巖土工程的一些哲學思考

巖土工程的一些哲學思考1.前言2.東方哲學與西方哲學3.對象及主體間的關聯(lián)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1.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(chuàng)造的；表土與人類文明：人類的幾大古文明的發(fā)生與衰落;土地與農業(yè)：“普天之下，莫非王土”－權力與財富；朝代的更替；農民戰(zhàn)爭農業(yè)文明－土與水目前名川大河的中下游，土層深厚—形成農業(yè)、經濟、文化、政治中心海洋文化：三角洲文明（交通與信息）巖土與哲學的天然聯(lián)系。1.前言：巖土材料非連續(xù)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(lián)及作用；變異性：長期地質歷史的產物：原狀性、區(qū)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(zhàn)，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。2.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）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。”（管子·心術）道生一，一生二，二生三，三生萬物?！保ɡ献樱盁o限時間內宇宙的永遠重復的連續(xù)更替，不過是無限空間內無數(shù)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；關于地基承載力設計理論承載能力極限狀態(tài)：安全系數(shù)法和可靠度法；正常使用極限狀態(tài)：（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(shù)法；非定值理論：分項系數(shù)法－可靠度法。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(shù)法3、極限承載力理論－分項系數(shù)法分項系數(shù)分項系數(shù)1·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(guī)定，例如s/b0.001－0.0015在理論計算中可以由塑性區(qū)發(fā)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。臨界荷載pcr、p1/4、p1/3F塑性區(qū)2·極限限承載力理理論—安全全系數(shù)法承載力：極極限承載力力公式、平平板載荷試試驗的極限限值/安全全系數(shù)（K＝2）地基的破壞壞與極限承承載力3·極限承承載力理論論－分項系系數(shù)基于可靠度度理論的分分項系數(shù)設設計方法也也是一種承承載能力極極限狀態(tài)設設計方法。。由于工程中中的荷載和和抗力都是是隨機變量量，有多少少可能性使使荷載大于于抗力而失失事是一個個隨機事件件，破壞的概率率（可能性性）決定于于兩個隨機機變量的均均值（眾值值，中值及及某個分位位值）及其其分布。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度設計計示意圖可靠度設計計其失事概率率可用可靠靠度指標表表示。例如如，相應的的可靠度系系數(shù)為3.0，則表示失效效概率為萬萬分之9.4，能夠明確地地給出安全全與失效的的概率，然然后通過經經濟、社會會、技術的的風險分析析，給出最最合理的設設計值。是是一種最科科學合理的的設計理論論與方法；；我國頒布的的《建筑結結構可靠度度設計統(tǒng)一一標準》（（GB50068-2001）規(guī)定，，對于各種種結構設計計應遵循該該理論方法法。地基基礎設設計中的三三種荷載組組合1·正常使使用極限狀狀態(tài)下荷載載效應的標標準組合；；2·正常使使用極限狀狀態(tài)下的荷荷載效應的的準永久組組合3·承載能能力極限狀狀態(tài)下荷載載效應的基基本組合GB50007-2002的的設計理論論應用地基承載力力－容許承承載力：正正常使用極極限狀態(tài)荷荷載效應的的標準組合合；穩(wěn)定分析－－單一安全全系數(shù)：承載能力極極限狀態(tài)下下荷載效應應的基本組組合，分項系數(shù)取取為1.0;沉降（開裂裂）計算：：正常使用用極限狀態(tài)態(tài)下的荷載載效應的準準永久組合合結構計算－－可靠度的的分項系數(shù)數(shù)：承載能力極極限狀態(tài)下下荷載效應應的基本組組合。