淺談力學在土木工程中的應用與發(fā)展

于添閏

在人類社會發(fā)展史上，土木工程起著舉足輕重的作用，而力學理論是一切建筑的構造基礎，也是建筑施工必須考慮的因素。隨著土木工程技術的不斷進步，力學在土木工程中的作用也越來越明顯。施工技術的應用涉及工程建設的每一個環(huán)節(jié)，以施工工程為例，無論是樁基還是深基坑支護，都需要用到力學技術的相關支持[1]。力學理論是一切建筑物的構造基礎，是建筑施工不可缺少的基本原理，在土建工程中有著很好的應用前景。力學理論的不斷發(fā)展可以檢驗土木工程技術實踐應用的科學性，同時，在土木工程建設中遇到的疑難問題，也可以通過實踐研究探索新的力學理論，從而進一步推動力學取得突破。

1.力學概述

作為一門基礎性的學科，力學的推演規(guī)律具有普遍性，同時也為許多工程問題提供了理論依據(jù)和技術支持。力學也是一門技術學科，它提供了許多工程的技術原理、計算方法和測試程序。力本身就是物體之間的相互作用，當一個物體受到力量時，表明一定有另一個物體施加該力量，前者為受力體，后者為施力體。依據(jù)力的性質和作用效果，可分為重力、摩擦力和電磁力幾大類，壓強、支承力和阻力是其中的三大類[2]。力學論的主要內容是力的合成、分解和平衡，它貫穿于力學的整個過程，是相關學習的基礎。力學本身來源于生活，所以在實踐中可以用力學的方法簡化生活中的一些實際問題，并依據(jù)現(xiàn)實情況采取有效的解決措施。在土木工程中運用力學思想，不僅能保證施工過程中各個具體環(huán)節(jié)的質量，而且能很好地解釋工程中的力學現(xiàn)象。

2.力學在土木工程中的應用

在土建工程中合理應用力學，不僅有利于提高工程的安全性能，而且可以保證施工結構的完整性和明確性。同時，根據(jù)力學的理論基礎，在實施多方面的內容拓展時，應著重從建筑細節(jié)、建立力學知識體系、結合現(xiàn)代設計理念，對建筑結構進行創(chuàng)新設計，并結合現(xiàn)代設計理念，對工程施工各個階段的力的作用進行相應的分析。

2.1 壓力

作為土木工程的基礎理論之一，壓力理論能夠應用于土木工程設計和施工階段，它可以結合實際的工程案例明確指出項目施工需求，并在此基礎上制定出詳細的施工方案。除此之外，還能夠在施工過程中綜合考慮施工工藝和材料等因素，確定壓力理論在土木工程中的應用價值。例如在實際施工過程中要進行施工材料的選擇，那么此時就需要用到一定的壓力知識，如在進行材料寬度和長度等內容的時候要結合壓力知識，從而確定具體的施工步驟[3]。這些不僅能夠確保工程項目處于壓力范圍內，同時還能夠直接影響施工質量和效率。最后，需要注意的是，壓力系數(shù)也是衡量土木工程項目整體質量的一個重要指標。

2.2 合力

就土木工程力學的應用而言，在每一個環(huán)節(jié)上的不同作用力，都能起到很好的效果，而合力作為各種力的綜合作用，根據(jù)力學理論中的能量守恒定律，可以得到通過分析不同的力，可以產(chǎn)生合理的作用，這是土木工程力學中比較常見的原理。通過合理應用合力理論，可以將施工過程中的大部分復雜情況簡化為簡單的綜合情況。例如，可以利用杠桿來移動沉重的建筑材料，可以利用科學的方法來減少無功消耗。另外，合力效應可以直接影響材料，這樣不僅可以區(qū)分合力效應，還可以使合力效應現(xiàn)象趨于平衡，從而讓施工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的不同力學現(xiàn)象形成一個較為良好的互相制衡的形態(tài)，最終確保土木工程施工的整體穩(wěn)定性。

2.3 重力

重力理論是土木工程應用中較為重要的理論之一，運用重力學理論，對土木工程的施工與設計具有較大的指導意義。利用重力有關的力學知識，可以科學地分析土木工程施工各階段的材料作用力，并根據(jù)現(xiàn)有的計算公式，對土木工程各階段進行合理設計，保證有關設計內容滿足基本施工要求，還可以對施工過程中和施工結束后進行重力試驗。此外，在工程開始前對所用材料的采購還可以利用重力知識來監(jiān)測其性能，根據(jù)重力有關計算結果來選擇材料，從源頭保證施工安全和穩(wěn)定性。實踐中，還可以利用重力與反力的相互作用關系來指導施工運輸工作，使力能關系與功能關系得到有效調節(jié)[4]。簡言之，重力在土木工程中的應用主要包括：可為土木工程實際施工提供核心質量檢測；利用有關計算公式進行土木工程的科學設計；通過使用重力知識，可對施工所用的材料進行專業(yè)選擇；用重力和反力關系指導運輸，從而提高整體施工的穩(wěn)定性和安全性，確保土木工程施工高效、如期完成。

