土力学

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  土力学汉语拼音:Tulixue;英语:Soil Mechanics),研究由土粒、水与气三相物质组成的土体对外加荷载的反应以及水与气在土孔隙中的运动规律的力学分支。土是岩石风化后在不同自然条件下生成的材料,一般分为砂性土和粘性土两大类。它们是由三相物质组成的,即矿物颗粒构成的土骨架、骨架孔隙内含有水和气体。砂土颗粒之间无联结力,是松散的颗粒集合体;粘性土的片状颗粒之间有联结力,形成一定形式的结构。土力学的原理和方法可用来估算土与建筑物或构筑物之间的相互作用,因而成为基础工程、堤坝、支挡结构、隧道、海港、矿山等土木工程设计的主要依据。

简史

  土力学是一门年轻的技术学科。一般认为它诞生于1925年,因为土力学奠基人K.太沙基在该年出版了第一本系统专著《土力学》。在该书中,他总结了前人的有关论著,如C.-A.de库仑的抗剪强度与土压力理论、W.J.M.兰金的土压力理论、H.-P.-G.达西的渗流理论和J.V.布辛涅斯克的应力计算理论等,以及他在1921年由粘土试样试验发现的饱和土的有效应力原理、1923年发表的粘土的一维固结微分方程,从而构成了现代土力学的基本骨架。1942年他又发表了《理论土力学》,1948年与R.B.佩克合著了《工程实用土力学》,皆是土力学的经典著作。1936年国际土力学与基础工程协会(ISSMFE)成立,同年在太沙基主持下于美国哈佛大学召开了第一届国际学术讨论会,至1989年已举行过12届会议。目前土力学已衍生出许多分支,如土动力学、海洋土力学、临界状态土力学、计算土力学等。中国自1962年在天津召开了第一届土力学与基础工程学术讨论会以后,已举行过6届会议,并于1979年开始出版专业性期刊《岩土工程学报》。

研究内容

  分为基础理论和工程应用两个方面。

  基础理论方面主要是研究土在静载荷和动载荷作用下的力学性质,并结合大型工程进行数值分析和理论探讨。在静载荷下主要研究土的变形、强度和渗透性。

  ①土的变形。土受荷载变形时,应力-应变关系呈非线性;在发生弹性变形的同时,伴随有塑性变形,即卸荷后,保留部分不可恢复的变形。土体受压力愈大,骨架愈致密,抗外力的性能愈强。饱和土受外荷后,变形需要一段时间才能趋于稳定,土体透水性愈小(如粘性土),所需时段愈长。这是因为,受压力后骨架体积有缩小趋势,而土粒与水的压缩性极小,故骨架体变只能靠水从孔隙中被挤出来实现;由于水在挤排过程中受孔隙壁的阻力,因而使排水过程产生时间滞后,从而表现为压缩变形的滞后。当土面作用有外荷载p ,土内某微分体M上即产生附加应力σ(见图1)。它将由土粒间的有效应力σ′和孔隙水上的应力u所平衡,即

  σ=σ′+u

   (1)

u系因外荷载而产生,是超出静水压力的部分,故又称超静水压力。近土面处排水路径短,孔隙水易排出,孔隙水压力较小,而较远处的水压力则较高,从而形成水压力梯度¶u/¶z,使孔隙水不断向上排出。随时间增长,孔隙水压力减小,按式(1),有效应力等量增大,直至水压力渐趋于零,变形达到稳定。饱和土孔隙水压力逐渐减小,有效应力相应增大,土体积同时减小的全过程称为土的固结;它是土的一个最重要最独特的性质。土的强度与压缩均受有效应力控制,结合式(1)的关系,常被称为有效应力原理;它是土力学的最重要定律。

         土力学1.jpg

  ②土的强度。土体一般因剪切而破坏,故谈到土的强度,常指其抗剪强度。该强度等于剪切破坏面上能承受的最大剪应力。土体的抗剪强度τf是剪切面上法向应力σn的函数,即τf=f(σn),它可近似地用下列直线方程表示:

  无粘性土

  τf=σntgj

   (2)

  粘性土

  τf=c+σntgj

    (3)

