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土力学

/soil mechanics/
最后更新 2023-06-05
浏览 203
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应用理论力学、材料力学、流体力学等基础理论研究土的工程性质、与土有关的工程问题的工程技术学科。是土木工程学科的一个分支。

英文名称
soil mechanics
所属学科
土木工程

土力学主要研究、分析地基土的工程性质、地基承载能力、土体的变形和稳定、土中渗流,以及土压力问题。土力学也被认为是工程力学的一个分支,但它与其他力学分支不同。土力学研究的对象是土,它是自然、历史的产物。不仅土类不同,土的工程性质不同,而且同一类土在不同区域,其工程性质也可能有较大差别。研究对象的特殊性决定了土力学学科的特殊性。美籍奥地利人K.太沙基(又译K.泰尔扎吉)认为“土力学是门应用科学,更是一门艺术”。

在土力学形成独立学科以前,不少学者为土力学学科的形成做出了贡献,被称为土力学的奠基性工作。主要有:法国的C.A.库仑于1773年提出并后来由德国的C.O.摩尔发展形成的摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)抗剪强度理论,为土体稳定分析奠定了基础,库仑还建立了库仑土压力理论;法国的H.P.G.达西通过室内渗透试验研究于1856年提出的达西渗流定律,建立了渗透理论;英国的W.J.M.朗肯1857年提出了土体极限平衡理论;法国的J.布辛涅斯克1885年提出了在均质各向同性半无限空间表面上作用一竖向集中力,如何求解形成的应力场和位移场;普兰特尔1920年提出了条形基础极限承载力公式;瑞典的费莱纽斯1922年在处理铁路滑坡问题时提出了土坡稳定分析方法等。

太沙基在1921年由黏土试样试验发现的饱和土有效应力原理和1923年发表的黏土一维固结理论的基础上,吸取了摩尔-库仑抗剪强度理论和库仑土压力理论,兰金的土体极限平衡理论,达西的渗流理论和布辛涅斯克的地基中应力计算理论等有关理论,于1925年出版《土力学》(Erdbaumechanik auf Bodenphysikalischer Grundlage)。该书出版标志着土力学学科的诞生。1942年,太沙基出版专著《理论土力学》。1948年,太沙基与他的学生佩克合著了《工程实用土力学》,进一步完善了太沙基土力学理论。

随着三轴试验等土工试验设备和测试技术的进步和理论研究的发展,土的抗剪强度理论、蠕变理论、多维固结理论和应力-应变关系理论等得到不断发展,土力学知识也得到不断普及和提高,土力学得到相应的发展。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土力学及基础工程学术讨论会。中国于1962年在天津召开了第一届土力学及基础工程学术讨论会,并于1979年开始出版专业性期刊《岩土工程学报》。

20世纪60年代,土力学与相关学科工程地质学和岩体力学不断融合,为土木工程建设服务,形成岩土工程(geotechnical engineering)学科。土力学与岩土工程关系密切。世界各国已将土力学及基础工程系列学术讨论会改名为土力学及岩土工程学术讨论会。

在土力学的一般研究内容中,土的成因和组成分析主要研究土的生成和演化过程、土的三相组成及其相互作用等;土的物理性质和工程分类主要研究土的物理力学性质及其表征指标,以及土的分类标准和应用范围等;土中水和渗流主要研究内容为土中水渗流量的计算、渗透破坏形式及其防治措施等;地基中应力计算主要研究和确定土体及其土工结构物变形、强度及其稳定等问题的基础和依据,是土工设计的一项重要内容;土的应力-应变关系和本构模型研究主要涉及土相比于其他材料的特殊变形性质和强度性质;土的压缩固结主要研究内容为最终沉降量的计算,以及沉降随时间的变化关系等;土的抗剪强度研究中除了常规的测试仪器和试验方法外,还涉及不同试验条件和工况下不同强度指标的差异与适用情况;地基承载力方面主要研究内容为地基的极限承载力和容许承载力的分析方法和影响因素;土压力分析主要讨论作用在挡土结构物上的土压力性质及土压力计算,包括土压力的大小、方向、分布和合力作用点等;土坡稳定分析中主要包括土坡稳定性计算中的基本原理和方法。土力学已衍生出许多分支,如软黏土力学、黄土力学、土动力学、海洋土力学、临界状态土力学、计算土力学等。

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