巖土工程中的技藝與科學(Peck 原作 王洪新譯)

巖土工程中的技藝與科學*

Ralph B. Peck 原作  王洪新 譯

譯  者：上個世紀，在二戰后的五、六十年代，美國和歐洲經歷了一個大建設時期。當代土力學方興未艾，但巖土工程卻是事故頻發。Peck做為一位土力學家兼巖土工程大師給出了自己對巖土工程這個學科的總體認識。當前，國內也處于大建設時期，我們在土力學研究中與工程實踐脫節現象更加突出。所以，特譯出本文供大家參考，也希望引起國內學者注意。

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文章編號：

巖土工程是一門技藝，而土力學是一門工程科學。這個區別經常被表述，但是很少被充分領會。但是，如果我們期望在兩方面都有所進步甚至精通的話，必須理解這個區別。

幾乎每周，關于基礎與開挖工程的各類期刊都會至少描繪一起工程破壞。然而，年復一年，越來越多的學者都把更多注意放在土力學上，他們不斷創造無論在研究領域上，還是研究范圍上，都令人印象深刻的文章。一些人宣稱，土力學研究的日益增長與日益頻發的基礎與開挖事故是否有一定的因果聯系？

誠然，高發的工程事故或者意想不到的造價高昂的工程，部分地是由于工程建設步伐加快的結果，另一部分則是基于這一事實——土力學為幾年前才認為可行的日益復雜和大膽的工程打開了大門。然而，甚至在那些對土力學一無所知的圈子里，大量令人不安的不幸的代價高昂的工程事故的起因也需要被解釋。產生諸多事故原因源于我們沒有有效區分技藝與科學。在一個充滿科學奇跡的時代，土木工程師忽視了在他自己專業領域內藝術素養。我們將盡力找回并且檢驗這種素養對地下工程實踐成功的必要性。這種素養中下至少包括三點：關于工程先例的知識，對土力學的熟悉程度以及關于地質學應用方面的知識。

其中，工程先例的知識是最重要的。兩個世紀以前，工程師就在困難地層中建造了廣闊的涉及深開挖的運河系統；一百年前，鐵路工程師們已經在能夠在含水砂層的地下水位下開鑿長大隧道了。所有這些，也包括其它工程，都是在沒有現代土力學幫助下依然成功地克服困難而后完成的。那些時代的工程師們沒有任何指導——除了經驗，這些經驗包括自身經歷的，還包括同時代的同事，在一定程度上還有他的前輩們記錄的經驗。如果這些工作者能夠僅僅基于經驗和他們自己的聰明才智就能夠把這種工程順利完成，那怕在今天這些經驗無疑也是巖土工程師的無價之寶。

這些來自于先輩的遺產可以通過簡單閱讀來獲得，但盡管對工程師的背景知識很重要，這些資料卻是二手的。每個工程師還必須在此基礎上添加屬于自己的第一手經驗才能勝任自己的專業工作。然而，若干年的專業生涯的短短幾頁并不能使工程師獲得各種必須的經驗來發展巖土工程師的精湛技藝。年輕人一定會看到，他被委派去監管他必須勝任的不同種類的重要工程，這些工程的難度不斷增加，對他的責任心要求越來越高。即便如此，20年后他也不能宣稱他已經有20年的工程經驗，他可能只是把一年的經驗重復了20次。

個人的經驗發展不是一個被動的行為，它需要敏感和持續的努力；它要求你有觀察那些正在發生事物的能力，要求你一直保持這種細致的觀察，要求你能夠區分哪些是重要的，哪些是無關緊要的。

這種能力絕不是天生的。許多第一次去現場調查的年輕人回到辦公室發現記不起現場觀察的諸多細節。這種尷尬導致他們認為自己缺乏一個工程師應有的第六感，因此他們會回避這種安排。如果他寧愿如此，他作為藝術家的工程師生涯必然暗淡無光，是他自己切斷了與工程經驗的聯系。他們完全可以選擇另一條路，他可以嘗試去發展觀察和記憶的技能。在夜晚旅館房間里，他可以憑記憶記錄剛剛調查的基坑支護的細節，他會發現自己記不起特定的細節，但第二天他可以更正這個記錄。他會逐漸養成簡要但準確記錄設計和施工過程日記的習慣，他開始了解哪些是應該觀察的，哪些是需要忽視的，他已經走在成為一個專家的道路上。

