土的主要特征与土力学课程特点

摘 要：土力学是土木工程专业的技术基础课和必修课，也是学习后续专业课程的重要基础。由于土体的特殊性，使得土力学知识点琐碎、繁杂，概念抽象、难以理解。为方便学生更好的掌握土力学的知识内容，论文对土的碎散性、三相性和自然变异性进行了详细阐述，并在此基础上总结了土力学课程的特点，认为土力学是一门以试验为基础，以碎散材料为研究对象的古老而年轻的学科，具有假设条件多、经验公式多、安全系数多等特点。

关键词：土力学；三相性；基本假设

土力学是将土作为建筑物地基、建筑材料或建筑物周围介质来研究的一门学科，主要研究土的工程性质以及土在荷载作用下的应力、变形、强度以及渗透问题，为土木工程设计与施工提供土的工程性质指标与评价方法、土的工程问题的分析计算原理，是土木工程专业的技术基础课和必修课[1]。同时，土力学也是学习后续地下结构、地基处理、深基坑工程、基础工程、边坡工程、隧道工程、路基工程等后续其他专业课程的重要基础，对培养学生的实践和创新能力，夯实学生的专业基础具有举足轻重的作用，也是学生工作后从事土木工作和科学研究的重要基础。因此，土力学属于土木工程专业知识体系和课程结构的核心主干课程，其教学质量的好坏直接关系到高校土木工程领域的人才培养质量[2]。

由于土体的特殊性，使得土力学课程具有理论性较强，理论推导及基本假设较多，知识点分散，内容多、概念多、公式多，还具有明显的不完善性，内容跳跃性大、连贯性差等特点，而且土力学与工程实践联系紧密，强调实用性和技术性。因此，学生要学好土力学必须具备扎实的力学和其他相关专业课的知识，学生学习难度较大，学习兴趣低，导致课程教学压力大[2]。为了提高教学质量和教学效率，教师应研究该门课程的特点，采取科学有效的教学方法，引导学生更好的掌握课程要求的知识技能[3]。

许多学者和高校教师对土力学的特点及教学方法进行了探索和总结，对高质、高效课堂进行了实践与研究。基本解决了土力学知识点琐碎、繁杂，概念抽象、难以理解的教学难点，对于课堂讲授的土力学内容相对枯燥，学生学习缺乏主动性的难题，也提出一些思考与对策[4-10]。本文对土的特性进行了详细阐述，并在此基础上详细总结了土力学课程的特点，方便学生更好的掌握土力学的知识内容。

一、土的主要特征

（一）碎散性

土是指地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。

土是岩石风化或破碎的产物，是非连续体。岩石和土在其存在、搬运和沉积的各个过程中都在不断风化。风化过程包括物理风化和化学风化。它们经常是同时进行而且是互相加剧发展的进程。

物理风化是指岩石和土的粗颗粒受各种气候因素的影响，导致体积胀缩而发生裂缝，或者在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎。于是岩体逐渐变成碎块和细小的颗粒，粗的粒径可以m计，细的粒径可以在0.05mm以下，但它们的矿物成分仍与原来的母岩相同（原生矿物）。

物理风化后的土可以当成只是颗粒大小上量的变化。但是这种量变的积累结果使原来的大块岩体获得了新的性质，变成了碎散的颗粒，如图1岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下向山脚堆积。颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气，这就是土的碎散性[11]。

图1 岩石碎散呈颗粒

（二）三相性

母岩表面和碎散的颗粒受环境因素（如水、空气以及溶解在水中的氧气和碳酸气等）的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物（次生矿物），称为岩石的化学风化。

化学风化的结果，形成十分细微的土颗粒，最主要的为粘土颗粒（<0.005mm）以及大量的可溶性盐类。微细颗粒的表面积很大，具有吸附水分子的能力。因此，自然界的土，一般都是由固體颗粒、水和气体三种成分所构成。这是土的三相性，其中，固相为土骨架，液相为水，气相为空气。

一般固体可保持固定的形状，而一般液体不具有特定的形状，而土的三相性使得土体具有一定但不固定的形状。

（三）天然性

在自然界中，土的物理风化和化学风化时刻都在进行，而且相互加强。由于形成过程的自然条件不同，自然界的土也就多种多样。同一场地不同深度处，土的性质也不一样。甚至同一位置的土，其性质还往往随方向而异。土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间而在不断变化的材料[11]。土是自然界的产物，存在自然变异性，具有非均匀性，各向异性，时空变异性的特征，这是土的天然性。

二、土力学课程特点

（一）土力学是一门古老而年轻的学科

对于人类，土是最古老的材料之一。“水来土湮”，古代人类在与洪水的斗争中，土是他们最原始的武器。在广裹深厚的土层上，人类耕耘营造、生生不息，取得了关于土的丰富的知识和经验。

