巖土材料是天然的地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，它一般是碎散的、不連續(xù)或部分連續(xù)的介質(zhì)。材料性質(zhì)十分復(fù)雜；具有極大的時(shí)空變異性。在巖土工程中，其地基或者巖土環(huán)境幾乎不可能完全探知；邊界條件和操作過程也有很大的影響。因而巖土工程問題具有很強(qiáng)的不確定性。這種不確定性包括互補(bǔ)率的破缺，即非此非彼的情況，是屬于模糊判斷的課題。另一方面是因果率的破缺，亦即因果關(guān)系的不確定性，一因多果。是屬于概率、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和混沌學(xué)的范疇。所以對于這樣一個(gè)復(fù)雜的對象和眾多的影響因素，準(zhǔn)確的定量的預(yù)測和預(yù)算是相當(dāng)困難的。依靠純理論和技術(shù)技巧預(yù)測往往不成功，而經(jīng)驗(yàn)的判斷是不可缺少的。
土以碎散的顆粒為骨架，由固、液、氣三相物質(zhì)組成；在其由巖石風(fēng)化的生成、搬運(yùn)和沉積過程中幾經(jīng)滄桑，形成了不同于其他材料的復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)，而不同時(shí)空條件下土的性狀也各不相同。所以盡管已提出的土的本構(gòu)關(guān)系理論數(shù)學(xué)模型不下百種，動(dòng)用了傳統(tǒng)力學(xué)和現(xiàn)代力學(xué)的各種理論和手段，但是到目前為止，還沒有一種為人們所公認(rèn)的，能夠準(zhǔn)確、全面反映各種土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。是否存在這樣的模型也是值得懷疑的。
在計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以有限元為代表的數(shù)值計(jì)算是解決邊值問題的強(qiáng)有力的手段。當(dāng)用來計(jì)算彈性體時(shí)其精確程度令人嘆為觀止。其計(jì)算結(jié)果與光彈試驗(yàn)結(jié)果毫厘不差，結(jié)果光彈試驗(yàn)很快被廢止。土是碎散材料，而在一般數(shù)值計(jì)算中首先被假設(shè)為連續(xù)體，然后被離散化，假設(shè)各單元間的結(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)，計(jì)算土體的應(yīng)力變形關(guān)系。這常常不能反映土的變形的微觀機(jī)理。以DDA（Discontinuous Deformation Analysis）為代表的離散單元計(jì)算方法在計(jì)算某些農(nóng)產(chǎn)品（如谷類）和工業(yè)零件（如滾珠）時(shí)是相當(dāng)成功的。以至被稱為“數(shù)值試驗(yàn)”可以精確地代替模型試驗(yàn)。在定性地探索土的變形的微觀機(jī)理時(shí)，也是很有價(jià)值的。但是用以描述由不同尺寸、不同形狀、不同礦物成分的顆粒組成的土，反映不同三相成分及其物理、化學(xué)和力學(xué)的相互作用，即使是可能，恐怕也是相當(dāng)遙遠(yuǎn)的事。
數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算預(yù)測的另一個(gè)難點(diǎn)是土的參數(shù)的選取，它受到取樣(制樣)和試驗(yàn)手段的限制。原狀土在取樣過程中不可避免地受到擾動(dòng)和發(fā)生應(yīng)力釋放，會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)性。即使是重塑土試樣，制樣的方式、器具和操作程序的差別也嚴(yán)重影響試驗(yàn)的結(jié)果。另一方面，目前使用的土工試驗(yàn)儀器也存在局限性。以真三軸儀為例，由于邊界之間的干擾，試樣的應(yīng)力和應(yīng)變的均勻是很難保證的。
在對地基和土工建筑物的探測方面，土層的時(shí)空變異及人類活動(dòng)給勘探測試及其結(jié)果的判釋造成困難。除此以外，巖土工程中的復(fù)雜邊界條件和施工過程中的諸多因素也嚴(yán)重影響工程的實(shí)際結(jié)果。
