土的主要特征與土力學課程特點

王亞軍++李元松++王章瓊

摘 要：土力學是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課和必修課，也是學習后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。由于土體的特殊性，使得土力學知識點瑣碎、繁雜，概念抽象、難以理解。為方便學生更好的掌握土力學的知識內(nèi)容，論文對土的碎散性、三相性和自然變異性進行了詳細闡述，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了土力學課程的特點，認為土力學是一門以試驗為基礎(chǔ)，以碎散材料為研究對象的古老而年輕的學科，具有假設(shè)條件多、經(jīng)驗公式多、安全系數(shù)多等特點。

關(guān)鍵詞：土力學；三相性；基本假設(shè)

土力學是將土作為建筑物地基、建筑材料或建筑物周圍介質(zhì)來研究的一門學科，主要研究土的工程性質(zhì)以及土在荷載作用下的應(yīng)力、變形、強度以及滲透問題，為土木工程設(shè)計與施工提供土的工程性質(zhì)指標與評價方法、土的工程問題的分析計算原理，是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課和必修課[1]。同時，土力學也是學習后續(xù)地下結(jié)構(gòu)、地基處理、深基坑工程、基礎(chǔ)工程、邊坡工程、隧道工程、路基工程等后續(xù)其他專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)，對培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力，夯實學生的專業(yè)基礎(chǔ)具有舉足輕重的作用，也是學生工作后從事土木工作和科學研究的重要基礎(chǔ)。因此，土力學屬于土木工程專業(yè)知識體系和課程結(jié)構(gòu)的核心主干課程，其教學質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到高校土木工程領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]。

由于土體的特殊性，使得土力學課程具有理論性較強，理論推導及基本假設(shè)較多，知識點分散，內(nèi)容多、概念多、公式多，還具有明顯的不完善性，內(nèi)容跳躍性大、連貫性差等特點，而且土力學與工程實踐聯(lián)系緊密，強調(diào)實用性和技術(shù)性。因此，學生要學好土力學必須具備扎實的力學和其他相關(guān)專業(yè)課的知識，學生學習難度較大，學習興趣低，導致課程教學壓力大[2]。為了提高教學質(zhì)量和教學效率，教師應(yīng)研究該門課程的特點，采取科學有效的教學方法，引導學生更好的掌握課程要求的知識技能[3]。

許多學者和高校教師對土力學的特點及教學方法進行了探索和總結(jié)，對高質(zhì)、高效課堂進行了實踐與研究?；窘鉀Q了土力學知識點瑣碎、繁雜，概念抽象、難以理解的教學難點，對于課堂講授的土力學內(nèi)容相對枯燥，學生學習缺乏主動性的難題，也提出一些思考與對策[4-10]。本文對土的特性進行了詳細闡述，并在此基礎(chǔ)上詳細總結(jié)了土力學課程的特點，方便學生更好的掌握土力學的知識內(nèi)容。

一、土的主要特征

（一）碎散性

土是指地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長期的風化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物。

土是巖石風化或破碎的產(chǎn)物，是非連續(xù)體。巖石和土在其存在、搬運和沉積的各個過程中都在不斷風化。風化過程包括物理風化和化學風化。它們經(jīng)常是同時進行而且是互相加劇發(fā)展的進程。

物理風化是指巖石和土的粗顆粒受各種氣候因素的影響，導致體積脹縮而發(fā)生裂縫，或者在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎。于是巖體逐漸變成碎塊和細小的顆粒，粗的粒徑可以m計，細的粒徑可以在0.05mm以下，但它們的礦物成分仍與原來的母巖相同（原生礦物）。

物理風化后的土可以當成只是顆粒大小上量的變化。但是這種量變的積累結(jié)果使原來的大塊巖體獲得了新的性質(zhì)，變成了碎散的顆粒，如圖1巖石因物理風化作用破碎，在重力作用下向山腳堆積。顆粒之間存在著大量的孔隙，可以透水和透氣，這就是土的碎散性[11]。

圖1 巖石碎散呈顆粒

（二）三相性

母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素（如水、空氣以及溶解在水中的氧氣和碳酸氣等）的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物（次生礦物），稱為巖石的化學風化。

化學風化的結(jié)果，形成十分細微的土顆粒，最主要的為粘土顆粒（<0.005mm）以及大量的可溶性鹽類。微細顆粒的表面積很大，具有吸附水分子的能力。因此，自然界的土，一般都是由固體顆粒、水和氣體三種成分所構(gòu)成。這是土的三相性，其中，固相為土骨架，液相為水，氣相為空氣。

