土力學視野下的自然奧秘

聶如松 郭一鵬 阮波 趙春彥

摘?要：土力學是以土為研究對象，研究土的基本物理性質及強度、穩定性、滲流的學科，以解決諸如飽和砂土液化、邊坡穩定及地面沉降等工程問題，與人類社會發展和生活密切相關。自從人類改造、利用、適應自然開始，大自然中有許多諸如毛細現象、管涌流砂、拱效應等神奇的奧秘都被人們以土力學的思維巧妙利用和防治。教學中若能基于生活現象和案例，剖析現象與原理間的關系，不僅可使學生較易掌握理解基本原理，還可引導學生挖掘我國優秀經驗、技藝及文化，對于增強文化自信、增強民族自豪感具有重要的現實意義。

關鍵詞：土力學；工程問題；發展；人類社會；奧秘

中圖分類號：G42文獻標識碼：A

一、概述

土力學是土木、交通、水利工程專業的一門專業基礎課。它以土為研究對象，研究土的基本物理性質以及土體受力后的應力、變形、強度和穩定性的科學。土力學是門實踐性很強的科學，做到理論和實踐相結合是學好土力學的關鍵。

人類在認識、利用及改造自然的過程中，如利用泥土燒制瓦片蓋房防雨，夯土城墻以抵御侵襲和御寒，利用木樁建空中樓閣防潮和動物騷擾等都包含了土力學強度、穩定及變形的三個基本問題，毛細現象、拱效應、管涌、流砂等大自然神奇的奧秘都被人們以土力學的思維巧妙利用和防治?？梢园l現土力學與人類社會發展和生活息息相關，對土認識越深刻，越能提高基礎設施的安全和可持續性，預防和減輕災害影響，為社會發展做出貢獻。因此，本文將以生活視角去發掘土力學問題，以土力學的思維去辨析、理解大自然，以期土力學課程不再枯燥乏味，課堂也不會只有公式推導，而變成一門自然現象與工程實踐相結合的趣味課程，能更好地激發學生的興趣和學習熱情。

二、工程中的一些土力學問題

（一）飽和砂土液化現象

飽和砂土在動荷載作用下失去原有強度而急劇變為液體狀態的現象叫砂土液化。郭桃明等［2］指出飽和砂土是指砂粒堆積成土的骨架和充滿砂礫孔隙間的水組成兩相。他介紹了三種飽和砂土的液化機理：

（1）當地下水位變化時，飽和砂中的孔隙水壓力逐漸上升到等于或超過上覆有效壓力和土顆粒有效重力之和，飽和砂中的土顆粒將會上浮，表現為“沸騰”現象，將喪失全部承載力。

（2）流滑是指飽和砂在受到剪力影響時發生不可逆體積壓縮，當未排水時，其孔隙水壓增加，有效應力降低，產生流動變形。

（3）液化現象主要發生在飽和無黏性土的固結不排水循環三軸、循環單剪、循環扭剪和循環試驗中［3］。

（二）南水北調膨脹土渠段邊坡穩定性研究

南水北調工程是長江中下游、中游、西部三大骨干工程，中線渠道穿過“南陽膨脹土”地區，是河南南陽及其周邊地區一種具有類似地質成因、地質特征和基本力學特性的高塑性土，膨脹土屬于特殊土，易造成渠道邊坡失穩［4］。

南陽膨脹土的滑坡類型有兩種，一種是由裂隙發展形成的軟弱結構面滑動，另一種是沿不同土層交界面的緩傾角軟弱面滑動［4］，這兩類滑動都具有淺層、平緩和漸進的特點。郭熙靈等［5］通過對南陽膨脹土進一步研究，揭示了南陽膨脹土滑坡形態和滑坡機理。

土層的接觸面經常是雨水入滲的一個阻滯帶，易造成活動性礦物富集或滯留，形成一層膨脹性很強的黏土，造成邊坡強度下降，引發滑坡。

裂隙發展型滑移是指膨脹土在其脹縮作用下形成的不規則裂隙（或微裂隙）結構，為水分侵入與外泄提供通道，導致裂隙進一步擴大，進而加速表土風化；在剪切力影響下，裂隙也會沿剪切力最大方向快速擴展，最終形成一個可能的滑移面。

（三）黃河三角洲地區地面沉降驅動因素

地面沉降是在自然和人為因素下，由表層土體壓縮而導致區域性沉降的一種現象。

近代黃河三角洲的地質構造背景復雜，沉積特點獨特，人為開采方式多樣，造成了地表沉降的影響因素多，沉降機理復雜。學者從不同領域對地面沉降原因進行了系統分析。提出新構造運動、沉積物固結壓實和人類活動等是造成黃河三角洲地面沉降的主要影響因素［67］。劉桂衛等［8］通過對該地區地面沉降因素的研究，指出影響地面沉降因素主要有以下幾點。

