土力学的定义（土力学的理论基础与假设）

经典土力学属于工程力学，将变形固体力学的基本理论应用于土，就形成了工程实用的土力学。经典的土力学内容，其共同的理论基础与假设是：

1) 弹性理论：假设土体为均质、各向同性的线弹性体，以此为基础，采用弹性理论进行土体的应力和变形(或沉降)计算。

2) 静力极限平衡法或极限分析法：在分析土压力，岩土边坡稳定及地基承载力等土体强度与稳定性问题时，采用假设滑动面的静力极限平衡法或塑性力学的沿移线场解与极限分析法。

3)有效应力原理：对于饱和土体，施加的总应力s等于土体的固体骨架所承受的有效应力(σ‘)和孔隙水应力(u)之和，即：

σ‘＝σ u

4) Mohr－Coulomb强度条件：土体的强度破坏服从Mohr－Coulomb强度条件，即：

τf＝σ‘tanφ’十c’

式中 τf、σ‘分别为破坏面上的剪应力与有效正应力；σ‘与c’分别为岩土材科的有效摩擦角与粘聚力。

5) Darcy定律：通过岩土体的渗流符合Darcy定律，土体本身的渗透固结过程按Terzaghi和Boit固结理论计算。

土的力学性质

土的力学性质是建立土的强度和本构理论的基础，而强度和本构理论的研究又进一步深化人们对土的力学性质的认识。本节介绍土的基本力学特性和重要力学特性。所谓基本力学特性，是指对所有土类和主要受力阶段都有重要影响的力学性质，是土区别于其它工程材科的标志，而重要力学特性则是指对一定土类在一定受力阶段有重要影响的，在其它情况下可以忽略不计。

土的基本特性有两个，即压硬性和剪胀性，因此土可以定义为具有压硬性和剪胀性的工程材料。按照这一定义，堆石体也应看作土的一种。土的重要特性很多，例如非线性、流变性性、各向异性等等。

土的许多力学特性与其颗粒排列和颗粒间结合情况——即结构性有关，涉及这方面的问题将后续章节介绍。

一、 基本力学特性

压硬性 指土的强度和刚度随压应力的增大而增大和随压应力的降低而降低。库仑摩擦定律是有关压硬性的最早表述，Hvorslev把这一定律推广用于粘性土。至于模量方面，则下列Janbu公式是有关压硬性的最明确的体现

式中：K和n为常数。

在土力学的理论和实践中，人们无不自觉或不自觉地应用土的这一基本特性。软土的 排水固结就是明显的例证，粘土孔隙压力研究的最终目的无非就是为了判断有效压应力可能增加多少。许多工程的成功和失败正是与是否正确运用这一特性有关。例如，软粘土上填土要求慢速施工，硬粘土中开挖则要求快速施工和及时回填。

剪胀性 指土体在剪切时产生体积膨胀或收缩的特性。密砂剪胀，松砂剪缩，早在30 年代就广为人知。据此，Casagrande提出了表征不胀不缩的临界孔隙比的概念。粘土的剪胀性，虽然亦早在1936年就为Rendulic发现，但长期没有引起注意。Skempton于1954年提出著名的孔隙压力公式

再次把粘性土的剪胀性提了出来，因A≠1／3就意味剪胀或剪缩。至60年代初，魏汝龙对土的剪胀性作了较全面的总结，此后剪胀性的概念逐渐被普遍接受。

如果把应力张量分为球张量和偏张量两部分，压硬性表示应力球张量对应变偏张量的 影响，而剪胀性则表示应力偏张量对应变球张量的影响。这就意味着应力球张量一应变偏 张量和应力偏张且一应变球张量之间存在交叉影响，下列广义虎克定律不再适用

而必须改用下式代之

式中：

Kp、Kq 和Gp、Gq则可以分别称为压缩模量、剪胀模量、压硬模量和剪切模量，以上表述实际上就是次弹性模型的一种。

二、重要力学特性

各向异性 引起各向异性的原因有两个，一是天然土在沉积过程中或人工土在填筑过 程中形成的，二是受力过程中逐渐形成的，与扁平形颗粒的扁平面取向于垂直大主应力方向有关，后者常称应力引起的各向异性。本构模型中是否要考虑第一种各向异性，须视情况而定，而第二种各向异性，则在一个好的模型中应能自动包括进去。

流变性 比萨斜塔的不断倾斜大概是土体流变性的最著名例子。粘土颗粒周围包含有粘滞性较为明显的水膜，因而表现出较大的流变性，而刚性骨架类土的流变性则不明显。但实际应用中是否需要考虑流变，需视具体情况而定。有时粘土的流变也可忽赂，有时粗粒土的流变也必须考虑。土力学中常把流变分成固结流变和剪切流变，前者又称次固结。从理论上看，这样的划分并没有必要。

应力路线相关性 土体的变形特性并不仅仅取决于当前的应力状态{σ}，而是与到达{σ}之前的应力历史和今后的加荷方向{Δσ}有关，这两种影响可以统称应力路线相关性。在同一围压下，超固结土的抗剪强度明显高于正常固结土，这是说明应力历史影响的最明显的例子。应变与应力路线相关的例证也可以在许多文献中找到。但是，应力路线相关性的考虑不但使本构模型本身大大复杂化，也给计算模拟带来困难，从而限制了它的实际应用价值。因而现有强度和本构理论大都忽视应力路线的相关性而采用某种唯一性假设。这些唯一性假设可能带来多大误差，这是多年来许多土力学文献的研究对象。这些研究的主要结论有：①有效应力强度指标的唯一性，即粘土不排水剪切试验测定的内摩擦角j’ 大体上等于排水剪切试验测定的内摩擦角jd；②含水量或体应变的唯一性，即粘土试样达到同一应力状态时体应变大体相同(图1a)；②剪应变的唯一性，即砂土试样达到同一应力状态时剪应变大体相同[σ1／σ3＝const的应力路线除外(图1b)]。以上结论都是在简单应力路线条件下得到的，在复杂应力路线下，尤其当应力路线发生大的转折时，上述唯一性是得不到保证的。

应变强化 又称应变硬化，指屈服极限随应力增大而提高，是许多土类共有的特性，具体表现为应力应变关系的非线性。

应变软化又称应变弱化，原指屈服极限随应变增大而降低。这是具有结构强度的土类和紧密砂土所具有的特性。