一旦養成成功地吸收經驗的能力，甚至一個年輕的工程師在令人驚異的短短幾年內也會成為一個經驗豐富的老手。個人經驗不是一段消逝時間的簡單積累，而是對經驗的熱烈追求和集中吸收。

年輕的巖土工程師應該經歷各種各樣的經驗。在現場，他們應該親自做第一手的觀察，包括各類方法以及它在各類土層和巖石中施工結果；在設計院，他們要學習設計者提出的特殊問題，要領會設計與施工間的相互聯系；甚至在研究中，他也要學會如何把最前延的知識放在一邊，形成一種判斷成功研究人員和成功工程師之間差異的能力。

既沒有豐富的個人經驗背景，也沒有足夠的同時代乃至先輩的經驗知識，沒有人能期望自己會成為一個在巖土工程實踐領域的大師。因此，在工程師應有的三個特質中，工程經驗應放在第一位置。然而，土力學和地質知識絕不是不重要。那么，這些關于巖土工程技藝的每項訓練的具體功能是什么呢？

首先，土力學提供了關于土體材料應力—應變—時間關系特性的定性和定量數據。這些知識讓我們認識了理想條件下土體的力學行為，這為我們預測在現場的更復雜條件下行為提供指導。類似地，土力學理論使人們洞悉在簡單、理想狀態下的行為，然而，這種信息對我們來說有什么實際價值嗎？

首先最重要的是，土力學在各方面形成了工程師組織、解釋和評價經驗的框架。如果一個工程師在其職業生涯內不能夠組織并且重新發現新的問題，雜亂無章的資料收集是毫無價值的。在土力學建立之前，還沒有合理的框架來服務于這個目的。結果，即使是對最有名的工程師，由于在試圖把前人看似合理的經驗應用于本質上一些要素并不相同的工程，也會一些嚴重的錯誤。經常性地，一些普遍認識被從一種簡單的沉積土中提煉出來，事實上，這種沉積土在一些控制性的屬性上可能并不普通或者獨特，但卻沒有指標來明示這種區別。如果沒有關于滲流力的知識，土體破壞經常被歸因于土體類別而不是相關的水力條件。土力學為這種混亂帶來了秩序。對于土體的合適類型以及這種類型土的應力—應變—時間關系特性，那些引起工程師關注的經驗可被檢驗和分類。而理論的概念本身也可以被檢驗。經驗可能會更好地納入土力學框架，否則它可能明顯是個例外。無論這樣或那樣，土力學的知識都為保存經驗的本質特征提供了方便和邏輯上的基礎?？傊?，土力學使利用前人的以及即將獲得的大量經驗更可行。這種重要無論怎么強調也不過分。

目前，每個地基承載力和基礎沉降，或是邊坡的安全系數的計算過程，都只不過是采用土力學框架組織經驗的過程。如果土工試驗技術和理論沒有給出與現場觀測吻合的結果，它們將不會被實踐所采納和廣泛應用。的確，在一定程度上，僅僅是在被經驗驗證時，這些計算過程才是合理有效的。在這個意義上，土力學的常規計算過程只不過是添加給有一定工程經驗工程師處理自己遇到問題的一個工具而已，而這些問題已經到了他以往經驗的極限。

另外，土力學提供了一種用以超越自身或他人經驗極限的手段，它指明了一條用以解決老問題或者以前沒有解決的新問題的道路。在這方面，它也是一個擴展我們經驗的工具。當然，這片擴展在遇到相關經驗之前有一定的不確定性。但是甚至在這里，當我們進行自己的工程實踐時，土力學也會指導我們應該對哪些東西觀察以檢驗我們的計算過程。

