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《土力学》学习笔记（1）——土力学的特殊性

发布于：2014-02-23 15:48:23 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

本帖最后由一介书生第二于 2014-2-23 13:58 编辑

高楼大厦平地起。
土木工程建筑都坐落于坚实的地基上，建筑物所受的各种作用，最终都会传递给地基。所谓地基，就是指建筑物下面支承基础的土体或岩体。地基的强度与稳定性，决定了建筑物的稳定与安全。岩土力学就是研究地基问题的一门学科，包括岩石力学与土力学。本帖只涉及土力学。

土力学是将土体作为工程材料，研究其物理性质以及力学性能和行为的工程学科，是土木、水利、交通、矿山、石油等许多专业的必修课程。土力学又是学习基础工程与地基处理等的先导课程，其重要性可见一斑。

土力学是从工程力学范畴里发展起来的，它把土作为物理-力学系统，根据土的应力-应变-强度关系提出力学计算模型，用数学-力学方法求解土在各种条件下的应力分布、变形、强度，以及土压力、地基承载力与土坡稳定等课题，同时根据土的实际情况，评价各种力学计算方法的可靠性与适用条件。

土力学与其他工程力学学科相比，具有其明显的特殊性。

首先，土具有多相性。土是松散颗粒材料，孔隙多而密，所以并不是严格意义上的连续介质。土是固体颗粒、土中水与气体的三相组合体，因此其强度与变形特性与一般的固体与流体有很大的差别。土的强度比岩石、混凝土等材料要小得多，特别是软弱土更是如此。土的压缩性远比一般的固体材料大，而水一般认为其压缩性也很小，所以研究地基变形问题就显得非常重要；由地基变形失稳而造成的工程事故并不鲜见，而由地基的不均匀沉降导致房屋开裂等更是一个让人头疼的问题。土的渗透性也一样，尤其是无黏性土，渗透系数很大，所以在水利工程的设计与施工中，这是一个需要进行专门研究与处理的重要问题。

其次，土具有多变性。通俗地说，就是土具有很强的地域性。不同地方的土必然是千差万别的，就是同一地方的土，在不同的地点、不同的时间以及不同的外界环境下，也会存在很大的不同，所以不进行地质勘察与土工试验就无法开展正常的设计，不掌握场地的地质状况对工程施工同样会造成影响。即使是进行室内土工试验，对来自同一地点、采用同一手段取得的两个土样，其试验结果也具有一定的差异。

再次，土的工程性质具有易变性。在应力、水分等条件发生变化时，其工程性质也会随着发生一定的变化。尤其是黏性土，对水的敏感性更强，其含水量的多寡对工程特性具有非常显著的影响，如在回填土的施工中就有一个“最优含水量”的问题，这关系到回填土的压实质量。砂土的液化也与土中水密切相关，并且其破坏性是非常大的，所以也是建筑抗震设计中需要考虑的重要问题之一。

此外，由于土是在复杂的自然历史条件下生成的，与地质运动方式与过程等密切相关，所以一个场地中的土层往往具有不均匀性与各向异性的特点，这又是与一般的固体与流体所不同之处。所以即使土也属于一种工程材料，但却不能严格用材料力学的方法来处理土的受力问题，因为它不完全符合材料力学中的基本假定。
还有一点，土颗粒之间一般只能传递压力而不能传递拉力，即在土力学中一般不存在拉应力，所以规定压应力为正，这也是与材料力学中的规定所不同之处。同时，应力的含义也有所不同，在土力学中是指的“有效应力”，因为土中还存在孔隙水压力。

从上述分析结果来看，在土力学中我们无法建立一种通用的模型，以用来概括土的全部力学性质，并进而处理实际工程中的土力学问题。因此，在土力学问题的处理中，需要根据不同的问题而采用不同的简化模型。如计算地基沉降时可将其看成弹性体，而分析土压力、地基承载力及进行土坡稳定分析时，则将其看成理想塑性体。
实际上，目前在土力学的研究中，也提出了一些新的方法，如非线性与弹塑性本构模型，土的微观力学与损伤力学模型，数值分析与模拟方法，等等。

土力学