本学科的研究对象和内容

土力学是应用力学的方法来研究土的性质的一门应用学科,是工程力学的一个分支。土力学被广泛应用于地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等设计中。受到建筑物荷载影响的土层称为地基。负责传递建筑物荷载的结构部分称为基础。

土在工程中有两类用途:一类是作为建筑物的地基,由地基来承受建筑物的荷载;另一类是把土作为建筑材料,如堤坝、路基。在实际工程中,天然土层具有很强的区域性特征,而且土的性质是非常复杂的。在工程建设前必须充分了解场地的工程地质情况,对土体做出正确的评价。建筑物对土体的影响程度与基础形式、上部荷载等有关。很多情况下,天然土层不能满足工程要求,需要进行地基处理或者对基础进行设计,如确定基础类型、基底面积、埋置深度等。

土力学是以工程力学和地质学的知识为基础,研究土体在力的作用下的应力-应变或应力-应变-时间的关系和强度,解决土木工程中地基和基础设计、施工时遇到的问题。土力学问题研究的实际范围是空间半无限体,工程计算分析时其边界是近似的,而土体属于高度非线性材料,岩土试样的性质与原状岩土的性质往往存在较大差别,因此,与土木工程中的其他学科相比,土力学的计算模型往往具有较大的不确定性,需要结合经验、试验进行综合分析。

土力学的研究内容分为基础理论和工程应用两个方面。

基础理论研究主要是研究土在静、动载荷作用下的力学性质,并结合实际工程进行理论分析和数值模拟。考虑静载荷作用时,主要研究:①土的变形特性。通常利用固结仪、三轴压缩仪研究土的固结和次时间效应,以确定相应的参数;②土的强度。通常利用直剪仪、三轴压缩仪、单剪仪等测定土的应力-应变关系,确定抗剪强度指标,研究、建立强度准则和强度理论;③土的渗透性。通常利用渗透仪,研究土孔隙中流体(水或空气)的流动规律,并确定其渗透系数等。对于动载荷,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),应力波在土中的传播规律以及砂土液化规律等。另外,通过试验主要研究土流变性能,建立应力-应变时间关系,长期强度和相应的极限平衡理论。具体包括以下方面:研究土的渗透性和渗流;研究土体的应力-应变和应力-应变-时间的关系以及强度准则和理论;研究在均布荷载或偏心荷载以及在各种形式基础的作用下,基础与地基土体接触面上的应力分布和地基土体中的应力分布,地基的压缩变形及其与时间的关系以及地基的承载能力和稳定性等。本课程的内容只涉及静载荷。工程中最常遇到的是不随时间变化的载荷,如建筑物和设备自重,水压力、土压力。对于载荷随时间变化很慢的动载荷,也可以近似看作静载荷。

工程应用研究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侧压力,即土压力的大小和分布规律等工程实际问题;根据极限平衡原理,用稳定性系数评价天然土坡的稳定性并进行人工土坡的设计;计算在自重和建筑物附加荷载作用下土体的侧向压力,为设计挡土结构物提供依据;改进和研制为进行上述研究所必需的技术、方法和仪器设备。

实际工程中土力学涉及的范围主要包括土质学、地质学、工程勘察、地基基础(地基处理、基础工程)、开挖工程(基坑开挖、隧道开挖)、支护工程(基坑支护、边坡支护及泥石流防治)、工程检测与监测等。以上问题其实都可以归结为边坡稳定、土压力和地基承载力三个问题。