一般固體可保持固定的形狀，而一般液體不具有特定的形狀，而土的三相性使得土體具有一定但不固定的形狀。

（三）天然性

在自然界中，土的物理風化和化學風化時刻都在進行，而且相互加強。由于形成過程的自然條件不同，自然界的土也就多種多樣。同一場地不同深度處，土的性質(zhì)也不一樣。甚至同一位置的土，其性質(zhì)還往往隨方向而異。土是自然界漫長的地質(zhì)年代內(nèi)所形成的性質(zhì)復雜、不均勻、各向異性且隨時間而在不斷變化的材料[11]。土是自然界的產(chǎn)物，存在自然變異性，具有非均勻性，各向異性，時空變異性的特征，這是土的天然性。

二、土力學課程特點

（一）土力學是一門古老而年輕的學科

對于人類，土是最古老的材料之一?！八畞硗龄巍?，古代人類在與洪水的斗爭中，土是他們最原始的武器。在廣裹深厚的土層上，人類耕耘營造、生生不息，取得了關(guān)于土的豐富的知識和經(jīng)驗。

18世紀，有關(guān)土力學的第一個理論是1773年由庫侖（Coulomb）建立，后來由摩爾（Mohr）發(fā)展成為土的摩爾-庫侖強度理論，為土壓力、地基承載力和土坡穩(wěn)定分析莫定了基礎(chǔ)。1776年庫侖發(fā)表了建立在滑動土楔平衡條件分析基礎(chǔ)上的土壓力理論。1857年朗肯（Rankine）提出了建立在土體的極限平衡條件分析基礎(chǔ)上的土壓力理論。1856年達西（Darcy）通過室內(nèi)試驗建立了有孔介質(zhì)中水的滲透理論。1885年布辛涅斯克（Boussinesq）和1892年弗拉曼（Flamant）分別提出了均勻的、各向同性的半無限體表面在豎直集中力和線荷載作用下的位移和應(yīng)力分布理論。這些早期的著名理論奠定了土力學的基礎(chǔ)。

20世紀初，土力學繼續(xù)取得進展，普朗特爾（Prandtl）根據(jù)塑性平衡的原理，研究了堅硬物體壓人較軟的、均勻的、各向同性材料的過程，導出了著名的極限承載力公式。在這基礎(chǔ)上，太沙基（Terzaghi）、梅耶霍夫（Meyerhof）、魏克西（Vesic）和漢森（Hansen）等分別對普朗特爾的理論進行了修正、補充和發(fā)展，提出了各種地基極限承載力公式。費倫紐斯（Fellenius）提出了著名的瑞典圓弧法分析土坡的穩(wěn)定性。特別是太沙基建立了飽和土的有效應(yīng)力原理和一維固結(jié)理論，比奧（Biot）建立了土骨架壓縮和滲透耦合理論，為近代土力學的發(fā)展提供了理論依據(jù)[1]。太沙基在1925年發(fā)表的《土力學》是最早系統(tǒng)論述土力學體系的著作，也是土力學形成一門獨立學科的標志。因而在龐大的力學家族中，土力學還是一個較年輕的成員，這種情況是與上述土體本身的特性有關(guān)的。endprint

（二）土力學與其他力學學科的比較

在力學家族中，理論力學將對象理想化為剛體，材料力學將對象理想化為線彈的固體，連續(xù)介質(zhì)力學將對象理想化為均勻的連續(xù)介質(zhì)。這種理想化的連續(xù)介質(zhì)，對土體來說，仍嫌粗糙。土由不連續(xù)的固體顆粒、液體和氣體三相組成，固體顆粒的礦物成分、粗細、形狀、級配、密度及構(gòu)造，土粒間孔隙中水與氣體的比例及形態(tài)都對土的力學性質(zhì)有很大的影響。原狀土一般是不均勻的、各向異性的，有一定的膠結(jié)性或特定的結(jié)構(gòu)性。因而重復性極少，嚴格地講，世界上沒有性質(zhì)完全相同的兩種原狀土，因此土體材料有別于其他連續(xù)材料。土力學與其他力學學科的比較見下表1所示。

（三）土力學是一門以試驗為基礎(chǔ)的學科

土力學屬于比較感性的學科，要求學生對土性的理解是基于他們觀察土、觸摸和利用試驗工具測試土，不斷接觸多種土類，了解多種狀態(tài)下土的變化，最后形成土性的基本概念[4]?？梢哉f土力學是以試驗為基礎(chǔ)的一門學科，試驗奠定了土力學的基礎(chǔ)。在土力學中，很多土力學機理或原理都是在試驗的基礎(chǔ)上推導出來的。庫侖通過直接剪切試驗得到的庫侖公式，成為土的強度理論基礎(chǔ)；太沙基通過固結(jié)試驗總結(jié)出現(xiàn)代土力學的有效應(yīng)力原理和土的固結(jié)理論；達西通過沙土的定水頭試驗揭示了土的滲透基本規(guī)律，即達西定律[12]。在土力學課程中以試驗為基礎(chǔ)的土力學機理或基本原理見下表2。

