【中華百科全書●工學●土壤力學】

楊籍富

【中華百科全書●工學●土壤力學】

 

研究土壤在力場中反應的學科稱為土壤力學（SoilMechanics），係由奧地利人德在基（Terzaghi）氏在西元一九二五年著Erdbaumechnik而造創立。

 

土壤（Soil），狹義之定義為：岩石經物理性或化學性風化或分解而成之物質；

 

廣義之定義為：地球表面一切未固結材料皆為土壤。

 

若採狹義之定義，則土壤僅包含自然之礦物粒；

 

若採廣義之定義，則人為之垃圾，我國南沙群島中之太平島上的鳥糞，英國多佛海岸之白堊土（Chalk，為有孔蟲死亡之後的碳酸鈣質外殼所堆積而成），皆可視為土壤。

 

至於土壤與岩石之分界，通常以一個人所能搬運之最大顆料，直徑大致為三十公分，作為土壤顆粒之上限。

 

超過三十公分直徑之顆粒，必須使用炸藥或機具破碎成小粒之後，一個人才搬得動，稱為岩石。

 

但若使用挖土、鏟土，或移土機具，無需借助炸藥或裂石設備，就能搬運之顆粒，不論有多大，在土木工程作業上，仍以土壤計價。

 

土壤力學之範疇大致如下：一、土壤之分類與鑑別，二、土壤材料之力學性質，三、重力所引起之土內應力及水壓，四、地表作用力所引起之土內應力及水壓，五、土壤之壓密理論，六、土體之力學性質，七、土壤力學在基礎問題之應用，八、土壤力學在邊坡安定問題之應用，九、土壤力學在擋土工之應用，十、土壤力學在路工之應用，十一、土壤之改良，十二、工址之調查、試驗與觀測。

 

土壤之分類，屬於粗粒土者，以其粒徑為根據，粒徑大於三十公司者為頑石，十公分至三十公分者為卵石，四點七六公分至十公分者為礫石，四點七六公分至零點零七四公分者為砂土，小於零點零七四公分者為細粒土；

 

屬於細粒土者，以其塑性為根據而分為沈泥或粘土。

 

粗粒土，常成散粒狀態而存在；

 

細粒土，常聚集成團而成蜂窩狀結構或飛絮狀構而存在。

 

粗粒土，在無側壓力作用之情形下，呈散砂狀態，毫無凝聚力；

 

但若受側壓力之作用，則能發揮摩擦力而提供良好之強度與承載能力。

 

又粗粒土易於透水且沈陷之程序迅速。

 

為使粗粒土趨於緊密，振動甚為有效，靜壓效果微小。

 

沈泥，其不具塑性者，性質近於砂土；

 

其具有塑性者，性質近於粘土，但沈泥及細砂，受地震或人為振動之作用，可能發生液化之現象，完全失去承載能力。

 

粘土，其顆粒外形呈板狀、片狀、針狀、纖維狀或管狀，因此在自重沈積之時，常成飛絮狀結構而極為鬆軟。

 

土壤力學之誕生，係由於德在基氏在一九二○年代初期發現土壤的有效應力（EffectiveStress）現象及壓密程序（ConsolidationProcess），並建立單向度壓密理論（TheoryofOneDimensionalConsolidation）而開始。

 

土壤含固質粒料及孔隙。

 

孔隙由孔隙水及空氣所組成。

 

若為飽和土，孔隙中僅含孔隙水。

 

常年在地下水位以下之土壤必然飽和。

 

孔隙中流體之壓力稱為孔隙壓力（PorePressure）；

 

孔隙中水之壓力稱為孔隙水壓力（PoreWaterPressure）；

 

孔隙中空氣之壓力稱孔隙氣壓力（PoreAirPressure）。

 

土壤受外力之作用，外力與總斷面積之商稱為總應力（TotalStress），總應力與孔隙壓力之差為有效應力。

 

土壤之強度及體積變化由有效應力決定，而不由總應力決定。

 

若有效應力保持不變，雖然總應力增高，強度與體積皆不生變化；

 

若有效應力增高，雖然總應力不變，強度增高，體積變小。

 

土壤所受之總應力如果增高，則孔隙壓力必然相對增高，而有效應力並不增高，或增高不多。

 

若所論土壤並無可排水之邊界，則新增高之孔隙壓力保留不變；

 

若有可排水之邊界，則新增高之孔隙壓力將逐漸消退至原有（總應力末增高時）之狀態，隨孔隙水壓力之消退，所論土壤之體積亦逐漸縮小，是為壓密程序。

 

粗粒土之壓密程序極為迅速；

 

沈泥則較為緩慢；

 

粘土則極為緩慢。

 

其壓密程序進行之時間與土壤厚度之平方成正比。

 

試驗室內為模擬實際粘土層之壓密程序而辦理之壓密試驗，常使用二公分厚之試體，以便在一天之內完成一次新增總應力之壓密程序。

 

德在基氏之單向度壓密理論，係考慮平面範圍寬之薄層飽和粘土，上下邊界至少有一邊可供排水，土壤體積之變化以及孔隙水排洩之方向只有單一方向者。

 

土壤，若目前所受之有效應力，即為曾經受到的最高有效應力，稱為正常壓密土壤（NormallyConsolidatedSoil）；

 

若以前曾受到比目前更高之有效應力，稱為過份壓密土壤（Over-consolidatedSoil）；

 

若目前所受之有效應力低於總應力減靜水壓力之值，稱為壓密未完成土壤（Under-consolidatedsoil）。

 

壓密未完成之土壤，強度極低，且不因深度之加深而增高；

 

正常壓密之土壤，其強度隨深度之增高；

 

過份壓密土壤，在地表附近即有相當高之強度，且愈深愈強。

 

粗粒土壤之剪力強度，隨側壓力之增高而增高，側壓力為零則剪力強度亦為零。

 

細粒土壤，尤其粘土，其剪力強度因排水情況而，有「不排水式強度」（Undrainedstrength）、「排水式強度」（Drainedstrength），以及「壓密不排水式強度」（Consolidated-undrainedstrength）等多種。

 

土壤之剪力強度，常以「正應力對剪應力」（NormalstressvsShearstress）關係曲線表示之，稱為破壞包絡線（FailureEnvelope）。

 

該包絡線在剪應力軸（縱軸）之截距為凝聚力（Cohesion），其斜角為摩擦角（AngleofFriction）。

 

粘土之不排水式摩擦角為零。

 

正常壓密土壤之排水式凝聚力為零。

 

土壤力學之應用甚廣，包括基礎（Foundation）承載力（BearingCapacity）與沈陷（Settlement）之分析、邊坡安定（SlopeStability）分析、土壓力（EarthPressure）之計算等。

 

土壤力學試驗有：分類試驗、品質控制試驗、壓密試驗、透水試驗、強度試驗等等。

 

強度試驗又分直接剪力試驗（DirectShearTest）、三軸試驗（TriaxialTest），以及單壓試驗（SimpleCompressionTest）等。

 

（洪如江）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=6669