這些是土力學的重要功能。他們足以引起我們對這個學科的關注。但很明顯，土力學并不是經驗的替代物，它的主要角色是使經驗更加有意義。

作為第三個內容的地質學與土力學一樣也是巖土工程師的基礎?；蛟S，它的重要作用就在于使我們意識到真實情況距離我們簡化時的假設有多遠。而自然情況如此復雜，如果我們不對地層材料的特性做簡化，土力學的理論和計算過程根本行不通。在看似合理的計算和預測可能造成錯誤之前，現場的地質情況必須摸清。實際上在一些案例中，地層情況或者地質過程的結果可能會完全推翻所有土力學假設。殘積土中的殘余節理的性質和走向可能控制了基坑邊坡的穩定性，完全不用考慮在節理間土體的力學性質，也不用考慮基于均一性假設基礎上的理論預測產生的偏差。

像土力學一樣，地質學也提供了一個聯系我們經驗的手段，但是，是在局部的地形學的基礎上?；A條件的地域調查對正在實踐中的工程師來說，被證明非常有用的。他們從屬于一個經驗上類似的地域條件，因此，建立在相似地域基礎上的結論是有效的。

最后，無論我們是否意識到這一點，任何對勘探孔試驗結果的解釋以及兩孔之間的插值都是一個地質學練習。如果不展開基于地質學原理的調查，結果可能是錯誤甚至荒謬的。反之，如果我們是在對當地地質條件的敏銳感受力之上做它的話，結果可能更可靠。而如果對地質學的實用知識，一個聰明的地層勘察是不可能做到的。

在巖土工程中的最好的技藝水準幾乎總是在那些人中發現——這些人除了經過了土木工程的充分訓練之外，還經過了相關經驗的培養，并且能夠在土力學和地質學的基礎上建立起聯系，還能夠用這兩門科學來擴展經驗。在巖土工程實踐方面的專家和在土力學方面專家的背景無疑是相同的，兩者的區別也很重要。這種區別可以用醫術和醫學來類比，由于在任何地方醫療實踐總是被認為與一個醫生的專業地位相關，這種類比尤其有啟示意義。

我們病了會去看醫生，希望能夠準確地診斷我們的病癥；如果可能的話，還希望醫生提供治療方法。他開始調查我們的經歷、家庭、環境和最近的癥狀等問題；然后，他做一些定性的物理測試。他敲擊我們的胸部聽一下聲音，用聽疹器聽一下里面的聲音，用橡皮錘敲打一下膝蓋看一下反應，撥下舌頭看一下喉嚨，這些實踐活動沒有一個會被認為是科學的。因為他們沒有提供任何定量指標來直接用于診斷；但這些卻給出了定性的數據，這些定性的數據是通過與上數千個個體行為的經驗建立起聯系的。

醫生在下一步會要求做一些能夠提供定量指標的試驗。這些試驗是對諸如體重、身高和血壓等的例行檢查。有一些，例如血細胞計數和血沉檢查必須由受過專業訓練的技師來做；一些要求更高水平的技術訓練，例如基礎代謝試驗。這些試驗是建立在科學研究的基礎上，但他們本身并不是科學的。他們提供了一些類似于土力學指標一樣的數值指標，這些指標的作用就在于建立許多人行為在數值上的普遍聯系。

在專業領域的真正藝術家會考慮他能取得的所有信息，在他的專業和經驗基礎上消化、研究他們，達成一個作為假說的試探性的診斷。顯然，醫生的經驗越豐富，弄清我們病因的機率越高。而且，他同時會研讀一些當前的醫學文獻，那他準備得就更充分了。作為一個更年輕的醫生，如果他精通醫學并且能做一些醫學方面的研究，也會增加他的診斷技能。然而，我們要意識到這些素質的簡單疊加不會造就一個真正的藝術家。同樣的經歷對一些人比對其它人更有意義。藝術家能夠會注意到一些新手們忽略的無形之物，諸如：皮膚顏色、眼瞼下垂方式、進入他辦公室時走路方式。這些印象綜合起來會讓他完成診斷。

