岩土泰斗,桃李天下——黄文熙院士

黄文熙,水工结构和岩土工程学专家,我国土力学学科奠基人之一,新中国水利水电科学研究事业的开拓者之一。在水利水电工程、结构工程和岩土工程几个领域都取得了杰出的成就。致力于水利水电工程教育事业60多年,培养了大批工程技术人才。

黄文熙,祖籍江苏省吴江县。1909年1月3日出生于上海一个乡绅家庭,家境并不太富裕。少年时在上海民立中学学习,该校是一座除语文外全部用英文授课的学校。他的愿望是毕业后能考取一名报务员或海关职员,然后就业以改善家庭经济条件。后未能如愿,只能报考大学,考取暨南大学商科。由于对数学的兴趣和表现出的才能而转入理工科预科。由于在预科得到两位教授的启发与鼓励,激发了对学习的兴趣。自学了解析几何和微分学,考取了河海大学工科正科作插班生,并于1929年毕业于中央大学土木工程系,获工学学士学位。留校任助教一年半,后又到上海慎昌洋行建筑部任结构设计员。1933年考入清华大学留美公费生,在清华大学学习和实习一年后到美国艾奥瓦(Iowa)大学学习。1935年转入密歇根(Michigan)大学,师从著名的力学专家铁木辛柯(Timoshenko)、水利专家金(King) 两位教授。在这期间他充分表现了自己的才能,在获得硕士学位时,因成绩优秀而被授予“斐陶斐”荣誉奖章。随后,他仅用一年半时间就完成了题为《格栅法在拱坝、壳体和平板分析中的应用》的博士论文,受到导师和答辩委员会的一致赞誉。在获得科学博士学位时,为表彰他的优异成绩,密歇根大学又授予他“雪格麦赛艾”荣誉奖章。当时的密歇根日报和底特律日报刊登了《最杰出的学生赢得了老师和朋友们的赞誉》一文,文中写到“一个谦和的中国学生在密歇根大学赢得了盛名。”“他在两个不同的领域:结构工程和水利工程,都做出了不寻常的贡献。”文章介绍了金教授对他的赞誉:“黄表现出的原创性和杰出的逻辑思维能力超出了同期的学生。他是我所指导过的学生中最优秀的;他是密歇根大学工学院很多年来授予学位者中杰出的一个。”

黄文熙的中国科学院学部委员聘任书

获博士学位后,黄文熙又在美国丹佛市垦务局实习了几个月,于1937年抗日战争爆发前夕回国。黄文熙应中央大学邀请从美国归国任教,当时正值抗日战争爆发,中央大学内迁。他先后在杭州浙江水利局和西安东北大学临时工作,后几经辗转到达重庆,任中央大学水利系教授和水利系主任,并先后兼任当时的水利部水利讲座、中央水利实验处(现南京水利科学研究院)特约研究员、水工实验室主任等职。他一直重视水利实验和科学研究工作,在此期间他发表了题为《水工建筑物的土壤地基沉降与地基中应力分布》的论文,提出了被称为“黄文熙法”的地基沉降计算方法。

中华人民共和国成立之后,黄文熙先后在南京大学、南京工学院和华东水利学院任教,还兼任南京水利实验处(现南京水利科学研究院)处长,负责这一国内成立最早的水利水电科研机构的全面工作。他开创了泥沙、潮浪、结构材料等新的研究领域;承担了治黄、治淮、华东地区水电工程等试验研究工作;开设了三期水工试验学习班,培训了水利实验技术人员。使南京水利实验处成为当时全国规模最大,水平最高的水利水电科研机构,为新中国早期的水利水电研究事业作出了巨大贡献。

1956年,水利部在北京新组建水利科学研究院。黄文熙被调到北京,任清华大学教授,并兼任水利科学研究院副院长。后由水利部、电力工业部和中国科学院所属的3个水利科研单位合并成立了水利水电科学研究院,黄文熙仍任副院长。从1956—1966年的10年间,他致力于水科院的科研机构、设备、队伍的建设,结合工程开展水利水电科研工作。使水科院成为拥有9个研究室、所,完整的技术后勤系统,具备了承担各种重大水利水电科研课题能力的水利水电科研机构,在国内外都有重要的地位。他领导购置和研制了一批高质量的仪器设备;组织培养了一支高水平的学术队伍;其研究成果和研究水平达到很高的水平;具备了解决实际水利工程建设中的关键技术问题的能力,成为国内水利水电研究的权威机构。

