王亞軍++李元松++王章瓊

摘 要：土力學(xué)是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課和必修課，也是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。由于土體的特殊性，使得土力學(xué)知識(shí)點(diǎn)瑣碎、繁雜，概念抽象、難以理解。為方便學(xué)生更好的掌握土力學(xué)的知識(shí)內(nèi)容，論文對(duì)土的碎散性、三相性和自然變異性進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了土力學(xué)課程的特點(diǎn)，認(rèn)為土力學(xué)是一門以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以碎散材料為研究對(duì)象的古老而年輕的學(xué)科，具有假設(shè)條件多、經(jīng)驗(yàn)公式多、安全系數(shù)多等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；三相性；基本假設(shè)

土力學(xué)是將土作為建筑物地基、建筑材料或建筑物周圍介質(zhì)來研究的一門學(xué)科，主要研究土的工程性質(zhì)以及土在荷載作用下的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度以及滲透問題，為土木工程設(shè)計(jì)與施工提供土的工程性質(zhì)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法、土的工程問題的分析計(jì)算原理，是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課和必修課[1]。同時(shí)，土力學(xué)也是學(xué)習(xí)后續(xù)地下結(jié)構(gòu)、地基處理、深基坑工程、基礎(chǔ)工程、邊坡工程、隧道工程、路基工程等后續(xù)其他專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)具有舉足輕重的作用，也是學(xué)生工作后從事土木工作和科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。因此，土力學(xué)屬于土木工程專業(yè)知識(shí)體系和課程結(jié)構(gòu)的核心主干課程，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到高校土木工程領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]。

由于土體的特殊性，使得土力學(xué)課程具有理論性較強(qiáng)，理論推導(dǎo)及基本假設(shè)較多，知識(shí)點(diǎn)分散，內(nèi)容多、概念多、公式多，還具有明顯的不完善性，內(nèi)容跳躍性大、連貫性差等特點(diǎn)，而且土力學(xué)與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性和技術(shù)性。因此，學(xué)生要學(xué)好土力學(xué)必須具備扎實(shí)的力學(xué)和其他相關(guān)專業(yè)課的知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)興趣低，導(dǎo)致課程教學(xué)壓力大[2]。為了提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，教師應(yīng)研究該門課程的特點(diǎn)，采取科學(xué)有效的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生更好的掌握課程要求的知識(shí)技能[3]。

許多學(xué)者和高校教師對(duì)土力學(xué)的特點(diǎn)及教學(xué)方法進(jìn)行了探索和總結(jié)，對(duì)高質(zhì)、高效課堂進(jìn)行了實(shí)踐與研究。基本解決了土力學(xué)知識(shí)點(diǎn)瑣碎、繁雜，概念抽象、難以理解的教學(xué)難點(diǎn)，對(duì)于課堂講授的土力學(xué)內(nèi)容相對(duì)枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性的難題，也提出一些思考與對(duì)策[4-10]。本文對(duì)土的特性進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)總結(jié)了土力學(xué)課程的特點(diǎn)，方便學(xué)生更好的掌握土力學(xué)的知識(shí)內(nèi)容。

一、土的主要特征

（一）碎散性

土是指地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長(zhǎng)期的風(fēng)化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物。

土是巖石風(fēng)化或破碎的產(chǎn)物，是非連續(xù)體。巖石和土在其存在、搬運(yùn)和沉積的各個(gè)過程中都在不斷風(fēng)化。風(fēng)化過程包括物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。它們經(jīng)常是同時(shí)進(jìn)行而且是互相加劇發(fā)展的進(jìn)程。

物理風(fēng)化是指巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響，導(dǎo)致體積脹縮而發(fā)生裂縫，或者在運(yùn)動(dòng)過程中因碰撞和摩擦而破碎。于是巖體逐漸變成碎塊和細(xì)小的顆粒，粗的粒徑可以m計(jì)，細(xì)的粒徑可以在0.05mm以下，但它們的礦物成分仍與原來的母巖相同（原生礦物）。

