土力学视野下的自然奥秘

聂如松 郭一鹏 阮波 赵春彦

摘 要：土力学是以土为研究对象，研究土的基本物理性质及强度、稳定性、渗流的学科，以解决诸如饱和砂土液化、边坡稳定及地面沉降等工程问题，与人类社会发展和生活密切相关。自从人类改造、利用、适应自然开始，大自然中有许多诸如毛细现象、管涌流砂、拱效应等神奇的奥秘都被人们以土力学的思维巧妙利用和防治。教学中若能基于生活现象和案例，剖析现象与原理间的关系，不仅可使学生较易掌握理解基本原理，还可引导学生挖掘我国优秀经验、技艺及文化，对于增强文化自信、增强民族自豪感具有重要的现实意义。

关键词：土力学；工程问题；发展；人类社会；奥秘

中图分类号：G42文献标识码：A

一、概述

土力学是土木、交通、水利工程专业的一门专业基础课。它以土为研究对象，研究土的基本物理性质以及土体受力后的应力、变形、强度和稳定性的科学。土力学是门实践性很强的科学，做到理论和实践相结合是学好土力学的关键。

人类在认识、利用及改造自然的过程中，如利用泥土烧制瓦片盖房防雨，夯土城墙以抵御侵袭和御寒，利用木桩建空中楼阁防潮和动物骚扰等都包含了土力学强度、稳定及变形的三个基本问题，毛细现象、拱效应、管涌、流砂等大自然神奇的奥秘都被人们以土力学的思维巧妙利用和防治。可以发现土力学与人类社会发展和生活息息相关，对土认识越深刻，越能提高基础设施的安全和可持续性，预防和减轻灾害影响，为社会发展做出贡献。因此，本文将以生活视角去发掘土力学问题，以土力学的思维去辨析、理解大自然，以期土力学课程不再枯燥乏味，课堂也不会只有公式推导，而变成一门自然现象与工程实践相结合的趣味课程，能更好地激发学生的兴趣和学习热情。

二、工程中的一些土力学问题

（一）饱和砂土液化现象

饱和砂土在动荷载作用下失去原有强度而急剧变为液体状态的现象叫砂土液化。郭桃明等［2］指出饱和砂土是指砂粒堆积成土的骨架和充满砂砾孔隙间的水组成两相。他介绍了三种饱和砂土的液化机理：

（1）当地下水位变化时，饱和砂中的孔隙水压力逐渐上升到等于或超过上覆有效压力和土颗粒有效重力之和，饱和砂中的土颗粒将会上浮，表现为“沸腾”现象，将丧失全部承载力。

（2）流滑是指饱和砂在受到剪力影响时发生不可逆体积压缩，当未排水时，其孔隙水压增加，有效应力降低，产生流动变形。

（3）液化现象主要发生在饱和无黏性土的固结不排水循环三轴、循环单剪、循环扭剪和循环试验中［3］。

（二）南水北调膨胀土渠段边坡稳定性研究

南水北调工程是长江中下游、中游、西部三大骨干工程，中线渠道穿过“南陽膨胀土”地区，是河南南阳及其周边地区一种具有类似地质成因、地质特征和基本力学特性的高塑性土，膨胀土属于特殊土，易造成渠道边坡失稳［4］。

南阳膨胀土的滑坡类型有两种，一种是由裂隙发展形成的软弱结构面滑动，另一种是沿不同土层交界面的缓倾角软弱面滑动［4］，这两类滑动都具有浅层、平缓和渐进的特点。郭熙灵等［5］通过对南阳膨胀土进一步研究，揭示了南阳膨胀土滑坡形态和滑坡机理。

土层的接触面经常是雨水入渗的一个阻滞带，易造成活动性矿物富集或滞留，形成一层膨胀性很强的黏土，造成边坡强度下降，引发滑坡。

裂隙发展型滑移是指膨胀土在其胀缩作用下形成的不规则裂隙（或微裂隙）结构，为水分侵入与外泄提供通道，导致裂隙进一步扩大，进而加速表土风化；在剪切力影响下，裂隙也会沿剪切力最大方向快速扩展，最终形成一个可能的滑移面。

（三）黄河三角洲地区地面沉降驱动因素

地面沉降是在自然和人为因素下，由表层土体压缩而导致区域性沉降的一种现象。

近代黄河三角洲的地质构造背景复杂，沉积特点独特，人为开采方式多样，造成了地表沉降的影响因素多，沉降机理复杂。学者从不同领域对地面沉降原因进行了系统分析。提出新构造运动、沉积物固结压实和人类活动等是造成黄河三角洲地面沉降的主要影响因素［67］。刘桂卫等［8］通过对该地区地面沉降因素的研究，指出影响地面沉降因素主要有以下几点。