18世纪，有关土力学的第一个理论是1773年由库仑（Coulomb）建立，后来由摩尔（Mohr）发展成为土的摩尔-库仑强度理论，为土压力、地基承载力和土坡稳定分析莫定了基础。1776年库仑发表了建立在滑动土楔平衡条件分析基础上的土压力理论。1857年朗肯（Rankine）提出了建立在土体的极限平衡条件分析基础上的土压力理论。1856年达西（Darcy）通过室内试验建立了有孔介质中水的渗透理论。1885年布辛涅斯克（Boussinesq）和1892年弗拉曼（Flamant）分别提出了均匀的、各向同性的半无限体表面在竖直集中力和线荷载作用下的位移和应力分布理论。这些早期的著名理论奠定了土力学的基础。

20世纪初，土力学继续取得进展，普朗特尔（Prandtl）根据塑性平衡的原理，研究了坚硬物体压人较软的、均匀的、各向同性材料的过程，导出了著名的极限承载力公式。在这基础上，太沙基（Terzaghi）、梅耶霍夫（Meyerhof）、魏克西（Vesic）和汉森（Hansen）等分别对普朗特尔的理论进行了修正、补充和发展，提出了各种地基极限承载力公式。费伦纽斯（Fellenius）提出了著名的瑞典圆弧法分析土坡的稳定性。特别是太沙基建立了饱和土的有效应力原理和一维固结理论，比奥（Biot）建立了土骨架压缩和渗透耦合理论，为近代土力学的发展提供了理论依据[1]。太沙基在1925年发表的《土力学》是最早系统论述土力学体系的著作，也是土力学形成一门独立学科的标志。因而在庞大的力学家族中，土力学还是一个较年轻的成员，这种情况是与上述土体本身的特性有关的。

（二）土力学与其他力学学科的比较

在力学家族中，理论力学将对象理想化为刚体，材料力学将对象理想化为线弹的固体，连续介质力学将对象理想化为均匀的连续介质。这种理想化的连续介质，对土体来说，仍嫌粗糙。土由不连续的固体颗粒、液体和气体三相组成，固体颗粒的矿物成分、粗细、形状、级配、密度及构造，土粒间孔隙中水与气体的比例及形态都对土的力学性质有很大的影响。原状土一般是不均匀的、各向异性的，有一定的胶结性或特定的结构性。因而重复性极少，严格地讲，世界上没有性质完全相同的两种原状土，因此土体材料有别于其他连续材料。土力学与其他力学学科的比较见下表1所示。

（三）土力学是一门以试验为基础的学科

土力学属于比较感性的学科，要求学生对土性的理解是基于他们观察土、触摸和利用试验工具测试土，不断接触多种土类，了解多种状态下土的变化，最后形成土性的基本概念[4]。可以说土力学是以试验为基础的一门学科，试验奠定了土力学的基础。在土力学中，很多土力学机理或原理都是在试验的基础上推导出来的。库仑通过直接剪切试验得到的库仑公式，成为土的强度理论基础；太沙基通过固结试验总结出现代土力学的有效应力原理和土的固结理论；达西通过沙土的定水头试验揭示了土的渗透基本规律，即达西定律[12]。在土力学课程中以试验为基础的土力学机理或基本原理见下表2。

（四）假设条件多

由于土体是一种非连续、非均质的各向异性体，导致土体物理力学性质比较复杂。对于过于复杂的问题，我们在研究时通常需要先对其进行简化，先从简单的入手，最后再了解复杂的。因此，在对土体进行研究时，我们要对复杂问题进行简单化，也就是会提出一些假设条件，再运用物理数学理论进行推导，得到土力学的理论计算公式。在土力学课程中，基本上从头到尾都穿插着假设条件。

1.土的三相图假设

土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为土的三相比例指标。土的三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。为了推导土的三相比例指标，通常把在土体中实际上是处于分散状态的三相物质（图2-a）假设理想化地分别集中在一起，构成理想的土的三相图（图2-b）模型。

2.渗流模型假设

在土力学中为了阐述达西定律的机理，在对水在土中的渗流模型进行了一些简化和假设。由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹很不规则（图3-a）。如果只着眼于这种真实渗流情况的研究，不仅会使理论分析复杂化，同时也会使试验观察变得异常困难。考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，因而可以对渗流作出一些简化和假设：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。

作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，称之为渗流模型（图3-b）。为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，还应该符合以下要求：①同一过水断面，流量相等；②任一界面，压力相等；③相同体积内，阻力相等。

