包承綱

（長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

一門學(xué)科中的專有名詞、術(shù)語(yǔ)往往代表這個(gè)學(xué)科的一些特有的概念，是與其他學(xué)科相區(qū)別的比較本質(zhì)的東西，所以是很重要的?？鬃右笳唬骸懊徽?，則言不順。言不順，則事不成……故君子名之必可言也，言之必可行也”。可見正名確非同小可。秦始皇統(tǒng)一全國(guó)的度量衡促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，也是這個(gè)意思。難怪目前國(guó)家制定了許多國(guó)標(biāo)，其中也包括名詞術(shù)語(yǔ)方面的，以規(guī)范全國(guó)之應(yīng)用。

土力學(xué)中特有的許多名詞是從上世紀(jì) 20年代起，隨土力學(xué)的發(fā)展而逐漸出現(xiàn)和豐富的。我國(guó)所用的許多名詞術(shù)語(yǔ)是從外文翻譯過(guò)來(lái)的。限于當(dāng)時(shí)科技水平，有些名詞譯得不一定十分妥當(dāng)或確切，最明顯的如土的“含水量”。反映土體中水分多少的英文單詞有好幾個(gè)，但最普通的是“water content”，把它譯成“含水量”從英文的角度看是完全正確的，因?yàn)樗褪恰昂ā┝俊钡囊馑?，如“ash content”是“含灰量”；“carbon content”是“含碳量”等。但從意義上看，它是土中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量之比，以百分率表示，所以是“率”的概念，不是“量”的概念，所以近來(lái)有的地方就把它改為“含水率”了。但也有人認(rèn)為不改也無(wú)大礙，因?yàn)榇蠹叶家咽熘暮x，而且用慣了，心中有數(shù)的。其實(shí)在土力學(xué)中類似的例子還有，例如“地基承載力”是反映地基土層承受上部荷載的能力，確切應(yīng)稱為“地基承載能力”。但大家已理解，不會(huì)弄錯(cuò)。

筆者以為，這里應(yīng)說(shuō)清楚，“力”與“能力”是兩個(gè)完全不同的概念，而且是兩個(gè)對(duì)立的概念。“力”是外面作用在土體上的，而“承載能力”是土承受外力的一種本領(lǐng)，是土的一個(gè)屬性，這種能力只有在外力作用時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)，所以它的量化只有在外力作用時(shí)才能度量，這就導(dǎo)致兩者常被混淆。把“能力”與“力”混為一談的還有一個(gè)例子就是“抗剪強(qiáng)度”。它是土力學(xué)中一個(gè)非常重要的概念。筆者記得在許多土力學(xué)教科書中常被寫為“土的極限剪應(yīng)力”，這不妥當(dāng)，至少不確切。因?yàn)榭辜魪?qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的能力，是土的屬性，只是數(shù)值上等于極限剪應(yīng)力，概念上是相對(duì)立的兩個(gè)物理量，一個(gè)是外在的力，一個(gè)是內(nèi)在的能力。這一點(diǎn)對(duì)多年從事巖土工作的人來(lái)說(shuō)或許不會(huì)成為問(wèn)題，但對(duì)初涉者則有必要弄清楚這個(gè)概念的確切含義。好在近年若干新版土力學(xué)教科書已有所注意，如東南大學(xué)等四校合編的《土力學(xué)》就明確為“土體抵抗剪切破壞的受剪能力”[1]。這很有必要。

近年，土工合成材料界還出現(xiàn)了一個(gè)奇怪的新術(shù)語(yǔ)，叫“強(qiáng)力”。似乎是把“強(qiáng)度”與“力”兩個(gè)名詞拼起來(lái)，表明它既非“力”也非“強(qiáng)度”，其單位為“N”。但其英語(yǔ)仍譯為“strength”。筆者揣測(cè)，這個(gè)名詞恐不是來(lái)自力學(xué)界或工程界，但已用于某些工程部門的試驗(yàn)規(guī)程了，筆者以為這種名詞不太嚴(yán)謹(jǐn)。

