讀土力學有感

讀書報告讀《土力學》有感土力學是一門研究與土的工程問題有關(guān)的學科，它既是工程力學的一個分支科學，又是土木工程學科的一部分。土力學研究土和巖石并不是從地質(zhì)學或農(nóng)學的角度，而是從工學的角度，以工程為目的研究巖石和土的工程性質(zhì)。當巖土得工程性質(zhì)或巖土環(huán)境不能滿足工程要求時，就需要采取工程措施對巖土進行整治和改造，不僅涉及對巖土性質(zhì)的認識，而且需要研究如何采用有效的、經(jīng)濟的方法實現(xiàn)工程目的。巖土工程是一項根據(jù)工程地質(zhì)學、巖體力學和土力學的理論、觀點和方法，解決土木工程的工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)、水利與交通運輸系統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護與衛(wèi)生等工程項目中關(guān)于巖土體的利用、整治或改造，并為工程建設項目的實現(xiàn)而服務的系統(tǒng)性科學。巖土工程問題所涉及的工程范圍非常廣泛，而在工業(yè)與民用建筑中，大量的是與土體的利用和處理有關(guān)的地基基礎(chǔ)設計與施工問題，對這些問題的解決都是以土力學為理論基礎(chǔ)的。與其他工程材料如鋼材、塑料、混凝土等人工材料不同，土是由不同成因的巖石在風化作用（物理風化、化學風化和生物風化）后經(jīng)重力、流水、冰川和風力等搬運、沉積而形成的自然歷史產(chǎn)物。土的工程性質(zhì)與母巖的成分、風化的性質(zhì)以及搬運沉積的環(huán)境條件有著密切的關(guān)系，研究土的工程問題不能不以工程地質(zhì)學為基礎(chǔ)，從宏觀的、歷史的角度分析土的各種特殊工程性質(zhì)的形成機理及其變化的規(guī)律。土是一種特殊的變形體材料，它既服從連續(xù)介質(zhì)力學的一般規(guī)律，又有其特殊的應力—應變關(guān)系和特殊的強度、變形規(guī)律，形成了土力學不同于一般固體力學的分析方法和計算方法。1.發(fā)展概況18世紀中期以前﹐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60年代的歐洲工業(yè)革命和19世紀中葉的第二次工業(yè)革命，推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，出現(xiàn)了水庫、鐵路和碼頭等現(xiàn)代工程，提出了許多有待解決的巖土工程問題，如地基承載力、邊坡穩(wěn)定、支擋結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性等；同時施工機械的出現(xiàn)，也為現(xiàn)代巖土工程的發(fā)展提供了物質(zhì)條件；工程中出現(xiàn)的物質(zhì)與難題促使人們土力學理論探索和巖土工程的技術(shù)創(chuàng)新，開始出現(xiàn)土力學的許多經(jīng)典理論，這個過程延續(xù)了大約160年為20世紀太沙基土力學體系的形成準備了條件。這160年中﹐工程建筑事業(yè)迅猛發(fā)展﹐許多學者相繼總結(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)和土的抗剪強度準則(1776)﹔法國的H.P.G.達西在研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(shù)的分類﹐至今仍在實踐中廣泛應用。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》﹐是土力學作為一個完整﹑獨立學科已經(jīng)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。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﹐流變理論的應用﹐土體穩(wěn)定性分析方法以及試驗技術(shù)和設備等方面都有很大的發(fā)展﹐使土力學得到進一步的完善和提高?，F(xiàn)代土力學的概念最早出現(xiàn)在20世紀50年代初，當時主要考慮了土體兩個基本特性——硬壓性和剪脹性。隨著土力學理論的發(fā)展和工程實踐的不斷深入，人們已經(jīng)越來越不滿足于將土體視為理想彈性介質(zhì)或理想剛塑性介質(zhì)這樣簡單化的描述。另一方面，現(xiàn)代電子計算技術(shù)的蓬勃發(fā)展也為采用復雜的計算模型提供了可能，從而為現(xiàn)代土力學的建立創(chuàng)造了客觀條件。1963年，羅斯科（K.H.Roscoe）發(fā)表了著名的劍橋模型，提出了第一個可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數(shù)學模型，創(chuàng)建了臨界狀態(tài)土力學，他的成就標志著現(xiàn)代土力學的誕生。2.研究內(nèi)容與方法主要包括以下方面﹕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(gòu)關(guān)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(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)﹑方法和儀器設備。