土壤力學
soil mechanics
土壤力學研究力學和水力學原理在土方工程上的應用。土壤力學的發展可追溯到18世紀後半葉。1773年法國物理學家庫侖(charles-augustin de coulomb)發表有關土壓力的理論；1857年，蘇格蘭工程師蘭金(william rankine)提出土質量平衡理論。這兩種經典理論雖然都未考慮到土壤的內聚力，但迄今仍是估算土壓力方法的理論基礎。1925年德國工程師特爾札吉(karl terzaghi)發表討論在外壓力下黏土壓實率的數學研究報告，解釋了全漬水黏土沉積物沉陷的時滯現象，同時創用土壤力學一詞。土壤的重要工程性質包括﹗內摩擦力(土壤抗滑坍的阻力，砂礫的內摩擦力大於黏土)、內聚力(也起防滑作用，起因於土壤顆粒間的相互吸引力，與濕度有明顯關係，黏土內聚力極高，但砂礫幾乎無內聚力)、壓縮性(具壓縮性的土壤可藉滾、夯、震等方法增加其密實度，提高其密度及持重能力)、彈性(彈性土壤不宜作為路基，因車輛經過時土壤的往復變形使路面破壞)、透水性(土壤易透水時，鼕季的凍融交替和夏季的乾濕循環均會影響土粒的密實度)、毛細作用(在黏土中，水汽可藉毛細作用上升9公尺〔30遲〕)等；此外，密度、穩定性和固結性也常要加以測量。
為了獲得與工程有關的土壤資料，必須進行土壤調查，這包括現場研究和實驗室測試。可靠的地下岩層資料必須通過鑽探才能獲得。地基用來分散其本身、上層建築及其他作用力所産生的荷載以便避免土壤産生過度的應力，導致建築物的不均勻沉陷和破裂。地基建築分擴展式地基和深地基兩種。擴展式地基有放寬式底腳(底腳主要用於支撐各個支柱或承重墻)、筏基(一般由粗鋼筋混凝土板組成，位於整個建築物或主要部位之下，可將荷載廣為分散)、浮基(浮基為箱形構造，即挖土至一定深度，使起出的土方重等於建築物總重，這樣建築物的接觸壓力大體上等於原來土體的壓力)。深地基有樁基(樁子打入地下，樁基又分端承樁和摩擦樁)和沉箱樁(比樁基大，需要就地挖坑設模建造，一般都澆灌混凝土)兩種。
工程用的邊坡包括公路或鐵路路塹、河壩、露天礦、壕溝、工礦廢料堆、防洪堤、土質水壩，以及公路、鐵路和機場的填方。在重力和摩擦力、內聚力及其他約束力的作用下，表土顆粒保持靜態平衡。由於種種原因使這種靜態平衡被破壞時，即發生滑坡。邊坡的安全係數(約束力與誘動力之比)一般采用1.5∼2.0.要提高邊坡的穩定性，首先要改善排水狀況，並應防止水分進入土層；此外可栽種樹木和整平坡面。這種邊坡穩定方法也適用於各種堤。水庫或導流用的堤壩更要註意防水性能，滲漏可影響堤壩的結構穩定性。壩心采用不透水材料，以減少滲水；坡面為透水材料，但應能防止水流衝刷；壩心及坡面間的過渡區則采用中間粒度的材料，以防中心細質材料隨滲水側嚮漏失。
道路、公路、機場跑道和滑行道都需鋪設路面，一般是鋪設在自然土層上或填方上。根據其荷載分散方式，路面分剛性和柔性兩種。前者抗撓強度大，可使集中荷載分散在較大的支撐面上，一般直接在路基上或沙石基層上用水泥混凝土構築。柔性路面的抗撓強度弱，但須設計足夠的厚度，路基應力較低，這種路面由顆粒材料的基層和碎石瀝青結構的防磨層組成。地下坑道的開鑿方法分堅岩開鑿法、軟土開鑿法、沉管法和隨挖隨填法。堅岩開鑿絶大部分采用鑽眼爆破技術，也有利用隧道全斷面掘進機的。軟土開鑿較多使用隧道掘進機。若隧道要通過硬貼土時，可采用襯砌板法；施工時可利用壓縮空氣技術，但這衹適用於直徑較小的隧道。此外還可采用盾構開鑿。沉管法最適用於開鑿水下隧道。隧道外殼用加強鋼筋混凝土預先建造，然後運至預定水面，放沉後連接。隨挖隨填開鑿法常用於地道工程，尤其適用於淺層隧道。 |