土力学发展概况

1、土力学发展概况土力学是运用工程力学的理论和方法来研究土体力学性质 的学科 1 。它在实际工程如地基、挡土墙、土工建筑物中都有 重要的应用。 研究土力学， 对我们从事土木工程活动的人士来说 具有重要意义。 本文根据土力学发展历史， 分析当前土力学研究 缺陷，预测土力学未来的发展。1 土力学的发展历程土力学历史悠久， 起源于人类生产生活所积累的经验， 古时 候人们用压实土料修筑堤坝防洪， 用夯实土基兴修各类工程等均 属于土力学的范畴。近代土力学的发展开始于 1776 年库仑土压 力理论的提出 1 。此后， 1856 年法国科学家达西发表了著名的 达西渗透定律， 1857 年英国科学家郎肯发表了郎肯

2、土压力理论， 这些理论促进了近代土力学的发展。 1925 年太沙基提出了有效 应力原理及渗透固结理论，从此土力学成为一门独立的科学。 1950 年后人类在土的基本性质、测试手段、计算技术、加固方 法等方面均有较大发展。 1980 年后，土力学出现了新的分支， 如计算土力学 2 ，海洋土力学等。土力学自成立以来经历两个发展阶段。第一阶段即 1925 年 1960 年的近代土力学阶段，这一阶段土力学都是以太沙基 理论为基础而展开研究的， 但由于该理论过于片面， 土体性质过 于复杂，导致很多问题无法深入研究。第二阶段即1960 年后的 现代土力学阶段， 以罗斯科为代表的临界土力学创立， 从此人类 对

3、土体本构关系的研究步入了新的境界。 人们开始综合考虑研究 土体受力后的应力、应变、强度、稳定性以及它们和时间之间的 关系 3 。2 土力学当前发展中存在的问题纵观土力学的发展历程， 虽然取得了很大的进步， 但是仍然 存在着不少问题。2.1 土力学理论不够完备 土力学是一门以实验为基础的理论学科， 但是由于土体性质 复杂，到目前为止，仍处于半经验办理论的发展阶段，未能形成 公认的基础理论。 太沙基把土体的压密和渗透结合起来推导出的 一维固结微分方程能很好的反映土体单向固结的机理， 但是在多 维固结问题上并不适用。 比奥固结理论能解出孔压分布， 给出位 移场，获得土体应力应变非线性、弹塑性和骨架的

4、流变情况，但 是参数确定的偏差会导致工程计算结果和实际测量结果差别很 大1 。所以这些理论都有自身的局限性，不能符合一般土体受 力状态下的性能。2.2 解决非饱和土问题方法欠缺 传统土力学理论只适用于解决饱和土的问题， 其规律也是根 据饱和土试验得出。 然而工程中遇到饱和土的情况十分罕见， 即 使是软土地区， 其表层土也不会是饱和的。 将处理饱和土的方法 应用于非饱和土不是很妥当， 因为土的特性随其含水量有很大的 不同，如膨胀土遇水后体积会膨胀， 而失陷性黄土遇水后体积会 收缩，而且它们的强度也会因遇水而降低 3 。于是有人提出了 非饱和土强度理论， 这些理论都是以吸力及为计算依据， 但是由

5、于吸力测试技术不够成熟，存在很多问题，不能被广泛采纳。2.3 动荷载作用下土体规律的研究还不成熟 研究动荷载作用尤其是循环动荷载作用下土的力学特性， 在 道路的建设和维护方面具有重要意义 4 。尽管国内外开展了不 少这方面的研究， 提出了相关理论， 但是动荷载作用下土体的变 形、强度、以及液化规律比静荷载作用更复杂、更难把握，所以 相关研究结论适用条件和范围都很有限，理论就更不成熟了。3 土力学发展方向预测土力学是研究土体特性的学科， 土是经过漫长的地壳运动而 形成的， 不同地域的土其成分有很大的差异， 即使是同一地方的 土因所处的地层不同性质而相差很大， 而且土的构造和结构对土 的性质也有至

6、关重要的影响， 因此土的特性很强。 土有的时候是 饱和的，有的时候是不饱和的，有时可以看成是连续的介质，有 时又不能看成连续的介质，它具有弹性、粘性和塑性等性能，这 些都说明了土体的性质十分复杂。因此研究土力学需要采用理 论、试验相结合的方式。3.1 土的微观和细观研究 土是由固、液、气三相组合而成，土颗粒之间固液气三相的 相互作用决定了土的力学性质区别于其他一切材料。土体强度、 变形的宏观规律是与其微观结构直接相关的，通过微观试验研 究，以探究土的非线性、弹塑性、各向异性、流变性等问题，可 以更清楚的认识宏观规律的机理， 从而初步把握其宏观规律。 因 此，微观和宏观相结合有可能使土体力学特性

7、的研究出现转机。3.2 土体的原位试验和无损探测 室内试验和原位试验之间存在着不可忽视的差别， 室内试验 时，压缩模量是在无侧向变形条件下测出的， 而土的初始应力状 况与沉积条件有关； 在完全相同的条件下测量土的沉降量， 试验 结果表明压缩模量越大的土， 它的计算沉降和实测沉降相差越大 3 。现有原位实验方法如标准贯入试验，触探试验只能用于小 型工程，钻孔取土愈深，土的结构破坏愈大，试验结果的可靠度 也就越差。 因此发展更加先进的测探技术， 可以克服取土后土结 构的巨大变化和应力状态的改变，能大大提高试验结果的精确 性。3.3 非饱和土的研究 非饱和土力学理论之所以没能像饱和土力学理论一样同步 发展，最主要的原因是影响非饱和土性质因素众多，关系复杂， 它很难像饱和土那样找出应力应变之间一一对应的关系。 此外非 饱和土特性测试技术难度比饱和土大得多， 这进一步制约了非饱 和土理论的发展。 由于非饱和土中存在气体， 较之饱和土性质大 有区别而且更加的复杂，研究非饱和土中固、液、气之间的相互 影响关系成为解决非饱和土问题的重要出路。 今后非饱和土的研 究将着重于土体表面吸力的测定，土 - 水特征性能表征等方面。4 结语正如太沙基所说： 土力学既是一门科学， 又