式中c,j为土的内聚力和内摩擦角,合称土的强度指标(见图2)。以上二式即表示土的强度准则或屈服条件,表明如果土内一点的应力状态处于图2中的强度直线之下,则该点未达到破坏,即处于弹性平衡状态;反之,如在强度线上,则已破坏,或称处于塑性平衡状态,此时作用剪应力S正好等于该点土的抗剪强度τf,即S=τf,此式称为极限平衡条件。如果考虑有效应力,按式(1)将式(2)、(3)中的σ转换为σ′,则有相应的有效应力强度指标c′,j′;为了区别,称c,j为总应力强度指标。它们分别用于有效应力和总应力稳定分析。通过土内一点的各平面上的法向应力与剪应力并不相同,莫尔应力圆可全面反映一点的应力状态(图3)。只要有一个面上的应力满足S=τf ,即认为该点已达到破坏。图3表明T点对应的平面已经破坏,因为该点满足了S=τf。故应力圆与强度线相切是极限平衡条件的几何表示法。T点对应的破坏面即为土单元体中的平面mn,它与大主应力面的夹角为:

      af=

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  (90°+j)=45°+j/2

     (4)

图中σ1,σ3分别为最大、最小主应力。土剪切的另一重要特征是:密实土剪切时体积膨胀,称剪胀性;相反,疏松土剪切时体积缩小。剪胀时,孔隙水压力具负值(低于大气压),有效应力增大,土强度升高;剪缩时,水压力有正值,土强度降低。

         土力学2.jpg

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  ③土的渗透性。孔隙中的渗流服从达西渗流定律,即流速与水力坡降成正比。渗流效应表现为水量流失和产生渗流力。在水流从土体出逸处易造成管涌或流土等渗流破环。通常利用渗透仪研究土渗流规律,并确定其渗透系数等。

  在动荷载下,主要研究土的动力性质。通常利用动力三轴仪研究土在动力条件下的应力-应变关系(包括阻尼、动力强度等与频率的关系)和砂土液化规律,用共振柱研究应力波在土中的传播规律等。

  此外,通过试验研究土的流变性能(指土的蠕变、应力松弛以及强度的时间效应等特性),建立应力-应变-时间关系、长期强度和相应的极限平衡理论,可用以分析工程的长期稳定性。

  工程应用方面主要是通过现场试验和长期观测,研究解决土工建筑物、地基、地下隧道和防护抗震工程等的稳定性及其处理措施,以及土体作用于挡土结构物上的土压力的大小和分布规律等工程实际问题。

研究对象

  土力学研究的具体对象如下:①土的勘查与测试。如地基勘查与取样,土料调查及所用的仪器、设备和方法,包括钻探、现场原位试验和试验室试验。②土的鉴别、分类和定名。③土的各项物理性能和相应指标以及状态指标,为评价土性和提供设计指标之用。④土体的变形、强度及其他力学性质和它们的指标,包括土的应力-应变关系、静与动荷载下的反应等。⑤土的渗透系数、渗流规律和渗流稳定性等。⑥土体的数值计算。例如在变形方面有土中应力计算、地基沉降计算、土体的固结计算等;在稳定性方面有土坡稳定性分析计算、地基承载力和抗滑稳定性计算、土压力计算等;近20年,由于计算机普及和有限元法等计算技术的发展,出现了许多更能反映土体性状的弹性、非线性弹性和弹塑性本构关系,从而形成了计算土力学分支。⑦实用工程设计,如地基与基础、挡土墙、桩基础设计等。⑧地基加固方法,如机械压密、排水固结、化学加固、电化学加固、土工合成材料加筋等。⑨原位观测沉降、位移、渗流,孔隙水压力、土压力等的设备与方法。

测试方法

  土体性态测试是土力学得以发展的重要手段,分试验室测试和现场测试两大类。试验室方法在变形方面常用的有固结试验;抗剪强度方面有三轴压缩、直接剪切、无侧限抗压强度等试验;渗流方面有渗透试验、管涌试验等。此外还有各种物理性试验。为深入研究土的应力-应变关系,创制了平面应变仪、真三轴仪、扭剪仪等。土体动力特性方面有动三轴、动单剪和共振柱等试验。现场方法有荷载试验、十字板强度试验、静力触探试验、旁压仪试验和孔压圆锥仪试验等。

动态

  随着高土石坝、高层建筑、地下工程、海洋平台和重型动力工程的兴建,土力学与基础工程相应地向高、精、尖方向发展。对于理论与土性研究,在土动力学、海洋土力学、土塑性力学、土本构关系、土工数值计算和区域性土等方面均有较大发展;在测试技术方面,许多单位实现了试验室控制、采集处理和记录绘制自动化,并置有高应力、高精度专门设备,近年又开发了离心模型试验。还发展了种类齐全的地基加固技术。此外,土工合成材料及其应用的研究也得到较快进展。