摘要：土木工程专业一般研究的是固体力学，包括理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等等。本文主要介绍其中的土力学、材料力学、结构力学在指导施工中的作用和实际案例。
关键词：力学、施工、案例
1土力学在指导施工中的作用
1.1土力学所研究领域
土力学是研究土体在力的作用下的应力-应变或应力-应变-时间关系和强度的应用学科，如地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等的设计都会运用土力学的知识。土在自身重力、外界荷载等因素作用下都可以产生土压力。土力学的研究对象是与人类活动密切相关的土和土体,包括人工土体和自然土体,以及与土的力学性能密切相关的地下水。
在土力学中经常运用的计算方法是：将土视为均匀度、各向同性的半无限弹性体，然后根据弹性理论公式进行计算。
1.2具体案例分析
1.2.1土的拱效应
如图所示，在太沙基的活动门试验中，如果将土层下的活动门拆下，只要土壤存在一丝凝聚力，则在外露部分仍然能够保持拱形的稳定形状，称为土的拱效应。这是由于土体内不同部分变形不一致而产生的应力重分布现象。外露部分的土由于重力的作用有向下的趋势，但是周围的土存在剪应力，阻止了土体变形，并且在活动门周围的土体应力增大。
在工程案例中：
在测量深埋地下管道的受力情况时，测得管道上的土压力并非等于上覆土的重力，其中主要的原因就是由于土拱效应的影响。地下管道在外界干扰下发生微小的相对沉降，使得管道上方内土柱与外土柱之间产生剪应力，主应力方向发生了偏转。
1.2.2土的时空效应
土的时间效应：是指土流变性能，在恒定应力作用下，土体随时间发生蠕变、应力松弛等使得变形增加的现象。土的空间效应：开挖土体时，未挖的土对于已挖部分存在空间约束，如土拱效应。
在深基坑开挖的过程中：
（1）开挖及支护的过程中墙体位移特点墙变形主要发生在开挖面以下。采用分层开挖，分层支护的形式时，能够产生土的空间效应。由于土压力的作用，每层支护间的土会发生较大位移，而支护处的土并不会发生太大位移，因此土体的不均匀变形使激活每层支护间土体间的剪力τzy，产生土的垂直拱效应，那么只要支护间距保持在合理的范围，那么就可以减少支护结构的使用，降低工程的造价。间断式水平挡土板支撑就是利用这一原理。
（2）在挖基坑时，采用临时护土的形式也可以利用土的空间效应降低墙体位移。每开挖一层时留下挡土墙周边一部分的土，那么留下的土会激活被动土压力，从而阻止挡土墙的变形。
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2 材料力学在施工中的作用
2.1 材料力学所研究领域
材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。通过材料力学我们可以计算出材料在外力的作用下破坏的规律，以及为构件设计足够的强度、刚度和稳定性。
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在材料力学中常用的计算方法：简化计算方法、平衡方法、变形协调分析方法、能量守恒方法、叠加方法等等。
2.2 具体案例分析
2.2.1 继续讨论土的土拱效应对土的主动土压力影响
利用材料力学的平衡方程，即可简单计算出挡土墙变形趋势为绕墙顶转动时，产生土拱效应对土的主动土压力平衡影响。
取高度为H的挡土墙后任意深度y处一厚度为dy的土体微分体，则在竖直方向的合力为，在水平方向的合力为。当挡墙后土体处于主动极限平衡状态时土体产生滑裂面，令滑裂面倾角为β，滑裂面与法线夹角为φ。则土体的平衡方程为：
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而不产生土拱效应时（即土之间之间不存在剪切力），运用朗肯土压力的原理，土的平衡方程为：
2.2.2 梁的假定条件
当我们在分析桥的承压情况时，如果桥的每一个结构构件都满足理论计算模型与实际表现一致，我们可以把桥当做一个整体梁结构进行计算分析。如果某一个组合构件的刚度并不能满足整体受力变形模型的要求，那么结构的整体极限承载力会相对降低，造成计算、模型的错误。
