聊一聊英倫土力學—開篇

*AECOM Asia Company Limited

和很多同行聊天，也經常逛一些巖土信息交流類的網站、社交平臺，得到的一種感受就是巖土工程的從業人士對土力學的很多概念都有待厘清。這些腦海里不清不明的土力學概念已經給我們的學習和工作帶來了很多煩惱。比如，某天我瀏覽某著名巖土社區的討論版，有位同行提了個關于土的抗剪強度的問題：“抗剪強度指標一般是指摩擦角及粘聚力兩個指標，一般土抗剪強度的好壞也是用這兩個指標表征，那么如果給出抗剪強度是20KPa是什么意思？如何計算粘聚力與摩擦角的大小?” 根據我這幾年（包括做科研和工程實踐）的觀察和總結，這些不清不明的概念不是由于個人智慧不夠造成的，其中一個重要的原因就是我們的本科基礎教育，或者說具體點就是土力學的教學與訓練還有很大的改善空間。漫山遍野的土力學教材比較一下就會發現“如有不同，純屬巧合”。就某一本土力學教材來說，概念混淆、術語混用非常普遍，寫書或者授課的老師自己可能都沒弄明白，學生學習起來的時候就更是一頭霧水了。

回到那個提問，這位同行對基本概念的把握還是很到位的：土的強度由摩檫角（準確來講是有效摩擦角）和粘聚力（準確來說是有效粘聚力）決定。但是說“抗剪強度20 kPa”，他就暈了：根據土強度的概念，僅僅一個強度值怎么知道摩擦角和粘聚力這兩個指標？實際上，這個信息是給得不全的（以后在土的抗剪強度這個話題中我會敘述為什么這個信息是不全的）或者說給這個信息的人自己不明白自己給出的究竟是什么。正是由于信息失真或者信息提供者提供了自己都不明白的信息，導致受眾暈乎。

但是，有時候這也怪不得我們教授或專家們。土力學作為一個舶來品，傳遞來我們東土必定會有由信息流失導致的失真。加上由中文這門語言本身的“博大精深”的特點造成的表述籠統、詞義區分不明，把很直接的土力學復雜化了。必須很客觀地說，英國作為促使土力學發展的前沿陣地，不管是過去還是當下，涌現了許多土力學大師，出了很多優秀的論文和教科書。他們的許多土力學作品都值得我們從業者認真參考。本系列連載就是盡筆者的能力和大家分享英國是怎樣教土力學的，主要是通過對英國主流教科書（我寫作這個系列主要的參考書目列在本文最后的“參考文獻”段落）和經典論文的內容介紹。從對科學內容敘述的準確性角度上看，英語的直白是一種優勢，不像中文，很多詞語讀起來有歧義。本連載系列的目的就是根據本人的工程實踐經驗和在境內外學習的經歷，力求準確、系統地用中文介紹基本土力學的相關知識和概念。同時，為確保概念被準確地傳達，我會給出關鍵詞語的英文翻譯。有些課本/論文看過之后真會有一種撥開迷霧豁然開朗的感覺，而這種感覺，說句不好聽的實話，依我的經歷，是讀中文土力學書從來不曾有的。但是也不要妄自菲薄，我們國內的巖土工程從業人員經驗是非常豐富的，施工能力超強。都說工程是科學與藝術的結合體，藝高人膽大，經驗豐富正是我們工程人員的優點。但是優點太突出就會隱蔽缺點，這正是我非常想指出的一點：我們在土力學學習與應用過程中必須時刻區分哪些公式或結論是理論推導的（包括推導這些理論有什么假設）哪些又是經驗總結的。

以上說的都很虛，最后來點實際的。土力學的理論無外乎圍繞三個方面的問題：水在土中的滲流，土體的強度，以及土體的剛度（和土體的變形有關，而描述土體受力、變形和剛度的關系的數學模型（或者說理論公式，理論公式是建立在實驗和一些合理的假設之上的）就是我們常聽到的高大上的叫本構模型的東西）。實踐中的工程問題都可以對應到上述三點：比如說，邊坡穩定性問題涉及土體強度，基坑開挖降水涉及到水在土中的滲流，土的變形進而導致的建筑物的沉降（或隆起）與土的剛度有關。需要指出的是，這三個方面的問題經常是互相關聯的。以邊坡穩定性為例，當降雨滲流導致的土剛度下降，強度下降（但是請注意，剛度下降與強度下降沒有什么必然的因果關系），邊坡就有可能失穩，導致滑坡事故的發生。

參考文獻：

1.      Atkinson, J. (2007).The Mechanics of Soils and Foundations, 2^nd Edition, Taylors & Francis, UK.

2.      Wood, D.W. (1990). Soil Behaviour and Critical State Soil Mechanics, Cambridge University Press, UK.

3.      Knappett, J. A. & Craig, R.F. (2012). Craig’s Soil Mechanics, 8^th Edition, Spon Press, UK.

4.      Powrie, W. (2007). Soil Mechanics—Concepts & Applications. 2^nd Edition, Taylor & Francis, UK.

附言：Atkinson的書我非常喜歡，也是非常適合本科生入門的教科書。概念清晰，表述嚴謹，同時非常體貼的是老先生還在前幾章給大家復習了學好土力學必須要知道的力學知識。Wood的書比較理論一點，數學公式較多，想真正掌握土力學理論的同行要是能堅持讀完并理解（即使不能完全理解）這本書，你的土力學理論水平就超越平均水平了。Knappett & Craig的書在英國甚至香港一直占據著大學土力學教科書的頭把交椅。從它再版次數也可以看它的受歡迎程度。最新的第八版有個新作者Knappett, 是2011年從劍橋大學（University of Cambridge）畢業加入鄧迪大學(University of Dundee)的年輕教師，做離心機實驗的。修改后的書理論與實踐（包括經驗公式）并重，翻完這本書就知道土力學理論是什么，以及它又是怎樣應用到工程實踐的。Powire的書是以課題的形式開展的，比如有的章節講土的強度，有的講水在土中的滲流，一維固結理論等等，也講到了理論在工程中的應用，比如擋土墻，邊坡和基礎等。

初稿 2015年7月28日于香港

改于2017年1月