土木吧钢结构设计分会：学习太沙基，超越太沙基，探索土力学新境界

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向太沙吉学习，超越太沙吉

顾保和

1 土样和土体

我多次读过太沙吉的传记，为他高尚的人格和深刻的学术思想留下了深刻的印象。太沙吉开创土力学至今已近一百年，至今仍是指导岩土工程实践的理论基础。太沙吉离开我们已经六十多年了，没有人能与他相比。岩土工程似乎仍处于太沙吉时代。向太沙吉学习、超越太沙吉，是我们的光荣使命。

在太沙吉之前，当工程建设遇到岩土问题时，只能凭经验处理，没有理论指导。他首先用科学方法研究土力学，提出了有效应力原理，并建立了第一个岩土实验室。土样室内测试是一种传统的科学方法，符合物理、化学、力学的研究方法。其优点是可以控制土样的应力和排水条件，并根据研究者的要求测量应力、变形和孔隙水压力。还可根据要求设计各种测试仪器和测试方法。一百年后，虽然已经发展了多种现场测试，但室内测试仍然是主流测试方法。

但工程实践表明，用土样代表土体并计算室内试验得到的参数确实存在问题。严格来说，土壤和土样是两个不同的概念：土壤在埋藏条件下具有初始应力，土样的应力在取样过程中已经释放；土壤有多种不同的组合，土样相对单一；在钻井、取样、运输、准备和测试过程中，不可避免地会受到一定程度的干扰；更何况，土样尺寸太小，很难要求测试结果代表当前土壤的性质。虽然室内渗透试验、固结试验、抗剪强度试验完全符合土力学原理，但结果并不理想。例如，理论上变形模量E0应该小于压缩模量Es。但实际体验却恰恰相反。除软土外，大多数情况下为Es0。经验表明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的压缩模量仅为3.76MPa，但变形模量却达到28MPa。工程完成后的实际测量证明后者是正确的。港珠澳大桥隧道工程厚层粉质粘土的压缩模量仅为5.6 MPa，静力锥试验经验得到的变形模量达到30 MPa。后者经堆叠测试确定更接近实际。采用《基础规范》计算沉降量，经验修正系数为0.2~1.4。也就是说，对于较硬的土体，实际沉降量仅为计算沉降量的五分之一！主要原因是室内试验时的压缩模量太小。

对于固结试验确实如此，但室内渗透试验和剪切强度试验问题较多。虽然测试结果不理想的原因包括土样质量、人员素质等因素，但使用土样进行室内测试肯定存在缺陷。有人对比了吹土中的UU试验、跨板强度试验、静力贯入试验、平铲侧向膨胀试验，发现即使采用薄壁取土器尽量避免土体扰动， UU测试的强度仍然是最低的。 。室内测试和抽水测试测得的渗透系数差异可达1到2个数量级！室内试验中水平和垂直方向的渗透系数相差不大，但现场分层土的垂直和水平层数却存在巨大差异。

研究人员在进行科学研究和理论研究实验时，并不关心土壤样品对现场土壤的代表性。但作为一名工程师，土壤样本必须代表土体。否则，测试结果如何用于设计计算？影响岩土工程计算可靠性的因素主要有两个，计算方式和计算参数，其中计算参数更为重要。很多学者和工程师觉得既然室内试验结果并不理想，为什么不致力于探索利用现场试验结果进行岩土工程分析计算呢？太沙吉还注意到，小土样不足以代表土体，因此他强调工程师必须前往现场实际调查现场的地质情况，并创建了至今仍在广泛使用的标准渗透测试。今天我们研究太沙吉，必须继承他的学术思想，聚焦领域；今天我们要超越太沙吉，突破口就在于参数，把重点转向现场测试和现场监测。

岩体具有宽度不等、间隔不均、连续或间断的裂隙系统，极不规则，难以测量和描述，比土体更为复杂。岩体和岩样的力学指标有时差异很大。室内试验的结果永远无法直接用于设计计算，因此开展原状试验显得更加迫切。

我绝不是要放弃室内测试。室内测试的作用不能完全被现场测试所取代。比如一些基本的物理指标，如含水量、密度、土壤颗粒比重、液塑限等。而且，土壤作为一种材料，只有通过实验室实验才能深刻了解其力学性能。然而，由于土样、岩样不能真实代表土石体，基于室内实验的理论体系和计算方法，无论模型多么完善，无论实验多么细致，无论多么深入。理论研究是，无法取得真正的突破。预计重点将转向现场，以现场测试、现场检查、工程监测为主要手段。在此基础上，进行理论研究，将先进的信息技术、物联网技术、智能技术、施工技术相结合，开创一条新路径。 。现场测试的地质条件和应力条件远比室内测试复杂。过去的研究已经非常深入。他们只进行了简单、肤浅的比较实验，总结了一些经验关系，这是远远不够的。衷心希望专家学者不要每天被关在实验室、研究室里。岩土工程在现场，工程在现场，岩土工程知识也在现场。