1977年他举家搬入清华,以近古稀之年亲任土力学教研组主任,满怀信心地投入了重建清华大学土力学学科的工作。当时的清华也是满目疮痍:由于“开门办学”,工农兵“上、管、改”大学,水利系被下放,学科混编,人员星散,设备流失,原土力学教研组实际上已解散了。黄文熙来清华后,首先聚结队伍,确定研究方向,组织科研小组,建设实验室,购置和研制仪器,并建立起我国首批岩土工程硕士点和博士点,使这一学科呈现一种充满生机的新气象。他非常重视组织队伍和培养人才,亲自给青年教师授课;组织指导中年教师的研究方向;招收第一批研究生;选派研究生赴美、英、德等国家留学,以期在几年之后形成高水平的、结构合理的教学研究队伍。

他选择土的本构关系为主攻方向。1979年4月,黄先生提出了从试验资料直接确定土的弹塑性模型的独特建模思路。在他的指导下,土的本构关系研究课题组经过多年工作,从1981 年提出二维弹塑性模型,到模型参数的确定,于1985年将其推广到三维领域,形成了系统、完整的土的清华弹塑性模型,受到国内外同行的重视,成果获国家自然科学三等奖。

黄文熙委任为南京市市政建设委员会委员的任命通知书

黄文熙,曾当选为第三届全国人民代表大会代表;第二、第三届全国政协委员。1956年被选为中国科学院学部委员(后改为中国科学院院士);先后担任中国水利学会副理事长、名誉理事及土力学专业委员会主任;中国水力发电学会副理事长;中国土木工程学会荣誉会员,土力学及基础工程分会理事长;中国力学学会名誉理事。他还担任过《水利学报》编委会主任和《岩土工程学报》编委会主任。

2010年4月,“文熙馆”开馆和黄文熙先生铜像揭幕仪式在南京水利科学研究院隆重举行

提出拱坝结构分析的新方法——格栅法

1931—1933年期间,黄文熙在上海慎昌洋行建筑部进行结构设计时,对于一座17层的刚架结构,他创造性地提出了设计这种框架结构的“框架力矩直接分配法”。用这种方法进行力矩分配,比克劳斯的力矩分配法计算工作量少。论文发表于1934 年10月的《工程》期刊第9卷第5期上,这比其他学者就同一课题发表的论文早2个月。

1935年他着手研究拱坝结构分析的新方法——格栅法。此法是将拱坝(或壳体)当成由许多水平向的拱段和垂直向的梁所组成的格栅,它们刚性地连接在格栅的结点上。这种将结构离散的计算方法,实际上是目前广泛应用的有限单元法的先驱。与三维弹性理论解、薄壳理论解和试荷载法比较,它能考虑各种主要影响因素和不同的边界条件,适用于数值法求解,也可用于研究各向异性板壳结构和对其进行动力反应分析。反映这一先进成果的博士论文受到导师和答辩委员的极力赞誉。直到晚年,黄文熙对于结构分析仍十分关心,1995年,当他已86岁高龄时,仍撰写了《拱坝抗屈折稳定初探》一文,发表于当年的《水利学报》上。

提出地基沉降三维应力计算方法

在抗战期间他发表了题为《水工建筑物的土壤地基沉降与地基中应力分布》的论文,提出了被称为“黄文熙法”的地基沉降计算方法。

在地基沉降计算方面,通常是假设地基土在受载时不发生侧向变形,用侧限压缩试验确定参数,这种假设不符合地基土的实际应力状态。当时苏联的地基规范(TY-24-103-40)中建议,在重要建筑物的设计时,应考虑地基土的侧向变形,并推荐弗洛林公式计算沉降量。但是这个公式除需要计算土的竖向应力σz以外,还需要计算两个水平应力σx 和σy 以及需要确定泊松比ν,计算繁复。

