土力學與生活中的為什么

郎煜華　柴華

摘 要 本文以為什么要挖地基、為什么削山地基比填坑的地基好、以及水往低處流山向低處滑等十個與生活相關(guān)問題的土力學解答為例，展示了小公式大理論的魅力，拓展了貼近生活的啟發(fā)式教學，增加了應用式互動教案。

關(guān)鍵詞 挖地基理由 小公式大理論 應用式互動教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

理工科本科教學的內(nèi)容往往顯得枯燥，如何開展貼近生活的啟發(fā)式教學，拓展應用式互動教案，增加教學中的情趣等問題是長久的課題。作者在長期的本科教研中著重開發(fā)積累與生活密切相關(guān)的問題，以科普的感覺在課堂實施應用式互動，取得了較好的效果，讓評教成績長期保持90分以上。

1為什么要挖地基

經(jīng)過工地現(xiàn)場，經(jīng)常會看到深深的基坑，普通人會有個問題是“為什么要挖地基？”土力學公式Po=P-rd可以解釋這個問題。式中Po為基底壓力，P為荷載，r為土的重度，d為地基深度，從公式可以看出地基深度越大，基底壓力越小，即挖地基可以有效較小建筑物對基礎(chǔ)的壓力。

2為什么削山的地基比填坑的地基好

在平整土地建設中經(jīng)常要削山或是填坑，普通人會有個問題是“削山的地基和填坑的地基有什么區(qū)別呢？”，土力學中有超固結(jié)比OCR=pc/p1，pc先期固結(jié)壓力，p1現(xiàn)有覆蓋土重，正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土的超固結(jié)比分別為OCR=1，OCR>1和OCR<1。削山的超固結(jié)土OCR>1，填坑的欠固結(jié)土OCR<1，故此削山的地基比填坑的地基好。

3水往低處流的評價公式是什么

為什么水往低處流？其簡單評價公式是什么？土力學中有公式i=△h/L，i為水力梯度，△h為高度差，L為流動距離，即水力梯度=高差/流程，有了高差△h就有水力梯度i，水就流動L，高差越大水力梯度越大，即水的能量越大。

4山向低處滑的評價公式是什么

山為什么向低處滑？淺顯的認識是知道有重力，具體評價公式是Fs=（cli+Gicos itan ）/（Gisin i），F(xiàn)s安全率，c土的粘聚力，li每個計算條帶寬度，Gi計算條帶重量， i條帶傾斜角度，即安全系數(shù)=抗滑力/滑動力，山上的土有了重量G，有了傾角 就有了向下滑動的趨勢，重量越大傾角越大則滑動力越大，安全系數(shù)越小。

5土和泥玩時加水多少合適

土和泥玩時加水少了和不成可以隨意拿捏的泥巴，加水多了又會成泥湯玩不成，里面是有科學原理的。土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)為半固態(tài)的界限含水量稱為塑限，用符號Wp表示，土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的界限含水量稱為液限，用符號WL表示，液限和塑限的差值稱為土的塑性指數(shù)（省去%符號），即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍，用符號Ip表示，即Ip=WL-Wp。

Ip含水量范圍內(nèi)的土即是可玩狀態(tài)的泥巴。

6深海壓力與地底下的壓力哪個大

經(jīng)常聽說深海壓力很大，與地底下的壓力相比較會怎樣呢？壓力的計算式 =rh， 為自重應力，r為密度，rw為水的密度，一般情況下，海水的密度取1.025？03kg/m3，淡水密度取1.000？03kg/m3。rs為土的密度，一般無機礦物顆粒的相對密度為2.6-2.8，h為深度。土的密度約為水密度的3倍，則相同深度地底下的壓力約比海底壓力至少大3倍。

7為什么趕工期提前竣工的土木工程質(zhì)量堪憂

地基固結(jié)度是指地基土層經(jīng)歷時間t所產(chǎn)生的固結(jié)變形量與最終固結(jié)變形量之比值，用以下公式表示：Uz=Sct/Sc，Uz為地基固結(jié)度，Sct是在某一時刻t的地基固結(jié)變形量，Sc是地基最終固結(jié)變形量，地基固結(jié)度的增大是需要時間的，即工程中的擾動土需要長達至少數(shù)十年的時間去達到最終固結(jié)，例如日本填海造機場的關(guān)西國際機場每年沉降數(shù)厘米，需要至少二十多年才能基本達到穩(wěn)定，而土木工程中機器碾壓的作用雖然可以縮短固結(jié)時間，但是距離達到最終固結(jié)度還有距離。所以不能盲目偏信提前竣工，良好的工程質(zhì)量需要時間。

8垂直的建筑物荷載為什么會在土中造成橫向變形

建筑物地基破壞形式主要是橫向剪切破壞，而上部荷載是垂直向的，土力學中的庫倫公式就是表述垂直力與橫向力的關(guān)系： =C+ tan ， 橫向剪切力，C粘聚力， 垂直荷載， 內(nèi)部摩擦角，即垂直力與橫向力呈正比，且與土的粘聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)。地基的傾斜、破壞，山體的滑動等等都與垂直力和橫向力有關(guān)。

9為什么堤壩會發(fā)生管涌

洪水期間堤壩會發(fā)生管涌的原因用以下土力學公式解釋：j=rwi，j滲流力，rw水的密度，i水力梯度，i=△h/L，△h水位高差，L流程。從上式可以看出，洪水期間水位高差增大，水力梯度增大，則滲流力增大，所以發(fā)生管涌的可能性增大。

10為什么建筑物加蓋不安全

樓房上部的加蓋為什么不安全？利用以下公式計算出導致樓房傾斜的偏心距和造成地基下沉的極限承載力增量即可，單側(cè)加蓋公式p=P/A（1？e/B）解釋的問題是偏心距，單側(cè)加蓋使偏心距e增大，偏心力矩增大，造成建筑物的傾覆。整層加蓋公式Pu=cNc+qNq+1/2rbNr解釋的問題是極限承載力。整層加蓋增大了重量，超過極限承載力則建筑物會傾斜下沉，在外部因素例如強降水、地震等的作用下，會產(chǎn)生危險后果。

以上總結(jié)了與生活密切相關(guān)的日常問題，皆可用土力學知識作科學解答，在課堂上的講解會增進學科魅力，增強學習動力及記憶。

基金項目：三峽大學教研基金土力學課程教學內(nèi)容改革研究與實踐J2011047。

參考文獻

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