2 力学与地质学

大家都知道太沙吉是土壤力学的先驱，但不要忘记太沙吉也是一位地质学家。早在他年轻时上大学时，他就主修地质学。在从事土木工程的同时，他特别注重地质调查。 73岁退休后，他仍然在哈佛大学教授工程地质学多年，可见他对工程地质学的高度重视。太沙吉热爱大自然，对各种地质现象感兴趣，非常注重地质与工程的关系。但由于时代的限制，未能将土力学与工程地质学结合并上升到理论水平。今天，当我们向太沙吉学习、超越太沙吉时，我们必须继承他的学术思想，迈向更高的水平，创造一个力学与地质学相结合的新世界。

岩土工程是在传统力学理论的基础上发展起来的。然而，简单的力学计算并不可靠，无法解决复杂的实际问题。岩石和土壤的力学性质非常特殊。它们具有固体材料的弹性性能而不是典型的弹性，具有塑性材料的塑性性能而不是理想塑性，具有粘性体的流变性能而不是简单的流变性能。主要原因是岩土工程师面对的材料与结构工程师面对的材料完全不同。结构工程师面对的混凝土、钢材等材料是比较统一的。材料和结构由工程师选择或设计，并且是可控的。而且计算条件明确，基于力学的计算可信。岩土材料是长期历史时期复杂地质作用的产物。工程师无法随意选择和控制。只能通过调查来识别，但不能完全识别。要正确认识和认识这些条件，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、地下水渗流通道等，如果没有地质学的指导，几乎不可能将其归纳为可计算的力学模型。

岩土工程师无法理解工程地质学。如果不了解，到施工现场就无法识别项目施工过程中出现的现象和问题。当你看到一块岩石时，你只能识别它的颜色和硬度。你甚至无法区分三种主要的岩石类型：火成岩、沉积岩和变质岩。如何知道地层的分布规律，如何认识整合、不整合、假整合、断层等联系关系？面对着一软一硬、看似混乱的地质体，我只能感到迷茫！另一方面，地质学家看到地表上有一些零星的岩石露头，可以推断出地下深处的地层和结构。我国有些地方有第四纪玄武岩，在很坚硬的岩层下面有软土。没有基本地质知识的人都觉得不可思议。研究过土力学的人都知道达西定律。然而，地下水的运动受到相对不透水的岩石和土壤的限制。其产生和径流是由地质结构和强弱弱透水层的空间分布决定的。岩石中的地下水完全由裂隙带决定，岩溶发育带受到控制。你懂地质学吗？ 、塌陷、滑坡、泥石流、岩溶、地裂缝等都是地质作用发展起来的地质灾害。识别地质灾害需要地质知识，治理地质灾害需要地质知识。是顺层滑坡还是顺层滑坡，是推力滑坡还是牵引滑坡，已经发展到什么阶段，发展趋势是什么，如何治理，只要从高处看就能知道。这依赖于深厚的地质知识和长期积累的经验。缝隙、洞穴、漏斗、天坑、槽槽、石芽等喀斯特现象以及在此基础上发展起来的土洞、塌陷等，都是地质作用的产物。不了解地质知识和地质过程规律，就不可能对症下药，治疗地质灾害、治愈疾病。

岩土不仅是具有一定物理力学性质的材料，而且是“活的”地质体。地质体不是静止的，而是不断运动的。经过长期的历史演化和各种地质过程，形成了现在的岩土性质和地质结构，并将在未来不断演化。进化的速度有时很慢，在生活中看不到，有时又很快，甚至突然。地质构造的形成、地质过程的发生、地质历史的演化都遵循地质科学的规律。表面上看似混乱的地质现象，其实是有规律的。如果你不懂地质学，你怎么能了解地质体呢？因此，如果一个岩土工程师只懂力学，不懂地质学，他的知识就不会全面。