黄文熙早就开始致力于这一课题的研究。在1942年的《工程》期刊15卷第5期上发表了他撰写的论文《水工建筑物土壤地基的沉降量与地基中应力分布》。以后该文英文修正稿发表在1959年Scientia sinica Vol.8,No.11。在文章中,他提出了考虑地基土侧向变形的沉降计算方法。他建议用3个正应力之和来进行计算,这既考虑了地基土的侧向变形,也简化了计算和减少了编制计算图表的工作量。他还建议进行三轴试验,研究土的弹性模量及泊松比与土体的应力值及其比例间的函数关系。地基中每点的附加应力σz 和Θ 可以用布辛尼斯克(Boussinesq)的半无限地基的弹性解答得到。由于地基土中弹性参数E 是随深度变化的;泊松比ν也是不同的,黄文熙指出地基土的泊松比ν和弹性参数E 应当用适当应力路径的三轴试验来确定。这一观点在当时是非常先进的,是20世纪70年代所提出的“应力路径法”的先驱。

黄文熙编制了各种不同荷载条件下的计算图表,使这个计算方法更接近实用,成为了地基沉降计算的一种重要的方法,具有更广泛的适用性,尤其适用于受水平荷载和偏心竖向荷载的水工建筑物的沉降计算。

黄文熙伏案阅读

进行动三轴试验与沙土振动液化的研究

黄文熙在20世纪40—50年代提出了沙土振动液化的机理及试验方法,对现代土力学作出了贡献,得到国际同行们的认同。

饱和松沙土在地震、爆破和其他动力作用下引起的液化对建筑物危害极大,因此饱和沙土振动液化的机理、影响因素、判别和防治措施多年来一直是土力学学者们致力研究的课题。人们已经注意到饱和沙土振动变密实时经历两个阶段:首先沙土颗粒脱离接触,悬浮在水中;然后浮起的颗粒重新堆积,并形成比原来更紧密的状态。但对其理论解释并不明确。在20世纪50年代通常是将沙土装在筒中进行液化试验。

1959年,黄文熙在《水利水电技术》第15期上发表论文《沙基和沙坡的液化研究》。此文的英文稿载于1960 年Scientia sinica Vol.9,No.1.。英文的修正稿载于1961年在巴黎召开的第五届国际土力学及基础工程学术会议论文集中。在这篇文章中,黄文熙最先用有效应力原理阐明饱和沙土振动液化的机理。他指出当沙土颗粒脱离接触处于悬浮状态时,砂土原来所受的压力逐步由土的骨架转移到水上,使孔隙水压力增高并达到一个最大值。同时,沙土骨架上的有效应力急剧减少,沙土的抗剪强度随之降低。如果原来的全部压力σ 都变成孔隙水压u,根据有效应力原理σ=σ′+u。沙土上的有效应力σ′为零,沙土的抗剪强度丧失殆尽,沙土颗粒随水一起流动,发生了宏观的液化现象。在随后的第二个阶段,由于超静孔隙水压力的产生,部分孔隙水将被陆续排走;浮起的颗粒重新堆积,排列成更紧密的状态。这时压力又从水上重新转移到沙土骨架上,孔隙水压力为零,孔隙水压力转变成有效应力。σ=σ′,使沙土复归稳定。

以上论述,从有效应力原理出发,清楚地解释了饱和沙土振动液化的机理,对于我们进一步研究沙土液化的影响因素有很大的指导意义。

黄文熙针对过去的液化试验是将筒中的饱和沙土振动,指出在这种试验设备中,沙土的应力状态是静止应力状态,如果竖向应力是σ1,侧向应力σ3=k0σ1。其中,k0是静止土压力系数。这种应力状态与受附加荷载的沙土地基和沙土坡相差很大。他建议了三轴振动试验方法。该方法是利用三轴仪,首先对饱和沙土施加不同的围压和轴压σ3和σ1,随后施加±Δσ1 和±Δσ3,它们等于动荷载引起的大、小主应力的变值。为了找到在动荷载作用下某一点发生的最大孔隙水压力,试验中两个主应力分别在σ1±Δσ1 和σ3±Δσ3 范围内变化。在这种思想的指导下,水利水电科学研究院在1959年将三轴仪放置在竖直振动台上,进行了沙土液化试验。试验中采用了不同的围压σ3、不同的应力比σ1/σ1 和使用不同密度的沙土,分别量测振动产生的孔隙水压力。结果表明,初始应力状态、沙土密度和振动加速度对于孔隙水压力的生成有很大影响。孔压力比Δu/Δσ3 随着围压σ3、应力比σ1/σ1 和沙土密度的增加而减小。