物理風(fēng)化后的土可以當(dāng)成只是顆粒大小上量的變化。但是這種量變的積累結(jié)果使原來的大塊巖體獲得了新的性質(zhì)，變成了碎散的顆粒，如圖1巖石因物理風(fēng)化作用破碎，在重力作用下向山腳堆積。顆粒之間存在著大量的孔隙，可以透水和透氣，這就是土的碎散性[11]。

圖1 巖石碎散呈顆粒

（二）三相性

母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素（如水、空氣以及溶解在水中的氧氣和碳酸氣等）的作用而改變其礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物（次生礦物），稱為巖石的化學(xué)風(fēng)化。

化學(xué)風(fēng)化的結(jié)果，形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要的為粘土顆粒（<0.005mm）以及大量的可溶性鹽類。微細(xì)顆粒的表面積很大，具有吸附水分子的能力。因此，自然界的土，一般都是由固體顆粒、水和氣體三種成分所構(gòu)成。這是土的三相性，其中，固相為土骨架，液相為水，氣相為空氣。

一般固體可保持固定的形狀，而一般液體不具有特定的形狀，而土的三相性使得土體具有一定但不固定的形狀。

（三）天然性

在自然界中，土的物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化時(shí)刻都在進(jìn)行，而且相互加強(qiáng)。由于形成過程的自然條件不同，自然界的土也就多種多樣。同一場(chǎng)地不同深度處，土的性質(zhì)也不一樣。甚至同一位置的土，其性質(zhì)還往往隨方向而異。土是自然界漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代內(nèi)所形成的性質(zhì)復(fù)雜、不均勻、各向異性且隨時(shí)間而在不斷變化的材料[11]。土是自然界的產(chǎn)物，存在自然變異性，具有非均勻性，各向異性，時(shí)空變異性的特征，這是土的天然性。

二、土力學(xué)課程特點(diǎn)

（一）土力學(xué)是一門古老而年輕的學(xué)科

對(duì)于人類，土是最古老的材料之一?！八畞硗龄巍保糯祟愒谂c洪水的斗爭(zhēng)中，土是他們最原始的武器。在廣裹深厚的土層上，人類耕耘營(yíng)造、生生不息，取得了關(guān)于土的豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

18世紀(jì)，有關(guān)土力學(xué)的第一個(gè)理論是1773年由庫(kù)侖（Coulomb）建立，后來由摩爾（Mohr）發(fā)展成為土的摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，為土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定分析莫定了基礎(chǔ)。1776年庫(kù)侖發(fā)表了建立在滑動(dòng)土楔平衡條件分析基礎(chǔ)上的土壓力理論。1857年朗肯（Rankine）提出了建立在土體的極限平衡條件分析基礎(chǔ)上的土壓力理論。1856年達(dá)西（Darcy）通過室內(nèi)試驗(yàn)建立了有孔介質(zhì)中水的滲透理論。1885年布辛涅斯克（Boussinesq）和1892年弗拉曼（Flamant）分別提出了均勻的、各向同性的半無限體表面在豎直集中力和線荷載作用下的位移和應(yīng)力分布理論。這些早期的著名理論奠定了土力學(xué)的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)初，土力學(xué)繼續(xù)取得進(jìn)展，普朗特爾（Prandtl）根據(jù)塑性平衡的原理，研究了堅(jiān)硬物體壓人較軟的、均勻的、各向同性材料的過程，導(dǎo)出了著名的極限承載力公式。在這基礎(chǔ)上，太沙基（Terzaghi）、梅耶霍夫（Meyerhof）、魏克西（Vesic）和漢森（Hansen）等分別對(duì)普朗特爾的理論進(jìn)行了修正、補(bǔ)充和發(fā)展，提出了各種地基極限承載力公式。費(fèi)倫紐斯（Fellenius）提出了著名的瑞典圓弧法分析土坡的穩(wěn)定性。特別是太沙基建立了飽和土的有效應(yīng)力原理和一維固結(jié)理論，比奧（Biot）建立了土骨架壓縮和滲透耦合理論，為近代土力學(xué)的發(fā)展提供了理論依據(jù)[1]。太沙基在1925年發(fā)表的《土力學(xué)》是最早系統(tǒng)論述土力學(xué)體系的著作，也是土力學(xué)形成一門獨(dú)立學(xué)科的標(biāo)志。因而在龐大的力學(xué)家族中，土力學(xué)還是一個(gè)較年輕的成員，這種情況是與上述土體本身的特性有關(guān)的。endprint

