土力学

创闻用户 2022-09-01 11:23:18

土力学是应用工程力学方法来研究土的力学性质的一门学科。土力学的研究对象是与人类活动密切相关的土和土体，包括人工土体和自然土体，以及与土的力学性能密切相关的地下水。土力学被广泛应用在地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等设计中，是土木工程、岩土工程、工程地质等工程学科的重要分枝。

概述

基本定义

土力学是利用力学的一般原理，研究土的变形特性、强度特性、渗透性（应力、应变、强度、稳定性、渗透性）及其随时间变化规律的科学。

研究对象

土力学研究对象包括常见土，也包括仅存在于局部地理环境的特殊土（红粘土、膨胀土、黄土、冻土等），其研究对象性质极为复杂，所以研究难点也在于土的性质的复杂性（生成历史、生成环境等）。

工程应用

（1）地基与基础工程

地基与基础设计的目标在于保证地基土体或岩体满足强度条件，防止发生强度破坏；同时保证地基土体满足变形条件，防止变形过大影响适用性。因此，土力学的理论是建筑地基与基础设计的理论依据。

（2）岩土边坡稳定

边坡工程在道路交通建设中最为常见。土力学的基本原理、基础理论是进行岩土边坡工程设计或治理的根本依据。

（3）岩土地下工程

表土地下工程包括城市地下交通（地铁）、城市地下人防工程、地下停车场等。地下岩土工程（尤其是城市地下工程）的建设面临着地下空间及支护结构优化设计、施工方案优化、施工技术改进、地表沉降控制等诸多问题。地下岩土工程问题的解决都必须以环境介质即岩土的工程力学性质特性为依据，必须依靠土力学的基础理论作为指导。

发展历史

古代应用

土力学在人们在长期的工程实践中早已有应用。

我国劳动人民从远古时代就利用土、石作为地基筑材料来修筑房屋。如西安新石器时代的半坡村遗址，就发现有土台和石础，是古代的土力学最早的应用。

隋朝石工李春所修建的赵州石拱桥，造型美观，至今存留。桥台砌置于密实的粗砂层上，1300多年来估计沉降约几厘米。经现在的验算，其基底压力为500~600kPa。这与现代土力学理论给出的承载力值很接近。

《梦溪笔谈》记载，北宋初年，著名木工喻皓在建造开封开宝寺时，考虑当地多西北风，便特意使建于饱和土上的塔身稍向西北倾斜，设想在风的长期、断续作用下可以逐渐复正。可见，当时的工匠已经考虑建筑物地基的沉降问题了。

近现代研究

土力学理论形成始于18世纪兴起工业革命的欧洲。为满足资本主义工业化的发展和市场向外扩张的需要，工业厂房、城市建筑、铁路等大规模的兴建，提出了许多与土力学相关的问题。土力学的发展可以划分成以下三个历史时期。

（1）萌芽期 (1773—1923)

土力学的发展当以Coulomb首开先河，他在1773年发表了论文《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》，为今后的土体破坏理论奠定了基础。但是，在此后的漫长的150年中，研究工作只是个别学者在探索着进行，而且只限于研究土体的破坏问题。两篇有代表性的论文是1857年英国人Rankine关于土压力的理论和瑞典工程师Petterson针对Goteborg港滑坡提出的分析方法。20世纪初随着高层建筑的大量涌现，沉降问题开始突出，与土力学紧密相关的学科─—弹性力学的发展为沉降问题的研究提供了必要的手段，从而为了Terzaghi开创的土体变形研究提供了客观条件。

（2）古典土力学 (1923—1963)

1923年，Terzaghi发表了著名的论文《粘土中动水应力的消散计算》，提出了土体一维固结理论，接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理，从而建立起一门独立的学科—土力学。此后，随着弹性力学的研究成果被大量吸引过来，变形问题的研究越来越成为重要的内容，但是，土体的破坏问题始终是当时土力学研究的主流。