这一论文以及随后我国在这个方面所发表的一系列成果受到国际同行的很大重视。所研制的振动三轴仪及其试验方法为国内外广泛采用,动三轴仪成为国内外土工实验室所必备的设备。受黄文熙这一思想的引导,汪闻韶等人进行了系统的研制和试验工作,陆续发表了一批研究成果。同时结合我国的水利水电工程和土工抗震工作,对于1975年的海城地震,1976年的林格尔和唐山大地震进行了震害调查和分析,得到了一些有意义的结论和经验。

建立了土的清华弹塑性模型

20世纪60-70年代,随着大型土工建筑物的兴建和计算机技术的蓬勃发展,可以反映土的非线性、弹塑性的应力应变关系的各种本构关系的数学模型得到迅速发展。而当时我国正值“文化大革命”期间,国内学者对于国际上这一学术动向了解极少。黄文熙在重新工作以后,敏感地注意到这一研究的巨大学术意义和应用前景,他一方面著文介绍当时国际上代表性的本构关系模型;另一方面,带领清华大学土力学教研组开展研究。他建议用常规三轴试验在应力平面上确定各点的塑性应变增量的方向,根据正交流动准则确定塑性势函数的轨迹。根据Drucker假说,选择适当的硬化参数使屈服面与塑性势面重合,无需人为假设,建立了土的弹塑性本构模型。其主要成果发表在第十届国际土力学及基础工程学术会议论文集中。他在土的本构关系模型研究方面的工作大大推动了我国在这个领域的研究工作,缩小了与国际先进水平间的差距。在20世纪80—90 年代我国也提出了几个有代表性的土的本构关系模型,促进了岩土数值计算工作。这给我国在“七五”和“八五”期间兴建的一些高土石坝和大型土木工程,包括小浪底水库大坝、三峡二期围堰的设计,提供了多方面的数值计算结果,大大丰富和加强了我国在岩土工程方面的分析计算能力。

1988年,黄文熙在科研教学50年学术报告会上

重视工程实践,重视土工试验

黄文熙非常重视科学研究与工程实践相结合,注意引进国外先进工程技术,支持工程实践中的新生事物。他引进和推广的先进技术有:沙井预压加固软土地基方法,设置反滤层和减压井防止土的渗透破坏,用补偿基础原理建造不用桩基的水闸,就地浇筑混凝土防渗墙防止砂砾土地基的地下渗漏等。他也热情推广水中填土坝和水坠坝,从填土特性、坝体孔隙水压力计算、施工特点等方面进行理论研究。他还积极支持水力劈裂灌浆、旁压仪现场测试、水工合成材料工程应用等新技术、新材料。他积极参与了黄、淮、海治理和大西南、三峡等国家重大工程项目的咨询工作,实事求是地发表自己的意见,敢于提出和坚持不同意见。

1925年,太沙基(Terzaghi)出版了《土力学》一书,使土力学形成一门技术科学。早在美国留学期间,黄文熙对当时尚属新兴学科的土力学给予了密切的关注,敏感地看到它在工程中的重要意义。他积累和收集了有关资料和知识。归国后,他在国内开设“土力学”课程。并且带回了一些土工试验仪器,在中央水利实验所建立了我国第一个土工实验室。

中华人民共和国成立以后,在他担任南京水利实验处处长期间,根据从国外带回来的图纸进行加工、复制,配备了土的物理力学性质试验仪器和设备,并于1954年加工研制了我国首台三轴仪,当时国内没有适用于高压下的阀门、细尼龙管和透明的三轴压力室等配件,黄文熙写信给当时还在美国,并即将回国的他的学生汪闻韶,购置了这些配件并带回国,很快配制成一台三轴仪。这台三轴仪能够量测土的孔隙水压力,为进行有效应力原理的研究和应用提供了技术基础。他还领导研制了不少土质勘探设备和现场测试设备。

在他担任南京水利实验处处长期间,组织编写了《土工实验手册》和标准贯入、静力触探等现场测试和取样技术的讲义和资料,开办了四期土工试验学习班,为新中国的土工实验工作培养了人才。在他担任水利水电科学研究院副院长期间,还兼任土工研究所所长,对土工研究工作倾注了大量精力和心血。