与力学相比，地质研究有其自身的特点：一是观察、调查是研究的基本手段。地质研究也包括实验，但主要手段是现场观察和野外调查。几乎所有的地质学基础知识和理论都是通过观察和调查积累起来的。二是以归纳推理为主要思维方法，即在野外调查的基础上，观察大量的地质现象，进行比较、综合，通过“去粗取精”的努力，推断出共同点。去本质，去伪存真，由一到那，由表及里”。定律不同于力学以演绎推理为基础的思维方法。三是注重成因和演变。地质学家认为，地壳每时每刻都在不断地移动和演化。地形、土石、地质构造都是地质作用的历史产物，都有其起源和演化过程。研究地质学的起源和演化是地质学家的基本追求之一。追问一切的起源已经成为地质学家的习惯。

力学模型和地质模型需要耦合。风化引起的岩体退化是地质学和力学之间联系的最明显的例子。风化过程有时缓慢，有时快速。一些泥岩和粉砂岩在自然状态下相当坚硬。它们在暴露后的几天内逐渐龟裂、解体、剥落，并继续向更深的方向发展，危及基坑和边坡的稳定性。开挖填方、蓄水引水等都是人为地质过程，与岩土体的力学性质密切相关。准格尔选煤厂平整场地并进行大规模开挖充填，改变了地下水平衡和动态，导致水位上升、土体软化、地基承载力和变形不足。不得不采取补救措施，延误了工期。从力学角度来看，滑坡是由于岩土体失去平衡而引起的，可以采用力学方法进行分析。然而，滑坡仍然是一个地质过程，有其自身的成因和演化规律。不同性质的滑坡（牵引型、推动型等）和不同类型的滑坡（均质体滑坡、顺层滑坡、切层滑坡、浅层滑坡等）的演化过程是不同的。滑坡是阶段性逐步演化的，与岩土成分、岩土性质、地下水、外力等多种因素有关。它们绝不是单一的机械平衡问题。对于环境岩土工程来说，问题更为复杂，涉及化学、生物学、生态学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。两种思维方法非常互补、相互渗透、嫁接，必将对学科的发展和复杂岩土工程问题的解决发挥巨大的作用。机械平衡和应力应变工程明显，易于量化，可操作性强。它们是岩土工程的表面；地质演化相对隐性、抽象、多样，其内在规律隐藏在深处。两者是相互排斥的。 。目前的方法是力学+地质的综合分析，体现了岩土工程师的智慧；未来，两个学科能否进一步融合，发展出一套新的、可以定量分析的理论和方法？

3 科学与艺术

太沙吉多次强调“岩土技术是一门艺术而不是一门科学”。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”。我理解，太沙吉的话并不是否认岩土工程的科学性，而是认为岩土工程作为一门科学，尚不严谨、不完善、不成熟，但它富有艺术品格，具有丰富多彩的艺术魅力。有人总觉得岩土工程与艺术并不互相排斥，建议将art翻译为“craft”。但我觉得翻译成“艺术”更合适。

岩土工程蕴含着深刻的科学原理，其科学性是毋庸置疑的。但科学提倡用数学模型描述、定量计算，追求严谨、精密、准确。从这个角度看，岩土工程尚不严谨、不完善、不成熟。艺术是指美丽的物体、环境或行为，是一种可以与他人分享的创意。除绘画、音乐、文学、戏剧、山水等外，还有领导艺术、指挥艺术、外交艺术、公关艺术等，体现在其匠心、欣赏性和诱人的魅力。艺术与科学的区别在于，科学强调客观规律，而艺术强调主观创造力和分享；科学强调普遍性和合理性，可以大量重复，而艺术则强调个性和理解性，各有魅力和丰富性；科学创新有时“昙花一现”很快就会被超越，而艺术创造力却是永恒的、常新的。技术或多或少都含有艺术元素，而岩土工程面对不断变化的地质条件和多样化的岩土性质，需要不断创新。因地制宜，治疗方法往往因人而异，不同的人可以开出不同的药方，从而富有更多的艺术元素。美丽；平庸，只是满足于千篇一律的“量产”，当然毫无艺术性可言。