在我國每年發(fā)表和撰寫了大量的論文和報(bào)告，提出了各種理論、模型、計(jì)算方法、計(jì)算程序和技術(shù)手段，常常伴以試驗(yàn)或者實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，其結(jié)果也常常是“符合得很好”。自己的試驗(yàn)或觀測證實(shí)了理論或者方法的完美，正是：“各夸自家顏色好，百花園中各稱王。” 這種結(jié)果的可信性很值得懷疑。筆者在評閱一些論文和成果時(shí)，對于那些二者符合得完美到天衣無縫的圖與曲線，常常懷有很大的不信任感；而對于存在相當(dāng)差別，甚至坦率地承認(rèn)預(yù)測的不成功的情況，則是完全理解的。可惜后者較少。
近年來，主要在國外進(jìn)行了多次的“考試”或者“競賽”活動(dòng)：首先委托一個(gè)（或幾個(gè)）單位進(jìn)行所謂的“目標(biāo)試驗(yàn)”，亦即需要預(yù)測或者預(yù)算的試驗(yàn)或?qū)嵗?。其結(jié)果是保密的，或者預(yù)測前不做試驗(yàn)，預(yù)測以后在試驗(yàn)。事先公布有關(guān)的土的一般資料、基本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)（為確定有關(guān)參數(shù)）和目標(biāo)試驗(yàn)的應(yīng)力（應(yīng)變）路徑。在全世界或者一定范圍征求參賽者（參加目標(biāo)試驗(yàn)的人不參賽）。全部預(yù)測結(jié)果上交以后，公布試驗(yàn)結(jié)果。一般是召開研討會(huì)，評估或者評分。參賽者也常常進(jìn)行申辯和總結(jié)。這是一種客觀、公正和有權(quán)威性的檢查比較方式。也是推動(dòng)巖土工程發(fā)展的十分有益的活動(dòng)和手段。它使我們認(rèn)識(shí)到在巖土工程領(lǐng)域，我們的認(rèn)識(shí)能力和預(yù)測能力到底有多高。
試驗(yàn)方法和設(shè)備的檢驗(yàn)比較
1. 不同儀器的相同試驗(yàn)的檢驗(yàn)
1982年在法國Grenoble召開的“土的本構(gòu)關(guān)系國際研討會(huì)”上①，用劍橋式的立方體真三軸儀分別由德國的Karlsrube大學(xué)和法國的Grenoble大學(xué)對同樣的砂土和粘性土進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力路徑和應(yīng)變路徑的真三軸試驗(yàn)，兩份試驗(yàn)結(jié)果是存在著差別的。由于使用的儀器與土料都是相同的，差別主要源于操作方法和技巧。
1987年在美國克里夫蘭召開的“非粘性土的本構(gòu)關(guān)系國際研討會(huì)”上②，利用美國Case大學(xué)的空心圓柱扭剪儀和法國Grenoble大學(xué)的劍橋式立方體真三軸儀進(jìn)行砂土的相同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：
(1) b＝不同常數(shù)的不同密度兩種砂土的真三朝試驗(yàn)；其中， b=（σ1-σ2）／（σ1-σ3）
(2)在π平面上應(yīng)力路徑為圓周（兩周）的的真三軸試驗(yàn)。
（b=常數(shù)的真三軸試驗(yàn)與空心圓柱試驗(yàn)的比較）表示了對于Hostun密砂（干密度ρd＝1.65g/cm3） 在b＝不同常數(shù)，中主應(yīng)力ρ2=500kPa保持不變，用兩種儀器試驗(yàn)得到的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，軸向應(yīng)變和體應(yīng)變的關(guān)系曲線?？梢娫赽=0和0.28時(shí)，不同儀器試驗(yàn)結(jié)果的差別是很大的。但是在評價(jià)它們時(shí)，主持者說：對于軸應(yīng)變，除了0.286的結(jié)果很差（very poor）以外，其他的曲線符合的很好(very well)；（b.體應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)舲間試驗(yàn)曲線）的曲線認(rèn)為符合得很優(yōu)良（excellent）。對比我們的一些論文中理論與實(shí)際曲線二者絲絲入扣的符合，就顯得很不真實(shí)。在這兩個(gè)試驗(yàn)中試樣的破壞形態(tài)也有很大不同：空心圓柱試樣發(fā)生頸縮；立方體試樣產(chǎn)生V形的剪切帶。這些差別可能是由于試樣的制樣方法不同，試樣中的實(shí)際應(yīng)力分布不同和試驗(yàn)中的邊界條件不同引起的。
