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全球岩土工程领域共同挑战性问题的经典土力学理论根源 精选

已有 6628 次阅读 2014-10-25 16:23 |系统分类:观点评述

全球岩土工程领域共同挑战性问题的经典土力学理论根源

岳中琦

(更详细论述参见发表于《岩土工程学报》,第37卷增刊2(总283期),11-15)

全球岩土工程学科发展由三大国际学会统领。它们分别是国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE),国际岩石力学学会(ISRM)和国际工程地质协会(IAEG)。它们分别成立于1936年,1962年和1964年,代表了全球从事土力学、岩石力学、地质学和其在工程中广泛应用的学者们、科学家们和工程师们的国际组织。2000年,这三大国际岩土与工程行业学会,在澳大利亚墨尔本,首次共同召开世纪岩土工程大会GeoEng 2000)。

在这次由三大学会首次共同召开的世纪岩土工程大会上,当今国际公认岩土工程权威和滑坡分析集大成者,Norbert R. Morgenstern教授应邀做了大会报告(文献 [1]和附件A)。在报告中,他明确地指出、分析和论证了,全球岩土工程领域长期存在三大共同挑战性问题(图1)。

它们是(1)表现不合格;(2)不合理报酬;(3)不合情地位(inadequate performance, inadequate compensation and inadequate recognition)。因此,他提出全球岩土工程专业人员长期存在三大共同的负面后果。它们是(1)价值被低评;(2)回报被低算;(3)才华被低用(under-valued, under-rewarded and under-utilized)。

Morgenstern教授把产生这三大共同挑战性问题的原因归结于,全球岩土行业缺少一个统一的学会来领导和竞争。现有三大国际岩土工程学会不具备解决这些问题的能力。因此,他大力呼吁成立 “International Geotechnical Union” (国际岩土联会),以从政治与组织上,解决岩土各行业长期面对的三大共同挑战性问题!

在不少国际岩土工程行业大师们和领袖们的共同努力下,在2008125日,三大国际岩土工程学会在伦敦达成了协议,成立了国际岩土工程学会联盟Federation of International Geo-engineering Societies 简称FedIGS)(图2)。

但是,在2010126日,后来当上的三大国际岩土工程学会主席们,共同签署了一份题目为改变三大国际岩土工程学会联盟运作方法”“Changing The Way FedIGS Operates”的法定声明文件(参见附件B。这份文件基本上取消、限制、或瓦解了国际岩土学会联盟。

我认为,产生全球岩土工程领域长期存在三大共同挑战性问题的根本原因在于,经典土力学理论的适用范围扩大化。

在最近题目为“经典土力学理论的根本局限性和灾难性后果”的博文[2]和题目为“现今斜坡工程安全设计理论的根本缺陷与灾难后果”论文[3]中,我已经介绍了这个经典土力学理论的适用范围扩大化问题。

首先,Morgenstern教授用大量发生在现代岩土工程结构的垮塌和灾难事件,来指出和论证全球岩土工程领域长期存在的表现不合格问题。他指出,极其有安全意识的大公司就是雇佣完全合格的岩土专家也不是抵抗严重事故的合适保障。

我认为,这种表现不合格的问题的根源在于,经典土力学理论的适用范围扩大化问题。经典土力学理论的适用范围是岩土体完全受到压剪应力载荷,是压剪土力学理论。因此,这种压剪土力学理论仅能预测外部加载产生土体压剪、孔隙率减小、土体强度增大的岩土稳定工况过程。它不适用于外部卸载造成土体拉张、孔隙率增大、土体强度减少的岩土破垮工况过程。现代岩土工程安全设计方法是建立于压剪土力学理论的,存在根本安全缺陷。这种根本安全缺陷可使得,达到岩土工程安全设计标准的斜坡等结构,在营运过程中能够发生滑垮、产生灾难后果。

其次,Morgenstern教授对比了1998年美国17个工程专业收入中位数,发现岩土行业的收入中位数最低,分别是石油和结构工程行业中位数的61.4%89.9%。因此,他认为,岩土行业酬报(工资)不合理,回报被低算了。酬报是体现每个工作的社会价值。他认为,岩土工程实践所需具备的很多项知识、理论、能力与经验。它们包括,岩石力学、土力学、地质学、水位学、结构力学、连续介质力学、数值计算、材料力学、地球化学、场地勘探、地壳运动、地震、施工、机械力学(钻机、仪器、挖掘)、风险分析、合同法规、和公共政策(图3)。图3表明了这些大量工作和它们之间相互联系是极其艰巨、复杂的!做好岩土工程工作是不容易的,需要岩土从业人员极为勤劳、极高智慧和极富经验!


哪为什么岩土工程师的酬报工资最低呢?

