土力学与岩土工程

1、岩土工程与土力学1,岩土工程的定义岩土工程又称土力工程学，大地工程学。主要研究泥土构成物质的工 程特性。是欧美国家于20世纪60年代在土木实践中建立起来的一种 新的技术体制。岩土工程是以求解岩体与土体工程问题， 包括地基与 基础。过程与地下工程问题，作为自己的研究对象，岩土工程师会研 究从工地采集的泥土样本和岩石样本中的数据， 然后计算工程上的建 筑所需的格构。同时，我们知道地上，地下和水中的各类工程统称土 木工程。土木工程中涉及岩石，土，地下，水中的部分称岩石工程。2,岩土工程的内容岩土工程基本术语标准定义为：“土木工程中涉及岩石和土的利 用、处理和改良的科学技术。”中国大百科全书定义为：“

2、土木工程的一个分支，以工程地质学、岩石力学、土力学与基础工程为理论基 础，涉及岩石和土的利用、整治和改造的一门技术科学。”也有专家定义为：“土木工程的一个分支，研究岩土体（包括其中的水）作 为支承体、荷载、介质或材料，必要时对其改良或治理的一门工程技 术。”以上表述方法虽不完全一致，但主要方面是相似或相同的。第 一、岩土工程是土木工程的一个分支；第二、研究对象是岩石和土， 包括岩土中的水；第三、是一门技术科学或工程技术。岩土工程的实践性很强，从工程实践角度，包括下列范围：（1） 岩 土作为支承体房屋建筑、道路、桥梁、堆场、大型设备等等，都建造在岩土上，岩 土作为地基，作为支承体，研究的主要问题

3、是承载力和变形问题。(2) 岩土作为荷载或自承体边坡工程、基坑工程、露天矿等地面开挖，隧道、地下洞室等地下 开挖，面临的是另一类稳定和变形问题。这时，岩土体担任的角色，既 可能是荷载，也可能是自承体。同时，地下水的控制常常具有举足轻 重的影响。(3) 岩土作为材料填方工程，特别是大面积高填方、填海造陆，要用大量岩土作为材料； 围堰、水坝、路堤等也用岩土为材料。这些工程除了研究其稳定和变 形外，岩土材料的选用和质量控制是主要问题。(4) 地质灾害的防治岩溶、塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害，对工程构 成严重威胁，防治工程必须针对具体条件和地质演化规律进行设计和 施工。场地和地基的地震

4、效应也是岩土工程的一部分。(5) 环境岩土工程地质和水文地质环境的评估、废弃物的卫生填埋、土石文物的保护等 等，都涉及复杂的环境岩土工程问题。随着人们对环境保护的重视， 人地和谐的认知，可持续发展方针的贯彻，环境岩土工程正日益受到 加大的重视。3,岩土工程的特点(1) 岩石的裂隙性岩石总是或稀或密、或宽或窄、或长或短地存在着各种裂隙，这是岩 石区别于混凝土的主要特点。这些裂隙有的粗糙，有的光滑；有的平直，有的弯曲；有的充填，有的不充填；有的产状规则，有的规律性 很差。裂隙的成因多种多样，有岩浆凝固收缩形成的原生节理，有沉 积间断形成的层理，有构造应力形成的构造节理，有表生作用形成的 卸荷裂隙和

5、风化裂隙，还有变质作用形成的片理、劈理等等，在岩石 中构成极为多样非常复杂的裂隙系统。人们将岩石和裂隙视为一个整 体称为“岩体”，将裂隙概化为“结构面”。显然，结构面是岩体中 最薄弱的环节。就力学性质而言，岩石的力学参数、结构面的力学参 数和岩体的力学参数有很大区别。搞清结构面的产状、参数和分布， 是岩土工程勘察设计的重点，也是难点。岩体中的地下水是沿着岩体中的裂隙和洞穴流动的，随着裂隙和洞穴的形态和分布的不同， 有 脉状裂隙水、网状裂隙水、层状裂隙水、洞穴水等不同的地下水类型2.岩土的三种特性岩土工程研究的对象是岩体和土体。岩体在其形成和存在的整个地质历史过 程中，经受了各种复杂的 地质作用

6、，因而有着复杂的结构和地应力场环境。 而不 同地区的不同类型的岩体，由于经历的地质作用过程不同，其工程性质往往具有 很大的差别。岩石出露地表后，经过 风化作用而形成土，它们或留存在原地，或 经过风、水及冰ji的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土层。 在各地质时期各地区 的风化环境、搬运和沉积的动力学条件均存在差异性，因此土体不仅工程性质复 杂而且其性质的区域性和个性很强。岩石和土的强度特性、变形特性和渗透特性都是通过试验测定。在室内试验 中，原状试样的代表性、取样过程中不可避免的扰动以及 初始应力的释放，试验 边界条件与地基中实际情况不同等客观原因所带来的误差， 使室内试验结果与地 基中岩土实际性