（二）土力學(xué)與其他力學(xué)學(xué)科的比較

在力學(xué)家族中，理論力學(xué)將對(duì)象理想化為剛體，材料力學(xué)將對(duì)象理想化為線彈的固體，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)將對(duì)象理想化為均勻的連續(xù)介質(zhì)。這種理想化的連續(xù)介質(zhì)，對(duì)土體來說，仍嫌粗糙。土由不連續(xù)的固體顆粒、液體和氣體三相組成，固體顆粒的礦物成分、粗細(xì)、形狀、級(jí)配、密度及構(gòu)造，土粒間孔隙中水與氣體的比例及形態(tài)都對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)有很大的影響。原狀土一般是不均勻的、各向異性的，有一定的膠結(jié)性或特定的結(jié)構(gòu)性。因而重復(fù)性極少，嚴(yán)格地講，世界上沒有性質(zhì)完全相同的兩種原狀土，因此土體材料有別于其他連續(xù)材料。土力學(xué)與其他力學(xué)學(xué)科的比較見下表1所示。

（三）土力學(xué)是一門以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科

土力學(xué)屬于比較感性的學(xué)科，要求學(xué)生對(duì)土性的理解是基于他們觀察土、觸摸和利用試驗(yàn)工具測(cè)試土，不斷接觸多種土類，了解多種狀態(tài)下土的變化，最后形成土性的基本概念[4]?？梢哉f土力學(xué)是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，試驗(yàn)奠定了土力學(xué)的基礎(chǔ)。在土力學(xué)中，很多土力學(xué)機(jī)理或原理都是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。庫(kù)侖通過直接剪切試驗(yàn)得到的庫(kù)侖公式，成為土的強(qiáng)度理論基礎(chǔ)；太沙基通過固結(jié)試驗(yàn)總結(jié)出現(xiàn)代土力學(xué)的有效應(yīng)力原理和土的固結(jié)理論；達(dá)西通過沙土的定水頭試驗(yàn)揭示了土的滲透基本規(guī)律，即達(dá)西定律[12]。在土力學(xué)課程中以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的土力學(xué)機(jī)理或基本原理見下表2。

（四）假設(shè)條件多

由于土體是一種非連續(xù)、非均質(zhì)的各向異性體，導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜。對(duì)于過于復(fù)雜的問題，我們?cè)谘芯繒r(shí)通常需要先對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，先從簡(jiǎn)單的入手，最后再了解復(fù)雜的。因此，在對(duì)土體進(jìn)行研究時(shí)，我們要對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行簡(jiǎn)單化，也就是會(huì)提出一些假設(shè)條件，再運(yùn)用物理數(shù)學(xué)理論進(jìn)行推導(dǎo)，得到土力學(xué)的理論計(jì)算公式。在土力學(xué)課程中，基本上從頭到尾都穿插著假設(shè)條件。

1.土的三相圖假設(shè)

土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系稱為土的三相比例指標(biāo)。土的三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘察報(bào)告中不可缺少的基本內(nèi)容。為了推導(dǎo)土的三相比例指標(biāo)，通常把在土體中實(shí)際上是處于分散狀態(tài)的三相物質(zhì)（圖2-a）假設(shè)理想化地分別集中在一起，構(gòu)成理想的土的三相圖（圖2-b）模型。

