土力學(xué)視野下的自然奧秘

聶如松 郭一鵬 阮波 趙春彥

摘?要：土力學(xué)是以土為研究對(duì)象，研究土的基本物理性質(zhì)及強(qiáng)度、穩(wěn)定性、滲流的學(xué)科，以解決諸如飽和砂土液化、邊坡穩(wěn)定及地面沉降等工程問題，與人類社會(huì)發(fā)展和生活密切相關(guān)。自從人類改造、利用、適應(yīng)自然開始，大自然中有許多諸如毛細(xì)現(xiàn)象、管涌流砂、拱效應(yīng)等神奇的奧秘都被人們以土力學(xué)的思維巧妙利用和防治。教學(xué)中若能基于生活現(xiàn)象和案例，剖析現(xiàn)象與原理間的關(guān)系，不僅可使學(xué)生較易掌握理解基本原理，還可引導(dǎo)學(xué)生挖掘我國(guó)優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)、技藝及文化，對(duì)于增強(qiáng)文化自信、增強(qiáng)民族自豪感具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；工程問題；發(fā)展；人類社會(huì)；奧秘

中圖分類號(hào)：G42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

土力學(xué)是土木、交通、水利工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它以土為研究對(duì)象，研究土的基本物理性質(zhì)以及土體受力后的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的科學(xué)。土力學(xué)是門實(shí)踐性很強(qiáng)的科學(xué)，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合是學(xué)好土力學(xué)的關(guān)鍵。

人類在認(rèn)識(shí)、利用及改造自然的過程中，如利用泥土燒制瓦片蓋房防雨，夯土城墻以抵御侵襲和御寒，利用木樁建空中樓閣防潮和動(dòng)物騷擾等都包含了土力學(xué)強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形的三個(gè)基本問題，毛細(xì)現(xiàn)象、拱效應(yīng)、管涌、流砂等大自然神奇的奧秘都被人們以土力學(xué)的思維巧妙利用和防治?？梢园l(fā)現(xiàn)土力學(xué)與人類社會(huì)發(fā)展和生活息息相關(guān)，對(duì)土認(rèn)識(shí)越深刻，越能提高基礎(chǔ)設(shè)施的安全和可持續(xù)性，預(yù)防和減輕災(zāi)害影響，為社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。因此，本文將以生活視角去發(fā)掘土力學(xué)問題，以土力學(xué)的思維去辨析、理解大自然，以期土力學(xué)課程不再枯燥乏味，課堂也不會(huì)只有公式推導(dǎo)，而變成一門自然現(xiàn)象與工程實(shí)踐相結(jié)合的趣味課程，能更好地激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)熱情。

二、工程中的一些土力學(xué)問題

（一）飽和砂土液化現(xiàn)象

飽和砂土在動(dòng)荷載作用下失去原有強(qiáng)度而急劇變?yōu)橐后w狀態(tài)的現(xiàn)象叫砂土液化。郭桃明等［2］指出飽和砂土是指砂粒堆積成土的骨架和充滿砂礫孔隙間的水組成兩相。他介紹了三種飽和砂土的液化機(jī)理：

（1）當(dāng)?shù)叵滤蛔兓瘯r(shí)，飽和砂中的孔隙水壓力逐漸上升到等于或超過上覆有效壓力和土顆粒有效重力之和，飽和砂中的土顆粒將會(huì)上浮，表現(xiàn)為“沸騰”現(xiàn)象，將喪失全部承載力。

（2）流滑是指飽和砂在受到剪力影響時(shí)發(fā)生不可逆體積壓縮，當(dāng)未排水時(shí)，其孔隙水壓增加，有效應(yīng)力降低，產(chǎn)生流動(dòng)變形。

（3）液化現(xiàn)象主要發(fā)生在飽和無黏性土的固結(jié)不排水循環(huán)三軸、循環(huán)單剪、循環(huán)扭剪和循環(huán)試驗(yàn)中［3］。

