(1909- )
黃文熙,水工結構、巖土工程和土力學專家,畢生致力於水工建設的結構力學和巖土力學的科學研究及教學工作,培養了大批人才,對土力學學科建設和拱壩結構分析作出了重要貢獻。是新中國水利水電科研事業的開拓者。
黃文熙,1909年1月3日出生於上海一個鄉紳家庭,祖籍江蘇省吳江縣。少年時,父親經商屢遭失敗,因而家境日趨困難。為了日後能有穩定的職業,他進入了培養郵政和海關業務人才的上海民立中學。畢業後,先在暨南大學學習商科,後改學理工科,又先後在大同大學理預科、河海工科大學學習。1929年畢業於中央大學土木工程系,獲工科學士學位。留校任教一年半後到上海慎昌洋行建築部任結構設計員,參加了幾座高層建築物的結構設計。在設計一座17層鋼架結構時,創造了「框架力矩直接分配法」,完滿地完成了設計任務,深得當時建築部主任的讚賞,稱譽他「具有解決困難任務的特殊能力」。
1933年,黃文熙考取清華大學第一屆留美公費生,主修河工專業。學校指定中國河工專業的創始人李儀祉和沈百先為導師,先安排在國內參觀實習一年,1934年秋入美國依阿華大學,1935年春轉至密西根大學,師從S.鐵摩辛柯(Timoshenko)及H.W.金(King)兩位教授,學習力學和水工建築,在取得碩士學位時因成績優秀被授予斐加斐榮譽獎章,並破格免試攻讀博士學位。他只用了一年半時間就完成了博士論文《格柵法在拱壩、殼體和平板分析中的應用》,受到導師和答辯委員們的稱讚,並被授予西格瑪賽榮譽獎章,當時,《底特律日報》和《密西根日報》都有專文稱讚他是「密西根大學多年來才華最出眾的學生,在結構和水利工程兩個領域內取得了傑出的成就」。
在美學習期間,他還受到土力學奠基人K.太沙基(Terzaghi)的深刻影響,對當時尚屬新興學科的土力學給予高度注視。1937年初取得博士學位後,他又到美國墾務局實習半年,參觀、考察了十幾個正在建設的大壩工地。
1937年夏抗日戰爭前夕,黃文熙接受中央大學的邀聘,毅然回國。由於中央大學已內遷,他先後在杭州浙江水利局和西安東北大學短暫工作,1937年冬幾經輾轉到達重慶。此後他在中央大學水利系擔任教授、系主任,併兼任水利部水利講座、中央水利實驗處特約研究員、土工實驗室主任等職。
中華人民共和國成立後,黃文熙先後在南京大學、南京工學院、華東水利學院等校任教,同時擔任水利部南京水利實驗處處長。
1956年起,黃文熙調任清華大學教授併兼任水利部水利科學研究院副院長。1958年水利科學研究院改組為水利部、電力部所屬的水利水電科學研究院,他在清華大學執教的同時,仍兼任該院副院長,負責全院的學術領導工作。
自70年代後期,黃文熙以古稀之年傾注於清華大學土力學教研組,同時兼任水利水電科學研究院和南京水利科學研究院顧問。他親自為年輕教師和研究生講授高等土力學課程,選派教師、研究生出國學習、進修,籌劃試驗室的現代化建設,確定科研方向和課題,並給以具體指導。他帶出了一支有良好學風的教學、科研隊伍,培養了一批高質量的碩士和博士生,取得許多優秀的科研成果。
1955年,黃文熙參加了中國共產黨,曾當選為江蘇省第一屆人大代表,全國第三屆人大代表,全國第二、三屆政協委員,北京市第五、六屆政協委員,1955年當選為中國科學院學部委員(現為中國科學院院士)。1956年他參加制定了我國第一個長期的科學技術發展規劃,即《1956至1967年全國科學技術發展遠景規劃》的工作。先後擔任過中國水利學會副理事長、名譽理事,巖土力學專業委員會主任,中國水力發電工程學會副理事長,中國土木工程學會榮譽會員,中國力學學會理事,中國土力學及基礎工程學會理事長、名譽理事等。他還擔任過《水利學報》、《巖土工程學報》編委會主任,《中國科學》、《清華大學學報》編委等職。他還積極參加國內外的學術活動,曾赴西歐、日本、美國進行學術考察,多次參加國際學術會議,發表學術論文,進行學術交流,是國際知名的專家。