20世纪80年代以来,随着土的本构关系和土工计算的发展,他看到各种模型试验,尤其是土工模型试验对于验证理论和计算及模拟实际工程的重要作用,看到我国与世界先进国家在土工模型试验方面的巨大差距,于1984年亲自率团到西欧、日本、美国考察。归国后他又多方奔走呼吁,终于在我国建立了不同规模的土工离心模型试验装置,这对我国岩土工程的发展起到巨大的推动作用。

一代宗师,青年楷模

黄文熙1937年在美国获得博士学位,正值国内抗日战争爆发前夕。他不畏艰险,满怀爱国热情,毅然回国。在南京中央大学任教期间,他不满当时国民党的腐败,同情和掩护进步学生的爱国运动。南京解放前夕,作为南京水利实验处处长,他为保护实验处的设备、财产和资料,顺利移交给人民政府做了不少有益的工作。中华人民共和国成立后,他仍兼任南京实验处处长,作为党外人士,他与党员干部和中国共产党坦诚相待,合作得非常好。他1956年加入中国共产党,以后几十年和党风雨同舟,保持良好的政治气节。他关心祖国,热爱人民,粉碎“四人帮”时,他已年近70岁,仍然焕发了极大的热情,为重建我国土力学学科作出了不可磨灭的贡献。

作为学科带头人,黄文熙有极为杰出的能力。

首先,他一直密切关注土力学学科的动向与发展,始终关注学科的前沿,在他所工作过的地方,都订购了国外土力学方面的主要期刊。新到的书刊,他都先行过目,发现重要文献及有关内容,就很快介绍给有关人员。他也要求科技人员及时掌握新知识、新动向。20世纪50年代,在一切向苏联学习的一边倒形势下,他在会议上公开提倡“学习国外先进技术”,鼓励大家学好外语,不仅仅是俄语。这在当时是需要相当勇气的。

其次,他善于与别人合作,关心、爱护、团结别人一同工作。黄文熙敢讲真话、坚持原则;但他为人谦和、礼貌,从不因不同观点而伤害团结。在他任土力学及基础工程学会理事长时,他强调土力学性质的复杂性及联系实际和工程经验的重要性。有的学者偏重于理论,性格较急,有时言词偏激,但黄文熙能够坦然相处,从不计较。他非常关心部下和弟子,听说一个学生患了肝炎,当时已年近八旬的黄先生,登了四层楼去看望;看到有的中年弟子工作辛苦而面色倦怠,他亲送补品让他补身体。年过70 的汪闻韶院士是他早年的学生,因病住院时,黄先生也亲自去看望。

黄文熙天资聪慧,思维敏锐,办事效率极高。他工作十分勤奋。中年时身体并不好,因肺病手术,医生劝他半日工作,但他仍然常常每天工作14个小时以上。在他倡导下,他领导的单位学习和钻研业务的风气非常浓厚,年轻人都努力学习,提高自己,刻苦钻研蔚然成风。他们中不少人后来都成为土力学方面的知名专家。

1979年,黄文熙重新组建了我国岩土工程组织和队伍,受茅以升先生委托,兼任我国土力学及基础工程分会(现中国土木工程学会土力学及岩土工程分会)的第一届理事长。为使学会成为我国各产业部门和高等院校土力学专家学者交流和研讨的核心,定期举行学术会议,与国际土力学学会加强联系和交流。黄文熙以他精深的学识,高尚的道德风范和在土力学界的崇高威信为同行们所崇敬。他为我国土力学界的团结和联合做了大量的工作。1979年,黄文熙联合了我国水利、土木、力学、建筑、水力发电和振动工程6个一级学会,使各行业的岩土工程技术人员,摒弃门户之见,共同创办我国岩土工程期刊《岩土工程学报》。他亲任编委会主任。

黄文熙在土力学研究中特别重视理论联系实际;特别重视工程实践,重视土工试验。他提倡从工程实践中提出研究课题;要求研究生论文工作一定要有试验,掌握实验技术。对于理论推导、数值计算、试验结果他总是严格校审。试验研究报告常常自己亲自审查,并要求附上原始试验记录和数据。他自己撰写的论文也常交他的学生或助手校核,他的文章中很少有笔误,十分严谨。他将这种严谨的作风带到他所工作过的地方,传给他的部下和学生。