（二）南水北調(diào)膨脹土渠段邊坡穩(wěn)定性研究

南水北調(diào)工程是長(zhǎng)江中下游、中游、西部三大骨干工程，中線渠道穿過“南陽(yáng)膨脹土”地區(qū)，是河南南陽(yáng)及其周邊地區(qū)一種具有類似地質(zhì)成因、地質(zhì)特征和基本力學(xué)特性的高塑性土，膨脹土屬于特殊土，易造成渠道邊坡失穩(wěn)［4］。

南陽(yáng)膨脹土的滑坡類型有兩種，一種是由裂隙發(fā)展形成的軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，另一種是沿不同土層交界面的緩傾角軟弱面滑動(dòng)［4］，這兩類滑動(dòng)都具有淺層、平緩和漸進(jìn)的特點(diǎn)。郭熙靈等［5］通過對(duì)南陽(yáng)膨脹土進(jìn)一步研究，揭示了南陽(yáng)膨脹土滑坡形態(tài)和滑坡機(jī)理。

土層的接觸面經(jīng)常是雨水入滲的一個(gè)阻滯帶，易造成活動(dòng)性礦物富集或滯留，形成一層膨脹性很強(qiáng)的黏土，造成邊坡強(qiáng)度下降，引發(fā)滑坡。

裂隙發(fā)展型滑移是指膨脹土在其脹縮作用下形成的不規(guī)則裂隙（或微裂隙）結(jié)構(gòu)，為水分侵入與外泄提供通道，導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而加速表土風(fēng)化；在剪切力影響下，裂隙也會(huì)沿剪切力最大方向快速擴(kuò)展，最終形成一個(gè)可能的滑移面。

（三）黃河三角洲地區(qū)地面沉降驅(qū)動(dòng)因素

地面沉降是在自然和人為因素下，由表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性沉降的一種現(xiàn)象。

近代黃河三角洲的地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，沉積特點(diǎn)獨(dú)特，人為開采方式多樣，造成了地表沉降的影響因素多，沉降機(jī)理復(fù)雜。學(xué)者從不同領(lǐng)域?qū)Φ孛娉两翟蜻M(jìn)行了系統(tǒng)分析。提出新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沉積物固結(jié)壓實(shí)和人類活動(dòng)等是造成黃河三角洲地面沉降的主要影響因素［67］。劉桂衛(wèi)等［8］通過對(duì)該地區(qū)地面沉降因素的研究，指出影響地面沉降因素主要有以下幾點(diǎn)。

（1）地表荷載增加對(duì)地面沉降的影響。地表荷載的增加主要為城鎮(zhèn)化和大型工廠的建設(shè)。該地區(qū)淺地層沉積物主要由細(xì)泥砂組成，下部為黏土質(zhì)粉砂，黏土質(zhì)粉砂軟弱易變，具有極大的壓縮性，地表荷載加大，必然會(huì)產(chǎn)生地面沉降。

（2）地下水開采對(duì)地面沉降的影響。地下水開采主要在井灌區(qū)，連年干旱，地下水過度開采，造成水位下降，有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體產(chǎn)生壓縮變形，引起地面沉降。

綜上所述，我們生活中存在著很多需要用土力學(xué)基本原理去解釋的現(xiàn)象，這些問題直接影響著社會(huì)的發(fā)展、人民的生活，若建設(shè)者以土力學(xué)的視野去辨析，一些問題將迎刃而解。怎么能做到這一技能，就需要我們留意生活中的一些現(xiàn)象，結(jié)合土力學(xué)基本知識(shí)，發(fā)掘內(nèi)在的聯(lián)系。

三、土力學(xué)視野下的大自然奧秘

（一）齊心協(xié)力抗壓力——土拱效應(yīng)

