浅谈力学在土木工程中的应用与发展

于添闰

在人类社会发展史上，土木工程起着举足轻重的作用，而力学理论是一切建筑的构造基础，也是建筑施工必须考虑的因素。随着土木工程技术的不断进步，力学在土木工程中的作用也越来越明显。施工技术的应用涉及工程建设的每一个环节，以施工工程为例，无论是桩基还是深基坑支护，都需要用到力学技术的相关支持[1]。力学理论是一切建筑物的构造基础，是建筑施工不可缺少的基本原理，在土建工程中有着很好的应用前景。力学理论的不断发展可以检验土木工程技术实践应用的科学性，同时，在土木工程建设中遇到的疑难问题，也可以通过实践研究探索新的力学理论，从而进一步推动力学取得突破。

1.力学概述

作为一门基础性的学科，力学的推演规律具有普遍性，同时也为许多工程问题提供了理论依据和技术支持。力学也是一门技术学科，它提供了许多工程的技术原理、计算方法和测试程序。力本身就是物体之间的相互作用，当一个物体受到力量时，表明一定有另一个物体施加该力量，前者为受力体，后者为施力体。依据力的性质和作用效果，可分为重力、摩擦力和电磁力几大类，压强、支承力和阻力是其中的三大类[2]。力学论的主要内容是力的合成、分解和平衡，它贯穿于力学的整个过程，是相关学习的基础。力学本身来源于生活，所以在实践中可以用力学的方法简化生活中的一些实际问题，并依据现实情况采取有效的解决措施。在土木工程中运用力学思想，不仅能保证施工过程中各个具体环节的质量，而且能很好地解释工程中的力学现象。

2.力学在土木工程中的应用

在土建工程中合理应用力学，不仅有利于提高工程的安全性能，而且可以保证施工结构的完整性和明确性。同时，根据力学的理论基础，在实施多方面的内容拓展时，应着重从建筑细节、建立力学知识体系、结合现代设计理念，对建筑结构进行创新设计，并结合现代设计理念，对工程施工各个阶段的力的作用进行相应的分析。

2.1 压力

作为土木工程的基础理论之一，压力理论能够应用于土木工程设计和施工阶段，它可以结合实际的工程案例明确指出项目施工需求，并在此基础上制定出详细的施工方案。除此之外，还能够在施工过程中综合考虑施工工艺和材料等因素，确定压力理论在土木工程中的应用价值。例如在实际施工过程中要进行施工材料的选择，那么此时就需要用到一定的压力知识，如在进行材料宽度和长度等内容的时候要结合压力知识，从而确定具体的施工步骤[3]。这些不仅能够确保工程项目处于压力范围内，同时还能够直接影响施工质量和效率。最后，需要注意的是，压力系数也是衡量土木工程项目整体质量的一个重要指标。

2.2 合力

就土木工程力学的应用而言，在每一个环节上的不同作用力，都能起到很好的效果，而合力作为各种力的综合作用，根据力学理论中的能量守恒定律，可以得到通过分析不同的力，可以产生合理的作用，这是土木工程力学中比较常见的原理。通过合理应用合力理论，可以将施工过程中的大部分复杂情况简化为简单的综合情况。例如，可以利用杠杆来移动沉重的建筑材料，可以利用科学的方法来减少无功消耗。另外，合力效应可以直接影响材料，这样不仅可以区分合力效应，还可以使合力效应现象趋于平衡，从而让施工环节中出现的不同力学现象形成一个较为良好的互相制衡的形态，最终确保土木工程施工的整体稳定性。

2.3 重力

重力理论是土木工程应用中较为重要的理论之一，运用重力学理论，对土木工程的施工与设计具有较大的指导意义。利用重力有关的力学知识，可以科学地分析土木工程施工各阶段的材料作用力，并根据现有的计算公式，对土木工程各阶段进行合理设计，保证有关设计内容满足基本施工要求，还可以对施工过程中和施工结束后进行重力试验。此外，在工程开始前对所用材料的采购还可以利用重力知识来监测其性能，根据重力有关计算结果来选择材料，从源头保证施工安全和稳定性。实践中，还可以利用重力与反力的相互作用关系来指导施工运输工作，使力能关系与功能关系得到有效调节[4]。简言之，重力在土木工程中的应用主要包括：可为土木工程实际施工提供核心质量检测；利用有关计算公式进行土木工程的科学设计；通过使用重力知识，可对施工所用的材料进行专业选择；用重力和反力关系指导运输，从而提高整体施工的稳定性和安全性，确保土木工程施工高效、如期完成。