（1）地表荷载增加对地面沉降的影响。地表荷载的增加主要为城镇化和大型工厂的建设。该地区浅地层沉积物主要由细泥砂组成，下部为黏土质粉砂，黏土质粉砂软弱易变，具有极大的压缩性，地表荷载加大，必然会产生地面沉降。

（2）地下水开采对地面沉降的影响。地下水开采主要在井灌区，连年干旱，地下水过度开采，造成水位下降，有效应力增加，导致土体产生压缩变形，引起地面沉降。

综上所述，我们生活中存在着很多需要用土力学基本原理去解释的现象，这些问题直接影响着社会的发展、人民的生活，若建设者以土力学的视野去辨析，一些问题将迎刃而解。怎么能做到这一技能，就需要我们留意生活中的一些现象，结合土力学基本知识，发掘内在的联系。

三、土力学视野下的大自然奥秘

（一）齐心协力抗压力——土拱效应

土拱效应是指在土体发生不均匀位移或相对位移时，土中的应力会重分布，导致一部分土体承受较大的压力，而另一部分土体压力减小，主要是通过土体的抗剪强度来实现的。

土拱效应在地下结构和地基工程中具有重要作用，如，在隧道、管道等的设计和施工中，土拱效应可增加土体稳定性，减少土体变形和沉降。

然而土拱效应并不是在所有情况下都能发生，它需要满足一定的条件：①土体之间存在不均匀变形；②具有两个拱脚［9］。

土拱效应可增加土体承载能力和稳定性，合理利用土拱效应可提高工程安全及经济性。

（二）毛细现象的神奇魔力

毛细现象是液体在细小孔隙或细管中上升或下降的现象，具有许多神奇的特性和应用。

（1）水分上升：毛细现象是植物根系吸收水分的重要机制。当植物根系中的水分被蒸腾消耗时，毛细现象使得土体中的水分能够通过细小的毛细管或孔隙上升到植物的根部，从而满足植物需求。

（2）毛细管作用：毛细现象在许多工程和科学领域中起着关键作用。如，在液体中的细小管道中，毛细现象可影响液体的流动性能和分布，这在微流体技术和化学分析中具有重要应用。

（3）地下水运移：毛细现象在地下水运移中也起着重要作用。当土体中存在细小孔隙时，毛细现象可以促使地下水在孔隙中上升或下降，影响土体的水分分布和地下水的补给和排泄。

毛细现象的神奇魔力不仅在科学研究中具有重要意义，通过深入理解毛细现象的原理和特性，我们就能更好地利用和控制这一现象，从而推动科学技术的发展和解决实际问题。

（三）强身健体，加筋土的奥秘

加筋土是一种土工材料，通过在土体中添加筋材增强土体的力学性能。类似于人体强身健体的原理，加筋土的奥秘可从以下几个方面解释：

（1）增加土体强度：加筋土中的筋材可承担部分水平荷载，减轻土体的承载力，同时还可增加土体的抗拉强度。

（2）提高土体抗变形能力：加筋土中的筋材可以限制土体变形，防止土体沉降和侧向位移。此时，筋材的作用类似于人体的骨骼，能够增加土体的刚度和稳定性，提高土体的抗变形能力。

（3）增加土体耐久性：加筋土中筋材可有效抵抗土体收缩和膨胀，减少土体开裂和变形。

（4）提高土体抗震性能：加筋土中筋材可有效地分散和吸收地震荷载，提高土体抗震性能。此时，筋材的作用类似于人体肌肉，能够吸收和分散外部冲击力，减轻土体震动响应。

加筋土通过增加土体强度、提高土体抗变形能力、增加土体耐久性和提高土体抗震性能，实现土体的强身健体，这种材料被广泛应用于提高土体力学性能中。

综上所述，大自然是神秘、有趣、充满挑战和探索的。若能在教学中将枯燥无味的土力学基本原理以这些有趣的现象展示，课堂将变得活跃，学生“抬头率”将得到改善，学生将会变得更爱发言，这样以“学生为主”的教育理念将更能得到体现，而不是“满堂灌”［10］。

四、类似的自然奥秘

（一）千里之堤，溃于蚁穴

“千里之堤，溃于蚁穴”是一句成语，强调小问题积累能导致大问题发生的道理。“千里之堤，溃于蚁穴”与土力学之间存在一定的联系，堤坝的崩溃是由于蚂蚁不断咬坏堤坝，导致堤坝强度逐渐降低，最终无法承受水压力而崩溃，这个过程可以用土力学中的一些概念来解释。

首先，堤坝的强度是一个重要的因素。堤坝需要具备足够的强度来承受水压力和其他外力。土体性能易受服役环境的影响，极发生胀缩、开裂、管涌等病害，若堤坝强度不够，会发生破坏；若堤坝稳定性不够，易发生滑坡、崩塌等现象。

因此，从土力学的角度来看，“千里之堤，溃于蚁穴”可以理解为堤坝的强度、稳定性受到了微小影响，但最终崩溃，提醒我们在实际工程中需重视细节，及时采取措施，保障结构物稳定和安全。