這些年還有一個(gè)經(jīng)常聽到的名詞——“巖土力學(xué)”。但細(xì)細(xì)琢磨，似乎并沒(méi)有真正一門叫《巖土力學(xué)》的獨(dú)立學(xué)科，目前有的只是《土力學(xué)》+《巖石力學(xué)》，或者《巖土工程》，或者《巖土工程學(xué)》[2]。對(duì)于《巖土力學(xué)》這個(gè)名詞怎么來(lái)的，沒(méi)有考究出來(lái)，國(guó)際上似乎也未發(fā)現(xiàn)與《巖土力學(xué)》相對(duì)應(yīng)的英文名詞。據(jù)筆者回憶，上世紀(jì) 80年代初，當(dāng)時(shí)對(duì)國(guó)際著名的《Geotechnique》雜志該如何翻譯成中文名曾在我國(guó)有關(guān)會(huì)議上有過(guò)討論，如有譯成“土工學(xué)”的，有譯成“土力學(xué)”的，還有譯成“巖土工程”的等等，莫衷一是。其實(shí)這是一個(gè)復(fù)合詞，臺(tái)灣譯成“地工技術(shù)”，是很反映詞的本意的，他們還以此為名辦了一個(gè)巖土方面的期刊，筆者曾應(yīng)邀在此發(fā)表過(guò)文章。我國(guó)把它譯成“巖土工程”也很確當(dāng)，這也是后來(lái)把我國(guó)的有關(guān)期刊冠名為《巖土工程學(xué)報(bào)》的原因，這是黃文熙先生定的。但由此如何把巖土工程的理論基礎(chǔ)名為“巖土力學(xué)”，就不太清楚了，但巖石力學(xué)并不是土力學(xué)的一部分，或派生物。下面簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)筆者所知的關(guān)于巖石力學(xué)在我國(guó)發(fā)展的一些情況。

巖石力學(xué)在中國(guó)發(fā)展始于 50年代后期，當(dāng)時(shí)為研究三峽工程大壩壩基，國(guó)家科委批準(zhǔn)成立了“三峽巖基專題研究組”，集合長(zhǎng)江科學(xué)院及全國(guó)18個(gè)單位的力量，在陳宗基先生指導(dǎo)下進(jìn)行研究，這是我國(guó)最早的巖石力學(xué)研究機(jī)構(gòu)。幾年后陳先生在武漢成立“中國(guó)科學(xué)院武漢巖體土力學(xué)研究所”。而長(zhǎng)科院的巖基組也發(fā)展壯大，成為巖基研究所，有百多人，下設(shè)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論計(jì)算、巖體加固、巖體爆破等專業(yè)。50年代末，在學(xué)習(xí)了奧地利學(xué)派關(guān)于巖體的觀點(diǎn)和理論，開展巖體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)研究，解決室內(nèi)外試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備，并在 60年代，解決一系列大型工程的巖體力學(xué)特性的試驗(yàn)研究中，逐漸以獨(dú)立學(xué)科的面目出現(xiàn)，初步形成了《巖石力學(xué)》學(xué)科[3]。有人認(rèn)為，巖石力學(xué)最早是從土力學(xué)分出去的，因?yàn)?60年代的最早部分研究人員的確是從土工人員中轉(zhuǎn)過(guò)去的。而且兩者的研究對(duì)象出于同根。但實(shí)際上，巖石可視為有結(jié)構(gòu)面的連續(xù)體，而土已是呈碎散狀的散體了。因此在處理方法上就有所不同，似乎兩者有越發(fā)展越分道揚(yáng)鑣的趨勢(shì)，而且在實(shí)踐中，兩者也是分開的，人員是兩撥，機(jī)構(gòu)是兩套，各做各的事。學(xué)會(huì)和學(xué)報(bào)都是兩個(gè)（國(guó)際、國(guó)內(nèi)均是如此），所以它并不是一門統(tǒng)一的學(xué)科?，F(xiàn)在冠名為《巖土力學(xué)》的書或雜志其實(shí)是把土力學(xué)方面和巖石力學(xué)方面的內(nèi)容或文章放在一起而已，并未融為一門學(xué)科。