（四）假設(shè)條件多

由于土體是一種非連續(xù)、非均質(zhì)的各向異性體，導致土體物理力學性質(zhì)比較復雜。對于過于復雜的問題，我們在研究時通常需要先對其進行簡化，先從簡單的入手，最后再了解復雜的。因此，在對土體進行研究時，我們要對復雜問題進行簡單化，也就是會提出一些假設(shè)條件，再運用物理數(shù)學理論進行推導，得到土力學的理論計算公式。在土力學課程中，基本上從頭到尾都穿插著假設(shè)條件。

1.土的三相圖假設(shè)

土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系稱為土的三相比例指標。土的三相比例指標反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標，也是工程地質(zhì)勘察報告中不可缺少的基本內(nèi)容。為了推導土的三相比例指標，通常把在土體中實際上是處于分散狀態(tài)的三相物質(zhì)（圖2-a）假設(shè)理想化地分別集中在一起，構(gòu)成理想的土的三相圖（圖2-b）模型。

2.滲流模型假設(shè)

在土力學中為了闡述達西定律的機理，在對水在土中的滲流模型進行了一些簡化和假設(shè)。由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復雜，導致滲流水質(zhì)點的運動軌跡很不規(guī)則（圖3-a）。如果只著眼于這種真實滲流情況的研究，不僅會使理論分析復雜化，同時也會使試驗觀察變得異常困難?？紤]到實際工程中并不需要了解具體孔隙中的滲流情況，因而可以對滲流作出一些簡化和假設(shè)：一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考慮土體中顆粒的影響，認為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。

作了這種簡化后的滲流其實只是一種假想的土體滲流，稱之為滲流模型（圖3-b）。為了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實的滲流相一致，還應(yīng)該符合以下要求：①同一過水斷面，流量相等；②任一界面，壓力相等；③相同體積內(nèi)，阻力相等。

有了簡化和假設(shè)后的理想滲流模型，就可以采用液體運動的有關(guān)概念和理論對土體滲流問題進行分析計算。

3.土中應(yīng)力計算的假設(shè)

地基土中附加應(yīng)力是由于外荷載作用，在地基中產(chǎn)生的應(yīng)力增量。目前計算土中應(yīng)力的計算方法，主要是采用彈性力學公式，也就是把地基土視為均勻的、各向同性的半無限彈性體。在豎向集中力作用下土中應(yīng)力計算時，借用了固體力學中的布辛涅斯克解，為此，在土力學課程中作了兩點基本假設(shè)：①地基是均質(zhì)、線性變形的半無限體；②不考慮基礎(chǔ)剛度對基底壓力分布的影響。

4.地基沉降計算中的基本假設(shè)

地基土的沉降變形計算是土力學需要解決的重要問題，當運用彈性理論法計算地基土最終沉降是基于布辛涅斯克課題的位移解，因此該方法假定了地基是均質(zhì)、各向同性的、線彈性的半無限體；此外還假定基礎(chǔ)整個底面和地基一直保持接觸。

在我國工程中的地基最終沉降量的計算廣泛使用分層總和法，該方法的基本假設(shè)條件有：①地基為半無限空間彈性體。可按彈性方法計算土中應(yīng)力。②地基土在荷載作用下只產(chǎn)生豎向變形，不產(chǎn)生側(cè)向膨脹。即相當于地基土在側(cè)限條件下只產(chǎn)生豎向變形，可采用側(cè)限壓縮試驗指標計算地基的沉降量。③采用基底中心點下的附加應(yīng)力進行計算。

5.太沙基一維滲透固結(jié)理論基本假設(shè)

在土木工程設(shè)計中，我們不但需要預估建筑物基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的最終沉降量，而且需要預估建筑物基礎(chǔ)達到某一沉降量所需的時間，亦即需要知道沉降與時間的變化過程。太沙基建立了飽和土體一維滲透固結(jié)模型對其進行研究，為了得到一維滲透固結(jié)理論，太沙基對飽和土體進行了六點基本假設(shè)：①土層是均質(zhì)且完全飽和；②土顆粒與水不可壓縮；③水的滲出和土層壓縮只沿豎向發(fā)生；④滲流符合達西定律且滲透系數(shù)保持不變；⑤壓縮系數(shù)a是常數(shù)；⑥荷載均布，瞬時施加，總應(yīng)力不隨時間變化。

6.土壓力計算時的基本假設(shè)

在計算擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力時，朗肯（Rankine）1857年從一點的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)提出了朗肯土壓力理論，庫侖（Coulomb）在1776年從楔形體的極限平衡狀態(tài)的靜力平衡條件出發(fā)提出了庫侖土壓力理論。