这一时期在土体破坏理论研究方面的主要成就有：① Fellenius，Taylor和Bishop等关于滑弧稳定分析方法的建立与完善；② Terzaghi关于极限土压力的研究和提出承载力公式；③Соколовский散粒体静力学的建立；④ Shield和沈珠江等关于土体破坏的运动方程和极限平衡理论的建立。在变形理论方面则有：① 地基沉降计算方法的建立与完善；② Mindlin公式的提出及其在桩基沉降计算中的应用；③弹性地基梁板的计算；④ 砂井固结理论；⑤ Biot固结理论的提出和完善。

古典土力学可以归结为一个原理——有效应力原理和两个理论——以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论和以刚塑性模型为出发点的破坏理论(极限平衡理论)。前一理论随着1956年Biot动力方程的建立而划上一个完满的句号；后一理论则于60年代初完成了基本的理论框架。但是，真实的土体决不是理想弹性体，也不是理想刚塑性体。可以考虑土体两个基本特性(压硬性和剪胀性)的现代土力学理论在50年代初巳开始蕴酿，例如Skempton的著名公式中孔隙压力系数A≠1/3就是剪胀性的体现，而Janbu的模量公式中对s3的考虑就是压硬性的体现。一方面，随着认识的深化，人们已越来越不满足于理想弹性介质和理想刚塑性介质这样简单化的描述，另一方面，现代电子计算技术的发展为采用复杂的模型提供了手段，从而为现代土力学的建立创造了客观条件，而Roscoe的工作则直接导致现代土力学的诞生。

（3）现代土力学

虽然在50年代已有人对塑性理论应用于土力学的可能性进行过探索，但只有到1963年，Roscoe发表了著名的剑桥模型，才提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而可以看作现代土力学的开端。经过30多年的努力，现代土力学已越过重要的阶段而渐趋成熟，并正在下列几方面取得重要进展：①非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用；②损伤力学模型的引入与结构性模型的初步研究；③非饱和土固结理论的研究；④砂土液化理论的研究；⑤剪切带理论及渐进破损问题的研究；⑥土的细观力学研究等。当然，在这一段时间内，古典土力学框架内尚未解决的一些问题继续有人在研究，并取得许多进展，例如土与结构共同作用、土体极限分析中的不均匀和非线性问题，而土工数值分析更是这一段时间内才发展起来的。另外土工测试技术等方面也取得很大进展，特别是原位测试技术和离心模型试验技术。就土力学理论研究而言，上述6项中只有第一项已比较成熟，其它几项有的刚刚起步，有的虽已研究多年，尚未取得重大突破。但是，时至今日，现代土力学理论的基本轮廓已逐渐清晰。

现代土力学

现代土力学可以归结为一个模型、三个理论和四个分支。

一个模型

即本构模型，特别是指结构性模型。这是因为迄今为止所提出的本构模型都是从重塑土的变形特点出发的，并把颗粒之间的滑移看作塑性变形的根源，而包括砂土在内的天然土类都具有内部结构，变形过程必然伴随着结构的破坏和改变。因此发展新一代的结构性模型是现代土力学的核心问题。

三个理论

即一个变形理论和两个破坏理论，其主要目标如下：

（1）非饱和土固结理论，这是饱和土固结理论的推广，必须建立在合理的本构模型的基础上，并用于分析黄土、膨胀土和冻土的变形问题。

（2）液化破坏理论，即描述由于孔隙压力升高而导致土体破坏的理论，其核心是要建立一个能反映复杂应力路线下变形规律的本构模型，研究对象既可以是饱和砂土，也可以是饱和粘土。

（3）渐进破坏理论，即描述荷载增加情况下土体真实破坏过程的理论，它的建立可能要运用损伤力学、细观力学和分叉理论等现代力学分支，最后要完成对应变软化问题和剪切带形成过程的数学模拟。

四个分支

即理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学，后者也可以叫做土工学(Soil Engineering)，如图所示。现代土力学已有30多年的历史，可能还需要30年才能大体上完成其基本框架。

如果说，有效应力原理是古典土力学的核心，曾经发挥过巨大作用，那么现代土力学的核心问题必定是本构模型。在某种意义上，古典土力学只能称为弹性土力学，它的大部分成果只是借用弹性力学中已有的解答，而真正的土力学必须建立在符合土本身特性的本构模型的基础上