非常经典的魁北克大桥的案例，就是因为桥的下弦杆在施工中受压失稳，使得整体结构失稳。下弦杆由四块受压的钢板构成，工程师错误的将钢板的当做一个整体并计算惯性矩，所以在算极限荷载时实际极限受压承载力比计算极限承载力低很多。
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3 结构力学在施工中的作用
3.1 结构力学所研究领域
结构力学主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的问题。结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在外力、温度效应、施工误差及支座变形等作用下的产生的内力、轴力、剪力、弯矩、扭矩的计算，位移、线位移、角位移的计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应、自振周期、振型的计算等。
结构力学计算通常采用有三种方法：能量法，力法，位移法。
3.2 具体案例分析
3.2.1 两跨连续梁实际施工受力情况
结构力学分析采用先有结构后有荷载的原则。对于理伦计算来说，每一个单跨梁都受来自自重的均布荷载g，所以可以得到每一跨梁的最大弯矩值为。当两个梁拼装完成后，拆除支架，支座同时受到梁的重力影响，中间的支撑结构将共同承担左右两个梁的力，可以根据影响线绘出如图所示的弯矩图，而中间的支撑结构处弯矩值为。
但是实际施工的过程中，每一跨连续梁都是依次施工的，完成一跨连续梁之后便会拆除支架，并且安装下一跨。所以在实际施工时支座并不是同时受到两个梁的重力作用。采用叠加法原理：第一跨梁施工完成后，即受重力作用，两边支座的弯矩值为零，中间弯矩最大且为；第二跨梁施工完成后，单独分析其受力，左边梁受到右边梁重力影响，中间支座的弯矩为；两个独立分析的结果进行叠加得到依据施工顺序而成的连续梁所受弯矩，中间支座的弯矩为。
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3.2.2 现浇梁和拼装梁的受力情况
对于一个等截面、两端固定梁，跨度为2l，受到均布荷载q的影响，可以看到我们直接用结构力学分析其弯矩图如下图所示，左右固定端的弯矩为，最大弯矩在中点处为。
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但是在大部分大跨径梁在实际施工的过程中是采用拼装的形式，在左右两个固定梁处形成两个悬臂梁，然后将两个悬臂梁进行拼接合拢。在悬臂梁阶段由分析可知，固定端的弯矩的弯矩为，而悬臂处弯矩为0；当两个悬臂梁合拢以后，假设不考虑两边梁的相互作用，则合拢接口处的弯矩为零，固定端弯矩为，梁受力情况未改变。
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可以观察到两种施工方法的最终结构、外加荷载都完全相同，但他们所受内力却完全不同。同样的，这两种分析方式的结构挠度变形也会不一样。
3.2.3 施加力矩对结构整体受力影响
在上一个案例的基础上，如果在拼装梁在拼装之前在拼装接口处加放置一个千斤顶，使两边的悬臂梁同时产生一个相反的弯矩，这个时候可以发现在桥两端的固定处的弯矩减小了，由于自重产生的弯矩一部分被接口处产生的弯矩抵消地掉了。这时对于桥梁支座的抗弯能力降低了，合理运用此原理还可以很好的降低设计桥梁承载能力的造价。
5总结
任何一个结构的设计都离不开精确的力学分析，不同的结构和受力情况对应不同力学分析方法。然而施工理论和实际也存在很多区别，所以工程师在设计时应该充分考虑实际情况，在做整体分析时要考虑组合构件是否满足整体变形条件，并且可以用多种不同力学角度进行验算，以此减小施工事故的风险。
6 参考文献
[1]K.太沙基. 理论土力学[M]. 地质出版社, 1960.
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[4]耿建勋, 耿永常, 张克绪. 水平土拱效应在护壁桩设计中的应用[J]. 地下空间与工程学报, 2009(04):166-170+181.