0.3 学科发展
土力学与基础工程作为学科的发展远不如其他经典力学,但作为一门工程技术,却有着悠久的历史,古代许多宏伟工程的建筑和长久使用,都从技术水平上体现了这门学科的理论与实践。
下述几个古典理论被认为是该门学科的重要理论组成。
1773年,法国学者库仑(Coulomb)根据砂土试验成果建立了砂土的抗剪强度公式,根据刚性滑动楔体理论提出了计算挡土墙背土压力的计算方法。
1855年,法国学者达西(Darcy)根据试验创立了土的层流渗透定律。
1857年,英国学者朗肯(Rankine)提出了挡土墙土压力塑性平衡理论。
1885年,法国学者布辛奈斯克(Boussinesq)推导了弹性半空间表面竖向集中力作用时的应力、应变解答。
上述古典理论对于本学科的建立和发展起了很大的推进作用,一直被沿用至今。20世纪20年代后,有关研究有了较快的发展,其重要理论包括1915年由瑞典彼得森(Petterson)首先提出、后由费兰纽斯(Fellenius)等人进一步发展的土坡稳定分析的整体圆弧滑动面法,以及1920年由法国学者普朗德尔(Prandtl)提出的地基剪切破坏时的滑动面形状和极限承载力公式。1925年,奥裔美国学者太沙基(Terzaghi)出版了第一部专著《土力学》(Erdbaumechanik),比较系统地阐述了土的工程性质和有关的土工试验成果,所提出的有效应力原理和固结理论奠基了土力学理论,将土的应力、变形、强度、时间等有机联系,使之能有效地解决一系列土工问题。《土力学》专著的问世,标志着近代土力学的开始,使土力学成为了一门独立的学科。1948年,太沙基与佩克(R.Peck)出版了《工程实用土力学》(Soil Mechanics in Engineering Practice),该书在土力学理论的基础上,将理论与测试技术和工程经验密切结合,不仅推动了土力学和基础工程作为一门工程学科的发展,而且强调了该门学科中实践的重要地位。
基于土力学理论的基础工程有更悠久的技术历史,以深基础为例,1981年在智利的蒙特维尔德附近的森林里发现一间支承在木桩上的木屋,据美国肯塔基大学的考古学家的考证,该桩基至今已有12000~14000年的历史。其他特殊深基础如沉井、沉箱和地下连续墙等也有很长的应用历史。据考证,1738年瑞士工程师查尔斯·拉贝雷(Charles Labelye)在伦敦泰晤士河上建造桥梁时就采用了长80英尺、宽30英尺、深16英尺的木沉井,沉井在岸上制作,然后利用潮水拖运到位并下沉,沉井顶面设计标高高于最低潮位,以利用低潮时抽干井内水,砌筑块石桥墩。1850年又创造出气压沉箱,以达到更大的埋置深度和提供更大的承载力。历史上有许多著名的建筑物是采用气压沉箱建造的,如1869—1872年在美国纽约修建的布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge)基础,1885年修建的埃菲尔铁塔(Eiffel Tower)基础,以及1901年在纽约修建的摩天大楼(Sky-scraper)基础等。
我国最早的桩基础发现于浙江省河姆渡的原始社会居住遗址中,大约出土了占地约4万m2的木结构遗存,其中有数百根尺寸不等的圆桩和方桩,是迄今为止发现的规模最大的木桩遗层。另外,从北宋一直保存到现在的上海市龙华镇龙华塔(977年重建)和山西太原市晋祠圣母殿(建于1023—1031年)都是我国现存的采用桩基的古建筑。关于沉箱基础,我国古代也有使用的实例,如古代黄河上的“沉梢”和“沉排”的方法,即将树枝扎成捆编成筏排,抛填块石压沉到河底来护岸、护底和筑坝被认为是沉井沉箱基础的雏形;1894年竣工的由詹天佑主持修建的天津滦河大桥是我国最早采用沉箱基础的成功实例;20世纪30年代,由茅以升设计的钱塘江大桥的正桥15个桥墩均采用了沉箱施工。
20世纪70年代以后,随着现代科技成就在该领域的逐步渗透,试验技术和计算手段都有了长足进步,由此将众多的未知变成了已知或正在成为已知。在理论方面,一些标志性的研究成果,如:土的非线性应力-应变关系、考虑土的各种特性的本构模型、土与结构物共同作用分析方法、土的非饱和土理论、土的剪胀特性、土的加工硬化和软化特性、土的动力分析等等,使得土力学理论逐渐成为一门包罗内容丰富的现代力学学科。在基础工程应用技术方面,各类工程的兴建,如超高层建筑物、复杂的高速公路路基、大和特大桥梁基础、地质条件和水文条件极为特殊的水利工程等,使得原有的工程技术不断被改进和完善,由此极大地推动了基础工程的发展,特别是在桩工技术、建筑抗震技术、深大基坑开挖和支护技术、软弱土及特殊土处理技术、土工合成材料应用技术等方面取得了令人关注的成就。发展至今,该门学科的内涵之广之深已远非传统的理论所能尽述或概括。
第一届国际土力学及基础工程会议于1936年在美国召开,1999年改名为国际土力学与岩土工程会议,至2013年已经陆续召开了18届。中国土木工程学会于1957年设立土力学及基础工程委员会,并于1978年成立了土力学及基础工程学会。1962年在天津召开了第一届全国土力学及基础工程学术会议,从第八届开始改名为土力学及岩土工程学术会议,至2015年共召开了十二届。由于中国地域广大且土质多样,加之中国建筑行业的持续多年不衰,使得中国成为经济发展中涉及土力学与基础工程学科最深、最广、最多的国家,通过在土木、水利、道桥、港口等有关工程中逐一解决大量复杂的问题,为该门学科积累了丰富的理论和工程经验。
由于土的性质的复杂,土力学与基础工程还远没有成为具有严密理论体系的学科,需要不断的实践和研究。