土力學(xué)發(fā)展簡史

1、土力學(xué)是土的力學(xué)，是把土作為建筑材料（地基）進行研究的科學(xué)，是力學(xué)理論在巖土工程中的應(yīng)用，目前在很多方面還處在半經(jīng)驗階段， 有些甚至經(jīng)驗占很重要的地位從20世紀(jì)20年代起，不少學(xué)者發(fā)表了許多理論和系統(tǒng)的著作。1920年法國普蘭特發(fā)表了地基滑動面的數(shù)學(xué)公式，1916年瑞典彼得森提出了計算邊坡穩(wěn)定性的圓弧滑動法。而最具代表意義的是1925年美國太沙基（K.Terzaghi）首次發(fā)表了土力學(xué)一書。這本著作比較系統(tǒng)地論述了若干重要的土力學(xué)問題，提出了著名的有效應(yīng)力原理，至此，土力學(xué)開始真正地形成獨立學(xué)科。從那時起，直到20世紀(jì)60年代，土力學(xué)的研究基本上是對原有理論與試驗充實與完善。自20世

2、紀(jì)60年代以來，隨著電子計算機的出現(xiàn)和計算技術(shù)的高速發(fā)展，使土力學(xué)的研究進入了一個全新的階段。土力學(xué)是研究土的物理性質(zhì)以及在荷載作用下土體內(nèi)部的應(yīng)力變形和強度規(guī)律，從而解決工程中土體變形和穩(wěn)定問題的一門學(xué)科。   土力學(xué)學(xué)科需研究和解決工程中的兩大問題。一是土體穩(wěn)定問題，這就要研究土體中的應(yīng)力和強度，例如地基的穩(wěn)定、土壩的穩(wěn)定等。二是土體變形問題，即使土體具有足夠的強度能保證自身穩(wěn)定，然而土體的變形尤其是沉降（豎向變形）和不均勻沉降不應(yīng)超過建筑物的允許值。此外，需要指出的對于土工建筑物、水工建筑物地基，或其他擋土擋水結(jié)構(gòu)，除了在荷載作用下土體要滿足前述的穩(wěn)定和變形

3、要求外，還要研究滲流對土體變形和穩(wěn)定的影響。   學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時，要掌握土力學(xué)的基本理論，學(xué)會解決實際問題的基本方法和培養(yǎng)基本技能。在學(xué)完土力學(xué)課程之后應(yīng)掌握土的物理性質(zhì)研究方法；會計算土體應(yīng)力，了解應(yīng)力分布規(guī)律掌握土的滲流理論、壓縮理論、固結(jié)理論及有效應(yīng)力原理、應(yīng)力歷史的概念，能熟練的進行地基沉降和固結(jié)計算；掌握土的強度理論及其應(yīng)用，進行土壓力計算，土坡穩(wěn)定驗算，地基承載力的確定。結(jié)合理論學(xué)習(xí)要培養(yǎng)自己進行各種物理力學(xué)試驗的技能，通過試驗深化理論學(xué)習(xí)，理解和掌握確定計算參數(shù)的方法。經(jīng)驗積累階段  自古以來，人類就廣泛地利用土作為建筑地基和材料。古代

4、許多偉大建筑物，如我國長城、大運河、宮殿廟宇、橋梁等，國外的比薩斜塔、金字塔等的修建都需要有豐富的土的知識和在土層上修建建筑物的經(jīng)驗。由于社會生產(chǎn)力和技術(shù)條件的限制，這一階段經(jīng)過了很長時間，直到18世紀(jì)中葉，還停留在感性認識階段。理論提高階段  產(chǎn)業(yè)革命以后，大量建筑物工程的興建，促使人們對土進行了專題研究。把已積累的經(jīng)驗進行一些理論歸納和解釋。如1773年，法國科學(xué)家?guī)靷悾–.A.Coulomb）發(fā)表了土壓力理論和土的抗剪強度公式；1856年，法國工程師達西（H.Darcy）研究了砂土的透水性，創(chuàng)立了達西滲透公式；1857年英國學(xué)者朗肯（W.Jm.Rankine）建立了另一種土壓力