我认为,这种酬报工资不合理的问题的根源在于,经典土力学理论的适用范围扩大化问题。现代岩土工程安全设计方法是建立于这压剪土力学理论的。这种压缩或孔隙减小(或不变)的土体应力工况能够使得土体抗剪强度和变形模量等参数值增大或渗透系数减少。这造成了岩土工程设计采取了土体参数值作为恒量(或常数)进行计算和预测。这进一步造成了,岩土工程设计采取了土体抗压剪强度与土体所受到剪切应力比值的安全系数。通常,这个比值安全系数最小值是1.21.4等。

但是,这个比值安全系数不能体现土强度与品质本值。由于土体的抗剪强度值很小,达到或超过安全系数所增加的土体强度量也就很小。因此,增加这个小量强度所需材料和施工费用就很小。岩土工程造价与费用就很低。这造成了岩土工程的造价极为低廉。同时,工程岩土的品质在不少情况下没有得到真正的、本质性的改良。从而,岩土工程师的酬报工资最低,因为在很多情况下,酬薪与待遇同管理和使用经费总量成正比

第三,Morgenstern教授指出,岩土体是自然材料,岩土工程师必须花费大量时间和精力来掌握多种岩土体性质和表现的不确定性,防范和控制任何事故风险。但是,一旦发生事故,所有岩土工程人员都要受到惩罚。这造成了岩土工程人员对工程的巨大贡献被低估,处于不合情的地位。

我认为,这种不合情地位的问题的根源在于,经典土力学理论的适用范围扩大化问题。由于这个原因,经过现代岩土工程专业人员设计和施工的岩土工程时常发生灾难性破坏。他们又要在极少工程经费的条件下,把每项岩土工程做好。而且,每项岩土工程又在不同的地方,每个地方的地下岩土情况又可能极大不一样。每项岩土工程不能够重复做。因此,他们必须极其忙碌、精心尽力于每项具体工程。这样,他们的才华一直被重复低用。他们的社会地位一直处于不合情的地位,因为在不少情况下,社会地位是同管理和使用经费总数成正比

总之,近百年来,全球岩土工程领域长期存在三大共同挑战性问题(图1)。它们的根源就是经典压剪土力学理论的适用范围扩大化。我们要认识、修正经典土力学理论的局限性,建立和使用正确、合理和完备的岩土力学理论和设计方法。我们才能从根本上降低岩土工程灾难性事故的发生。我们的表现一定会合格,我们的价值一定能被肯定。我们酬报一定会合理,我们的回报一定能被正算。我们的地位一定会合情,我们的才华一定能被施展。

这样,我们全球岩土工程行业人员才是投对胎、入对行、嫁对郎。

参考文献


[1]   Morgenstern, N. R. Common ground (keynote address). Proceedings of International Conference on GeoEng, Melbourne, 2000, 1: 1–30.

[2]   岳中琦. 经典土力学理论的根本局限性和灾难性后果,20141018日博文http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=240687&do=blog&id=836715

[3]   岳中琦,徐前.现今斜坡工程安全设计理论的根本缺陷与灾难后果,《岩土工程学报》,36 卷第9期,2014 9 :1601-1906

附件ANorbert R. Morgenstern教授简介

http://www.scienceadvice.ca/en/about/governance/sac/morgenstern.aspx转载

Norbert R. Morgenstern is University Professor (Emeritus) of Civil and Environmental Engineering at the University of Alberta.

Dr. Morgenstern graduated from the University of Toronto and obtained his D.I.C. and Ph.D. from the Imperial College of Science and Technology, University of London (1964). He joined the staff at Imperial College as a Research Assistant in 1958 and Lecturer in 1960. Dr. Morgenstern returned to Canada in 1968 as Professor of Civil Engineering at the University of Alberta and was awarded the distinction of University Professor in 1985.

He has served as President of the Canadian Geoscience Council, the Canadian Geotechnical Society and, the International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (1989-1994).

Dr. Morgenstern is a Fellow of the Royal Society of Canada, the Canadian Academy of Engineering, the Engineering Institute of Canada and the Canadian Society for Civil Engineering. He is a Foreign Associate of the U.S. National Academy of Engineering, a Foreign Member of the U.K. Royal Academy of Engineering and, a Foreign Fellow of the Indian Academy of Engineering. Dr. Morgenstern is a Member of the Alberta Order of Excellence and the Order of Canada and has received honorary degrees from the University of Toronto, Queen's University and the University of Alberta.

附件Bhttp://www.iaeg.info/index.php/iaeg-info/statutes/29-about-iaeg/about-iaeg/57-fedigs转载

Statutes

FedIGS news

At the extraordinary FedIGS Board meeting of 28 May 2010 it was resolved that:

1.       The Federation of International Geoengineering Societies will continue to operate within the Cooperation agreement as endorsed by the three sister societies, but that it will change and become a smaller, less powerful organization.

2.       The resignation of the FedIGS President, Professor William vanImpe, was accepted.

3.       A proportion of the financial reserves will be used to support the continuing registration of the website address and the balance will be equally divided amongst the sister societies

4.       JTC1, JTC2 and JTC3 will continue to exist as entities to be managed by the FedIGS Board. Under a new arrangement that was agreed at the Board meeting, each of the Presidents of the sister societies will take a special interest in the workings of individual JTCs. The FedIGS Board expects the JTCs to report using the existing FedIGS guidelines. All other JTCs will be disbanded.

5.       The Liaison Committee will be disbanded.

6.       The website address will be retained.

7.       Professor Nielen van der Merwe accepted to become chair of the FedIGS Board for the next 12 months.

8.       The next meeting of the FedIGS Board will take place in Rome in May 2011.

By Fred Baynes, President IAEG, 5 August 2010.

2014102516:10写成于香港大学黄克兢楼办公室









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