《土力學(xué)》所以叫力學(xué)也是有原因的。一般說(shuō)來(lái)，力學(xué)是研究力和能量以及它們與固、液、氣等物質(zhì)的平衡、變形或運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。土力學(xué)就是研究土與力的平衡、變形或運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的。但土有其特殊性，有人列出一大堆，如碎散性、多相性、壓硬性、剪脹性、滲透性、結(jié)構(gòu)性、不均勻性、自然變異性等等，不過(guò)依筆者看，歸根結(jié)蒂還是由兩個(gè)最基本的特點(diǎn)引起的：一是碎散性，一是大自然的產(chǎn)物。由于是碎散的，顆粒之間連接很弱，容易相互移動(dòng)，產(chǎn)生體變；由于碎散堆積，顆粒之間會(huì)有孔隙，孔隙中會(huì)充填液、氣流體；由于它是大自然產(chǎn)物，必然具有時(shí)空可變性、不均勻性，自然界中的膠結(jié)液體侵入并凝固后導(dǎo)致了土的結(jié)構(gòu)性，如此等等。因此，土比許多其他材料都要復(fù)雜多變，甚至難以捉摸。土力學(xué)的發(fā)展歷程也與有些力學(xué)分支的發(fā)展歷程不很相同，它是在地球上建造工程時(shí)遇到問(wèn)題需要解決而逐步積累和形成的，有什么問(wèn)題就找什么方法，而且往往利用其他力學(xué)分支的既有成熟成果，再盡可能考慮土體的一些特點(diǎn)來(lái)尋求問(wèn)題的解決方案。這就使得“土力學(xué)”看起來(lái)不像一門理論體系完整、邏輯嚴(yán)密、術(shù)語(yǔ)嚴(yán)謹(jǐn)、算法精準(zhǔn)的學(xué)科分支，它帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性成分，有點(diǎn)像“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”醫(yī)學(xué)的味道，所以它是一門很實(shí)用的學(xué)科，尤其在60年代前的古典土力學(xué)階段。那時(shí)的土力學(xué)，正如有人描述的那樣，“以線彈性多孔介質(zhì)模型研究變形問(wèn)題，以鋼塑性模型研究強(qiáng)度問(wèn)題”把“本來(lái)一個(gè)由應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度到穩(wěn)定連續(xù)發(fā)展的過(guò)程被人為割裂開來(lái)”[2]。這一方面限于對(duì)土體特性的認(rèn)識(shí)，另一方面也由于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)和計(jì)算工具的水平所限。由此，有人覺得似乎“土力學(xué)”很“土”，缺乏魅力。其實(shí)不然，正是它眾多的不確定性才使土力學(xué)充滿靈活性，留給人們更多想象空間和處理手段的選擇，更加有趣。這也是筆者之所以步入這個(gè)行業(yè)的一個(gè)原因。

土力學(xué)這種局面在 60年代人們認(rèn)識(shí)土的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變特性的研究后才被打破[4]。這樣就有可能把變形、應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度、穩(wěn)定、破壞作為一個(gè)系列問(wèn)題來(lái)處理，不再人為地割裂開來(lái)。按黃文熙先生的說(shuō)法，這是一個(gè)革命性的變化[4]。從此以后，土力學(xué)進(jìn)入了“現(xiàn)代土力學(xué)”的階段。這階段的問(wèn)題已不是計(jì)算技術(shù)和計(jì)算工具的問(wèn)題，而是對(duì)土的特性的認(rèn)識(shí)和如何將它表達(dá)為數(shù)學(xué)公式即本構(gòu)關(guān)系的問(wèn)題了。

在地球上建造工程時(shí)，必然會(huì)對(duì)表面一定深度下的巖體、土體進(jìn)行開挖，加固并承受外來(lái)荷載的作用，使巖、土的性質(zhì)及邊界條件、荷載條件發(fā)生變化。但這些變化如何認(rèn)識(shí)到呢？

當(dāng)然若工程已建成，就可用監(jiān)測(cè)或原位測(cè)試方法去了解，但在工程前期的勘察設(shè)計(jì)階段是無(wú)法知道的，這時(shí)只能用預(yù)測(cè)模擬的方法，這種模擬的預(yù)測(cè)對(duì)土層還較容易，因?yàn)橥翆釉诒聿浚碧胶腿颖容^容易，而巖層在深部就困難得多。在上世紀(jì)巖石力學(xué)發(fā)展的初期階段，巖石工程的預(yù)測(cè)主要采用物理模擬的方法，包括樣本室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、靜力模型試驗(yàn)、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)（Geomechanical Model）等，也曾試用過(guò)離心模擬試驗(yàn)。但由于巖體更近似于連續(xù)體，因此數(shù)值模擬方法發(fā)展得更快。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和各種計(jì)算理論、方法的大量涌現(xiàn)，“使復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的模擬成為可能，目前成百條裂隙、幾萬(wàn)個(gè)體型性質(zhì)各異塊體的數(shù)值模擬已經(jīng)提到工作日程上了。在工程巖體性狀的模擬研究中，數(shù)值方法已成為主導(dǎo)”[3]。巖石力學(xué)的這個(gè)進(jìn)展是值得慶賀的。而土力學(xué)的數(shù)值模擬似乎還未普遍成為土工工程預(yù)測(cè)的主導(dǎo)方法。因此，以筆者的一孔之見，似乎巖石力學(xué)近年在這些研究方面的進(jìn)展更快一些，雖然巖石力學(xué)的發(fā)展至今還只有半個(gè)多世紀(jì)，而土力學(xué)存在已經(jīng)一個(gè)世紀(jì)了。