有了简化和假设后的理想渗流模型，就可以采用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析计算。

3.土中应力计算的假设

地基土中附加应力是由于外荷载作用，在地基中产生的应力增量。目前计算土中应力的计算方法，主要是采用弹性力学公式，也就是把地基土视为均匀的、各向同性的半无限弹性体。在竖向集中力作用下土中应力计算时，借用了固体力学中的布辛涅斯克解，为此，在土力学课程中作了两点基本假设：①地基是均质、线性变形的半无限体；②不考虑基础刚度对基底压力分布的影响。

4.地基沉降计算中的基本假设

地基土的沉降变形计算是土力学需要解决的重要问题，当运用弹性理论法计算地基土最终沉降是基于布辛涅斯克课题的位移解，因此该方法假定了地基是均质、各向同性的、线弹性的半无限体；此外还假定基础整个底面和地基一直保持接触。

在我国工程中的地基最终沉降量的计算广泛使用分层总和法，该方法的基本假设条件有：①地基为半无限空间弹性体。可按弹性方法计算土中应力。②地基土在荷载作用下只产生竖向变形，不产生侧向膨胀。即相当于地基土在侧限条件下只产生竖向变形，可采用侧限压缩试验指标计算地基的沉降量。③采用基底中心点下的附加应力进行计算。

5.太沙基一维渗透固结理论基本假设

在土木工程设计中，我们不但需要预估建筑物基础可能产生的最终沉降量，而且需要预估建筑物基础达到某一沉降量所需的时间，亦即需要知道沉降与时间的变化过程。太沙基建立了饱和土体一维渗透固结模型对其进行研究，为了得到一维渗透固结理论，太沙基对饱和土体进行了六点基本假设：①土层是均质且完全饱和；②土颗粒与水不可压缩；③水的渗出和土层压缩只沿竖向发生；④渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；⑤压缩系数a是常数；⑥荷载均布，瞬时施加，总应力不随时间变化。

6.土压力计算时的基本假设

在计算挡土结构物上的土压力时，朗肯（Rankine）1857年从一点的应力状态出发提出了朗肯土压力理论，库仑（Coulomb）在1776年从楔形体的极限平衡状态的静力平衡条件出发提出了库仑土压力理论。

朗肯和库仑的土压力理论都是建立在一定的假设条件上进行的，其中朗肯土压力理论的假设条件有：①墙本身是剛性的，不考虑墙身的变形；②墙后填土延伸到无限远处，填土表面水平；③墙背垂直光滑（墙与垂向夹角为0，墙与土的摩擦角为0）。

库仑土压力理论的假设条件有：①墙后填土为均匀的无粘性土；②滑动土楔为一刚性体，本身无变形；③滑动破裂面为通过墙踵的平面。

7.瑞典圆弧法的假设

在对粘性土土坡稳定进行分析时，我们习惯采用瑞典圆弧法，该方法假定滑动面为圆柱面，截面为圆弧，滑动土体呈刚性转动，再利用滑动面上土体处于极限平衡条件下的受力情况进行理论分析的。

8.地基承载力计算的假设

不管是普朗特尔（Prandtl）的地基极限承载力计算公式，还是太沙基（Terzaghi）的地基极限承载力计算公式，都是假设土体没有质量的条件下建立的，各自还在其他的假设条件下，总结出地基承载力的计算公式。

由于土体具有碎散性、天然变异性和三相性的特点，导致土力学的计算公式的假设条件过多，涉及到土的强度、稳定、沉降、渗透等问题，如果我们深入的理解这些假设条件和适用范围，有助于对土体的特性的认识和掌握。

（五）经验公式和安全系数多

由于土体的碎散性、三相性和自然变异性，土力学中的很多问题，很难通过严密的数学物理推导得到精确的解答。因此，土力学至今仍处在发展完善过程之中，目前还在半经验半理论阶段，理论基础还不完善，在土力学中土的力学性质仍不能用单一模型来概括，导致经验公式仍在实际工程中处于主导地位，所以在土力学中经验公式很多。

土力学是由于工程需要而发展起来的一门学科，是一门与实际工程联系非常紧密的课程，许多理论都是建立在实际应用和实际经验的基础上。在工程中，往往先对所研究的对象进行受力分析、应力计算，得到临界状态的数值，而实际工程设计需要有一定的安全储备，如是我们将临界值再乘以或者除以一个安全系数后，作为工程设计的依据。因此，在土力学中，很多公式都有安全系数存在。

三、结论

（一）土是覆盖在地表上没有胶结或胶结很弱的天然三相碎散颗粒堆积物，是各向异性体，不连续体，非均质体，性质比较复杂，具有碎散性、三相性和自然变异性。

（二）土力学是一门古老而年轻的学科，以试验为基础，以碎散材料为研究对象，至今仍处在发展完善过程之中。土力学是一门与实际工程联系非常紧密的课程，具有假设条件多、经验公式多、安全系数多等特点。

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