土力学与生活中的为什么

郎煜华　柴华

摘 要 本文以为什么要挖地基、为什么削山地基比填坑的地基好、以及水往低处流山向低处滑等十个与生活相关问题的土力学解答为例，展示了小公式大理论的魅力，拓展了贴近生活的启发式教学，增加了应用式互动教案。

关键词 挖地基理由 小公式大理论 应用式互动教学

中图分类号：G642文献标识码：A

理工科本科教学的内容往往显得枯燥，如何开展贴近生活的启发式教学，拓展应用式互动教案，增加教学中的情趣等问题是长久的课题。作者在长期的本科教研中着重开发积累与生活密切相关的问题，以科普的感觉在课堂实施应用式互动，取得了较好的效果，让评教成绩长期保持90分以上。

1为什么要挖地基

经过工地现场，经常会看到深深的基坑，普通人会有个问题是“为什么要挖地基？”土力学公式Po=P-rd可以解释这个问题。式中Po为基底压力，P为荷载，r为土的重度，d为地基深度，从公式可以看出地基深度越大，基底压力越小，即挖地基可以有效较小建筑物对基础的压力。

2为什么削山的地基比填坑的地基好

在平整土地建设中经常要削山或是填坑，普通人会有个问题是“削山的地基和填坑的地基有什么区别呢？”，土力学中有超固结比OCR=pc/p1，pc先期固结压力，p1现有覆盖土重，正常固结土、超固结土和欠固结土的超固结比分别为OCR=1，OCR>1和OCR<1。削山的超固结土OCR>1，填坑的欠固结土OCR<1，故此削山的地基比填坑的地基好。

3水往低处流的评价公式是什么

为什么水往低处流？其简单评价公式是什么？土力学中有公式i=△h/L，i为水力梯度，△h为高度差，L为流动距离，即水力梯度=高差/流程，有了高差△h就有水力梯度i，水就流动L，高差越大水力梯度越大，即水的能量越大。

4山向低处滑的评价公式是什么

山為什么向低处滑？浅显的认识是知道有重力，具体评价公式是Fs=（cli+Gicos itan ）/（Gisin i），Fs安全率，c土的粘聚力，li每个计算条带宽度，Gi计算条带重量， i条带倾斜角度，即安全系数=抗滑力/滑动力，山上的土有了重量G，有了倾角 就有了向下滑动的趋势，重量越大倾角越大则滑动力越大，安全系数越小。

5土和泥玩时加水多少合适

土和泥玩时加水少了和不成可以随意拿捏的泥巴，加水多了又会成泥汤玩不成，里面是有科学原理的。土由可塑状态转为半固态的界限含水量称为塑限，用符号Wp表示，土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限，用符号WL表示，液限和塑限的差值称为土的塑性指数（省去%符号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用符号Ip表示，即Ip=WL-Wp。

Ip含水量范围内的土即是可玩状态的泥巴。

6深海压力与地底下的压力哪个大

经常听说深海压力很大，与地底下的压力相比较会怎样呢？压力的计算式 =rh， 为自重应力，r为密度，rw为水的密度，一般情况下，海水的密度取1.025？03kg/m3，淡水密度取1.000？03kg/m3。rs为土的密度，一般无机矿物颗粒的相对密度为2.6-2.8，h为深度。土的密度约为水密度的3倍，则相同深度地底下的压力约比海底压力至少大3倍。

7为什么赶工期提前竣工的土木工程质量堪忧

地基固结度是指地基土层经历时间t所产生的固结变形量与最终固结变形量之比值，用以下公式表示：Uz=Sct/Sc，Uz为地基固结度，Sct是在某一时刻t的地基固结变形量，Sc是地基最终固结变形量，地基固结度的增大是需要时间的，即工程中的扰动土需要长达至少数十年的时间去达到最终固结，例如日本填海造机场的关西国际机场每年沉降数厘米，需要至少二十多年才能基本达到稳定，而土木工程中机器碾压的作用虽然可以缩短固结时间，但是距离达到最终固结度还有距离。所以不能盲目偏信提前竣工，良好的工程质量需要时间。

8垂直的建筑物荷载为什么会在土中造成横向变形

建筑物地基破坏形式主要是横向剪切破坏，而上部荷载是垂直向的，土力学中的库伦公式就是表述垂直力与横向力的关系： =C+ tan ， 横向剪切力，C粘聚力， 垂直荷载， 内部摩擦角，即垂直力与横向力呈正比，且与土的粘聚力和内摩擦角有关。地基的倾斜、破坏，山体的滑动等等都与垂直力和横向力有关。

9为什么堤坝会发生管涌

洪水期间堤坝会发生管涌的原因用以下土力学公式解释：j=rwi，j渗流力，rw水的密度，i水力梯度，i=△h/L，△h水位高差，L流程。从上式可以看出，洪水期间水位高差增大，水力梯度增大，则渗流力增大，所以发生管涌的可能性增大。

10为什么建筑物加盖不安全

楼房上部的加盖为什么不安全？利用以下公式计算出导致楼房倾斜的偏心距和造成地基下沉的极限承载力增量即可，单侧加盖公式p=P/A（1？e/B）解释的问题是偏心距，单侧加盖使偏心距e增大，偏心力矩增大，造成建筑物的倾覆。整层加盖公式Pu=cNc+qNq+1/2rbNr解释的问题是极限承载力。整层加盖增大了重量，超过极限承载力则建筑物会倾斜下沉，在外部因素例如强降水、地震等的作用下，会产生危险后果。

以上总结了与生活密切相关的日常问题，皆可用土力学知识作科学解答，在课堂上的讲解会增进学科魅力，增强学习动力及记忆。

基金项目：三峡大学教研基金土力学课程教学内容改革研究与实践J2011047。

参考文献

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[2] 陶高梁.从专业兴趣促进专业素质培养——以土力学与基础工程教学为例[J].教育现代化，2019.

[3] 肖莹萍，翟聪，卢铭悦，林伟航.土力学在土木工程专业课程教学初探[J].课程教育研究，2019.