（1）地表荷載增加對地面沉降的影響。地表荷載的增加主要為城鎮化和大型工廠的建設。該地區淺地層沉積物主要由細泥砂組成，下部為黏土質粉砂，黏土質粉砂軟弱易變，具有極大的壓縮性，地表荷載加大，必然會產生地面沉降。

（2）地下水開采對地面沉降的影響。地下水開采主要在井灌區，連年干旱，地下水過度開采，造成水位下降，有效應力增加，導致土體產生壓縮變形，引起地面沉降。

綜上所述，我們生活中存在著很多需要用土力學基本原理去解釋的現象，這些問題直接影響著社會的發展、人民的生活，若建設者以土力學的視野去辨析，一些問題將迎刃而解。怎么能做到這一技能，就需要我們留意生活中的一些現象，結合土力學基本知識，發掘內在的聯系。

三、土力學視野下的大自然奧秘

（一）齊心協力抗壓力——土拱效應

土拱效應是指在土體發生不均勻位移或相對位移時，土中的應力會重分布，導致一部分土體承受較大的壓力，而另一部分土體壓力減小，主要是通過土體的抗剪強度來實現的。

土拱效應在地下結構和地基工程中具有重要作用，如，在隧道、管道等的設計和施工中，土拱效應可增加土體穩定性，減少土體變形和沉降。

然而土拱效應并不是在所有情況下都能發生，它需要滿足一定的條件：①土體之間存在不均勻變形；②具有兩個拱腳［9］。

土拱效應可增加土體承載能力和穩定性，合理利用土拱效應可提高工程安全及經濟性。

（二）毛細現象的神奇魔力

毛細現象是液體在細小孔隙或細管中上升或下降的現象，具有許多神奇的特性和應用。

（1）水分上升：毛細現象是植物根系吸收水分的重要機制。當植物根系中的水分被蒸騰消耗時，毛細現象使得土體中的水分能夠通過細小的毛細管或孔隙上升到植物的根部，從而滿足植物需求。

（2）毛細管作用：毛細現象在許多工程和科學領域中起著關鍵作用。如，在液體中的細小管道中，毛細現象可影響液體的流動性能和分布，這在微流體技術和化學分析中具有重要應用。

（3）地下水運移：毛細現象在地下水運移中也起著重要作用。當土體中存在細小孔隙時，毛細現象可以促使地下水在孔隙中上升或下降，影響土體的水分分布和地下水的補給和排泄。

毛細現象的神奇魔力不僅在科學研究中具有重要意義，通過深入理解毛細現象的原理和特性，我們就能更好地利用和控制這一現象，從而推動科學技術的發展和解決實際問題。

（三）強身健體，加筋土的奧秘

加筋土是一種土工材料，通過在土體中添加筋材增強土體的力學性能。類似于人體強身健體的原理，加筋土的奧秘可從以下幾個方面解釋：

（1）增加土體強度：加筋土中的筋材可承擔部分水平荷載，減輕土體的承載力，同時還可增加土體的抗拉強度。

（2）提高土體抗變形能力：加筋土中的筋材可以限制土體變形，防止土體沉降和側向位移。此時，筋材的作用類似于人體的骨骼，能夠增加土體的剛度和穩定性，提高土體的抗變形能力。

（3）增加土體耐久性：加筋土中筋材可有效抵抗土體收縮和膨脹，減少土體開裂和變形。

（4）提高土體抗震性能：加筋土中筋材可有效地分散和吸收地震荷載，提高土體抗震性能。此時，筋材的作用類似于人體肌肉，能夠吸收和分散外部沖擊力，減輕土體震動響應。

加筋土通過增加土體強度、提高土體抗變形能力、增加土體耐久性和提高土體抗震性能，實現土體的強身健體，這種材料被廣泛應用于提高土體力學性能中。

綜上所述，大自然是神秘、有趣、充滿挑戰和探索的。若能在教學中將枯燥無味的土力學基本原理以這些有趣的現象展示，課堂將變得活躍，學生“抬頭率”將得到改善，學生將會變得更愛發言，這樣以“學生為主”的教育理念將更能得到體現，而不是“滿堂灌”［10］。

四、類似的自然奧秘

（一）千里之堤，潰于蟻穴

“千里之堤，潰于蟻穴”是一句成語，強調小問題積累能導致大問題發生的道理。“千里之堤，潰于蟻穴”與土力學之間存在一定的聯系，堤壩的崩潰是由于螞蟻不斷咬壞堤壩，導致堤壩強度逐漸降低，最終無法承受水壓力而崩潰，這個過程可以用土力學中的一些概念來解釋。

首先，堤壩的強度是一個重要的因素。堤壩需要具備足夠的強度來承受水壓力和其他外力。土體性能易受服役環境的影響，極發生脹縮、開裂、管涌等病害，若堤壩強度不夠，會發生破壞；若堤壩穩定性不夠，易發生滑坡、崩塌等現象。

因此，從土力學的角度來看，“千里之堤，潰于蟻穴”可以理解為堤壩的強度、穩定性受到了微小影響，但最終崩潰，提醒我們在實際工程中需重視細節，及時采取措施，保障結構物穩定和安全。