2.滲流模型假設(shè)

在土力學(xué)中為了闡述達(dá)西定律的機(jī)理，在對(duì)水在土中的滲流模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化和假設(shè)。由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復(fù)雜，導(dǎo)致滲流水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很不規(guī)則（圖3-a）。如果只著眼于這種真實(shí)滲流情況的研究，不僅會(huì)使理論分析復(fù)雜化，同時(shí)也會(huì)使試驗(yàn)觀察變得異常困難。考慮到實(shí)際工程中并不需要了解具體孔隙中的滲流情況，因而可以對(duì)滲流作出一些簡(jiǎn)化和假設(shè)：一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。

作了這種簡(jiǎn)化后的滲流其實(shí)只是一種假想的土體滲流，稱之為滲流模型（圖3-b）。為了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實(shí)的滲流相一致，還應(yīng)該符合以下要求：①同一過水?dāng)嗝?，流量相等；②任一界面，壓力相等；③相同體積內(nèi)，阻力相等。

有了簡(jiǎn)化和假設(shè)后的理想滲流模型，就可以采用液體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)概念和理論對(duì)土體滲流問題進(jìn)行分析計(jì)算。

3.土中應(yīng)力計(jì)算的假設(shè)

地基土中附加應(yīng)力是由于外荷載作用，在地基中產(chǎn)生的應(yīng)力增量。目前計(jì)算土中應(yīng)力的計(jì)算方法，主要是采用彈性力學(xué)公式，也就是把地基土視為均勻的、各向同性的半無限彈性體。在豎向集中力作用下土中應(yīng)力計(jì)算時(shí)，借用了固體力學(xué)中的布辛涅斯克解，為此，在土力學(xué)課程中作了兩點(diǎn)基本假設(shè)：①地基是均質(zhì)、線性變形的半無限體；②不考慮基礎(chǔ)剛度對(duì)基底壓力分布的影響。

4.地基沉降計(jì)算中的基本假設(shè)

地基土的沉降變形計(jì)算是土力學(xué)需要解決的重要問題，當(dāng)運(yùn)用彈性理論法計(jì)算地基土最終沉降是基于布辛涅斯克課題的位移解，因此該方法假定了地基是均質(zhì)、各向同性的、線彈性的半無限體；此外還假定基礎(chǔ)整個(gè)底面和地基一直保持接觸。

在我國(guó)工程中的地基最終沉降量的計(jì)算廣泛使用分層總和法，該方法的基本假設(shè)條件有：①地基為半無限空間彈性體?？砂磸椥苑椒ㄓ?jì)算土中應(yīng)力。②地基土在荷載作用下只產(chǎn)生豎向變形，不產(chǎn)生側(cè)向膨脹。即相當(dāng)于地基土在側(cè)限條件下只產(chǎn)生豎向變形，可采用側(cè)限壓縮試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算地基的沉降量。③采用基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

5.太沙基一維滲透固結(jié)理論基本假設(shè)

在土木工程設(shè)計(jì)中，我們不但需要預(yù)估建筑物基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的最終沉降量，而且需要預(yù)估建筑物基礎(chǔ)達(dá)到某一沉降量所需的時(shí)間，亦即需要知道沉降與時(shí)間的變化過程。太沙基建立了飽和土體一維滲透固結(jié)模型對(duì)其進(jìn)行研究，為了得到一維滲透固結(jié)理論，太沙基對(duì)飽和土體進(jìn)行了六點(diǎn)基本假設(shè)：①土層是均質(zhì)且完全飽和；②土顆粒與水不可壓縮；③水的滲出和土層壓縮只沿豎向發(fā)生；④滲流符合達(dá)西定律且滲透系數(shù)保持不變；⑤壓縮系數(shù)a是常數(shù)；⑥荷載均布，瞬時(shí)施加，總應(yīng)力不隨時(shí)間變化。

6.土壓力計(jì)算時(shí)的基本假設(shè)