土以碎散的顆粒為骨架，由固、液、氣三相物質(zhì)組成；在其由巖石風(fēng)化的生成、搬運(yùn)和沉積過程中幾經(jīng)滄桑，形成了不同于其他材料的復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)，而不同時(shí)空條件下土的性狀也各不相同。所以盡管已提出的土的本構(gòu)關(guān)系理論數(shù)學(xué)模型不下百種，動(dòng)用了傳統(tǒng)力學(xué)和現(xiàn)代力學(xué)的各種理論和手段，但是到目前為止，還沒有一種為人們所公認(rèn)的，能夠準(zhǔn)確、全面反映各種土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。是否存在這樣的模型也是值得懷疑的。
在計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以有限元為代表的數(shù)值計(jì)算是解決邊值問題的強(qiáng)有力的手段。當(dāng)用來計(jì)算彈性體時(shí)其精確程度令人嘆為觀止。其計(jì)算結(jié)果與光彈試驗(yàn)結(jié)果毫厘不差，結(jié)果光彈試驗(yàn)很快被廢止。土是碎散材料，而在一般數(shù)值計(jì)算中首先被假設(shè)為連續(xù)體，然后被離散化，假設(shè)各單元間的結(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)，計(jì)算土體的應(yīng)力變形關(guān)系。這常常不能反映土的變形的微觀機(jī)理。以DDA（Discontinuous Deformation Analysis）為代表的離散單元計(jì)算方法在計(jì)算某些農(nóng)產(chǎn)品（如谷類）和工業(yè)零件（如滾珠）時(shí)是相當(dāng)成功的。以至被稱為“數(shù)值試驗(yàn)”可以精確地代替模型試驗(yàn)。在定性地探索土的變形的微觀機(jī)理時(shí)，也是很有價(jià)值的。但是用以描述由不同尺寸、不同形狀、不同礦物成分的顆粒組成的土，反映不同三相成分及其物理、化學(xué)和力學(xué)的相互作用，即使是可能，恐怕也是相當(dāng)遙遠(yuǎn)的事。
數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算預(yù)測的另一個(gè)難點(diǎn)是土的參數(shù)的選取，它受到取樣(制樣)和試驗(yàn)手段的限制。原狀土在取樣過程中不可避免地受到擾動(dòng)和發(fā)生應(yīng)力釋放，會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)性。即使是重塑土試樣，制樣的方式、器具和操作程序的差別也嚴(yán)重影響試驗(yàn)的結(jié)果。另一方面，目前使用的土工試驗(yàn)儀器也存在局限性。以真三軸儀為例，由于邊界之間的干擾，試樣的應(yīng)力和應(yīng)變的均勻是很難保證的。
在對地基和土工建筑物的探測方面，土層的時(shí)空變異及人類活動(dòng)給勘探測試及其結(jié)果的判釋造成困難。除此以外，巖土工程中的復(fù)雜邊界條件和施工過程中的諸多因素也嚴(yán)重影響工程的實(shí)際結(jié)果。
在我國每年發(fā)表和撰寫了大量的論文和報(bào)告，提出了各種理論、模型、計(jì)算方法、計(jì)算程序和技術(shù)手段，常常伴以試驗(yàn)或者實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，其結(jié)果也常常是“符合得很好”。自己的試驗(yàn)或觀測證實(shí)了理論或者方法的完美，正是：“各夸自家顏色好，百花園中各稱王。” 這種結(jié)果的可信性很值得懷疑。筆者在評閱一些論文和成果時(shí)，對于那些二者符合得完美到天衣無縫的圖與曲線，常常懷有很大的不信任感；而對于存在相當(dāng)差別，甚至坦率地承認(rèn)預(yù)測的不成功的情況，則是完全理解的。可惜后者較少。