（二）路基穩固防護新盔甲——預應力路基

預應力路基是一種新型的路基穩固防護技術，類似于木桶上的“箍”，通過在路基中應用預應力技術來增強路基的力學性能和穩定性。其奧秘可以從以下幾個方面解釋：

①增強路基強度：采用預應力鋼筋或預應力鋼束來施加預壓力，使路基處于預箍狀態，可有效地增強路基的抗彎和抗剪能力，提高路基的強度和承載能力。

②控制路基變形：施加的預壓力可有效限制路基變形，防止路基沉降和側向位移，有效提高路面的平整度和穩定性，減少路面的裂縫。

③提高路基的耐久性：預應力路基可有效抵抗路基脹縮，減少路基開裂和變形，能提高路基的抗沖刷和抗侵蝕能力，延長路基的使用壽命。

④增強路基抗震性能：通過施加預壓力，使路基處于預應力狀態，能有效分散和吸收地震荷載，提高路基抗震性能，保障道路的安全性和穩定性。

若能有效利用預應力路基，可提高路基的力學性能和工程質量。

（三）土顆粒與水的“二人轉”——有效應力原理

土顆粒與水之間的相互作用可以通過有效應力原理解釋。有效應力原理認為，土體中的有效應力是由兩部分組成的：孔隙水壓力和有效應力。

孔隙水壓力是指土體中的水分所產生的壓力，孔隙水壓力會降低土顆粒之間的有效力，使土體的強度和穩定性降低。當孔隙水壓力較大時，土體會變得松散，容易發生液化和流動。

有效應力是指土顆粒之間的實際有效力，有效應力是土體的抗剪強度主要來源，決定了土體的穩定性和承載能力。

根據有效應力原理，當土體中的孔隙水壓力增加時，土顆粒之間的有效力會減小，導致土體強度和穩定性降低。相反，當孔隙水壓力減小時，土顆粒之間的有效力會增加，土體的強度和穩定性會提高。

有效應力、孔隙水壓力兩者此消彼長，又相互依存，他們的關系如同“二人轉”。

綜上所述，我們以土力學的觀點去觀察自然，發現自然中的科學、藝術以及哲思，這對我們人生觀、價值觀的擴展和夯實將具有重要的意義，此外，若能借此案例引導學生深挖祖輩留下的經驗、技藝以及文化，對于增強文化自信、增強民族自豪感將具有重要的現實意義。

結語

大自然是充滿魔力和奧秘的，大自然中有許多與土力學基本原理相關聯的現象。從古至今，人們一直致力于研究這些現象背后的原因，慢慢就形成了體系，最終形成了現在的土力學。土力學的載體是土，而土的性質與我們人類有許多異曲同工之妙，若能以自然之美去研究土力學，許多問題將迎刃而解。同時，在教學中若能基于生活現象和案例，剖析現象與原理間的關系，除了使學生可以較易掌握理解基本原理外，還可引導學生挖掘我國優秀的經驗、技藝及文化，對于增強文化自信、增強民族自豪感具有重要的現實意義。

參考文獻：

［1］楊進良主編．土力學（第二版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2000.

［2］郭桃明，李德武，董博.砂土液化現象研究現狀及存在的問題［J］.四川建筑，2007，117（05）：7880.

［3］吳世明.土動力學［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000.

［4］李青云，濮家騮，包承綱．非飽和膨脹土邊坡穩定性分析方法論［J］．工程力學，2000（增刊）：395399．

［5］郭熙靈，李青云，程展林，等.南水北調中線工程若干土力學問題研究［J］.南水北調與水利科技，2008，34（01）：3537.

［6］別君，黃海軍，樊輝，等.現代黃河三角洲地面沉降及其原因分析［J］.海洋地質與第四紀地質，2006，26（4）：2935.

［7］秦偉穎，莊新國，黃海軍.現代黃河三角洲地區地面沉降的機理分析［J］.海洋科學，2008，32（8）：3843.

［8］劉桂衛，黃海軍，杜廷芹，等.黃河三角洲地區地面沉降驅動因素研究［J］.海洋科學，2011，35（08）：4350.

［9］譚可源.剛性樁復合地基土拱效應的研究.中國公路學會.第七屆中國公路科技創新高層論壇［C］.北京：人民交通出版社，2015.

［10］郭一鵬，胡敏，趙春彥.課程思政在土力學教學中的融合與設計［J］.教育現代化，2021，8（100）：144146.

基金項目：中南大學實驗室開放專項資金資助項目（160160001）；長沙理工大學教學改革研究項目（XJG20061）；湖南省普通高等學校教學改革研究項目（HNJG20230097，HNJG20230337），長沙理工大學線下金課（水文地質）；湖南省學位與研究生教學改革研究項目（2023JGSZ082）

作者簡介：聶如松（1980—?），男，湖南衡陽人，博士，副教授，從事鐵路路基和橋梁樁基礎方面的教學和科研工作。