土體是一種地質(zhì)體。這就決定了這一學科的研究工作必須采用在地質(zhì)學研究基礎(chǔ)上的實驗研究和力學分析方法。3.分章內(nèi)容（1）土是由各種大小不同的土粒按一定比例組成的集合體，土粒之間的孔隙中包含著水和氣體，是一種三相體系。土的物質(zhì)組成以及定性、定量描述其物質(zhì)組成的方法，包括土的三相組成、土的三相指標，粘性土的界限含水率、砂土的密實度和土的工程分類。（2）地基土以及某些土工建筑物本身(如土壩)是由顆粒狀或碎塊固體材料組成的多孔隙介質(zhì)，其內(nèi)部包含著許多互相連通的孔隙或裂痕。在水力梯度的作用下，地基中的重力水將通過這些孔隙或裂痕發(fā)生流動，稱為滲流。不同的土具有不同的透水能力，主要由土的顆粒組成和孔隙比等決定。土的透水性定量指標是滲透系數(shù)，滲透系數(shù)值愈大，表示土的透水能力愈強。滲透系數(shù)通常可通過試驗方法或經(jīng)驗來確定。研究滲流問題的基本定律是達西定律，求解平面穩(wěn)定滲流問題的常用方法是流網(wǎng)解法。滲流的作用將在地基土中產(chǎn)生滲透力，而滲透力的增大將可能導致土體發(fā)生流砂與管涌兩種滲透變形。（3）土中應力指土體在自身重力、建筑物和構(gòu)筑物荷載，以及其他因素（如土中水的滲流、地震等）作用下，土中產(chǎn)生的應力。土中應力過大時，會使土體因強度不夠發(fā)生破壞，甚至使土體發(fā)生滑動失去穩(wěn)定。此外，土中應力的增加會引起土體變形，使建筑物發(fā)生沉降，傾斜以及水平位移。土中應力計算是地基沉降計算和地基穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，也是分析地基固結(jié)過程的重要依據(jù)。（4）在建筑物荷載作用下，地基土主要由于壓縮而引起的豎直方向的位移稱為沉降。建筑物地基沉降包含兩方面的內(nèi)容：一是經(jīng)過長期固結(jié)達到沉降穩(wěn)定后的沉降量大小亦即最終沉降；二是隨時間而改變的沉降過程亦即固結(jié)沉降與時間的關(guān)系。（5）土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極限抵抗能力。在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強度破壞的重要特征，因此土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題。（6）土壓力是土體作用在擋土結(jié)構(gòu)上的作用力，是支擋結(jié)構(gòu)和其他地下結(jié)構(gòu)中普遍存在的受力形式。土壓力的大小和支擋結(jié)構(gòu)位移有很大依存關(guān)系，并且由此形成了三種土壓力：靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。靜止土壓力的計算方法將由水平向自重應力計算公式推演而來，郎肯土壓力計算公式將由土的極限平衡條件推導得出，而庫侖土壓力公式則將由滑動土楔的靜力平衡條件推導獲得。（7）天然土坡和人工土坡會因外界作用力的影響或土體本身抗剪強度的降低而出現(xiàn)滑動破壞。通過對土坡進行整體受力分析，可明確土坡中抗力與作用的關(guān)系，進而評價其抗滑穩(wěn)定的安全度。（8）地基承載力是指地基土單位面積上所能承受的荷載，通常把地基土穩(wěn)定狀態(tài)下單位面積上所能承受的最大荷載成為極限荷載或極限承載力。如果基底壓力超過地基的極限承載力，地基就會失穩(wěn)破壞。工程中地基承載力達到極限狀態(tài)而發(fā)生破壞的實例雖然較少，但一旦發(fā)生這類破壞，后果將非常嚴重。由于地基土的復雜性，使得準確確定地基極限承載力變得非常困難。（9）建筑物地基和土工結(jié)構(gòu)物在動荷載作用下發(fā)生震動，土的強度和變形特性都要受其影響，不僅表現(xiàn)出與靜荷載作用不同的特性，而且還將因動荷載的加荷速率和加荷次數(shù)表現(xiàn)出顯著的強度及變形差異。動荷載作用下的應力應變關(guān)系式表征土動力性質(zhì)的基本關(guān)系，動切變模量與阻尼比是重要的表征土動力性質(zhì)的參數(shù)，而土的動力參數(shù)可以通過室內(nèi)或現(xiàn)場試驗測定。砂土液化是地震等動荷載作用下產(chǎn)生的最主要的震害之一，其判別方法主要有動切應力對比法和采用臨界標準貫入擊數(shù)作為判別依據(jù)的經(jīng)驗方法等。4.發(fā)展展望由于土的性質(zhì)是極其復雜的，因而理論的發(fā)展是艱難的。關(guān)于土的理論，經(jīng)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(fā)展還遠沒有結(jié)束。我認為，土力學的發(fā)展少不了三樣法寶：理論、試驗、計算機。作為當今科技的驅(qū)動器，計算機是不可或缺的，發(fā)展數(shù)值分析是土力學的一個研究方向。數(shù)學是一切自然學科的基石，數(shù)學的發(fā)展必將促進土力學的發(fā)展，作為一個工程師，扎實的數(shù)學功底是其巨大的優(yōu)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(shù)值模擬和理論分析不能解決所有問題，試驗對土力學的發(fā)展是必