水利、水電科研中心的創建者
中華人民共和國成立初期,南京水利實驗處建立,黃文熙出任水利實驗處處長,在極其困難的條件下,他籌劃、充實、發展了各項科研工作,特別是開創了泥沙、潮浪、結構材料等國家急需的新的研究領域,成為我國最早的水利科研機構。同時,該處還承擔了治黃、治淮、華東地區水電工程等試驗研究任務,解決了大量實踐工程問題,使實驗處的規模和水平均居全國之首。在黃文熙領導下,該處還開展了研製土質勘探設備及土工、水工試驗儀器的工作,編寫了《土工試驗手冊》、《水工試驗手冊》。開辦了多期土工試驗學習班和水工試驗學習班,為全國水利水電系統普及土工和水工試驗培養了人才。
1956年,水利部、電力部、中國科學院所屬的水利水電科研單位合併成立了水利水電科學研究院,黃文熙由南京調到北京任副院長,負責全院的學術領導工作。經過10年耕耘,到1966年,水利水電科學研究院已成為擁有9個研究室及完整技術後勤系統的科研中心,承擔了國家重大科研課題,出了大量高質量的成果和人才,解決了大量工程建設中的疑難問題,使水科院在國內外都具有重要地位,推動了全國水利水電科研事業的發展。他本人也結合工程實踐提出了許多帶有創造性的研究成果。
始終站在學科前沿 有獨創性 成果纍纍
黃文熙一方面作為我國水利水電科研事業的開拓者、組織者,另一方面作為著名的學者和教授,畢生致力於有關水工建設的結構力學和巖土力學的科學研究,涉及領域十分廣泛,都有所建樹和創見,特別是土力學及拱壩研究方面的成就更為突出。1984年出版的黃文熙論文選集收集了他50年來發表的主要論文16篇,反映了他深湛的學術造詣和嚴謹的治學方法。這些論文在當時是有獨創性的,而且對今天的國民經濟建設仍有重要的應用和參考價值。僅以其中5篇為例。
格柵法在拱壩、殼體和平板分析中的應用,開有限單元法之先河 這項研究工作始於1935年,於1962年發表,英文稿於1964年發表。文中針對拱壩結構分析提出用結構力學方法作板極殼數值分析,也可用於其他結構,加以適當引伸,可用於研究各向異性板殼和板殼的動力反應問題。此法將拱壩和殼體當作由許多水平拱段和垂直(或近於垂直)梁段所組成的格柵,這些拱段和梁段都剛性連接在格柵的結點上,假定每個分段都能抵抗撓曲、橫向剪切、軸向壓縮、扭轉和切向剪切。在分析中也考慮了泊松比和橫向剪切變形對撓曲的影響。建立結點平衡方程就可解出結點變位的5個分量,然後按形變方程或殼體理論中的微分方程來計算應力。此法首開以後廣泛應用的有限單元法的先河,與三向彈性理論、薄殼理論、試荷載法等分析方法相比較,其特點是考慮了各種影響結構作用的主要因素,包括橫向剪切變形、地基變形、泊松比、垂直位移等。代用格柵的分格不需過密就可以得到滿意的結果。邊界條件方程和結點平衡方程容易建立,並可以用電子計算機直接求解。通過一次完全的分析,就能確定各變位分量與結點外荷載的代數關係,將代表不同荷載情況的數值代人這些關係式就能迅速確定其相應變位及應力情況。
