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土力學

mysmile 百科 84
土力學

土力學(Soil mechanics)是研究土體在力的作用下的應力應變或應力-應變-時間關系和強度的應用學科,是工程力學的一個分支。為工程地質學研究土體中可能發生的地質作用提供定量研究的理論基礎和方法。主要用于土木、交通、水利等工程。

學科簡介

土力學是應用工程力學方法來研究土的力學性質的一門學科。土力學的研究對象是與人類活動密切相關的土和土體,包括人工土體和自然土體,以及與土的力學性能密切相關的地下水。奧地利工程師卡爾·太沙基(1883-1963)首先采用科學的方法研究土力學,被譽為現代土力學之父。土力學被廣泛應用在地基、擋土墻、土工建筑物、堤壩等設計中,是土木工程、巖土工程、工程地質等工程學科的重要分枝。

發展簡史

土力學的發展大致可分為三個階段:

遠在古代,由于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了萬里長城、大運河、靈渠和大型宮殿等偉大建筑物;古埃及巴比倫也修建了不少農田水利工程;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。由于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。

第二階段開始于產業革命時期。大型建筑物的興建和有關學科的發展,為研究地基與基礎問題提供了條件,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。法國科學家C.-A.de庫侖發表了著名的土的抗剪強度和土壓力理論(1773),英國W.J.M.蘭金也發表了土壓力理論這兩種土壓力理論至今還被廣泛應用。18世紀中期以前﹐人類的建筑工程實踐主要是根據建筑者的經驗進行的。18世紀中葉至20世紀初期﹐工程建筑事業迅猛發展﹐許多學者相繼總結前人和自己實踐經驗﹐發表了迄今仍然行之有效的﹑多方面的重要研究成果。例如法國的 C.-A. de庫侖發表了土壓力滑動楔體理論(1773)和土的抗剪強度準則(1776)﹔法國的H.P.G.達西在研究水在砂土中滲透的基礎上提出了著名線性滲透定律(1856)﹔英國的W.J.M.蘭金分析半無限空間土體在自重作用下達到極限平衡狀態時的應力條件﹐提出了另一著名的土壓力理論﹐與庫侖理論一起構成了古典土壓力理論﹔法國的J.V.博西內斯克(1885)提出的半無限彈性體中應力分布的計算公式﹐成為地基土體中應力分布的重要計算方法﹔德國的O.莫爾(1900)提出了至今仍廣泛應用的土的強度理論﹔19世紀末至20世紀初期瑞典的A.M.阿特貝里提出了黏性土的塑性界限和按塑性指數的分類﹐至今仍在實踐中廣泛應用。19世紀中葉到20世紀初期,隨著生產的發展,基礎工程有了很大進步,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了大量有關土的實際觀測和模型試驗的資料,并對土的強度、土的變形和土滲透性等專門課題作了某些理論探討。

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并系統地總結實驗成果。于是,土力學逐步形成了一門獨立學科。奧地利學者K. 泰爾扎吉(又譯太沙基)于1925年出版第一本土力學專著《土力學》,是土力學作為一個完整﹑獨立學科已經形成的重要標志﹐在此專著中﹐他提出了著名的有效壓力理論。蘇聯學者H. M. 格爾謝瓦諾夫于1931年出版《土體動力學原理》。后來陸續出版了一些著作。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,更為土力學開辟了許多新的研究途徑。

研究內容

土體是一種地質體。這就決定了這一學科的研究工作必須采用在地質學研究基礎上的實驗研究和力學分析方法。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,并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,并確定其滲透系數等。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。另外,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。具體包括以下方面﹕研究土的滲透性和滲流;研究土體的應力-應變和應力-應變-時間的本構關系﹐以及強度準則和理論﹔研究在均布荷載或偏心荷載以及在各種形式基礎的作用下﹐基礎與地基土體接觸面上的和地基土體中的應力分布﹐地基的壓縮變形及其與時間的關系﹐以及地基的承載能力和穩定性等。

工程應用研究主要是通過現場試驗和長期觀測,研究解決土工建筑物、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于擋土結構物上的側壓力,即土壓力的大小和分布規律等工程實際問題;根據極限平衡原理用穩定性系數評價天然土坡的穩定性和進行人工土坡的設計﹔計算在自重和建筑物附加荷載作用下土體的側向壓力﹐為設計擋土結構物提供依據﹔改進和研制為進行上述研究所必需的技術﹑方法和儀器設備。

發展趨勢

由于土的性質是極其復雜的,因而理論的發展是艱難的。關于土的理論,經過不少學者的艱辛研究和探討,已取得不少成果,但進一步的發展還遠沒有結束。我認為,土力學的發展少不了三樣法寶:理論、試驗、計算機。作為當今科技的驅動器,計算機是不可或缺的,發展數值分析是土力學的一個研究方向。數學是一切自然學科的基石,數學的發展必將促進土力學的發展,作為一個工程師,扎實的數學功底是其巨大的優勢。天然土是復雜的,不可能按某種配方將其制作出來,因此數值模擬和理論分析不能解決所有問題,試驗對土力學的發展是必不可少的,是相當重要的,經不起實驗檢驗的理論,即使再完美也是沒有任何實際工程意義的。只有合理利用這三樣法寶,土力學才能走得更遠。

高大建筑物﹑核電站以及近海石油探采平臺等世界性地興建﹐不斷對土力學提出更高的要求。裂隙對土體力學性能的控制性﹑非線性應力應變的本構關系以及新的測試技術和設備等方面的研究將會有新的進展。

參考資料 >

標簽: 土力學知識點總結 力學專業大學排名 土力學三相圖

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