巖土工程的的不確定性性土層剖面與與邊界的不不確定性；；現(xiàn)場與實驗驗室?guī)r土指指標的不確確定性；現(xiàn)場原位應應力與孔隙隙水壓力的的不確定性性；外加荷載及及其分布的的不確定性性；巖土材料性性質的復雜雜性；應力力變形的機機理不清楚楚。計算理論和和方法的不不確定性；；巖土定量描描述的困難難因果關系的的缺失：源源于對象的的復雜性及及影響因素素的多樣性性；－統(tǒng)計、概概率、優(yōu)化化、可靠度度：互補率的破破缺－亦此此亦彼：源源于多因素素的相互關關聯(lián)與轉化化；－灰色、模模糊、混沌沌、分形：：地基承載力力設計理論論的哲學基基礎1、容許承承載力理論論2、極限承承載力理論論－安全系系數(shù)法3、極限承承載力理論論－分項系系數(shù)法可靠度設計計在巖土工工程中的失失?。嚎煽靠慷鹊难芯烤?；樁基技技術規(guī)范；；歐洲的規(guī)規(guī)范。東方哲學的的勝利！東方哲學理理念下的醫(yī)醫(yī)藥－中醫(yī)醫(yī)陰陽：陰虛虛陽虛；五行：肝木木腎水；經絡：穴位位巖土工程與與中醫(yī)望問切聞，，綜合判斷斷；對癥治病，，因地制宜宜；經驗投藥，，隨時調整整；理論導向，，實測定量量，經驗判判斷，檢測測驗證。太沙基的土土力學藝術術說“無論天然然土層結構構怎樣復雜雜；也無論論我們的知知識與土的的的實際條條件有多么么大的差距距，我們必必須利用處處理問題的的藝術（art)，在合理造造價的前提提下，為土土工結構和和地基基礎礎問題尋求求滿意的答答案?！边@與中醫(yī)的的手法是相相通的。概念設計與與時空效應應抗震設計：：不壞、可可修、不倒倒（不死））；樁基規(guī)范：：變剛度調調平、減沉沉疏樁；新奧法：：設計、、檢測、、施工的的一體化化方法；；地下工程程與基坑坑施工的的時空效效應理論論；－總之，，是基于于理論，，依賴于于經驗的的工作方方法。一個復雜雜體系的的認識L.A.Zadeh：：“當系統(tǒng)統(tǒng)的復雜雜性日益益增加時時，我們們作出系系統(tǒng)特點點的精確確而有意意義的描描述的能能力將相相應降低低?！睅r土工程程中精確確是一種種奢求。。土的本構構關系模模型的發(fā)發(fā)展：““沒有為為任何一一個模型型戴上王王冠?！薄背两涤嬎闼憬涷炏迪禂?shù)s

Es2.54.07.015.020.0p>fk1.41.31.00.40.2P<fk1.11.00.70.40.23.對對象及主主體間的的關聯(lián)與與轉化黑格爾：：量轉化化為質和和質轉化化為量的的規(guī)律；；對立的的相互滲滲透的規(guī)規(guī)律；否否定之否否定的規(guī)規(guī)律。（現(xiàn)代科科學）它它使每個個人都或或多或少少地局限限在自己己的專業(yè)業(yè)中，只只有少數(shù)數(shù)人沒有有被它奪奪去全面面觀察問問題的能能力（自自然辯證證法）－客觀世世界是不不分專業(yè)業(yè)的。3.對對象及主主體間的的關聯(lián)與與轉化土的三大大特性：：碎散性：：非連續(xù)續(xù)介質；；多相性：：固體顆顆粒、水水、氣體體三組成成；變異性：：長期地地質歷史史的產物物?；パa率的的破缺－－亦此亦亦彼連續(xù)介質質，非連連續(xù)介質質？固體，流流體？強度與變變形：古古典土力力學二者者截然分分開強度問題題：經典典極限分分析與極極限平衡衡；變形問題題：基于于線彈性性理論的的分層總總和法強度與變變形的轉轉化土的強度，或者破壞是其應力力應變過過程的最最后階段段，即在在微小的的應力增增量下，，會產生生很大（（或者不不可控制制）的應應變增量量。因而而破壞是是應力應應變關系系的最后后階段。。變形與破破壞的轉轉化ps滲流問題題與強度度問題間間的轉化化二者相互互影響；；在一定條條件下隨隨可能是是相互轉轉化的。。滲流坡面抗滑穩(wěn)定定分析：：滲透水流流以一定定角度從從砂土坡坡面逸出出時當＝0，＝90時，流土（砂砂沸）??！