2.4 摩擦力

至于摩擦力，在土木工程中的应用也相当广泛，它所涉及的建筑工作主要表现在以下几点：一方面土木工程中需要大量的滑轮，借助摩擦力来调整施工材料的运输方向，对滑轮的受力情况进行综合分析，以减少各种阻力因素的影响，避免各种不良现象，从而为土木工程的运输工作提供帮助。但对于接触作业，多数土木工程中还需要考虑到摩擦力的影响，摩擦力会使压力面受压增大，在实际施工中，合理使用摩擦力，可以大大提高土木工程的稳定性。通过对土木工程中摩擦系数的调整，科学提高施工工艺和材料的利用率，强化成本控制，并有效确保施工企业的利益。

3.力学在土木工程中的发展

经过几百年，尤其是近代工业技术革命的洗礼，土木工程逐渐形成了一套较为完善的工程体系。施工项目日趋丰富，公路桥梁、高速铁路、建筑工程等均可视为土木工程建设的重要内容。而在这一过程中，土木工程建设的内涵也日益丰富，前期勘察、施工准备、技术选择、质量监督等各个环节，都成了控制与实现的重要环节。从土木工程技术的角度看，由于工程结构的日益复杂，在土木工程施工中，为保证工程的完整性和科学性，必须遵循一定的力学原理，使土木工程在使用、安全等方面的基本性能不断提高。土木工程力学技术在理论上主要有三个层次：材料力学、理论力学和结构力学[5]。这三个力学板块对应地派生出相应的土木工程力学施工管理技术。其中，材料力学技术主要涉及材料的形貌、稳定性、强度等物理性质，而理论力学技术主要涉及各种结构构件在受力状态下的平衡。结构力学技术主要涉及土木工程中的受力规律和传力规律，以及受力后的变形规律。从土木工程的发展来看，主要体现在两个方面：一是结合了建筑力学理论，二是广泛应用于建筑施工。

3.1 理论力学

建筑理论力学作为一门专门研究物体运动规律的学科，是包括静力学、动力学和运动学在内的一般力学的基础。静力学主要研究物体在受力达到平衡时所受各种作用力应满足的条件，同时也研究物体的作用力分析方法和力系的简化；动力学主要研究物体的机械运动和作用力之间的关系；运动学主要从几何角度研究物体的运动，而不是研究物体运动的原因。

3.2 固体力学

固态力学是研究刚体力学性质的力学学科，它是专门探究固体在外力、变形和温度影响下的行为，如材料力学、弹性力学和塑性变形力学。例如，单杆是材料力学研究的主要焦点。对于均质、固体和各向同性固体，单杆的拉伸、弯曲、压缩、扭转和剪切特性，以及刚度、强度和稳定性的计算，包括分解、合成和力平衡。随着计算机技术的发展，固体力学在土木设计中的应用范围越来越广泛，围观模拟法和复杂结构建模方法的应用也得到了扩展。

3.3 流体力学

流体力学主要研究流体流动与平衡的机械运动规律，并应用于工程实践，包括物理浮力规律、附体稳定液力平衡理论等。研究对象是流体，主要包括气体和液体。在工业实践中，流体力学逐渐发展起来。如我国的秦都江堰和古罗马的水工系统，都是流体力学在土木工程中的成功应用案例。流体力学在油气生产领域的深入研究和应用，使其不断完善和发展。

4.结论

综上所述，土木工程作为工程力学的外在表现形式，可以说是土木工程的灵魂所在，二者在发展过程中相互支撑、相互依存，最终形成不可分割的整体。如果没有可靠的力学支持，那么就没有办法保证工程结构的稳定和安全，也就不会出现让人惊叹的建筑作品。所以在行业未来的发展中，应以土木工程的力学理论为研究对象，通过力学基础知识的学习，把不同的力学理论应用于不同的施工阶段，这样既能提高工程项目的稳定性，又能在项目设计和成本控制方面取得很好的效果。今后建筑力学与力学原理的有效结合是必然的，它们彼此相互促进，相互发展，共同推进土木工程的发展与社会经济的繁荣。