我们先来说说岩土工程的科学缺陷，比如土力学中的压实硬度原理。在有效自重压力的作用下，土体被固结压实，形成强度和刚度。根据固结状态分为欠固结、正常固结和超固结。但这个规则实际上只适用于沉积在水中的粘土，不适用于沙子、砾石和卵石。这些粒状土壤主要不是通过压实而硬化，而是主要由于侵蚀和振动而致密。因此，风积沙非常松散，一些临时水流冲刷下来的砾石土是湿陷性的。我国分布广泛的黄土、红粘土、膨胀土、残积土等的强度和刚度与抗压硬度原理无关。再比如地基承载力，这是最常见、最常遇到的问题。结构工程采用极限状态可靠性设计和部分系数表达；岩土工程仍然采用许用应力法，连极限状态和安全系数都不知道。连不知道都是不精确、不完美、不成熟的最典型表现。至于沉降变形的计算、岩土压力的计算、边坡稳定性的计算，问题就更多了。有人戏称滑坡计算是“舒适度计算”。我认为这确实是真的。我并不是说岩土工程不需要计算，但是我们不能仅仅依靠计算，我们必须意识到计算的错误。现在有了软件，计算就很方便了。没有软件，就不可能设计，但是有了软件，就不可能设计好。

因此，岩土工程的科学水平还相当低，理论远远落后于实践，太沙吉等前辈留下的遗产实在不够。岩土工程需要知识，还需要专家学者努力。

岩土工程的艺术性主要体现在其匠心精神。我的著作《岩土工程典型案例回顾》和《岩土工程之路探索》都给出了比较详细的解释。例如，在边坡开挖中，采用支护来承受侧向土压力是一种传统方法。锚杆采用后拉力来解决这个问题，既节省了成本，又占用了更少的空间。它非常聪明；高填方、高路堤级配，占用大量土地，加筋土解决了土体抗拉强度不足的问题，坡陡化非常巧妙；对于隧道开挖及地下工程，新奥法不采用厚壁混凝土支护，而是充分利用围岩自身承载力，采用锚喷混凝土加固与薄壁柔性结构形成支撑环，开挖和支护是通过观察不断调整的，非常巧妙。在处理结构与岩土体的关系时，常采用调整刚度、刚柔相济的方法，这也是一门艺术。四盎司重一千磅，里面有科学，外面有艺术。

与一百年前的太沙吉时代相比，现在的情况已经完全不同了。规模大、难度大的工程项目众多，为我们提供了广阔的表现舞台；互联网、大数据、云计算、智能技术为我们准备了全新的道具，精彩的节目正等着我们表演。

评价科学性是一个二分法，对或错，对或错，两者必有一者，所以科学性是底线。 1980年左右，当时岩土领域的一位知名专家过于迷信梅纳的强夯理论，采用强力压实处理厚层软土，将场地压得一片狼藉。这是一个突破科学底线的例子。 “成功也是一个概念，失败也是一个概念”就是这个道理。评价艺术性是关于优点和缺点。没有最好，只有更好。工匠精神是追求更好，追求卓越。大工程要做好，小工程也要做好，每一项工作都要精致。这就是工匠精神。 20世纪50年代，有一个小型肉类加工厂项目。勘察过程中发现，冷库位于一层厚厚的泥炭土上，这使得地基设计非常被动。计划选择另一个地点建厂。勘察项目负责人判断，可能是牛轭湖沉积物，分布在当地。建议扩大钻探范围。虽然距离不远，但冷库的地基却很好。付出的努力很小，但却为项目建设节省了大量资金，并保证了工期。

4. 知行合一

太沙吉是土力学的先驱，当然他是一位学者和理论家；但他把一生更多地奉献给了工程实践，是一位伟大的工程师和实践者。他还是一位教授、教育家，致力于推广自己的理论、经验和学术思想，培养了一大批知名专家。

太沙吉出生于欧洲。他在土耳其开创了土力学，并在美国普及了土力学。曾在欧美多所大学任教，并为全球多个项目提供咨询，涉及房屋建筑、水利、高速公路、机场、隧道、地铁、堆场等。 、造船厂、护岸、永久冻土、山体滑坡等领域，还专门调查了热带土壤。他所创立的理论主要是通过现场观察和工程经验的提炼和总结。没有工程实践，就没有土力学。作为后人，我们不仅要认真学习他的理论，“读万卷书”；我们也要向他学习，深入现场，“行万里路”。岩土性质和地质条件极其多样，工程要求也不同。没有丰富的经验，你永远不会成功。许多经验是书本上学不到的，许多现象非亲眼所见是无法认识的。现在有些人只靠数据和别人的描述来编制报告、做设计，就会成为不懂岩土知识的岩土工程师。