土中水與與水中土土問題的的轉化前者土作作為載體體，土中中水在其其中運動動，層流流時服從從達西定定律；后者水作作為載體體，水中中土成為為懸移質質被挾帶帶裹脅運運動，服服從流體體力學定定律。推移質介介于二者者間。幾個例子子流土（砂砂沸）；；管涌；流滑；液化；滑坡－泥泥石流；；崩岸；流土管涌流滑泥石流液化4.感性性認識與與理性認認識－理理論的價價值感覺到了了的東西西，我們們不能立立刻理解解它；只只理解有有了的東東西才能能更深刻刻地感覺覺它；沒沒有理論論指導的的實踐是是盲目的的實踐。。（實實踐論））巖土工程程實踐已已經有幾幾千年，，而土力力學成為為一個學學科才80多年年，標志志是什么么？人與動物物、實踐踐與認識識狹義的動動物也有有工具，，然而這這只是它它們的軀軀體的四四肢，螞螞蟻、蜜蜜蜂、海海貍就是是這樣。。只有人人才給自自然界打打上自己己的印記記?！?.隨著著對自然然界規(guī)律律的知識識的迅速速增加，，人對自自然界施施加反作作用的手手段也增增加了。。-（自然辯證法法）鼠獺螻蟻與巖土土工程水獺用樹的枝干干和石塊在領地地的河道上建造造一座水壩，并并發(fā)表了論文““高壩建造技術術”；鼴鼠在草原下營營造了復雜的地地下工程系統(tǒng)，，論文“蜀國的的地下工程規(guī)劃劃”獲得最佳論論文獎；白蟻在林地修建建了一個3米高高的蟻穴，出版版了專著《大型型地基基礎工程程技術，槐陰國國的地標－超高高層建筑的巖土土工程問題》。。土力學學科的誕誕生太沙基認識到：：鼠獺螻蟻也能能建造土工建筑筑物，從事巖土土工程的實踐。。但是靠它們的的本能和經驗，，而只有對客觀世世界的深入理解解和正確的理論論描述才能夠上上升為科學技術術。于是他閉門思索索和潛心試驗，，提出了土的有有效應力原理和和單向滲流固結結理論，1925年出版了《《土力學和地基基基礎》（ErdbaumechanikaufbodenphysikalscherGrundlage）一書書。人們公認這標志志土力學作為一一門獨立學科的的誕生。忽視理論受到報報復鉆孔灌注樁施工工：孔內水位為為什么要高于地地下水位？土壩的邊蓄水邊邊填筑；弟頓壩的水力劈劈裂破壞；挖方施工－快??！填方施工－慢慢！獻禮工程的事故故；承載力理論的意意義加拿大特朗斯康康谷倉：1913年9月月裝谷物，10月17日傾覆覆，1173年動工工1370年竣工工1940年在軟軟粘土地基上的的水泥倉的傾覆5.一個永恒流流動與變化的體體系一切僵硬的東西西融化了，一切切固定的東西消消散了，一切被被當作永遠存在在的東西變成了了轉瞬即逝的東東西。整個自然然界被證明是在在永恒的流動和和循環(huán)中運動著著。陰陽：一分為二二、陰陽交感、、矛盾轉化、發(fā)發(fā)展變化。5.一個永恒流流動與變化的體體系人不能過同一條條河;我們不能用同一一個土樣作一個個完整的試驗：：在每一瞬時，土土的內部結構、、土的性質都都都不是前一瞬時時的那個土了。。非線性、彈塑性性、剪脹性和與與應力路徑有關關的性質。土的應力應變與與組成、狀態(tài)和和結構的耦合?。DA(discontinousdeformationanalysis)非連續(xù)變形分析析DDA計算三軸軸試驗曲線正常固結粘土的的固結與強度pe任一應力下的土土樣都是不同的的,它是不同同密度和結構土土樣強度的集合合。各種土的本構關關系的相通性應力變形－組成成、狀態(tài)、結構構之間的描述尺尺度：彈塑性模型：硬硬化參數(shù)H(pij);損傷模型：損傷傷變量w(ij);內時理論模型：：內部時間變量量z(ij).都是表明土在受受力變形工程中中的結構與狀態(tài)態(tài)變化尺度。6.巖土工程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。歸納和演繹歸納：經驗公式式演繹：三段論式式演繹論證：微分分方程＋邊界條條件→解答演繹推測：設計計理論與方法＋＋設計參數(shù)→工工作對象普遍適用的理論論＋補充陳陳述→推論論大前提小前提歸納法的錯誤實實例平面應變方向的的中主應力平面應變試驗歸歸納的結果不具具普遍性違背虎克定律：：<<<歸納法法歸納法的錯誤實實例對于很軟泥土，，復合深度修正正系數(shù)為0.8.dA=1演繹法的錯誤實實例膨脹土地基的承承載力膨脹力是引起膨膨脹土膨脹的原原因原有的地基承載載力公式沒有考考慮膨脹力所以必須修改公公式。<<<演繹法法抽象和具體抽象性質抽象——彈彈性和塑性關系抽象——虎虎克定律和達西西定律具體誤用的原因：一一般是補充陳述述（小前提）有錯誤超過理論適用范范圍補充條件有錯誤誤邊界條件錯誤設計參數(shù)錯誤人為的任意性，，實際的困難性性。