提出框架力矩直接分配法,取代克洛司迭代法 這是他早期的研究成果,其目的在於取代當時通用的克洛司迭代法。論文載於1934年10月1日出版的《工程》雜誌第9卷第5號,比林同炎就同一課題發表的論文早2個月。這項研究工作說明了有效剛度的意義和它的確定;結點上不平衡力矩和它所引起的抗力矩在該結點各杆間的分布;傳遞係數的決定與框架分析的步驟;偏移改正;多層框架的分析等問題。其特點是各杆兩端的有效剛度確定後,根據某一結點A處各杆A端的有效剛度,就可將該結點上的不平衡力矩按各杆的有效剛度在各杆間進行分配;各杆兩端的傳遞係數確定後,通過AB杆由A端傳遞到B端的抗力矩也就可以直接確定;推薦了直接確定杆件有效剛度的公式,用這種方法進行力矩分配,框架的結構作用表現得非常清楚,計算工作量也比克洛司迭代法為少。
水工建築物土壤地基的沉降量與地基中應力分布的計算成為應力路徑法的先驅 這項研究工作最早發表於1942年的《工程》雜誌第15卷第5期,1957年及1959年又先後發表中、英文論文修正稿。一般用分層總合法計算地基沉降量時,都假定地基土在建築物荷載下不發生側向變形,這是與實際情況不符的。有的計算公式雖然考慮了側向變形但需要計算 σx和σy兩個水平法向應力值,σx和σy的計算相當繁雜,並且都是泊松比μ的函數,編制計算圖表也有困難,因而很少應用。黃文熙建議用計算3個法向應力之和來代替σx和σy的計算,可大為減少計算工作量,而且(1十μ)這一比率不是μ的函數,簡化了編制應力表工作。 利用論文中建議的公式和製備的應力表,使考慮側向變形的地基沉降計算成為實際可行。論文論證了表徵土壤壓縮性的彈性係數E和泊松比μ都是土體三個軸向壓力絕對值及其比例關係的函數,並建議用三軸壓縮儀測定這個函數關係。這是近代土力學中應力路徑法的先驅。
砂基和砂坡的液化研究成果被國內外同行採納 飽和松砂在地震、爆炸和其他動力作用下引起的液化現象對工程建築危害極大,其機理、鑑定方法和防治措施是許多學者致力研究的課題。在50年代中期,一般仍習慣於用圓筒裝砂在振動臺上做試驗,量測其液化度作為判別標準。這種方法在理論上有很大缺陷,實用上也不能據以進行動力分析。黃文熙首先提出用有效應力原理闡述液化機理,建議用振動三軸儀進行砂土的動力特性試驗,測定不同應力狀態(大主應力σy,小主應力σ3及其比值σ1/σ3)時,由不同振動強度引起的Δσ1和Δσ3作用下,不同密度試樣的最大孔隙水壓力u的變化規律和絕對數值,利用這樣的試驗成果就能找出一定動力荷載下砂基或砂坡中任何一點處可能產生的最大孔隙水壓力,並據此可用有效應力法進行動力穩定分析,定量地研究砂基砂坡的動力穩定性,並對防止液化危害的措施進行選擇。這一研究成果1959年首先在國內發表,1961年在第五屆國際土力學和基礎工程會議上提出論文,受到國際同行專家的重視。他所創議並在水利水電科學研究院研製成功的振動三軸儀及其試驗方法已為國內外同行採納,並已成為常規動力試驗的手段。
對土的彈塑性本構關係的研究有所突破在60年代以前,人們通常只做一些三軸或直剪試驗去測定土的抗剪強度指標來分析地基的穩定性或估算擋土牆土壓力,另外就是用單向固結儀去測定土的變形模量作為估算地基沉降的依據。在計算理論方面,穩定分析和土壓力計算用的是純粹塑性材料建立的經典塑性理論,沉降分析用的是純粹彈性材料建立的經典彈性理論。這種完全漠視土的本構關係的彈塑性特點而將它高度簡單化,並且在不同場合,分別把土當作簡單的塑性體或簡單的彈性體來處理是不能令人滿意的。
70年代初,黃文熙敏銳地看到有限單元法及電子計算機的應用將使土力學發生一個飛躍,他率先對土的本構關係進行了研究,並於1978年初發表了《土的彈塑應力應變模型理論》一文,著重說明如何根據有限的試驗資料,運用增量彈塑性理論去建立代表彈塑性應力應變關係的數學模型。在他的主持下,在清華大學和水利水電科學院進行了大量試驗和理論工作,提出了除一般塑性理論公設外,不作任何補充假定,直接從試驗資料求取塑性勢線或塑性勢函數g,選取合適的硬化參數H使屈服規跡f和從試驗確定的塑性勢線重合,即f=g,以保證解的唯一性和滿足正交定律。並在此理論指導下,建立了清華彈塑性模型。這項研究成果獲得了國家自然科學獎。