但是診斷至多不過是一個沒有被驗證的假說，這位醫療專業的藝術家要通過試探性的治療來完成他的驗證。如果診斷是正確的，他的療法會治愈患者；反之，他可以通過患者的反應來給出更好的治療。因此，他叮囑我們在一周后再來檢查一下我們的感覺和反應，他會重復一些定性的試驗，甚至會重復一些定量的試驗。在第二次檢查的基礎上，他會搞清你的療法是否有錯；如果他計劃好他的治療方式，我們的反應會給他提供做出更好診斷的信息。他現在可能更加確信給我們開出了能夠治愈疾病的治療方式。如果我們的情況又特殊又困難，他可能做出第二個，第三個，第四個假說，他不斷優化自己的療法，研究我們的反應直至我們的反應和他的預期相符。最后，他可以確定他的診斷。

當然，真正的大師可能在第一次就診斷成功，或者是比他的低水平同行做得更快。但是，如果患者能夠在這個試驗過程中幸存下來的話，這個方法甚至對那些低水平的人也有效。如果我們情況緊急，希望能夠及時得到合適治療的話，我們還是要去咨詢那些可能最好的診斷專家。

這個過程與巖土工程師的邊做邊學的相似性非常明顯。為處理土壩、高難度的基礎和基坑問題，巖土工程師會發現觀察過程是最強有力的工具。

讓我們簡略地留意一下醫療科學，會驚訝地看到許多杰出的工作者并不是醫學博士，而是不同領域的哲學博士和理學博士，他們可能是生物學家、生物化學家、物理化學家、心理學家，甚至是固體物理學家。例如，在現今對癌癥問題發起的進攻中，我們能夠看到各種類型的科學家和技師，他們也可能作為團隊成員在看起來與癌癥異常遙遠的問題上合作。許多天才的和高度訓練過的人在研究這個從他們的科學觀點上引起他們興趣的問題。這些人缺乏醫療實踐，可能是非常糟糕的診斷醫生。實際上，他們中大多都沒有資格去從事醫療實踐。但他們還是對滲入實踐的醫療科學貢獻許多，雖然這門科學本質上實踐性的。

執業醫生并不是不進行科學教育，他們要學習解剖學、生理學、化學、物理以及許多其它科學課程。他的大部分教育都建立在醫療科學基礎上的，但他不是一個科學家，他的科學家朋友不是醫學技藝的實踐者。

在觀察過程中，工程師主要依賴他的科學背景，包括力學、水力學以及土力學和地質學。在一些例子中他沒有做任何基于理論的計算，但與現象聯系的參數的理論關系已經植根于他的頭腦中，成為他的第二本能。他也應用了廣泛的知識，這些知識包括施工知識和設計實踐、他的技能和對地質現象進行解釋的知識。所有這種知識都被用來集中解決他要處理的獨特問題。他和一個醫生意識到沒有兩個人是相同的一樣，也意識到沒有兩個基礎和挖方工程是相同的。他必須知道，關于一般沉積土哪些是共同特性，而對一個特殊的沉積層他要知道哪些是特殊的。他的規劃勘察程序和設計現場觀測的技能是他最難能可貴的財富之一。

盡管他大量應用土力學和地質學，但他的專業工作既不是土力學也不是地質學；而應該是這些學問的綜合，他應該是這些背景知識的各方面的主人，否則，他不可能成功地實踐這門技藝。

另一方面，掌握著土力學這門工程科學的專家實際上是一個科學家。他可以是一個對理想材料感興趣的理論家，他也可以是對控制著土的物理力學性質的參數關系感興趣的試驗家，他也可能對土顆粒間力的作用感興趣，他可能是一位物理化學家、土壤學家，或者是一名機械工程師。他對土力學的貢獻就是發現這門科學在技藝中的應用，但他們本身并不構成工程實踐。這種區別就象在醫學與醫術之間一樣明顯。