2.4 摩擦力

至于摩擦力，在土木工程中的應用也相當廣泛，它所涉及的建筑工作主要表現(xiàn)在以下幾點：一方面土木工程中需要大量的滑輪，借助摩擦力來調整施工材料的運輸方向，對滑輪的受力情況進行綜合分析，以減少各種阻力因素的影響，避免各種不良現(xiàn)象，從而為土木工程的運輸工作提供幫助。但對于接觸作業(yè)，多數(shù)土木工程中還需要考慮到摩擦力的影響，摩擦力會使壓力面受壓增大，在實際施工中，合理使用摩擦力，可以大大提高土木工程的穩(wěn)定性。通過對土木工程中摩擦系數(shù)的調整，科學提高施工工藝和材料的利用率，強化成本控制，并有效確保施工企業(yè)的利益。

3.力學在土木工程中的發(fā)展

經(jīng)過幾百年，尤其是近代工業(yè)技術革命的洗禮，土木工程逐漸形成了一套較為完善的工程體系。施工項目日趨豐富，公路橋梁、高速鐵路、建筑工程等均可視為土木工程建設的重要內容。而在這一過程中，土木工程建設的內涵也日益豐富，前期勘察、施工準備、技術選擇、質量監(jiān)督等各個環(huán)節(jié)，都成了控制與實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。從土木工程技術的角度看，由于工程結構的日益復雜，在土木工程施工中，為保證工程的完整性和科學性，必須遵循一定的力學原理，使土木工程在使用、安全等方面的基本性能不斷提高。土木工程力學技術在理論上主要有三個層次：材料力學、理論力學和結構力學[5]。這三個力學板塊對應地派生出相應的土木工程力學施工管理技術。其中，材料力學技術主要涉及材料的形貌、穩(wěn)定性、強度等物理性質，而理論力學技術主要涉及各種結構構件在受力狀態(tài)下的平衡。結構力學技術主要涉及土木工程中的受力規(guī)律和傳力規(guī)律，以及受力后的變形規(guī)律。從土木工程的發(fā)展來看，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是結合了建筑力學理論，二是廣泛應用于建筑施工。

3.1 理論力學

建筑理論力學作為一門專門研究物體運動規(guī)律的學科，是包括靜力學、動力學和運動學在內的一般力學的基礎。靜力學主要研究物體在受力達到平衡時所受各種作用力應滿足的條件，同時也研究物體的作用力分析方法和力系的簡化；動力學主要研究物體的機械運動和作用力之間的關系；運動學主要從幾何角度研究物體的運動，而不是研究物體運動的原因。

3.2 固體力學

固態(tài)力學是研究剛體力學性質的力學學科，它是專門探究固體在外力、變形和溫度影響下的行為，如材料力學、彈性力學和塑性變形力學。例如，單桿是材料力學研究的主要焦點。對于均質、固體和各向同性固體，單桿的拉伸、彎曲、壓縮、扭轉和剪切特性，以及剛度、強度和穩(wěn)定性的計算，包括分解、合成和力平衡。隨著計算機技術的發(fā)展，固體力學在土木設計中的應用范圍越來越廣泛，圍觀模擬法和復雜結構建模方法的應用也得到了擴展。

3.3 流體力學

流體力學主要研究流體流動與平衡的機械運動規(guī)律，并應用于工程實踐，包括物理浮力規(guī)律、附體穩(wěn)定液力平衡理論等。研究對象是流體，主要包括氣體和液體。在工業(yè)實踐中，流體力學逐漸發(fā)展起來。如我國的秦都江堰和古羅馬的水工系統(tǒng)，都是流體力學在土木工程中的成功應用案例。流體力學在油氣生產(chǎn)領域的深入研究和應用，使其不斷完善和發(fā)展。

4.結論

綜上所述，土木工程作為工程力學的外在表現(xiàn)形式，可以說是土木工程的靈魂所在，二者在發(fā)展過程中相互支撐、相互依存，最終形成不可分割的整體。如果沒有可靠的力學支持，那么就沒有辦法保證工程結構的穩(wěn)定和安全，也就不會出現(xiàn)讓人驚嘆的建筑作品。所以在行業(yè)未來的發(fā)展中，應以土木工程的力學理論為研究對象，通過力學基礎知識的學習，把不同的力學理論應用于不同的施工階段，這樣既能提高工程項目的穩(wěn)定性，又能在項目設計和成本控制方面取得很好的效果。今后建筑力學與力學原理的有效結合是必然的，它們彼此相互促進，相互發(fā)展，共同推進土木工程的發(fā)展與社會經(jīng)濟的繁榮。