巖土力學及其發展

【摘 要】巖體力學是近代發展較快的科學分支，巖體力學是在巖體結構控制論的基礎上，對巖體的力學性狀及其變形、位移及破壞過程和規律的研究。巖土力學的理論與方法又是學習專業課程與從事土木工程技術工作必需的基礎知識。

【關鍵詞】巖土力學；工程地質；土壓力；巖體

工程地質學是研究與工程建設有關的地質問題的科學。它的研究對象是地質環境與工程建筑二者相互制約、相互作用的關系，以及由此而產生的地質問題，包括對工程建筑有影響的工程地質問題，和對地質環境有影響的環境地質問題。它的任務是為各類工程建筑的規劃、設計、施工提供地質依據，以便從地質上保證工程建筑的安全可靠、經濟合理、使用方便、運行順利。

1.工程地質學與巖土力學的研究對象

工程地質學與巖土力學是將巖土作為建筑物的地基材料或介質來研究的一門學科，主要研究土的工程性質及土在荷載作用下的應力，變形和強度問題，為設計與施工提供土的工程性質指標與評論方法，土的工程問題的分析計算原理，是土木工程技術專業的技術基礎。

工程地質學從土的成因與成分出發，研究土的工程性質的本質與機理。對土的荷載，溫度及濕度等因素作用下發生的變化作出數量上的評價，并根據土的強度，變形機理提出改良土質的有效途徑。

2.巖土力學發展歷程

18世紀以前，許多土力學問題只憑借經驗解決。

1773-1776年，法國庫侖（Coulomb）根據試驗，提出了土的抗剪強度和土壓力和滑動土鍥理論，土力學進入古典理論時期1857年，朗肯（Rankine）從塑性應力場出發建立了新的土壓力理論。

1885年，法國辛納斯克（Roussinesq）求得半無限空間彈性體在豎向集中力作用下，全部6個應力分量和3個形變分量的理論解，為以后計算地基變形建立了理論基礎。

達西（Darcy，1856年）通過水在砂中的滲流試驗，建立達西公式，為以后研究滲流和固結理論打下了基礎。

1922年瑞典費倫紐斯（Fellenius）在處理鐵路滑坡問題時，提出了土坡穩定分析方法。

1925年，美國土力學家太沙基（Terzaghi）的“土力學”（Erdbaumec

hanik）出版，土力學進入了一個新的時期，使土力學成為一門獨立的學科。

為了總結和交流世界各國的理論和經驗，1936年國際土力學基礎工程學會成立，之后每4年召開一次國際土力學和基礎工程會議，推動了這門學科在世界范圍的發展。

1956年進入近代土力學時期。這是以美國科羅拉多州波德爾（Bouder，colorado）舉行的粘土抗剪強度學術會議以及英國正在開展的土應力—應變性質研究工作為時代的標志。

在以后的時間里，由于計算機的普及應用，促使土力學在基本理論、計算方法、室內和現場的試驗設備等諸多方面都取得了革命性的發展。

3.巖體工程地質力學的建立與巖體力學研究

巖體就是由結構面和結構體組合而成的。結構面按其延續的長短可以分級，但其形成則受巖石成因和后期地質構造變動的控制，因而其分布規律和形狀、寬度等可以通過地質力學加以分析。這樣他們就把地質力學與巖石力學結合起來對巖體結構加以分析，創立了一門新的分支學科：巖體工程地質力學。把巖體結構分為塊狀結構、鑲嵌結構、碎裂結構、層狀結構、層狀碎裂結構、散體結構等類型。不同結構類型的巖體其力學性質和變形破壞規律也不同。我國在軟弱、破碎巖體的研究方面也取得較大進展，例如斷層巖的分類及其物理力學特性和穩定性評價的研究；泥化夾層的物質與結構特征及其力學性質的研究；膨脹巖的膨脹機理和處理措施的研究等。

4.工程地質學與土力學的專業關系

工程地質學與土力學是一門研究土的工程問題的學科，是土木工程學科的一部分。土是一種自然地質歷史產物，是一種特殊的變形體材料，它既服從連續介質力學的一搬規律，又是其特殊的的應力——應變關系和特殊的強度，變形規律，形成了巖土力學不同于一般固體力學的分析方法和計算方法。巖體力學是近代發展較快的科學分支，巖體力學是在巖體結構控制論的基礎上，對巖體的力學性狀及其變形、位移及破壞過程和規律的研究。巖土力學的理論與方法又是學習專業課程與從事土木工程技術工作必需的基礎知識。

在路基工程中，土是修筑路堤的基本材料，同時它又是支撐路堤的地基。路堤的臨界高度和邊坡的取值都與土地抗剪強度指標及土體的穩定性有關；未了獲得具有一定強度和良好水穩定性的地基，需要采用碾壓的施工方法壓實填土，而碾壓的質量控制方法正是基于對土的擊實特性的研究成果；擋土墻設計的側向荷載——土壓力的取用需借助于土壓力理論計算；近年來，我國高速公路大量修建，對路基的沉降計算與控制提出了很高的技術要求，而解決沉降問題需要對土地壓縮特性進行深入的研究。

在路面工程中，土基的凍脹與翻漿在我國北方地區是非常突出的問題，防治凍害的有效措施也是以土質學的原理為基礎的；穩定土是比較經濟的基層材料，它就是根據土的物理化學性質提出的一種土質改良措施，目前深層攪拌水泥土樁在公路的軟基處理中就得到了廣泛應用；道路一般在車輛的重復荷載作用下工作，因此需要研究土在重復荷載作用下的變性特征，而抗震設計更需要研究土的動力特征。

在橋梁工程中，基礎工程常常是能否在預選橋址建橋的技術關鍵，基礎工程的造價占總造價的比重很大，經濟、合理的橋梁基礎設計需要依靠土力學基本理論的支持；對于超靜定的大跨度橋梁結構，基礎的沉降、傾斜或水平位移是引起結構過大次應力的重要因素；在軟土地區高速公路建設中的“橋頭跳車”是影響工程質量的技術難題，解決這一難題的技術關鍵在于如何處理好橋墩與高路堤之間沉降差，這涉及樁基和高路堤的沉降計算與控制、填土的碾壓質量控制以及軟基地加固處理等問題。我國蘇州的虎丘塔和意大利的比薩斜塔都是因為基礎的不均勻沉降造成塔身嚴重傾斜，危及了塔的安全。因此需要計算出不同時間的基礎沉降量，還需確定地基容許承載力。特別對于超靜定結構的橋梁更為重要。另外，橋臺背后的土壓力等，也需要應用土力學的方法進行計算。

【參考文獻】

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