力學的一個分支。它是用力學、物理學、化學等基本原理來研究土的力學、物理和化學性能,以解決工程實際問題的一門應用學科。土是巖石風化後在不同自然條件下生成的材料,一般分為砂性土和粘性土兩大類。它們是由兩相或三相物質組成的,即礦物顆粒構成的土骨架、骨架孔隙內含有水和氣體。

  砂性土顆粒之間無連結力,是鬆散的顆粒集合體;粘性土的片狀顆粒之間有連結力,形成網狀結構。砂性土和粘性土均具有一定的剛度和強度。

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  發展簡史 土力學的發展大致可分為三個階段:

  遠在古代,由於生產和生活上的需要,人們已懂得利用土來進行工程建設。例如中國很早就修建瞭萬裡長城、大運河、靈渠和大型宮殿等偉大建築物;古埃及和巴比倫也修建瞭不少農田水利工程;古羅馬的橋梁工程和腓尼基的海港工程也都具有重要意義。由於社會生產發展水平和技術條件的限制,發展極慢。直到18世紀中葉,這門學科仍停留在感性認識階段。這是本學科發展的第一階段。

  第二階段開始於產業革命時期。大型建築物的興建和有關學科的發展,為研究地基與基礎問題提供瞭條件,人們開始從已得的感性認識來尋求理性的解釋。不少學者從工程觀點來進行土的力學問題的理論和試驗研究。法國科學傢C.-A.de庫侖發表瞭著名的土的抗剪強度和土壓力理論(1773)。英國W.J.M.蘭金也發表瞭土壓力理論(1857)。這兩種土壓力理論至今還被廣泛應用。19世紀中葉到20世紀初期,隨著生產的發展,基礎工程有瞭很大進步,樁基和深基礎的理論和施工方法也大有發展。人們在工程實踐中積累瞭大量有關土的實際觀測和模型試驗的資料,並對土的強度、土的變形和土滲透性等專門課題作瞭某些理論探討。

  從20世紀初以來是本學科發展的第三階段。巨大工程的興建、地基勘探、土工試驗和現場觀測技術的發展,促使人們開展理論研究並系統地總結實驗成果。於是,土力學逐步形成瞭一門獨立學科。奧地利學者K.泰爾紮吉(又譯太沙基)於1925年出版第一本土力學專著,蘇聯學者H.M.格爾謝瓦諾夫於1931年出版《土體動力學原理》。後來陸續出版瞭一些著作。但是,以古典彈性力學和塑性力學為基礎的土力學不能滿足實踐要求,有些學者便把相鄰學科的新概念引入土力學,如50年代E.C.W.A.蓋茲和中國陳宗基將流變學基本概念引進土力學,隨著生產的發展,大批土力學專著紛紛問世,現代物理學、物理化學和膠體化學、流變學、塑性力學等基礎科學的發展和電子計算機的應用,更為土力學開辟瞭許多新的研究途徑。

  研究內容 土力學的研究內容分為基礎理論和工程應用兩個方面:

  基礎理論研究主要是研究土在靜載荷和動載荷作用下的力學性質,並結合大型工程進行數值分析和理論探討。在靜載荷下主要研究:①土的變形特性。通常利用固結儀、三軸壓縮儀研究土的固結和次時間效應,以確定相應的參量;②土的強度。通常利用直剪儀、三軸壓縮儀、單剪儀等測定土的應力-應變關系,確定抗剪強度指標,研究和建立強度準則和強度理論;③土滲透性。通常利用滲透儀,研究土孔隙中流體(水或空氣)的流動規律,並確定其滲透系數等。在動力載荷作用下,主要研究土動力性質。通常利用動力三軸儀研究土在動力條件下的應力-應變關系(包括阻尼、動力強度等與頻率的關系),應力波在土中的傳播規律以及砂土液化規律等。

  此外,通過試驗主要研究土流變性能,建立應力-應變-時間關系,長期強度和相應的極限平衡理論。

  工程應用研究主要是通過現場試驗和長期觀測,研究解決土工建築物、地基、地下隧道和防護抗震工程等的穩定性及其處理措施以及土體作用於擋土結構物上的側壓力,即土壓力的大小和分佈規律等工程實際問題。

  發展趨勢 隨著高大建築物(如壩高達200~300米的土壩、土石壩,凈寬大於20米的地下洞庫,軟土層上的高層建築物等)的興建,今後將要發展大尺寸、高壓力的試驗儀器設備和現場快速有效的施工加固技術和方法,以及現場長期觀測的儀器設備。

  近年來,由於大陸架石油等資源的勘察和開采以及海上大型工程建設的需要,土力學的一個分支──海洋土力學已成為大有發展前途的學科。

  在理論上,應在大力進行“微觀”分析和宏觀力學試驗的基礎上,研究土體的非均勻和各向異性、非線性等數學-力學模式,建立符合土的物理-力學特性的本構關系、長期強度及其相應的極限平衡理論以及研究在三向應力狀態下土的固結、次時間效應和固化(或硬化)等新課題。此外,還要運用現代計算技術對實際工程進行分析,結合原型觀測資料加以驗證並不斷修改、充實、提高土力學理論。

  

參考書目

 黃文熙主編:《土的工程性質》,水利電力出版社,北京,1983。

 K.太沙基著,徐志英譯:《理論土力學》,地質出版社,北京,1961。(K.Terzaghi,Theoretical SoilMechanics,John Wiley &Sons,New York,1943.)