朗肯和庫侖的土壓力理論都是建立在一定的假設(shè)條件上進行的，其中朗肯土壓力理論的假設(shè)條件有：①墻本身是剛性的，不考慮墻身的變形；②墻后填土延伸到無限遠處，填土表面水平；③墻背垂直光滑（墻與垂向夾角為0，墻與土的摩擦角為0）。

庫侖土壓力理論的假設(shè)條件有：①墻后填土為均勻的無粘性土；②滑動土楔為一剛性體，本身無變形；③滑動破裂面為通過墻踵的平面。

7.瑞典圓弧法的假設(shè)endprint

在對粘性土土坡穩(wěn)定進行分析時，我們習慣采用瑞典圓弧法，該方法假定滑動面為圓柱面，截面為圓弧，滑動土體呈剛性轉(zhuǎn)動，再利用滑動面上土體處于極限平衡條件下的受力情況進行理論分析的。

8.地基承載力計算的假設(shè)

不管是普朗特爾（Prandtl）的地基極限承載力計算公式，還是太沙基（Terzaghi）的地基極限承載力計算公式，都是假設(shè)土體沒有質(zhì)量的條件下建立的，各自還在其他的假設(shè)條件下，總結(jié)出地基承載力的計算公式。

由于土體具有碎散性、天然變異性和三相性的特點，導致土力學的計算公式的假設(shè)條件過多，涉及到土的強度、穩(wěn)定、沉降、滲透等問題，如果我們深入的理解這些假設(shè)條件和適用范圍，有助于對土體的特性的認識和掌握。

（五）經(jīng)驗公式和安全系數(shù)多

由于土體的碎散性、三相性和自然變異性，土力學中的很多問題，很難通過嚴密的數(shù)學物理推導得到精確的解答。因此，土力學至今仍處在發(fā)展完善過程之中，目前還在半經(jīng)驗半理論階段，理論基礎(chǔ)還不完善，在土力學中土的力學性質(zhì)仍不能用單一模型來概括，導致經(jīng)驗公式仍在實際工程中處于主導地位，所以在土力學中經(jīng)驗公式很多。

土力學是由于工程需要而發(fā)展起來的一門學科，是一門與實際工程聯(lián)系非常緊密的課程，許多理論都是建立在實際應(yīng)用和實際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上。在工程中，往往先對所研究的對象進行受力分析、應(yīng)力計算，得到臨界狀態(tài)的數(shù)值，而實際工程設(shè)計需要有一定的安全儲備，如是我們將臨界值再乘以或者除以一個安全系數(shù)后，作為工程設(shè)計的依據(jù)。因此，在土力學中，很多公式都有安全系數(shù)存在。

三、結(jié)論

（一）土是覆蓋在地表上沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的天然三相碎散顆粒堆積物，是各向異性體，不連續(xù)體，非均質(zhì)體，性質(zhì)比較復雜，具有碎散性、三相性和自然變異性。

（二）土力學是一門古老而年輕的學科，以試驗為基礎(chǔ)，以碎散材料為研究對象，至今仍處在發(fā)展完善過程之中。土力學是一門與實際工程聯(lián)系非常緊密的課程，具有假設(shè)條件多、經(jīng)驗公式多、安全系數(shù)多等特點。

參考文獻：

[1]袁聚云、錢建固，張宏鳴，等.土質(zhì)學與土力學（第四版）[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]李麗民.土力學課程特點與教學措施[J].湖南科技學院學報，2014，35（5）：150-152.

[3]姚笑青.土力學課程特點與課堂教學方法探討[J].高等建筑教育，2007，16（4）：81-85.

[4]李廣信，呂禾，張建紅.土力學課程中的實踐教學[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23（12）：13-14.

[5]王安明，李小根，姜彤，等.土力學課程教學改革與實踐[J].華北水利水電學院學報（社科版），2009，25（4）：100-102.

[6]李紅霞，付立彬.土力學課程教學方法研究與應(yīng)用[J].高等建筑教育，2010，19（4）：84-87.

[7]李幻，張玉敏，王安明，等.土力學“一二三四”歸納法簡述[J].高等建筑教育，2011，20（2）：100-103.

[8]張衛(wèi)兵，唐蓮.土力學課程教學方法改革與實踐[J].高等建筑教育，2012，21（2）：42-44.

[9]王凱宏，徐有芳.對促進大學高效課堂形成的一點思考[J].河西學院學報，2012，28（3）：114-116.

[10]王鑒，王明娣.高效課堂的建構(gòu)及其策略[J].教育研究，2015，442（3）：112-118.

[11]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學[M].北京：清華大學出版社，1994.

[12]周莉，韓雪，楊海濤.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的土力學實驗教學模式改革與實踐[J].黑龍江高教研究，2014，239（3）：168-170.endprint