7、状发生差异。在原位试验中，现场测点的代表性、埋设测试元件 时对岩土体的扰动，以及测试方法的可靠性等所带来的误差也难以估计。二。土力学1.土力学的内容及其专业研究范围土力学是应用工程力学方法来研究土的力学性质的一门学科。土力学的研究对象是与人类活动密切相关的土和土体，包括人工土体和自然 土体,以及与土的力学性能密切相关的地下水。奥地利工程师卡尔太沙基(1883-1963)首先采用科学的方法研究土力学，被誉为现代土力学 之父。土力学被广泛应用在地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等设计 中，是土木工程、岩土工程、工程地质等工程学科的重要分枝。主要研究包括以下方面：研究土的渗透性和渗流；研究土体的应力-应

8、变和应力-应变-时间的本构关系，以及强度准则和理论；研究在均 布荷载或偏心荷载以及在各种形式基础的作用下，基础与地基土体 接触面上的和地基土体中的应力分布，地基的压缩变形及其与时间 的关系，以及地基的承载能力和稳定性；根据极限平衡原理用稳定 性系数评价天然土坡的稳定性和进行人工土坡的设计；计算在自重 和建筑物附加荷载作用下土体的侧向压力，为设计挡土结构物提供 依据；改进和研制为进行上述研究所必需的技术、方法和仪器设备。土体是一种地质体。这就决定了这一学科的研究工作必须采用在地质 学研究基础上的实验研究和力学分析方法。2土力学的发展历史和趋势18世纪中期以前，人类的建筑工程实践主要是根据建筑者的

9、经验进 行的。18世纪中叶至20世纪初期，工程建筑事业迅猛发展，许多学 者相继总结前人和自己实践经验，发表了迄今仍然行之有效的、多 方面的重要研究成果。例如法国的c.-a. de库仑发表了土压力滑动楔体理论（1773）和土的抗剪强度准则（1776）；法国的h.pg.达西在研究水在砂土中渗透的基础上提出了著名线性渗透定律（1856）；英国的w.j.m兰金分析半无限空间土体在自重作用下达到极限平衡状态时 的应力条件，提出了另一著名的土压力理论，与库仑理论一起构成 了古典土压力理论；法国的 j.v博西内斯克（1885）提出的半无限弹性 体中应力分布的计算公式，成为地基土体中应力分布的重要计算方 法；

10、德国的 o.莫尔（1900）提出了至今仍广泛应用的土的强度理论； 19世纪末至20世纪初期瑞典的a.m.阿特贝里提出了黏性土的塑性界 限和按塑性指数的分类，至今仍在实践中广泛应用。1925年奥地利的k.太沙基（又译特扎吉）出版了世界上第一部土力学，是土力学 作为一个完整、独立学科已经形成的重要标志，在此专著中，他提 出了著名的有效压力理论。此彳爰，在土的基本性质和动力特性、固结 理论和强度理论的研究，流变理论的应用，土体稳定性分析方法以 及试验技术和设备等方面都有很大的发展，使土力学得到进一步的 完善和提高。4发展趋势编辑由于土的性质是极其复杂的，因而 理论的发展是艰难的。关于土的理论，经过不

11、少学者的艰辛研究和探 讨，已取得不少成果，但进一步的发展还远没有结束。我认为，土力 学的发展少不了三样法宝：理论、试验、计算机。作为当今科技的驱 动器，计算机是不可或缺的，发展数值分析是土力学的一个研究方向。数学是一切自然学科的基石，数学的发展必将促进土力学的发展， 作 为一个工程师，扎实的数学功底是其巨大的优势。天然土是复杂的， 不可能按某种配方将其制作出来，因此数值模拟和理论分析不能解决所有问题，试验对土力学的发展是必不可少的，是相当重要的，经不 起实验检验的理论，即使再完美也是没有任何实际工程意义的。 只有 合理利用这三样法宝，土力学才能走得更远。高大建筑物、核电站以及近海石油探采平台等世界性地兴建，不断对土力学提出更高的 要求。裂隙对土体力学性能的控制性、非线性应力-应变的本构关系 以及新的测试技术和设备等方面的研究将会有新的进展。3.土力学的特点1.土的主要特点碎散性，岩石风化或破碎的产物。颗粒间存在大量的孔隙，可以透水 和透气；三相体系，土颗粒经过化学风化，形成非常细微，有粘性的 黏土颗粒，以及大量的可溶性盐类，细微颗粒的表面积比很大，具有 吸附水分子的能力，由作为土骨架的固体，流动于孔隙间的水。自然 变异性，在自然界中，土的物理风化和化学风化时刻都