土力學

土壤力學是應用土壤物理學和工程力學方法來研究土的力學性質的一門學科。土壤力學的研究對象是與人類活動密切相關的土和土體，包括人工土體和自然土體，以及與土的力學性能密切相關的地下水。奧地利工程師卡爾·太沙基​（德語）（1883年10月2日-1963年10月25日）首先採用科學的方法研究土力學，被譽為現代土力學之父。土力學被廣泛應用在地基、擋土牆、土工建築物、堤壩等設計中，是土木工程、岩土工程、工程地質學等工程學科的重要分枝。

比薩斜塔一個土壤變形的例子。

基本性質

三相組成

自然界的土是由岩石經風化、搬運、堆積而形成的。因此，母岩成分、風化性質、搬運過程和堆積的環境是影響土的組成的主要因素，而土的組成又是決定地基土工程性質的基礎。土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的，通常稱為土的三相組成，隨著三相物質的質量和體積的比例不同，土的性質也就不同。

固相

土的固相物質包括無機礦物顆粒和有機質，是構成土的骨架最基本的物質，稱為土粒。對土粒應從其礦物成分、顆粒的大小和形狀來描述。

礦物成分

土中的礦物成分可以分為原生礦物和次生礦物。原生礦物是指岩漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、雲母等。次生礦物是由原生礦物經過風化作用後形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化矽、粘土礦物以及碳酸鹽等。次生礦物按其與水的作用可分為易溶的、難溶的和不溶的，次生礦物的水溶性對土的性質有重要的影響。

粒度成分

粒組劃分

依據土的主要粒度成分大小，土可分為巨石、漂石、圓礫、砂土、粉土、黏土

粒度成分及其表示方法

1、表格法。2、累計曲線法。3、三角坐標法。

粒度成分分析方法

篩析

土透過穿過不同孔隙大小的篩，從量度殘留在不同篩上土的重量分析出土粒度分布。適用於土粒大小介於125mm至20um。

移液管法

小於75um的粉粒和粘粒難以分離，常以移管法和比重計法分析。移液管法是以土粒大小與水中下沉速度成正比。

比重計法

土粒的形狀

液相

土的液相是指存在於土孔隙中的水。按照水與土相互作用程度的強弱，可將土中水分為結合水和自由水兩大類。

模板

其中，根據電場作用力大小以及離顆粒表面遠近，結合水可分為強結合水和弱結合水。
（1）強結合水（吸著水）
其緊靠土壤顆粒表面，厚度＜0.003μm。它所受電場力很大，幾乎完全固定排列，因此性質接近固體，不傳遞靜水壓力。強結合水的冰點遠低於0℃，沸點大於100℃，密度為12-24kN/m³。當粘土只含強結合水時，呈固體堅硬狀態；當砂土只含強結合水時，呈散粒狀態。
（2）弱結合水（薄膜水）
指強結合水以外、電場作用範圍以內的水。 其厚度<0.5μm，密度為10-17kN/m³。弱結合水也受顆粒表面電荷所吸引成定向排 列於顆粒四周，但電場作用力隨著與顆粒距離增大而減弱，它是一種黏滯水膜，可以因電場引 力從一個土粒的周圍轉移到另一個土粒的周圍。即弱結合水膜能發生變形，但不因重力作用而流動。弱結合水的存在是黏性土在某一含水量範圍內表現出可塑性的根本原因。
自由水可分為：毛細水、重力水、氣態水以及固態水四種。
（1）毛細水
土體內部相互之間貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管。由於水和空氣分界面處彎液面上產生的表面張力作用，土中自由水從地下水位通過毛細管逐漸上升，形成毛細水。所以毛細水不僅受重力而且還受表面張力的支配。毛細水上升高度和速度取決於土的孔隙大小和形狀、顆粒尺寸和水的表面張力等，可用試驗方法或經驗公式確定。一般說來，粒徑大於2mm的顆粒可不考慮毛細現象；極細小的孔隙中，土粒周圍有可能被結合水充滿，亦無毛細現象。
（2）重力水
在透水土層中，重力水是存在於地下水位以下的地下水，對於土粒和結構物水下部分起浮力作用。在重力作用下能在土的孔隙中流動，對所流經的土體施加動水壓力。在土力學計算中，必須考慮到這種浮力及滲流的影響。
（3）氣態水
氣態水即水汽，對土的性質影響不大。
（4）固態水
當氣溫降至0℃以下時，液態水結冰為固態水。由於水的密度在4℃時最大，低於0℃ 的冰，體積膨脹，使基礎產生凍脹。寒冷地區基礎埋置深度要注意凍脹問題。

氣相

土的氣相是指填充在土的孔隙中的氣體，包括與大氣連通的和不連通的兩類。

有效應力

通過土粒接觸點傳遞的粒間應力，稱為土的有效應力，其影響土的剪切強度。有效應力不能直接測量。在飽和土中，有效應力（σ '）等於總應力（σ）減去孔隙水壓（u）：^[1]

${\displaystyle \sigma '=\sigma -u}$，

剪力強度

剪力強度（Shear strength）是土對縱向力抗性，其包含切面中土粒相互間的阻力，吸力和相扣。剪力強度大小受不同的因素影響，徑向有效應力，土粒大小分佈，土粒形狀，土中的液相。

${\displaystyle \tau _{f}=c'+\sigma '_{f}\tan {\phi '}}$，

${\displaystyle \tau _{f}}$，為剪力強度, ${\displaystyle c'}$，為有效凝聚力${\displaystyle \sigma '_{f}}$，為有效應力${\displaystyle \phi '}$，為內摩擦角。阻力系數${\displaystyle \mu }$與阻力角度的關係如下${\displaystyle \mu =\tan {\phi '}}$

實驗室測試

• 直剪試驗
• 三軸剪切試驗

承載強度

壓密理論

壓密（consolidation）指的是在荷載或其他因素作用下，土體孔隙中水分逐漸排出、體積壓縮、密度增大的現象。

滲透理論

滲流是流體在土孔隙中的流動

壓實理論

側向壓力

土坡的穩定性

本構模型

液化性質

參見

參考資料

1. Guerriero, V; Mazzoli, S. Theory of Effective Stress in Soil and Rock and Implications for Fracturing Processes: A Review. Geosciences MDPI. 2021, 11: 119. doi:10.3390/geosciences11030119.

外部連結

• 地質工程與測繪學院-土力學^{[失效連結]}