在他80歲生日的時候,又提出了《土壩彈塑性應力分析簡捷法》的論文,指出可把大於最優含水量的壓實非飽和土當作飽和土,並把此飽和土體當作水和土骨架構成的複合材料,即土的體積模量為水的體積模量,土的剪切模量為土骨架的剪切模量,計算土壩在外荷載作用下的起始總應力。並建議用彈塑性總應力與孔隙壓力理論計算式求得孔隙壓力。這樣就可以計算出土壩或地基的總應力和有效應力分布,以及正確的瞬時沉降和固結沉降。此項研究正確、全面地反映了實際情況,也提高了人們對有效應力原理的認識。
黃文熙的學術活動有兩個重要的特點。一是根據國家經濟建設的需要積極引進和推廣國外先進技術,支持國內開發的新技術。如50年代在他倡導下引進並有發展地用補償基礎原理設計水閘基礎以代替樁基;用砂井預壓法處理軟土地基;用反濾層和減壓井控制滲流和防止滲透破壞;用就地澆築混凝土防滲牆進行砂礫地基的防滲處理等技術,對以後的水利水電及其他巖土工程建設都有著深遠的影響。對國內開發的土壩劈裂灌漿、定向高壓噴射注漿等新技術,他都給予熱情鼓勵和關懷。二是能敏銳地把握國內外的學術動向,提出屬於學科前沿的課題和設想,以正確的學術思想和技術途徑進行具體指導。他以土力學中的有效應力原理為主線,指導土的工程性質和土力學分析計算的研究,包括砂土液化、粘性土固結、土的水力劈裂等,都有卓越的貢獻。近年他還大力推動土工離心機和滲水力土工模型試驗的設備建置和試驗研究工作,支持土工合成材料的研究和應用。這些成果使我國的土力學研究工作步入國際先進行列。
辛勤耕耘 為祖國培養了大批專業人才
黃文熙少年時代,家境困難,對升學深造並不存更高的抱負。但在大同大學理預科學習時,得到兩位數學教授的賞識和鼓勵。他開始自學解析幾何和微分學,做好投考河海工科大學正科插班生的準備。從這時起,養成了自學的習慣。在以後的一生中,他常常忘我地每天集中精力學習和工作14小時以上,仍然感到興趣盎然而不覺勞苦。他在赴美學習期間每年寄回清華大學的成績報告單都是全優。取得碩士學位後,他只用了一年半時間完成了別人需要4~5年才能完成的博士論文。他的淵博知識和解決困難問題的能力是用辛勤的汗水換來的。40年代在抗戰的艱苦條件下,他不顧身患肺結核病,用頑強的意志戰勝疾病堅持教學和科研工作。發表了《擋土牆土壓力研究》、《水工建築物土壤地基的沉降量與地基中應力分布》等論文。在中央大學任教時,他講授過土力學、材料力學、結構設計、水力學、水工結構、海港工程、鐵道建築、流體力學等多門課程,每講一門新課,他都要花很多精力備課,不論寒冬酷暑,他總是晝夜辛勤地工作。1939年,他在國內大學中首先開設土力學課程,建立了第一個土力學試驗室。
中華人民共和國建立前,黃文熙對南京國民政府的腐敗深惡痛絕,同情和支持學生的愛國民主運動。1955年他參加了中國共產黨。他對黨的信念雖處逆境而不消減,「文化大革命」時期,他受到種種迫害,但他襟懷坦蕩,在環境略有好轉時,就潛心致志地開始土的本構關係的研究。
黃文熙研究工作的特點是以實際工程中遇到的迫切問題為研究對象,重視試驗研究和理論與實踐的結合,創造性地解決工程問題。如治淮工程中遇到的混凝土連拱壩的抗橫向地震問題和軟土地基上建造大型水閘的問題等。對華北地區水中倒土壩和水墜壩的特徵也進行了研究,指出研究孔隙壓力成長與消散的重要性,並提出了控制施工進度、防止發生滑坡事故的指標。為了防止滲流破壞,對許多堤壩下遊提出了設置減壓井設備,從而確保了安全。再如格柵法拱壩分析、砂土液化、土的彈塑性本構關係等研究成果都是實際工程中的關鍵問題。