土拱效應(yīng)是指在土體發(fā)生不均勻位移或相對(duì)位移時(shí)，土中的應(yīng)力會(huì)重分布，導(dǎo)致一部分土體承受較大的壓力，而另一部分土體壓力減小，主要是通過土體的抗剪強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。

土拱效應(yīng)在地下結(jié)構(gòu)和地基工程中具有重要作用，如，在隧道、管道等的設(shè)計(jì)和施工中，土拱效應(yīng)可增加土體穩(wěn)定性，減少土體變形和沉降。

然而土拱效應(yīng)并不是在所有情況下都能發(fā)生，它需要滿足一定的條件：①土體之間存在不均勻變形；②具有兩個(gè)拱腳［9］。

土拱效應(yīng)可增加土體承載能力和穩(wěn)定性，合理利用土拱效應(yīng)可提高工程安全及經(jīng)濟(jì)性。

（二）毛細(xì)現(xiàn)象的神奇魔力

毛細(xì)現(xiàn)象是液體在細(xì)小孔隙或細(xì)管中上升或下降的現(xiàn)象，具有許多神奇的特性和應(yīng)用。

（1）水分上升：毛細(xì)現(xiàn)象是植物根系吸收水分的重要機(jī)制。當(dāng)植物根系中的水分被蒸騰消耗時(shí)，毛細(xì)現(xiàn)象使得土體中的水分能夠通過細(xì)小的毛細(xì)管或孔隙上升到植物的根部，從而滿足植物需求。

（2）毛細(xì)管作用：毛細(xì)現(xiàn)象在許多工程和科學(xué)領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。如，在液體中的細(xì)小管道中，毛細(xì)現(xiàn)象可影響液體的流動(dòng)性能和分布，這在微流體技術(shù)和化學(xué)分析中具有重要應(yīng)用。

（3）地下水運(yùn)移：毛細(xì)現(xiàn)象在地下水運(yùn)移中也起著重要作用。當(dāng)土體中存在細(xì)小孔隙時(shí)，毛細(xì)現(xiàn)象可以促使地下水在孔隙中上升或下降，影響土體的水分分布和地下水的補(bǔ)給和排泄。

毛細(xì)現(xiàn)象的神奇魔力不僅在科學(xué)研究中具有重要意義，通過深入理解毛細(xì)現(xiàn)象的原理和特性，我們就能更好地利用和控制這一現(xiàn)象，從而推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和解決實(shí)際問題。

（三）強(qiáng)身健體，加筋土的奧秘

加筋土是一種土工材料，通過在土體中添加筋材增強(qiáng)土體的力學(xué)性能。類似于人體強(qiáng)身健體的原理，加筋土的奧秘可從以下幾個(gè)方面解釋：

（1）增加土體強(qiáng)度：加筋土中的筋材可承擔(dān)部分水平荷載，減輕土體的承載力，同時(shí)還可增加土體的抗拉強(qiáng)度。

（2）提高土體抗變形能力：加筋土中的筋材可以限制土體變形，防止土體沉降和側(cè)向位移。此時(shí)，筋材的作用類似于人體的骨骼，能夠增加土體的剛度和穩(wěn)定性，提高土體的抗變形能力。

（3）增加土體耐久性：加筋土中筋材可有效抵抗土體收縮和膨脹，減少土體開裂和變形。

（4）提高土體抗震性能：加筋土中筋材可有效地分散和吸收地震荷載，提高土體抗震性能。此時(shí)，筋材的作用類似于人體肌肉，能夠吸收和分散外部沖擊力，減輕土體震動(dòng)響應(yīng)。

加筋土通過增加土體強(qiáng)度、提高土體抗變形能力、增加土體耐久性和提高土體抗震性能，實(shí)現(xiàn)土體的強(qiáng)身健體，這種材料被廣泛應(yīng)用于提高土體力學(xué)性能中。