經驗理論具體化＝理論的的應用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→?具體化中誤用實實例抗剪強度理論快剪＝不排水剪剪砂與碎石土使用用固結不排水指指標勘測資料失誤殘積土上多層建建筑基坑地基土的快快剪試驗強度指指標與非飽和土土吸力<<<具體化化外推和內插外推外推＝拓寬理論論適用范圍一維 → 二維維、三維線性 → 非線線性飽和土 →非非飽和土內插普遍適用的理論論退回到有限范范圍適用的理論論倫杜列克固結理理論(1936)→Barron砂井固結結理論(1948)參數(shù)與數(shù)值的內內插分析和綜合西方還原論的精精華結構→構件→分分子→原子生物→器官→細細胞→基因分析實體分析：有限限單元法，條分分法，離散元法法等成份分析：顆粒粒分析，化學分分析總應力＝有效應應力＋孔隙壓力力注意兩點分析時出現(xiàn)而綜綜合時消失的，，如滲透力綜合時存在而分分析時消失的，，如人體筋絡系系統(tǒng)，地應力虛構的概念滲透流速，有效效應力分析的關鍵是如如何劃分<<<分析III土骨架水土體總重=土土骨架浮容重重+孔隙水？？概化和細化概化數(shù)學分析略高階階小量樁基計算中的剪剪切位移法地基土的滲透系系數(shù)細化滲透系數(shù)由標量量改為張量單一屈服面改為為雙屈服面總應力分為有效效應力和孔隙水水壓力簡化或理想化＝＝略去次要因素素細化＝增加考慮慮的因素類比與借鑒類比電擬試驗、光彈彈試驗，各種物物理模型試驗滲透達西定律－－電流的歐姆定定律借鑒仿生學，優(yōu)化理理論中的遺傳算算法、螞蟻算法法、樹根樁學科間的交叉正正是為了發(fā)揮借借鑒比擬＝從相似事事物的比較中得得出結果借鑒＝從其它事事物的觀測中得得到啟發(fā)移植與引進移植土壤學（吸力）），混凝土（斷斷裂）的研究成成果引進數(shù)學力學的一般般理論如分形幾幾何、拓撲數(shù)學學、損傷力學高新技術如數(shù)字字技術，GPS移植＝直接引用用相鄰學科的成成果引進＝引入普遍遍適用的理論或或方法引進和借鑒的三三個原則以中國革命為例例對應原則中國革命需要馬馬克思列寧主義義馬克思列寧主義義適合中國國情情沒有死搬俄國十十月革命的經驗驗需要適合活用“需要”的原則則帶著問題去取經經不要為引進而引引進—屠龍術的的笑話成功實例——塑塑性力學、遺傳傳算法；一維壓縮－穩(wěn)定定系統(tǒng)（系統(tǒng)論論）“適合”的原則則殺雞不用牛刀——性價比最高原原則復合載體夯擴樁樁成功實例—遺傳傳算法、許多半半經驗方法部分成功實例——壓縮曲線的雙雙曲線擬合有爭議的實例－－有限元強度折折減法壓縮曲線的擬合合pelogpe“活用”的原則則引進是再創(chuàng)新過過程成功實例—經典典塑性力學：圓圓筒屈服面、圓圓錐屈服面帽子形屈服面σ1σ3σ1＝σ2＝σ3突變理論——應應用案例H應變弱化區(qū)段彈性性質區(qū)段試錯與相關分析析試錯法：確定定性方法排除歸納法－因因果關系研究假定幾種可能的的原因通過演繹法推斷斷每一種原因將將會出現(xiàn)的結果果與已經發(fā)生的事事實比較公安破案，醫(yī)生生找病因，工程程事故的原因分分析相關分析：非確確定性方法實例分析地震滑坡的擬靜靜力法地震滑坡原因液化引起的強度度降低地震慣性力擬靜力法：地震震慣性力理論——從結構動力學學中借鑒實例分析地震滑坡的擬靜靜力法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7.人與自然的的和諧－巖土工工程的任務天何言哉？四時時行焉，萬物生生焉。（論語··陽貨）道在天地之間也也。（管子·心心術）巖土工程對象的的演變美國的土木工程程師協(xié)會（ASCE）下所主主辦的本學科期期刊創(chuàng)辦時名為為“土力學及基基礎工程”（Soilmechanicsandfoundationengineering）；；1974年以后后更名為“土力力學及巖土工程程”（Soilmechanicsandgeotechnicalengineering），相相應的學會也改改成此名；20世紀90年年代以后，期刊刊又更名為“巖巖土工程與環(huán)境境巖土工程”（（geotechnical&environmentalengineering）。。人與自然的和諧諧－巖土工程的的任務我國近20年來來隨著國民經濟濟和各類土木工工程的快速發(fā)展