很明顯，在土力學上的專業學識水平并不能保證在巖土工程這門技藝實踐中一定成功。相反地，一些最有專業精神的實踐者卻可能會對土力學做出重要貢獻。偶然情況下，同一個人可能會對科學和藝術都有貢獻。這樣的個體非常稀少，但如果沒有太沙基這樣具有雙重特質的人，土力學的誕生和應用都無可能。當然，太沙基總是能夠最清楚地意識在土力學和土工實踐之間的區別。

上面的類比也對工程教育有所啟示。在今天，越來越強烈地意識到工程教育必須包括工程科學的教育，土力學恰好就是這種科學。另一方面，巖土工程這門技藝被降級為一個講座，或者根本不講。在學術圈中流行著技藝不可能被教的觀點。

醫療專業不相信這個錯覺，他們相信醫術可以傳授。他們看到學生應該獲得一些科學和試驗技術知識，但他們也訓練新手們積累專業經驗，新手要有疹療方法和診所實習的經歷。絕不能相信僅靠教室里教就可以造就一個好的診斷醫生，但一些關于診斷方法的訓練也是醫學教育的一方面。醫學界相信僅靠科學教育就成為一個有醫學專業技能的專家是不可能的。

爭論在土力學領域的學者和有巖土工程實踐的有造詣的實踐家哪一個相對更重要毫無意義，兩個都屬于有價值的職業。但是，這兩個職業本質上象藝術與科學一樣不同。日益積累科學知識以及把科學在巖土工程應用對工程系的學生而言都必不可少。但是，基礎工程作為一門技藝的實踐要求學生的遠不只是土力學，這些知識中大多在大學階段能夠也應該被傳授。 地質學的應用和鑒別評價也必不可少，一些可能來自鋼筋混凝土結構設計過程的概念也是有必要傳授的內容。此外，這種觀察過程的本質應通過實例來教授和演示。如果土力學只是廣闊的專業知識總體上的一個替代物的話，巖土工程的專業教育內容是相當貧乏的。

在基礎實踐中的真正的大師是工程業最好的產品之一，他們今天已經是稀有個體。如果相信完全通過土力學教育就會不斷涌現巖土工程師，就象相信如果僅學習一些醫學知識就可以自動地生產出一些專業醫生一樣荒謬可笑。

工程學科在科學方面的知識當然可以在學校里學習，而經年累月的經驗積累也必須要不斷地添加在一個人的專業能力之中。但是，如果我們不提供一些讓他們能夠精通實踐方面的學科教育，如果沒有指導他們應從事哪些工程實踐，也沒有指導他們應該如何利用這些經驗的話，他們可能發展不了自己的潛能。

最后給出的建議是，地下工程的研究也不限于土力學。我們應該在更廣闊的領域進行研究，應該把這個空間深入到力學、地質學和工程實踐的相互聯系中，我們應該發展技術來對付那些由于自然本身復雜性造成的更難對付的問題。目前在土力學中強調研究的重要性就其本身而言，僅僅說明我們應該更加注意土力學以外的其它知識，而這些知識能夠保證我們在工程實踐中獲得成功。

那么，在土力學的發展與大量基礎和開挖工程事故之間真有因果關系嗎？在一定程度上，如果土力學僅僅被看成巖土工程整個技藝的替代品的話，兩者當然有必然聯系。只要工程師僅僅滿足于通過勘探孔、土工試驗和計算就對設計和施工提供建議，只要把理論看得比在實踐中的技藝更有價值，只要我們熱衷于用數學原理替代經驗遺產，只要我們把在辦公桌或者試驗室內的研究看得比去現場更有價值的話——只要所有這些情況存在，或者是在某種程度上存在的話，巖土工程實踐還將在土力學手中苦苦掙扎。我們希望現在處在一個從純經驗到最好的專業技藝之間的過渡時期，在這段時期，土力學扮演著合適的，必要的，也是有價值的角色。

注：王洪新譯自Géotechnique, Vol.12, Issue 1, 1962