淺談力學在土木工程中的應(yīng)用與發(fā)展

于添閏

在人類社會發(fā)展史上，土木工程起著舉足輕重的作用，而力學理論是一切建筑的構(gòu)造基礎(chǔ)，也是建筑施工必須考慮的因素。隨著土木工程技術(shù)的不斷進步，力學在土木工程中的作用也越來越明顯。施工技術(shù)的應(yīng)用涉及工程建設(shè)的每一個環(huán)節(jié)，以施工工程為例，無論是樁基還是深基坑支護，都需要用到力學技術(shù)的相關(guān)支持[1]。力學理論是一切建筑物的構(gòu)造基礎(chǔ)，是建筑施工不可缺少的基本原理，在土建工程中有著很好的應(yīng)用前景。力學理論的不斷發(fā)展可以檢驗土木工程技術(shù)實踐應(yīng)用的科學性，同時，在土木工程建設(shè)中遇到的疑難問題，也可以通過實踐研究探索新的力學理論，從而進一步推動力學取得突破。

1.力學概述

作為一門基礎(chǔ)性的學科，力學的推演規(guī)律具有普遍性，同時也為許多工程問題提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。力學也是一門技術(shù)學科，它提供了許多工程的技術(shù)原理、計算方法和測試程序。力本身就是物體之間的相互作用，當一個物體受到力量時，表明一定有另一個物體施加該力量，前者為受力體，后者為施力體。依據(jù)力的性質(zhì)和作用效果，可分為重力、摩擦力和電磁力幾大類，壓強、支承力和阻力是其中的三大類[2]。力學論的主要內(nèi)容是力的合成、分解和平衡，它貫穿于力學的整個過程，是相關(guān)學習的基礎(chǔ)。力學本身來源于生活，所以在實踐中可以用力學的方法簡化生活中的一些實際問題，并依據(jù)現(xiàn)實情況采取有效的解決措施。在土木工程中運用力學思想，不僅能保證施工過程中各個具體環(huán)節(jié)的質(zhì)量，而且能很好地解釋工程中的力學現(xiàn)象。

2.力學在土木工程中的應(yīng)用

在土建工程中合理應(yīng)用力學，不僅有利于提高工程的安全性能，而且可以保證施工結(jié)構(gòu)的完整性和明確性。同時，根據(jù)力學的理論基礎(chǔ)，在實施多方面的內(nèi)容拓展時，應(yīng)著重從建筑細節(jié)、建立力學知識體系、結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計理念，對建筑結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計理念，對工程施工各個階段的力的作用進行相應(yīng)的分析。

2.1 壓力

作為土木工程的基礎(chǔ)理論之一，壓力理論能夠應(yīng)用于土木工程設(shè)計和施工階段，它可以結(jié)合實際的工程案例明確指出項目施工需求，并在此基礎(chǔ)上制定出詳細的施工方案。除此之外，還能夠在施工過程中綜合考慮施工工藝和材料等因素，確定壓力理論在土木工程中的應(yīng)用價值。例如在實際施工過程中要進行施工材料的選擇，那么此時就需要用到一定的壓力知識，如在進行材料寬度和長度等內(nèi)容的時候要結(jié)合壓力知識，從而確定具體的施工步驟[3]。這些不僅能夠確保工程項目處于壓力范圍內(nèi)，同時還能夠直接影響施工質(zhì)量和效率。最后，需要注意的是，壓力系數(shù)也是衡量土木工程項目整體質(zhì)量的一個重要指標。

2.2 合力

就土木工程力學的應(yīng)用而言，在每一個環(huán)節(jié)上的不同作用力，都能起到很好的效果，而合力作為各種力的綜合作用，根據(jù)力學理論中的能量守恒定律，可以得到通過分析不同的力，可以產(chǎn)生合理的作用，這是土木工程力學中比較常見的原理。通過合理應(yīng)用合力理論，可以將施工過程中的大部分復(fù)雜情況簡化為簡單的綜合情況。例如，可以利用杠桿來移動沉重的建筑材料，可以利用科學的方法來減少無功消耗。另外，合力效應(yīng)可以直接影響材料，這樣不僅可以區(qū)分合力效應(yīng)，還可以使合力效應(yīng)現(xiàn)象趨于平衡，從而讓施工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的不同力學現(xiàn)象形成一個較為良好的互相制衡的形態(tài)，最終確保土木工程施工的整體穩(wěn)定性。

2.3 重力

重力理論是土木工程應(yīng)用中較為重要的理論之一，運用重力學理論，對土木工程的施工與設(shè)計具有較大的指導意義。利用重力有關(guān)的力學知識，可以科學地分析土木工程施工各階段的材料作用力，并根據(jù)現(xiàn)有的計算公式，對土木工程各階段進行合理設(shè)計，保證有關(guān)設(shè)計內(nèi)容滿足基本施工要求，還可以對施工過程中和施工結(jié)束后進行重力試驗。此外，在工程開始前對所用材料的采購還可以利用重力知識來監(jiān)測其性能，根據(jù)重力有關(guān)計算結(jié)果來選擇材料，從源頭保證施工安全和穩(wěn)定性。實踐中，還可以利用重力與反力的相互作用關(guān)系來指導施工運輸工作，使力能關(guān)系與功能關(guān)系得到有效調(diào)節(jié)[4]。簡言之，重力在土木工程中的應(yīng)用主要包括：可為土木工程實際施工提供核心質(zhì)量檢測；利用有關(guān)計算公式進行土木工程的科學設(shè)計；通過使用重力知識，可對施工所用的材料進行專業(yè)選擇；用重力和反力關(guān)系指導運輸，從而提高整體施工的穩(wěn)定性和安全性，確保土木工程施工高效、如期完成。