黃文熙從事教育和科研工作50餘年,培養了大量科技人才,他十分重視青年教師和科技人員的培養,善於發現人才,不遺餘力地提攜後人。他早年的學生中有的已是中國科學院院士和知名的教授、專家。 (作者:李錦坤)
簡歷
1909年1月3日 出生於上海市。
1925~1927年大同大學理預科,河海工科大學學習。
1927~1929年中央大學土木工程系學習,獲工學士學位。
1929~1931年中央大學土木系任教。
1931~1933年上海慎昌洋行建築部任結構設計員。
1933~1937年考取清華大學第一屆留美工費生,在美國依阿華大學學習,美國密西根大學學習獲博士學位。
1937~1949年任中央大學水利系教授、系主任,兼任水利部水利講座、中央水利實驗處特約研究員。
1949~1956年任南京大學、南京工學院、華東水利學院教授,水利部南京水利實驗處處長。
1955年當選為中國科學院學部委員(現改稱院士)。
1956~1971年任清華大學教授,兼水利水電科學研究院副院長。
1971年~ 任清華大學教授,兼南京水利科學院顧問,水利水電科學研究院顧問。
主要論著
1、黃文熙.框架用駢堅量解析法.工程,1934,9(5).
2、黃文熙.水工建築物土壤地基的沉降量與地基中的應力分布.工程,1942,(15)5.
3、H u ang Wenxi.Investigation on stability of sandfoundation and S1opeag ainst liquefaction.Paris France:ProC of 5thInternational Coference on Soil Mechanics and FoundationEngineering.1961,Ⅱ,629~631.
4 Huang Wenxi.Deformation equations of circular arChes and their
application to arch dam analysis.北京:科學出版社,Scientia Sinica,1962,11(3).
5 Huang Wenxi.The influence of hardening law on the formulation ofthe elasto—p1astic model of soils.Proc.of International Symposiumon Soils under Cyclic and Transient Loading,1980,277~283.
6 Huang Wenxi,Pu Jia liu and Chen Yu Jiong.Hardening rule andYield function for soils Proc of Xth international Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering StoCkholm Sweden:1981,631~634.
7 黃文熙主編.土的工程性質.北京:水利電力出版社,1983.
8 黃文熙.拱壩、殼體及平板的結構分析.水利學報,北京:水利出版社,1962,5(5).
9 黃文熙.水工建設中的結構力學與巖石力學問題.黃文熙論文選集,北京:水利電力出版社,1984.
10 黃文熙.土壩彈塑性應力分析簡捷法.巖土工程學報,1989,11(6):1~8.
來源:《中國科學技術專家傳略》