當(dāng)然客觀地說(shuō)，由于巖體在某種意義上可以看作具有多種結(jié)構(gòu)面的連續(xù)體，因此，它借用現(xiàn)成的許多連續(xù)體力學(xué)的成果似乎比土力學(xué)更為方便。但巖石力學(xué)中不僅發(fā)展了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的分析方法，如有限元法、邊界元法、有限差分法等，也發(fā)展了非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法，如塊體理論、不連續(xù)變形分析理論DDA、離散元、剛性彈簧元法、界面元法等。近年，又發(fā)展了數(shù)值流行法NMM，“理論上初步實(shí)現(xiàn)了連續(xù)與非連續(xù)方法的統(tǒng)一”[3]。在上列的種種數(shù)值分析方法中，NMM 法是充分考慮實(shí)際裂隙巖體力學(xué)性狀的一種新發(fā)展的方法，因?yàn)閷?shí)際巖體既有眾多結(jié)構(gòu)面，又不是被完全貫通的結(jié)構(gòu)面切割成的塊體組合，NMM 就是針對(duì)這種物體的，它是近年由中國(guó)人提出并發(fā)展的。NMM是“在DDA塊體系統(tǒng)非連續(xù)運(yùn)動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，融入有限元法和解析法的連續(xù)分析方法”，“將有限元法、DDA、解析法包括在內(nèi)的一種統(tǒng)一計(jì)算形式，統(tǒng)一解決了連續(xù)和非連續(xù)變形的力學(xué)問(wèn)題。有限元法和 DDA是NMM的兩個(gè)極端特例”[3]。有人也曾嘗試將它用于汶川地震唐家山滑坡運(yùn)動(dòng)的模擬。

巖石力學(xué)這些年不俗的進(jìn)展是很值得借鑒的。

土雖為散體，但真正作為散體來(lái)研究的成果在“土力學(xué)”中還不多，許多情況下也只能把土近似為連續(xù)體對(duì)待，以便引入連續(xù)體力學(xué)的成果。當(dāng)然這就不如“巖石力學(xué)”的近似性好。如何把土真正當(dāng)“土”來(lái)對(duì)待，仍是土力學(xué)工作者的任務(wù)。

《巖石力學(xué)》和《土力學(xué)》雖然有許多不同，但它們的任務(wù)基本上是相同的，都是為地球上建造工程或處理地球上發(fā)生災(zāi)害的措施提供理論基礎(chǔ)，說(shuō)得具體些就是對(duì)巖體、土體進(jìn)行認(rèn)識(shí)，利用和改造（加固）。無(wú)疑，建造建筑物就會(huì)使地層受到力的作用，對(duì)建在土層上的建筑物就使用土力學(xué)來(lái)處理，土層下面若存在巖層，由于巖石剛度大得多，且離建筑較深，往往可不予考慮；而對(duì)建在巖層上的建筑物，則使用巖石力學(xué)來(lái)處理，但有時(shí)在巖層淺部存在軟弱夾層或巖石泥化夾層，這時(shí)土力學(xué)也要上陣，兩套鑼鼓一起打，如葛洲壩工程大壩這樣巨型建筑物，就遇到這種情況。另外，建筑物與地面相接觸，因此它們與建筑物間的界面特性或共同作用問(wèn)題就是巖石力學(xué)和土力學(xué)的共同課題。這兩門學(xué)科的共同點(diǎn)還是很多的，在此不多贅述。

目前，《巖土力學(xué)》似乎還停留在《巖石力學(xué)》+《土力學(xué)》的現(xiàn)狀，以后是否會(huì)成為一門統(tǒng)一的學(xué)科尚不清楚。但兩者的許多共同點(diǎn)和不同點(diǎn)表明，兩者應(yīng)有更多的相互了解、借鑒和交流。雖然目前已有一些交流的平臺(tái)，如《巖土工程學(xué)報(bào)》，但具體的、有效的交流還有待加強(qiáng)。