土壤力学
soil mechanics
土壤力学研究力学和水力学原理在土方工程上的应用。土壤力学的发展可追溯到18世纪后半叶。1773年法国物理学家库仑(charles-augustin de coulomb)发表有关土压力的理论；1857年，苏格兰工程师兰金(william rankine)提出土质量平衡理论。这两种经典理论虽然都未考虑到土壤的内聚力，但迄今仍是估算土压力方法的理论基础。1925年德国工程师特尔札吉(karl terzaghi)发表讨论在外压力下黏土压实率的数学研究报告，解释了全渍水黏土沉积物沉陷的时滞现象，同时创用土壤力学一词。土壤的重要工程性质包括﹗内摩擦力(土壤抗滑坍的阻力，砂砾的内摩擦力大于黏土)、内聚力(也起防滑作用，起因于土壤颗粒间的相互吸引力，与湿度有明显关系，黏土内聚力极高，但砂砾几乎无内聚力)、压缩性(具压缩性的土壤可藉滚、夯、震等方法增加其密实度，提高其密度及持重能力)、弹性(弹性土壤不宜作为路基，因车辆经过时土壤的往复变形使路面破坏)、透水性(土壤易透水时，冬季的冻融交替和夏季的乾湿循环均会影响土粒的密实度)、毛细作用(在黏土中，水汽可藉毛细作用上升9公尺〔30迟〕)等；此外，密度、稳定性和固结性也常要加以测量。
为了获得与工程有关的土壤资料，必须进行土壤调查，这包括现场研究和实验室测试。可靠的地下岩层资料必须通过钻探才能获得。地基用来分散其本身、上层建筑及其他作用力所产生的荷载以便避免土壤产生过度的应力，导致建筑物的不均匀沉陷和破裂。地基建筑分扩展式地基和深地基两种。扩展式地基有放宽式底脚(底脚主要用于支撑各个支柱或承重墙)、筏基(一般由粗钢筋混凝土板组成，位于整个建筑物或主要部位之下，可将荷载广为分散)、浮基(浮基为箱形构造，即挖土至一定深度，使起出的土方重等于建筑物总重，这样建筑物的接触压力大体上等于原来土体的压力)。深地基有桩基(桩子打入地下，桩基又分端承桩和摩擦桩)和沉箱桩(比桩基大，需要就地挖坑设模建造，一般都浇灌混凝土)两种。
工程用的边坡包括公路或铁路路堑、河坝、露天矿、壕沟、工矿废料堆、防洪堤、土质水坝，以及公路、铁路和机场的填方。在重力和摩擦力、内聚力及其他约束力的作用下，表土颗粒保持静态平衡。由于种种原因使这种静态平衡被破坏时，即发生滑坡。边坡的安全系数(约束力与诱动力之比)一般采用1.5∼2.0.要提高边坡的稳定性，首先要改善排水状况，并应防止水分进入土层；此外可栽种树木和整平坡面。这种边坡稳定方法也适用于各种堤。水库或导流用的堤坝更要注意防水性能，渗漏可影响堤坝的结构稳定性。坝心采用不透水材料，以减少渗水；坡面为透水材料，但应能防止水流冲刷；坝心及坡面间的过渡区则采用中间粒度的材料，以防中心细质材料随渗水侧向漏失。
道路、公路、机场跑道和滑行道都需铺设路面，一般是铺设在自然土层上或填方上。根据其荷载分散方式，路面分刚性和柔性两种。前者抗挠强度大，可使集中荷载分散在较大的支撑面上，一般直接在路基上或沙石基层上用水泥混凝土构筑。柔性路面的抗挠强度弱，但须设计足够的厚度，路基应力较低，这种路面由颗粒材料的基层和碎石沥青结构的防磨层组成。地下坑道的开凿方法分坚岩开凿法、软土开凿法、沉管法和随挖随填法。坚岩开凿绝大部分采用钻眼爆破技术，也有利用隧道全断面掘进机的。软土开凿较多使用隧道掘进机。若隧道要通过硬贴土时，可采用衬砌板法；施工时可利用压缩空气技术，但这只适用于直径较小的隧道。此外还可采用盾构开凿。沉管法最适用于开凿水下隧道。隧道外壳用加强钢筋混凝土预先建造，然后运至预定水面，放沉后连接。随挖随填开凿法常用于地道工程，尤其适用于浅层隧道。 |