綜上所述，大自然是神秘、有趣、充滿挑戰(zhàn)和探索的。若能在教學(xué)中將枯燥無味的土力學(xué)基本原理以這些有趣的現(xiàn)象展示，課堂將變得活躍，學(xué)生“抬頭率”將得到改善，學(xué)生將會(huì)變得更愛發(fā)言，這樣以“學(xué)生為主”的教育理念將更能得到體現(xiàn)，而不是“滿堂灌”［10］。

四、類似的自然奧秘

（一）千里之堤，潰于蟻穴

“千里之堤，潰于蟻穴”是一句成語，強(qiáng)調(diào)小問題積累能導(dǎo)致大問題發(fā)生的道理?！扒Ю镏蹋瑵⒂谙佈ā迸c土力學(xué)之間存在一定的聯(lián)系，堤壩的崩潰是由于螞蟻不斷咬壞堤壩，導(dǎo)致堤壩強(qiáng)度逐漸降低，最終無法承受水壓力而崩潰，這個(gè)過程可以用土力學(xué)中的一些概念來解釋。

首先，堤壩的強(qiáng)度是一個(gè)重要的因素。堤壩需要具備足夠的強(qiáng)度來承受水壓力和其他外力。土體性能易受服役環(huán)境的影響，極發(fā)生脹縮、開裂、管涌等病害，若堤壩強(qiáng)度不夠，會(huì)發(fā)生破壞；若堤壩穩(wěn)定性不夠，易發(fā)生滑坡、崩塌等現(xiàn)象。

因此，從土力學(xué)的角度來看，“千里之堤，潰于蟻穴”可以理解為堤壩的強(qiáng)度、穩(wěn)定性受到了微小影響，但最終崩潰，提醒我們?cè)趯?shí)際工程中需重視細(xì)節(jié)，及時(shí)采取措施，保障結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定和安全。

（二）路基穩(wěn)固防護(hù)新盔甲——預(yù)應(yīng)力路基

預(yù)應(yīng)力路基是一種新型的路基穩(wěn)固防護(hù)技術(shù)，類似于木桶上的“箍”，通過在路基中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來增強(qiáng)路基的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。其奧秘可以從以下幾個(gè)方面解釋：

①增強(qiáng)路基強(qiáng)度：采用預(yù)應(yīng)力鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼束來施加預(yù)壓力，使路基處于預(yù)箍狀態(tài)，可有效地增強(qiáng)路基的抗彎和抗剪能力，提高路基的強(qiáng)度和承載能力。

②控制路基變形：施加的預(yù)壓力可有效限制路基變形，防止路基沉降和側(cè)向位移，有效提高路面的平整度和穩(wěn)定性，減少路面的裂縫。

③提高路基的耐久性：預(yù)應(yīng)力路基可有效抵抗路基脹縮，減少路基開裂和變形，能提高路基的抗沖刷和抗侵蝕能力，延長(zhǎng)路基的使用壽命。

④增強(qiáng)路基抗震性能：通過施加預(yù)壓力，使路基處于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，能有效分散和吸收地震荷載，提高路基抗震性能，保障道路的安全性和穩(wěn)定性。

若能有效利用預(yù)應(yīng)力路基，可提高路基的力學(xué)性能和工程質(zhì)量。

（三）土顆粒與水的“二人轉(zhuǎn)”——有效應(yīng)力原理

土顆粒與水之間的相互作用可以通過有效應(yīng)力原理解釋。有效應(yīng)力原理認(rèn)為，土體中的有效應(yīng)力是由兩部分組成的：孔隙水壓力和有效應(yīng)力。

孔隙水壓力是指土體中的水分所產(chǎn)生的壓力，孔隙水壓力會(huì)降低土顆粒之間的有效力，使土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。當(dāng)孔隙水壓力較大時(shí)，土體會(huì)變得松散，容易發(fā)生液化和流動(dòng)。