2.4 摩擦力

至于摩擦力，在土木工程中的應(yīng)用也相當廣泛，它所涉及的建筑工作主要表現(xiàn)在以下幾點：一方面土木工程中需要大量的滑輪，借助摩擦力來調(diào)整施工材料的運輸方向，對滑輪的受力情況進行綜合分析，以減少各種阻力因素的影響，避免各種不良現(xiàn)象，從而為土木工程的運輸工作提供幫助。但對于接觸作業(yè)，多數(shù)土木工程中還需要考慮到摩擦力的影響，摩擦力會使壓力面受壓增大，在實際施工中，合理使用摩擦力，可以大大提高土木工程的穩(wěn)定性。通過對土木工程中摩擦系數(shù)的調(diào)整，科學提高施工工藝和材料的利用率，強化成本控制，并有效確保施工企業(yè)的利益。

3.力學在土木工程中的發(fā)展

經(jīng)過幾百年，尤其是近代工業(yè)技術(shù)革命的洗禮，土木工程逐漸形成了一套較為完善的工程體系。施工項目日趨豐富，公路橋梁、高速鐵路、建筑工程等均可視為土木工程建設(shè)的重要內(nèi)容。而在這一過程中，土木工程建設(shè)的內(nèi)涵也日益豐富，前期勘察、施工準備、技術(shù)選擇、質(zhì)量監(jiān)督等各個環(huán)節(jié)，都成了控制與實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。從土木工程技術(shù)的角度看，由于工程結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，在土木工程施工中，為保證工程的完整性和科學性，必須遵循一定的力學原理，使土木工程在使用、安全等方面的基本性能不斷提高。土木工程力學技術(shù)在理論上主要有三個層次：材料力學、理論力學和結(jié)構(gòu)力學[5]。這三個力學板塊對應(yīng)地派生出相應(yīng)的土木工程力學施工管理技術(shù)。其中，材料力學技術(shù)主要涉及材料的形貌、穩(wěn)定性、強度等物理性質(zhì)，而理論力學技術(shù)主要涉及各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受力狀態(tài)下的平衡。結(jié)構(gòu)力學技術(shù)主要涉及土木工程中的受力規(guī)律和傳力規(guī)律，以及受力后的變形規(guī)律。從土木工程的發(fā)展來看，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是結(jié)合了建筑力學理論，二是廣泛應(yīng)用于建筑施工。

3.1 理論力學

建筑理論力學作為一門專門研究物體運動規(guī)律的學科，是包括靜力學、動力學和運動學在內(nèi)的一般力學的基礎(chǔ)。靜力學主要研究物體在受力達到平衡時所受各種作用力應(yīng)滿足的條件，同時也研究物體的作用力分析方法和力系的簡化；動力學主要研究物體的機械運動和作用力之間的關(guān)系；運動學主要從幾何角度研究物體的運動，而不是研究物體運動的原因。

3.2 固體力學

固態(tài)力學是研究剛體力學性質(zhì)的力學學科，它是專門探究固體在外力、變形和溫度影響下的行為，如材料力學、彈性力學和塑性變形力學。例如，單桿是材料力學研究的主要焦點。對于均質(zhì)、固體和各向同性固體，單桿的拉伸、彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)和剪切特性，以及剛度、強度和穩(wěn)定性的計算，包括分解、合成和力平衡。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，固體力學在土木設(shè)計中的應(yīng)用范圍越來越廣泛，圍觀模擬法和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模方法的應(yīng)用也得到了擴展。

3.3 流體力學

流體力學主要研究流體流動與平衡的機械運動規(guī)律，并應(yīng)用于工程實踐，包括物理浮力規(guī)律、附體穩(wěn)定液力平衡理論等。研究對象是流體，主要包括氣體和液體。在工業(yè)實踐中，流體力學逐漸發(fā)展起來。如我國的秦都江堰和古羅馬的水工系統(tǒng)，都是流體力學在土木工程中的成功應(yīng)用案例。流體力學在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用，使其不斷完善和發(fā)展。

4.結(jié)論

綜上所述，土木工程作為工程力學的外在表現(xiàn)形式，可以說是土木工程的靈魂所在，二者在發(fā)展過程中相互支撐、相互依存，最終形成不可分割的整體。如果沒有可靠的力學支持，那么就沒有辦法保證工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，也就不會出現(xiàn)讓人驚嘆的建筑作品。所以在行業(yè)未來的發(fā)展中，應(yīng)以土木工程的力學理論為研究對象，通過力學基礎(chǔ)知識的學習，把不同的力學理論應(yīng)用于不同的施工階段，這樣既能提高工程項目的穩(wěn)定性，又能在項目設(shè)計和成本控制方面取得很好的效果。今后建筑力學與力學原理的有效結(jié)合是必然的，它們彼此相互促進，相互發(fā)展，共同推進土木工程的發(fā)展與社會經(jīng)濟的繁榮。