5、理論與庫倫理論相輔相承；1885年，法國科學(xué)家布辛內(nèi)斯克（J.Boussinesq）提出了半無限彈性體中的應(yīng)力分布計算公式。至今仍都是地基中應(yīng)力計算的主要方法等等。形成獨立學(xué)科階段  從20世紀(jì)20年代起，不少學(xué)者發(fā)表了許多理論和系統(tǒng)的著作。1920年法國普蘭特發(fā)表了地基滑動面的數(shù)學(xué)公式，1916年瑞典彼得森提出了計算邊坡穩(wěn)定性的圓弧滑動法。而最具代表意義的是1925年美國太沙基（K.Terzaghi）首次發(fā)表了土力學(xué)一書。這本著作比較系統(tǒng)地論述了若干重要的土力學(xué)問題，提出了著名的有效應(yīng)力原理，至此，土力學(xué)開始真正地形成獨立學(xué)科。從那時起，直到20世紀(jì)60年代，土力學(xué)的研究基本上是對

6、原有理論與試驗充實與完善。自20世紀(jì)60年代以來，隨著電子計算機的出現(xiàn)和計算技術(shù)的高速發(fā)展，使土力學(xué)的研究進入了一個全新的階段。第四階段此時，最突出的工作是用新的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系代替過去的理想彈塑性體。隨著應(yīng)力應(yīng)變模型建立，以此為基礎(chǔ)建立了新的理論體系。1957年，D.C.Drucker提出了土力學(xué)與加工硬化塑性理論，對土的本構(gòu)模型研究起了很大的推動作用。許多學(xué)者紛紛進行研究，并召開多次學(xué)術(shù)會議，提出了各種應(yīng)力應(yīng)變模型。如在工程中常用的鄧肯張模型、英國劍橋模型等。我國在這個階段也進行了很多工作，如清華大學(xué)黃文熙模型、南京水利科學(xué)研究院沈珠江模型和河海大學(xué)殷宗澤模型等。這些模型都是對土的非線性

7、應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律提出數(shù)學(xué)描述，并用土的實際情況相驗證。土力學(xué) soil mechanics研究土體在力的作用下的應(yīng)力-應(yīng)變或應(yīng)力應(yīng)變-時間關(guān)系和強度的應(yīng)用學(xué)科。工程力學(xué)的一個分支。為工程地質(zhì)學(xué)研究土體中可能發(fā)生的地質(zhì)作用提供定量研究的理論基礎(chǔ)和方法。 主要用于土木、交通、水利等工程。發(fā)展簡史18世紀(jì)中期以前人類的建筑工程實踐主要是根據(jù)建筑者的經(jīng)驗進行的。18世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初期工程建筑事業(yè)迅猛發(fā)展許多學(xué)者相繼總結(jié)前人和自己實踐經(jīng)驗發(fā)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(fā)表了土壓力滑動楔體理論(1773)和土的抗剪強度準(zhǔn)則(1776)法國的H.P.G.達西在研

8、究水在砂土中滲透的基礎(chǔ)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(tài)時的應(yīng)力條件提出了另一著名的土壓力理論與庫侖理論一起構(gòu)成了古典土壓力理論法國的J.V.博西內(nèi)斯克(1885)提出的半無限彈性體中應(yīng)力分布的計算公式成為地基土體中應(yīng)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(yīng)用的土的強度理論19世紀(jì)末至20世紀(jì)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(shù)的分類至今仍在實踐中廣泛應(yīng)用。1925年奧地利的K.太沙基(又譯特扎吉)出版了世界上第一部土力學(xué)是土力學(xué)作為一個完整獨立學(xué)科已經(jīng)形成的重要標(biāo)志在此專著中