本科阶段学习

主要内容

（1）土的生成，土的粒径组成和矿物成分，土中的水和气体，土的三相含量指标，土的物理状态及指标，土的工程分类。

（2）土中一点的应力状态和应力平衡方程，土的渗透性，饱和土的有效压力和孔隙水压力，在简单受力条件下地基中应力分布，基底的接触应力，刚性基础基底压力简化算法，弹性半无限体内的应力分布。

（3）土的弹性变形性质，土的压缩性，饱和粘土的渗透固结和太沙基一维固结理论，试验方法测定土的变形模量，地基沉降计算，沉降差与倾斜，饱和粘土的沉降过程。

（4）摩尔—库仑强度理论，土中一点应力平衡和应力平衡条件议程，抗剪强度实验，砂土和粘土的抗剪强度。

（5）地基的破坏形态，地基临塑压力，浅基础的极限承力的近似解（魏西克——勃朗特公式），按规范确定地基极限承载力，地基承载力的荷载试验。

（6）土压力的概念和分类及决定性因素，静止土压力的计算，朗肯土压力理论，库仑土压力理论，荷载作用下土压力的计算，粘性土的土压力，成层土的土压力计算。

基本要求

土力学学习的基本要求如下所示：

（1）认识土为松散体这一特点，并以此解释土的变形规律、渗透性质、强度特性；

（2）掌握土的物理性质及其基本指标，土的分类，确定土的物理状态和土的定名，以及土的物理性质指标和土的强度和变形的关系；

（3）掌握土中应力分布，地基变形，一维渗透固结理论，库仑——莫尔强度理论；

（4）要求掌握库仑、朗金土压力计算理论及适用范围，以及几种常见情况的土压力计算；

（5）掌握土坡稳定的一些基本概念和土坡稳定计算的条分法，了解摩尔圆法和增加土坡稳定的一些措施。

经典教材

国外教材

主要有：

（1）工程实践中的土力学（Soil Mechanics in Engineering Practice. by Karl Terzaghi， Ralph B. Peck ， GholamrezaMesri）

（2）土的特性基础（第三版）（Fundamentals of Soil Behavior， 3rdEdition"(2005). by James K. Mitchell and KenichiSoga）

（3）土力学-临界状态土力学引论（The Mechacnics of Soils--An Introduction toCritical State Soil Mechanics. by Atkinson），对土的临界状态理论描述非常言简意赅，适合初学者。

（4）临界状态土力学（Critical State SoilMechanics. by Andrew Schofield and PeterWroth ），剑桥大学的schofield教授的经典之作。

（5）土的性状和临界状态土力学（Soil Behaviour and Critical State SoilMechanics. by David Muir Wood）Wood教授的呕心沥血之作。

（6）高等土力学（Advanced SoilMechanics. by Braja M. Das），适合当研究生教材。

（7）非饱和土土力学（Soil Mechanics for UnsaturatedSoils. by Fredlund），经典教材。

国内教材

主要有：

（1）高大钊版《土力学与基础工程》：优点是理论功底深厚，对于重要理论的讲解比较通透，除了土力学之外还有基础工程部分，两部分内容衔接的较好。缺点是该书年代较久远，有些内容特别是基础工程部分与现行规范的对接有些差别，有些数据、参数表格等没有及时更新。

（2）四校合编版《土力学》（第四版）：在第三版的基础上进行了补充修改，对于重要原理的讲解通俗易懂，对一些重要理论公式的数学推导很到位。该书内容比较新而且全面，与当前规范结合的较好，例如土的物理性质分类、土压力计算、地震液化等内容均按照最新规范进行修订完善。

（3）清华大学出版社《土力学》第2版（李广信、张丙印等编著）：公认最好的一版，使用面最广泛，习题解析也最全面。它的特点主要是理论体系较为完整，对重要理论、试验例如土的压缩变形、土的抗剪强度、土压力和土坡稳定性等章节的讲解非常深入而且透彻，涉及面较全。缺点是对理论公式的过程推导没有四校版详细，但总体上不影响对知识的理解。