什么是土力学?

[拼音]：tulixue

[外文]：soil mechanics

研究土体在荷载、自重、渗流、水分变化、温度变化等因素作用下的应力、应变、强度等力学响应的学科，是力学的一个分支。它与材料力学、水力学、工程地质、水文地质、土质学和岩石力学等有密切关系。土力学为建筑物地基基础、挡土结构、堤坝、地下结构、码头和海上平台等工程的设计、施工和管理提供理论和实践的科学依据。

土力学的研究对象是土。土是岩石在不同自然条件下风化的产物，一般分粘性土和无粘性土两类，由矿物颗粒、孔隙中的水和空气三相组成。土力学的研究内容主要有以下几个方面。

（1）土的变形：研究土在静荷载作用下的应力-应变-时间关系，包括土的变形、固结和流变三个部分。土的物理力学性质很复杂，一般具有各向异性、非均匀性、非线性、d塑性和剪胀性等特征，有的还表现出大变形、软化和蠕变等特性。要想建立全面反映土体各种特性的变形理论是不可能的，一般必须通过适当的简化，才能建立有关的本构模型，用于实际土工问题的计算和分析。

（2）土的强度：研究土的抗剪强度准则、各种因素对强度的影响，以及土工稳定分析问题。比较符合实际的土的强度准则为莫尔－库仑准则，但对于高压情况，必须考虑其非线性。土体的稳定与变形有密切关系，而当前的土工稳定问题(包括土坡稳定、地基承载力和挡土墙土压力等)的分析研究，则多数是脱离变形问题而独立进行的，并把土作为理想的刚塑性材料看待。

（3）土的渗透：研究土中重力水的渗透规律、各种边界条件下的渗流场，以及渗透变形问题。土中渗流一般为层流，服从达西定律。在天然土层中，渗流往往具有各向异性。以流体动力学为基础建立起来的渗流场理论，是目前渗流分析的主要依据。渗透变形有管涌、流土之分，在水利工程中必须防止发生。

（4）土动力学问题：研究土在各种动荷载作用下的强度和变形特性、振动波在土中传播的规律，以及地基和土工建筑物的动力分析和工程抗震问题。砂土振动液化是动力分析中的一个重要课题。

（5）松软土体的人工加固：根据不同土质和不同的上部结构要求，可采用不同的经济合理的加固方法，旨在提高土的密度、刚度和强度，减少土的压缩性和渗透性，从而提高土体的稳定程度，保证工程的正常运行和安全。常用的加固方法有：换土垫层法、预压加固法、镇压层法、土工织物加筋法、振密法、强夯法、灌浆法、上游截渗和下游排渗法等。此外还采用桩基础及管柱基础等深基础方法来解决松软地基上造建筑物的问题。

土力学的发展主要依赖于土工测试、理论研究和计算分析三者的不断进步。

土工测试包括四个方面。

（1）勘探取样：要求尽可能减少土样所受的结构扰动，最大限度保持原位性状。为此勘探取样技术不断改进，且向多功能、自动测记发展。地球物理勘探新技术也已被应用于探测地层分布和地下水情况。

（2）室内物理力学性质试验：旨在研究单元土体的变形、强度、透水性能与静、动应力等因素之间的关系，建立一定的拟合方程，确定相应的参数，供工程实践使用。轴对称的三轴仪是目前研究土体变形和强度特性的常用仪器；为了深入研究，还发展了真三轴仪、平面应变仪、扭剪仪、应力路径控制三轴仪、共振柱等仪器。

（3）土工模型试验：根据地基和土工建筑物尺寸，按比例缩小，做成模型，进行试验，观测应力、孔隙水压力、变形、渗透和破坏等数据及现象。目的有三：一是分析机理，研究变化规律；二是验证理论计算结果和理论适用范围;三是根据一定的相似律推算到原型，供设计参考。只有渗流模拟试验(含电模拟、电网络模拟等)比较成熟，其结果可直接用于土工工程设计。至于离心模型试验，虽有模型相似律可循，但还不完善，且对试验土质有局限性。其他土工模型试验由于不满足相似律，一般只能达到前述三个目的中的前两个。

（4）原位测试：分两类。一是现场确定土的物理力学性质指标，如触探、标准贯入、 十字板、 静载、旁压、抽水等试验；二是在土工结构物和地基中埋设各种观测仪器，测记土体变形、应力、孔隙水压力、渗流量及水位等，用以监控工程施工、反算有关参数、修改工程设计、保证运行安全和验证理论计算结果。

在土工理论研究方面，主要是以各种力学理论为基础，结合土的特性来进行的，所应用的经典理论有线d性理论、有效应力原理与固结理论、土体极限平衡理论、流变理论和渗流理论等。随着计算技术和土工测试技术的发展，又发展了土体非线性d性理论、d塑性理论、土体动力分析理论、大变形理论和非稳定渗流理论。

在土工计算方面，除解析解方法外，还用数值解方法，其中有限元法应用最广，边界元法和有限差分法亦有应用，概率统计方法也正引起土工界的注意。这些方法的应用，使许多复杂的土工计算问题得到比较合理的解决，但还不能准确地为土工工程设计提供可靠的定量依据。

土力学在水利工程中的应用很广。在土质地基上修建水工建筑物，必须进行地基稳定和沉降的校核计算、岸翼墙土压力计算，以及渗透变形计算。在河谷中修建高土石坝，必须进行坝体和地基的应力、变形和稳定分析；对于塑性心墙土石坝还要分析发生水力劈裂的可能性。设计水力冲填工程时，必须进行固结计算。对于松软地基和危险水库的处理，必须应用土力学的有关知识。由于土的性质很复杂，而土力学又是一门发展中的学科，所以许多土力学的计算分析只能达到定性程度或粗略定量程度，必须结合工程实践经验，才能对地基和土工建筑物的设计做出综合决断。

参考书目

黄文熙主编：《土的工程性质》，水利电力出版社，北京，1983。华东水利学院土力学教研室主编：《土工原理与计算》，水利电力出版社，北京，1982。C.R.Scott，An Introduction to Soil Mechanics and Foundations， 3rd ed.， Applied Science Publishers，London，1980.