9、他提出了著名的有效壓力理論。此後在土的基本性質(zhì)和動力特性固結(jié)理論和強度理論的研究流變理論的應(yīng)用土體穩(wěn)定性分析方法以及試驗技術(shù)和設(shè)備等方面都有很大的發(fā)展使土力學(xué)得到進一步的完善和提高。研究內(nèi)容主要包括以下方面研究土體的應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變-時間的本構(gòu)關(guān)系以及強度準(zhǔn)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(chǔ)的作用下基礎(chǔ)與地基土體接觸面上的和地基土體中的應(yīng)力分布地基的壓縮變形及其與時間的關(guān)系以及地基的承載能力和穩(wěn)定性根據(jù)極限平衡原理用穩(wěn)定性系數(shù)評價天然土坡的穩(wěn)定性和進行人工土坡的設(shè)計計算在自重和建筑物附加荷載作用下土體的側(cè)向壓力為設(shè)計擋土結(jié)構(gòu)物提供依據(jù)改進和研制為進行上述研究所必需的技術(shù)方

10、法和儀器設(shè)備。土體是一種地質(zhì)體。這就決定了這一學(xué)科的研究工作必須采用在地質(zhì)學(xué)研究基礎(chǔ)上的實驗研究和力學(xué)分析方法。發(fā)展趨勢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(xué)提出更高的要求。裂隙對土體力學(xué)性能的控制性非線性應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系以及新的測試技術(shù)和設(shè)備等方面的研究將會有新的進展。土力學(xué)發(fā)展歷史土質(zhì)土力學(xué)是人們在在長期工程實踐中形成發(fā)展起來的一門學(xué)科。我國勞動人民從遠古時代就能利用土石作為地基和建筑材料修筑房屋了。如西安新石器時代的半坡村遺址，就發(fā)現(xiàn)有土臺和石礎(chǔ)，這就是古代的"堂高三尺、茅茨土階"（語見韓非子）的建筑。我國舉世聞名的秦萬里長城逾千百年而留存至

11、今。充分體現(xiàn)了我國古代勞動人民的高超水平。隋朝石工李春所修建成的趙州石拱橋，造型美觀，至今安然無恙。橋臺砌置于密實的粗砂層上，一千三百多年來估計沉降量約幾厘米。現(xiàn)在驗算其基底壓力約500-600kpa，這與現(xiàn)代土力學(xué)理論給出的承載力值很接近。根據(jù)夢溪筆談記載，北宋初著名木工喻皓（公元989年）在建造開封開寶寺木塔時，考慮到當(dāng)?shù)囟辔鞅憋L(fēng)，便特意使建于飽和土上的塔身稍向西北傾斜，設(shè)想在風(fēng)力的長期斷續(xù)作用下可以漸趨復(fù)正?？梢娫诋?dāng)時的工匠已考慮到建筑物地基的沉降問題了。而作為本學(xué)科理論基礎(chǔ)的土力學(xué)的發(fā)端，始于十八世紀(jì)興起了工業(yè)革命的歐洲。隨著資本主義工業(yè)化的發(fā)展，為了滿足向國內(nèi)外擴張市場的需要，陸上交

12、通進入了所謂"鐵路時代"，因此，最初有關(guān)土力學(xué)的個別理論多與解決鐵路路基問題有關(guān)。1773年，法國的C.A.庫倫（Coulomb）根據(jù)試驗創(chuàng)立了著名的砂土抗剪強度公式，提出了計算擋土墻土壓力的滑楔理論。1869年英國的W.G.M.朗肯（Rankine）又從不同角度 提出了擋土墻土壓力理論。1885年法國J.布辛奈斯克（Boussinesq）求得了彈性半無限空間在豎向集中力作用下的應(yīng)力和變形的Boussinesq解。1922年瑞典W.費蘭紐斯（Fellenius）為解決鐵路塌方問題提出了土坡穩(wěn)定分析法。以上這些方法至今仍廣泛應(yīng)用。1925年美國K.太沙基（Terzaghi）歸納發(fā)展了以往的理論，發(fā)表了土力學(xué)一書，他被認為是土力學(xué)的奠基人。從1936年在美國召開的第一屆國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會議起，土質(zhì)土力學(xué)方面的國際學(xué)術(shù)交流日益活躍。世界各地包括中國在內(nèi)的許多國家也都交流和總結(jié)了本學(xué)科新的研究成果和實踐經(jīng)驗，促進了該學(xué)科的發(fā)展。 時至今日，伴隨著工程建設(shè)事業(yè)突飛猛進的發(fā)展，土質(zhì)土力學(xué)圍繞從宏觀到微