黄文熙学识渊博,为人宽厚坦诚,待人态度真挚。与他相处常感如沐春风,和煦温暖。他那谦和礼貌的学者和长者风度,使人们很愿意接近他,向他请教。他那巨大的人格魅力是能够联合全国各行业和院校土力学者的重要因素。直到如今,不同领域的土力学同行们一谈起黄先生仍由衷地叹服,他已成为众望所归的旗帜。

黄文熙(右)指导博士生

黄文熙活跃在学术界六十多年,从事教育事业六十多年。他教书育人,几代土力学学人都得到他的教诲。他在不同的大学、不同时期讲授过的课程有:材料力学、结构力学、水力学、流体力学、土力学、高等土力学、水工结构、高等水工结构、海港工程、铁道建筑等。他授课时,广征博引,内容新颖;深入浅出,语言生动;脉络清晰,循循善诱。在为人方面,堪称表率。他敢于承担责任,敢于坚持原则。他善于与人团结相处,善于化解矛盾,但决不姑息错误。

20世纪50年代,他任水利水电科学研究院副院长时,同时兼任水工研究所所长。当时苏联专家对土工所用西方的“有效应力原理”研究土工问题提出非议,认为是资产阶级形而上学的思想方法,是不信苏联的先进技术,一时使国内科技人员十分紧张。黄文熙主持公道,坚持原则,向有关领导解释,化解了一场风波。1958年“大跃进”期间,在群众建坝高潮中出现了水中倒土、水坠坝等筑坝方法,黄文熙一方面进行理论试验研究,提出改进意见,推动其健康发展。同时也指出其局限性,指出其只适用于30米以下的小型坝、水库;随着碾压技术和机械的进步,没有必要采用这种筑坝技术。这在当时是有一定风险的,也是实事求是的正确态度。在治黄、治淮、三峡工程等技术咨询中,他也敢于提出自己的意见,不唯上,不唯权。

他善于发现人才,全力提携后进,言传身教,肯定和鼓励他们的进步和成绩。他名下的博士、硕士研究生很多,并且配有中年的副导师。他对研究生指导都倾注很多精力,但发表文章时从不署名。他发表的论文都由他亲自动笔,有时请别人校阅,别人有新的见解,他鼓励他们另写文章,从不掠人之美。

黄文熙是一名学术精湛的学者,一位杰出的工程师,一位卓越的教育家,也是一位优秀的领导干部。

“文化大革命”刚结束时,许多中青年教师和研究生对国外学科发展了解甚少,英语水平也不高,为了尽快使国内同行对于国外岩土工程近几十年的发展有所了解,黄文熙带领一些老专家(基本上是他早期弟子和助手)遍读国外近十年最新期刊和论著,综述、总结,由他主编出版了《土的工程性质》一书,一次就印刷了6000余册。该书成为当时土力学同行们的必读书,为研究生提供了十分宝贵的参考文献和资料。他又组织了几期短期学习班,请各章著作者讲座。后来听讲的研究生逐渐增多,发展成了研究生学位课“高等土力学”。目前这门课还在清华大学授课,北京地区的很多院、校、所的岩土工程及其他专业研究生选修此课。

在恢复高考、实行学位制之初,对于中国的硕士和博士应当掌握什么标准,大家都没底。黄文熙对于第一批答辩的博士要求十分严格:要求首先精读100篇以上的英文资料;完成系统的有创造性的试验工作;启发和鼓励他们创造性地工作。他的第一个博士生论文完成后,印刷了百余份,送给当时几乎全国的土力学专家评议,受到一致的好评。该论文成为岩土工程界博士论文的典范。当时的《人民日报》以《我国有能力培养高级专门人才》为题,介绍博士研究生“在黄文熙教授指导下,取得了‘土的三维本构关系探讨与模型验证’的研究成果,答辩委员会认为已达到国外著名大学优秀博士论文水平”。此博士论文成果成为获国家自然科学奖的重要内容之一,论文被评为清华大学优秀博士论文。该研究生被授予第一批清华大学优秀博士生,后又被国务院学位办和国家教委授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者”荣誉称号。按照这一标准,清华大学岩土工程硕士、博士论文一直保持较高的水平,为国内外同行所称道。

(李广信)