知必行，行必懂，知行合一，理论与实践高度结合，是岩土工程师成功的必由之路。

岩土工程的一切知识，小到一块土、一块石头、一种地质现象，大到深奥的理论，都是通过实践总结出来的。同时，要在实践中反复理解、检验、纠正错误，才能逐步加深认识。花岗岩是最常见的岩石。我从来没有反复识别过。我能认得出来吗？不接触、不摩擦，你能了解粘土的可塑性吗？只从书本上学到的知识而不去实践是空洞的、不可靠的；经过反复练习，知识就变得真实，可以受用一生。掌握结算计算方法并不意味着真正了解结算计算。需要经过反复的工程实践，才能逐步了解如何估价荷载、如何选择参数、计算结果如何可靠、如何避免误入歧途。通过书本学习了解的有效应力原理，在实际工程中如何理解和处理，有时著名专家意见不一，很多岩土工程师一生也从未真正理解过。测绘施工新技术、新方法，必须在工程中反复应用和检验，才能真正掌握。

实践产生真知，实践产生新知识，新知识又是从实践中总结出来的。黄土崩塌起源于20世纪30年代苏联的一个钢铁基地。阿别廖夫根据现场考察和工程数据，进行了深入研究，得出了一套湿陷性土施工的理论和方法； 20世纪70年代，我国数十个工程发生膨胀土事故，经过集体思考广益，系统化经验教训，将法规编制成膨胀土规程；早先，鉴于高低楼层荷载和沉降差异较大，除了做沉降缝外，还预留了标高，但实践证明没有必要，如果不用理论分析，你怎么知道原因呢？如果你只是忙着完成任务，你怎么能温故知新呢？

知识在哪里？知识存在于书本中，知识存在于实践中。

上面我们讲了知必须行，下面我们要讲知必须行。这个问题看起来很简单。做工程的都是专业人士。他们当然有专业知识，但事实可能并非如此。如果你知道公式、软件、标准、规范等，但不知道为什么会这样，也不注意实际情况与公式、软件有多么不同，是否与精神一致对标准、规范的盲目应用是当前普遍存在的不良倾向。 。例如，规范提供了承载力的计算公式。如果不注意实际工程与公式假设的差异，盲目代入计算，很可能会出现错误。而且，根据有效应力原理，饱和粘土的强度实际上并不是一个固定值，而是随着孔隙水压力的消散而逐渐增大。另一个例子是降低地下水位。如果只知道按照规范和常规方法计算，不深入现场情况调查，不了解薄夹层和渗流面的影响，就可能导致降水失败。知道某事，但不知道为什么它不是真正的知识。未能使用理论指导实践很可能会犯概念错误。

像Terzaghi一样，我们必须将练习放在首位，深入领域，进行认真的调查，继续进行创新并将工程视为知识。地质学家的前辈们携带了指南针，铁铃和放大镜的“三个主要项目”，并逐步向前移动，一次敲一块石头，观察，比较和仔细地思考，调查一切事业的原因，一直在思考，始终思考关于进化，并总结结论。这种精神是一个深刻的地质宝库，值得摇滚工程师学习。经验只能稍微积累，只能逐步改善理解。没有捷径。在不要求彻底理解的情况下，很好地阅读法规是一种渴望快速成功的浮躁心态。

在Terzaghi开创了土壤力学的过去100年中，土壤力学的进步对所有人来说都是显而易见的。构成关系加深了对土壤特性的理解。数值方法已彻底改变了计算技术。现在的测量和施工技术与过去不同。 ，该项目的规模和困难与过去完全不同。但是，深刻的知识似乎隐藏在学者的学习室，科学落后于技术背后的知识，而理论却落后于实践。没有灵魂，无论您有多努力，岩土工程的“基本原理”似乎仍在Terzaghi时代。它们仍然不严格，不完美和不成熟。没有人能像Terzaghi这样的知识和行动结合。 ，文学和军事，既是学者又是工程师的杰出人物。时代成为英雄，这是有理由现在是时候成为英雄了。国内土木工程正在上升，“腰带和道路倡议”将我们带入了世界。环境岩土工程已经开辟了一个新的巨大空间。互联网，大数据和情报已为岩土工程提供了新的技术机翼，超过了Terzaghi。在他在中国共产党的指导下的学术思想中，一切都准备就绪，我们需要的只是东风。

什么是东风？ “东”是正确的方向。 “风”是强大的驱动力。本文使用很多单词来谈论方向，但没有谈论动机。在市场经济环境中，驱动力应该是健康的竞争。与谁能做得很好的人竞争，谁能安全，可以在经济上做到这一点，急于创新，并急于采用适用的新技术。但是目前，似乎缺乏这种机制和气氛，并且急于快速成功和浮躁。这种情况具有深刻的社会背景和历史原因，这是我们像我们这样的专业人士的控制。

在塔萨吉时代，这条路很长！

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