近年來，主要在國外進(jìn)行了多次的“考試”或者“競賽”活動(dòng)：首先委托一個(gè)（或幾個(gè)）單位進(jìn)行所謂的“目標(biāo)試驗(yàn)”，亦即需要預(yù)測或者預(yù)算的試驗(yàn)或?qū)嵗?。其結(jié)果是保密的，或者預(yù)測前不做試驗(yàn)，預(yù)測以后在試驗(yàn)。事先公布有關(guān)的土的一般資料、基本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)（為確定有關(guān)參數(shù)）和目標(biāo)試驗(yàn)的應(yīng)力（應(yīng)變）路徑。在全世界或者一定范圍征求參賽者（參加目標(biāo)試驗(yàn)的人不參賽）。全部預(yù)測結(jié)果上交以后，公布試驗(yàn)結(jié)果。一般是召開研討會(huì)，評估或者評分。參賽者也常常進(jìn)行申辯和總結(jié)。這是一種客觀、公正和有權(quán)威性的檢查比較方式。也是推動(dòng)巖土工程發(fā)展的十分有益的活動(dòng)和手段。它使我們認(rèn)識(shí)到在巖土工程領(lǐng)域，我們的認(rèn)識(shí)能力和預(yù)測能力到底有多高。
試驗(yàn)方法和設(shè)備的檢驗(yàn)比較
1. 不同儀器的相同試驗(yàn)的檢驗(yàn)
1982年在法國Grenoble召開的“土的本構(gòu)關(guān)系國際研討會(huì)”上①，用劍橋式的立方體真三軸儀分別由德國的Karlsrube大學(xué)和法國的Grenoble大學(xué)對同樣的砂土和粘性土進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力路徑和應(yīng)變路徑的真三軸試驗(yàn)，兩份試驗(yàn)結(jié)果是存在著差別的。由于使用的儀器與土料都是相同的，差別主要源于操作方法和技巧。
1987年在美國克里夫蘭召開的“非粘性土的本構(gòu)關(guān)系國際研討會(huì)”上②，利用美國Case大學(xué)的空心圓柱扭剪儀和法國Grenoble大學(xué)的劍橋式立方體真三軸儀進(jìn)行砂土的相同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：
(1) b＝不同常數(shù)的不同密度兩種砂土的真三朝試驗(yàn)；其中， b=（σ1-σ2）／（σ1-σ3）
(2)在π平面上應(yīng)力路徑為圓周（兩周）的的真三軸試驗(yàn)。
（b=常數(shù)的真三軸試驗(yàn)與空心圓柱試驗(yàn)的比較）表示了對于Hostun密砂（干密度ρd＝1.65g/cm3） 在b＝不同常數(shù)，中主應(yīng)力ρ2=500kPa保持不變，用兩種儀器試驗(yàn)得到的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，軸向應(yīng)變和體應(yīng)變的關(guān)系曲線?？梢娫赽=0和0.28時(shí)，不同儀器試驗(yàn)結(jié)果的差別是很大的。但是在評價(jià)它們時(shí)，主持者說：對于軸應(yīng)變，除了0.286的結(jié)果很差（very poor）以外，其他的曲線符合的很好(very well)；（b.體應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)舲間試驗(yàn)曲線）的曲線認(rèn)為符合得很優(yōu)良（excellent）。對比我們的一些論文中理論與實(shí)際曲線二者絲絲入扣的符合，就顯得很不真實(shí)。在這兩個(gè)試驗(yàn)中試樣的破壞形態(tài)也有很大不同：空心圓柱試樣發(fā)生頸縮；立方體試樣產(chǎn)生V形的剪切帶。這些差別可能是由于試樣的制樣方法不同，試樣中的實(shí)際應(yīng)力分布不同和試驗(yàn)中的邊界條件不同引起的。