在計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力時(shí)，朗肯（Rankine）1857年從一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)提出了朗肯土壓力理論，庫(kù)侖（Coulomb）在1776年從楔形體的極限平衡狀態(tài)的靜力平衡條件出發(fā)提出了庫(kù)侖土壓力理論。

朗肯和庫(kù)侖的土壓力理論都是建立在一定的假設(shè)條件上進(jìn)行的，其中朗肯土壓力理論的假設(shè)條件有：①墻本身是剛性的，不考慮墻身的變形；②墻后填土延伸到無限遠(yuǎn)處，填土表面水平；③墻背垂直光滑（墻與垂向夾角為0，墻與土的摩擦角為0）。

庫(kù)侖土壓力理論的假設(shè)條件有：①墻后填土為均勻的無粘性土；②滑動(dòng)土楔為一剛性體，本身無變形；③滑動(dòng)破裂面為通過墻踵的平面。

7.瑞典圓弧法的假設(shè)endprint

在對(duì)粘性土土坡穩(wěn)定進(jìn)行分析時(shí)，我們習(xí)慣采用瑞典圓弧法，該方法假定滑動(dòng)面為圓柱面，截面為圓弧，滑動(dòng)土體呈剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，再利用滑動(dòng)面上土體處于極限平衡條件下的受力情況進(jìn)行理論分析的。

8.地基承載力計(jì)算的假設(shè)

不管是普朗特爾（Prandtl）的地基極限承載力計(jì)算公式，還是太沙基（Terzaghi）的地基極限承載力計(jì)算公式，都是假設(shè)土體沒有質(zhì)量的條件下建立的，各自還在其他的假設(shè)條件下，總結(jié)出地基承載力的計(jì)算公式。

由于土體具有碎散性、天然變異性和三相性的特點(diǎn)，導(dǎo)致土力學(xué)的計(jì)算公式的假設(shè)條件過多，涉及到土的強(qiáng)度、穩(wěn)定、沉降、滲透等問題，如果我們深入的理解這些假設(shè)條件和適用范圍，有助于對(duì)土體的特性的認(rèn)識(shí)和掌握。

（五）經(jīng)驗(yàn)公式和安全系數(shù)多

由于土體的碎散性、三相性和自然變異性，土力學(xué)中的很多問題，很難通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)得到精確的解答。因此，土力學(xué)至今仍處在發(fā)展完善過程之中，目前還在半經(jīng)驗(yàn)半理論階段，理論基礎(chǔ)還不完善，在土力學(xué)中土的力學(xué)性質(zhì)仍不能用單一模型來概括，導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)公式仍在實(shí)際工程中處于主導(dǎo)地位，所以在土力學(xué)中經(jīng)驗(yàn)公式很多。

土力學(xué)是由于工程需要而發(fā)展起來的一門學(xué)科，是一門與實(shí)際工程聯(lián)系非常緊密的課程，許多理論都是建立在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。在工程中，往往先對(duì)所研究的對(duì)象進(jìn)行受力分析、應(yīng)力計(jì)算，得到臨界狀態(tài)的數(shù)值，而實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要有一定的安全儲(chǔ)備，如是我們將臨界值再乘以或者除以一個(gè)安全系數(shù)后，作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，在土力學(xué)中，很多公式都有安全系數(shù)存在。

三、結(jié)論

（一）土是覆蓋在地表上沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的天然三相碎散顆粒堆積物，是各向異性體，不連續(xù)體，非均質(zhì)體，性質(zhì)比較復(fù)雜，具有碎散性、三相性和自然變異性。

（二）土力學(xué)是一門古老而年輕的學(xué)科，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以碎散材料為研究對(duì)象，至今仍處在發(fā)展完善過程之中。土力學(xué)是一門與實(shí)際工程聯(lián)系非常緊密的課程，具有假設(shè)條件多、經(jīng)驗(yàn)公式多、安全系數(shù)多等特點(diǎn)。

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