（二）路基稳固防护新盔甲——预应力路基

预应力路基是一种新型的路基稳固防护技术，类似于木桶上的“箍”，通过在路基中应用预应力技术来增强路基的力学性能和稳定性。其奥秘可以从以下几个方面解释：

①增强路基强度：采用预应力钢筋或预应力钢束来施加预压力，使路基处于预箍状态，可有效地增强路基的抗弯和抗剪能力，提高路基的强度和承载能力。

②控制路基变形：施加的预压力可有效限制路基变形，防止路基沉降和侧向位移，有效提高路面的平整度和稳定性，减少路面的裂缝。

③提高路基的耐久性：預应力路基可有效抵抗路基胀缩，减少路基开裂和变形，能提高路基的抗冲刷和抗侵蚀能力，延长路基的使用寿命。

④增强路基抗震性能：通过施加预压力，使路基处于预应力状态，能有效分散和吸收地震荷载，提高路基抗震性能，保障道路的安全性和稳定性。

若能有效利用预应力路基，可提高路基的力学性能和工程质量。

（三）土颗粒与水的“二人转”——有效应力原理

土颗粒与水之间的相互作用可以通过有效应力原理解释。有效应力原理认为，土体中的有效应力是由两部分组成的：孔隙水压力和有效应力。

孔隙水压力是指土体中的水分所产生的压力，孔隙水压力会降低土颗粒之间的有效力，使土体的强度和稳定性降低。当孔隙水压力较大时，土体会变得松散，容易发生液化和流动。

有效应力是指土颗粒之间的实际有效力，有效应力是土体的抗剪强度主要来源，决定了土体的稳定性和承载能力。

根据有效应力原理，当土体中的孔隙水压力增加时，土颗粒之间的有效力会减小，导致土体强度和稳定性降低。相反，当孔隙水压力减小时，土颗粒之间的有效力会增加，土体的强度和稳定性会提高。

有效应力、孔隙水压力两者此消彼长，又相互依存，他们的关系如同“二人转”。

综上所述，我们以土力学的观点去观察自然，发现自然中的科学、艺术以及哲思，这对我们人生观、价值观的扩展和夯实将具有重要的意义，此外，若能借此案例引导学生深挖祖辈留下的经验、技艺以及文化，对于增强文化自信、增强民族自豪感将具有重要的现实意义。

结语

大自然是充满魔力和奥秘的，大自然中有许多与土力学基本原理相关联的现象。从古至今，人们一直致力于研究这些现象背后的原因，慢慢就形成了体系，最终形成了现在的土力学。土力学的载体是土，而土的性质与我们人类有许多异曲同工之妙，若能以自然之美去研究土力学，许多问题将迎刃而解。同时，在教学中若能基于生活现象和案例，剖析现象与原理间的关系，除了使学生可以较易掌握理解基本原理外，还可引导学生挖掘我国优秀的经验、技艺及文化，对于增强文化自信、增强民族自豪感具有重要的现实意义。

参考文献：

［1］杨进良主编．土力学（第二版）［M］．北京：中国水利水电出版社，2000.

［2］郭桃明，李德武，董博.砂土液化现象研究现状及存在的问题［J］.四川建筑，2007，117（05）：7880.

［3］吴世明.土动力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

［4］李青云，濮家骝，包承纲．非饱和膨胀土边坡稳定性分析方法论［J］．工程力学，2000（增刊）：395399．

［5］郭熙灵，李青云，程展林，等.南水北调中线工程若干土力学问题研究［J］.南水北调与水利科技，2008，34（01）：3537.

［6］别君，黄海军，樊辉，等.现代黄河三角洲地面沉降及其原因分析［J］.海洋地质与第四纪地质，2006，26（4）：2935.

［7］秦伟颖，庄新国，黄海军.现代黄河三角洲地区地面沉降的机理分析［J］.海洋科学，2008，32（8）：3843.

［8］刘桂卫，黄海军，杜廷芹，等.黄河三角洲地区地面沉降驱动因素研究［J］.海洋科学，2011，35（08）：4350.

［9］谭可源.刚性桩复合地基土拱效应的研究.中国公路学会.第七届中国公路科技创新高层论坛［C］.北京：人民交通出版社，2015.

［10］郭一鹏，胡敏，赵春彦.课程思政在土力学教学中的融合与设计［J］.教育现代化，2021，8（100）：144146.

基金项目：中南大学实验室开放专项资金资助项目（160160001）；长沙理工大学教学改革研究项目（XJG20061）；湖南省普通高等学校教学改革研究项目（HNJG20230097，HNJG20230337），长沙理工大学线下金课（水文地质）；湖南省学位与研究生教学改革研究项目（2023JGSZ082）

作者简介：聂如松（1980— ），男，湖南衡阳人，博士，副教授，从事铁路路基和桥梁桩基础方面的教学和科研工作。