：設計理論與方法設計參數工作對象普遍適用的理論 補充陳述 推論大前提小前提54歸納法的錯誤實例平面應變方向的中主應力平面應變

16、試驗歸納的結果不具普遍性違背虎克定律： 歸納法55歸納法的錯誤實例對于很軟泥土，復合深度修正系數為0.8.dA=156演繹法的錯誤實例膨脹土地基的承載力膨脹力是引起膨脹土膨脹的原因原有的地基承載力公式沒有考慮膨脹力所以必須修改公式。 演繹法57抽象和具體抽象性質抽象彈性和塑性關系抽象虎克定律和達西定律具體誤用的原因：一般是補充陳述（小前提）有錯誤超過理論適用范圍補充條件有錯誤邊界條件錯誤設計參數錯誤人為的任意性，實際的困難性。經驗理論具體化理論的應用58抽象的意義對土性質的認識曾經歷的四次飛躍壓硬性摩擦定律極限平衡理論排水壓密性有效應力原理固結理論剪脹性劍橋彈塑性模型結構性?59具體化中誤用實

17、例抗剪強度理論快剪不排水剪砂與碎石土使用固結不排水指標勘測資料失誤殘積土上多層建筑基坑地基土的快剪試驗強度指標與非飽和土吸力 具體化60外推和內插外推外推拓寬理論適用范圍一維二維、三維線性非線性飽和土非飽和土內插普遍適用的理論退回到有限范圍適用的理論倫杜列克固結理論(1936)Barron砂井固結理論(1948) 參數與數值的內插 61分析和綜合 西方還原論的精華結構構件分子原子生物器官細胞基因分析實體分析：有限單元法，條分法，離散元法等成份分析：顆粒分析，化學分析總應力有效應力孔隙壓力注意兩點分析時出現而綜合時消失的，如滲透力綜合時存在而分析時消失的，如人體筋絡系統，地應力虛構的概念滲透流速

18、，有效應力62分析的關鍵是如何劃分 分析III土骨架水土體總重 = 土骨架浮容重 +孔隙水？63概化和細化概化數學分析略高階小量樁基計算中的剪切位移法地基土的滲透系數細化滲透系數由標量改為張量單一屈服面改為雙屈服面總應力分為有效應力和孔隙水壓力簡化或理想化略去次要因素細化增加考慮的因素64類比與借鑒類比電擬試驗、光彈試驗，各種物理模型試驗滲透達西定律電流的歐姆定律借鑒仿生學，優化理論中的遺傳算法、螞蟻算法、樹根樁學科間的交叉正是為了發揮借鑒比擬從相似事物的比較中得出結果借鑒從其它事物的觀測中得到啟發65移植與引進移植土壤學（吸力），混凝土（斷裂）的研究成果引進數學力學的一般理論如分形幾何、拓撲

19、數學、損傷力學高新技術如數字技術，GPS移植直接引用相鄰學科的成果引進引入普遍適用的理論或方法66引進和借鑒的三個原則以中國革命為例 對應原則中國革命需要馬克思列寧主義馬克思列寧主義適合中國國情沒有死搬俄國十月革命的經驗需要適合活用67“需要”的原則帶著問題去取經不要為引進而引進屠龍術的笑話成功實例塑性力學、遺傳算法；一維壓縮穩定系統（系統論）68“適合”的原則殺雞不用牛刀性價比最高原則復合載體夯擴樁成功實例遺傳算法、許多半經驗方法部分成功實例壓縮曲線的雙曲線擬合有爭議的實例有限元強度折減法69壓縮曲線的擬合pelog pe70“活用”的原則引進是再創新過程成功實例經典塑性力學：圓筒屈服面、圓

20、錐屈服面帽子形屈服面1312371突變理論應用案例H應變弱化區段彈性性質區段72試錯與相關分析試錯法 ：確定性方法排除歸納法因果關系研究假定幾種可能的原因通過演繹法推斷每一種原因將會出現的結果與已經發生的事實比較公安破案，醫生找病因，工程事故的原因分析相關分析：非確定性方法73實例分析地震滑坡的擬靜力法地震滑坡原因液化引起的強度降低地震慣性力擬靜力法：地震慣性力理論從結構動力學中借鑒74實例分析地震滑坡的擬靜力法75實例分析真空預壓機理4種假設水平位移垂直位移容重變化向外向下大氣壓力向外向下滲透力向內向上有效應力增加向內向下零壓線767.人與自然的和諧巖土工程的任務天何言哉？四時行焉，萬物生焉

21、。（論語陽貨）道在天地之間也。（管子心術）77巖土工程對象的演變美國的土木工程師協會（ASCE）下所主辦的本學科期刊創辦時名為“土力學及基礎工程”（Soil mechanics and foundation engineering）；1974年以后更名為“土力學及巖土工程”（Soil mechanics and geotechnical engineering），相應的學會也改成此名；20世紀90年代以后，期刊又更名為“巖土工程與環境巖土工程”（geotechnical & environmental engineering）。78人與自然的和諧巖土工程的任務我國近20年來隨著國民經濟和各類土木工程的快速發展，巖土工程建設