有效應(yīng)力是指土顆粒之間的實(shí)際有效力，有效應(yīng)力是土體的抗剪強(qiáng)度主要來源，決定了土體的穩(wěn)定性和承載能力。

根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)土體中的孔隙水壓力增加時(shí)，土顆粒之間的有效力會(huì)減小，導(dǎo)致土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。相反，當(dāng)孔隙水壓力減小時(shí)，土顆粒之間的有效力會(huì)增加，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性會(huì)提高。

有效應(yīng)力、孔隙水壓力兩者此消彼長(zhǎng)，又相互依存，他們的關(guān)系如同“二人轉(zhuǎn)”。

綜上所述，我們以土力學(xué)的觀點(diǎn)去觀察自然，發(fā)現(xiàn)自然中的科學(xué)、藝術(shù)以及哲思，這對(duì)我們?nèi)松^、價(jià)值觀的擴(kuò)展和夯實(shí)將具有重要的意義，此外，若能借此案例引導(dǎo)學(xué)生深挖祖輩留下的經(jīng)驗(yàn)、技藝以及文化，對(duì)于增強(qiáng)文化自信、增強(qiáng)民族自豪感將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)語

大自然是充滿魔力和奧秘的，大自然中有許多與土力學(xué)基本原理相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。從古至今，人們一直致力于研究這些現(xiàn)象背后的原因，慢慢就形成了體系，最終形成了現(xiàn)在的土力學(xué)。土力學(xué)的載體是土，而土的性質(zhì)與我們?nèi)祟愑性S多異曲同工之妙，若能以自然之美去研究土力學(xué)，許多問題將迎刃而解。同時(shí)，在教學(xué)中若能基于生活現(xiàn)象和案例，剖析現(xiàn)象與原理間的關(guān)系，除了使學(xué)生可以較易掌握理解基本原理外，還可引導(dǎo)學(xué)生挖掘我國(guó)優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)、技藝及文化，對(duì)于增強(qiáng)文化自信、增強(qiáng)民族自豪感具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊進(jìn)良主編．土力學(xué)（第二版）［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［2］郭桃明，李德武，董博.砂土液化現(xiàn)象研究現(xiàn)狀及存在的問題［J］.四川建筑，2007，117（05）：7880.

［3］吳世明.土動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［4］李青云，濮家騮，包承綱．非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法論［J］．工程力學(xué)，2000（增刊）：395399．

［5］郭熙靈，李青云，程展林，等.南水北調(diào)中線工程若干土力學(xué)問題研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2008，34（01）：3537.

［6］別君，黃海軍，樊輝，等.現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降及其原因分析［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2006，26（4）：2935.

［7］秦偉穎，莊新國(guó)，黃海軍.現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)地面沉降的機(jī)理分析［J］.海洋科學(xué)，2008，32（8）：3843.

［8］劉桂衛(wèi)，黃海軍，杜廷芹，等.黃河三角洲地區(qū)地面沉降驅(qū)動(dòng)因素研究［J］.海洋科學(xué)，2011，35（08）：4350.

［9］譚可源.剛性樁復(fù)合地基土拱效應(yīng)的研究.中國(guó)公路學(xué)會(huì).第七屆中國(guó)公路科技創(chuàng)新高層論壇［C］.北京：人民交通出版社，2015.

［10］郭一鵬，胡敏，趙春彥.課程思政在土力學(xué)教學(xué)中的融合與設(shè)計(jì)［J］.教育現(xiàn)代化，2021，8（100）：144146.

基金項(xiàng)目：中南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（160160001）；長(zhǎng)沙理工大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（XJG20061）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（HNJG20230097，HNJG20230337），長(zhǎng)沙理工大學(xué)線下金課（水文地質(zhì)）；湖南省學(xué)位與研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2023JGSZ082）

作者簡(jiǎn)介：聶如松（1980—?），男，湖南衡陽(yáng)人，博士，副教授，從事鐵路路基和橋梁樁基礎(chǔ)方面的教學(xué)和科研工作。