今年春，有幸也有时间听清华大学水利系張丙印教授，主讲的土力学的第一章，六小节内容。其实我们在六十年代出生的农村孩子，提到土并不陌生，甚至还有许多亲身感受，儿时许多游戏，都与土相关(打瓦泥蛋，推规穿圈，泥人姐弟，黏性土制玩具手枪等)，这是当今孩子们，很难体会到的童年，那天真并得到众多長者关爱的生活。
关于土力学的形成，我查阅相关资料，是在1923年，卡尔-太沙基发表了渗透固结理论，第一次科学地研究土体固结过程，同时提出有效应力原理，从此奠定了土力学的基础，卡尔-太沙基后来又出了两本书，分别是《理论土力学》和《实用土力学》，全面总结和创造了土力学原理和应用经验，给土力学成为一门学科，开辟了研究领域，土力学其主要内容就是有效应力原理，固结理论，沉降计算，剪切强度，承载力理论，土压力，边坡稳定六个方面。而張丙印教授从古今中外的建筑物失事例证中，导入学习土力学的重要性，并对每一案例进行总结，道出失事原因，首先对加拿大特朗斯康谷仓地基失稳，上海“楼倒倒”，万亨大厦基坑倒塌，杭州地铁基坑事故，他导出失事共性，主要原因是设计时，未对土仓的地面承载力进行勘察研究，直接采用邻近建筑物的试验结果计算，事后经核实，地基实际承载力远小于谷仓破坏时的基底压力，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。这些例子，还告诉我们，干什何事，都要亲身实践，务实在建筑工程中的重要性，張教授从失事事例中，得出结论，对土体认识的偏差，人类将会付出沉重的代价。这些案例中，可归结为地基强度的理解，对地基强度特性的足够认识，是建筑物稳固的前提，为达到此目的。首先要研究好土的特性。
紧接着他又举了意大利比萨斜塔，日本关西机场，加拿大接吻的筒仓，上海“楼亲亲”，墨西哥城地面沉降。归结失事原因，是与土有关的变形问题，这也是土体的第二大特性。这是引起土力学学习研究深入的原因。随后，他举美国Teton坝失事，我国1998年，九江大堤沉船堵溃口的案例以及青海省的沟后面板砂砾石坝溃坝的案例，道出是渗透问题引起的，告诫我们土的渗透问题不解决，同样要付世高昂代价。所有失事事故中，给我印象最深的地基失衡坍塌事故是，2004年4月20日下午，新加坡的尼浩大道旁，在建工地发生坍塌，在4月22日晚，当我接到在国内中学读书的女儿，打来电话时，有一种说不出来的欣慰，因为目前失踪者中，有我们同去的中国籍客工。因此，从土的强度特性，土的变形特性，土的渗透特性，我们就要好好研究土力学，对曾经产生失事事故现象的背后机理研究，并据此提出工程应对方案，确保今后在建的土木建筑物结构，在任何土体条件下的安全性。向那些过去在失事事故中的亡灵们致哀，给那些在失事事故中的伤者们抚慰，为在今后的建筑物建设中的人们，周边生活，工作，学习的人们，送去定心丸和安全保障单，我们这些工程建设中的科技人才，就应该无条件的担起学习和研究土力学的重任，做到防患于未然。張教授从案例分析中，让我们知道土的三大特性，即强度特性，变形特性，渗透特性，土力学不但对这三种特性作了研究和提出相应的措施办法，还可以解决我们许多工程实践中问题，这也是卡尔-太沙基开创的土力学价值所在。
关于土的形成，书中说的是，岩石风化后形成的产物叫土，其中岩石走过三个过程，形成量变和质变后才叫土，这三个过程就是风化，搬运，沉积。风化又有三种形式，物理风化(就是岩石和土颗粒受物理因素影响，产生胀缩，裂缝或在运动过程中因碰撞摩擦而破碎，颗粒外形发生变化，矿物构成元素与母岩一致)产生无黏性土，化学风化(母岩表面和碎散的颗粒受环境因素作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物)颗粒成分发生质的变化，矿物成分与母岩不同，主要是形成十分细微的土颗粒，主要是黏性颗粒和可溶盐类。这种土，我印象最深刻，大概在上世纪70年代，反修防修，全民皆兵中。我父亲是基干民兵，教我用红黏士，制玩具手枪，就是利用土的变形特性，做成手枪模型，晒干用黑油漆涂抹。顺便介绍一下，我出生的小村叫徐丹，就是江苏盐城古代天下盐场中，十八场中的第一场天赐场，我们村是天赐场中仅有红黏土的小村，丹是红(黏土)的意思，那土细微的颗粒，在水份风干后，真是菜籽粒大的小红球，水浸泡后则成稀烂泥，这反应了土的渗透特性。利用土的变形，强度特性，把红黏土搓成汤圆型大的小球3个，与两个差不多大的瓦砾或石头，抓在手心，每次扔出一个向上，4个向下，由于手离地近，扔出向上那一个后，抓起地上4个，翻转手心，等上抛的那一个掉落手心，抓住，将5个轮留上抛一次，分别重复5次动作，5个汤圆型状球都没碎，即是一次胜利或赢局，这就叫瓦泥蛋游戏。生物风化主要是植物，动物，土壤微生物的作用，构成土中有机质和营养物质的生物循环，导致腐殖质的形成改变土壤的结构。我说的泥人姐弟游戏，就是在上世纪70年代初，农村全民积肥，将河中有机淤泥取上岸，放到田里作肥料时，村上两个榜样人物是姐弟。让我们少先队员用红黏土，为他们做塑像，立在村中宣传画郎里。其实是红黏性土结构性的性质中，触变性的原理在彰显，红黏性土在天然尘土结构中被破坏，重塑成泥人，强度比天然结构中强度降低，但随着塑造好的姐弟像静置，新的结构强度又得到一定程度的恢复，并随时间的延長，黏性土的强度增加，当然增加到一定强度后就稳定，不再增加。这里说用河中淤泥作肥，其实是生物风化过程的利用，河中的鱼，虫类，水生菜，浮萍等水生生物与河底土壤中的微生物等作用，生成有机质淤泥，被村民们作为有机肥，取上岸，施到农植物生長的根部，当然也有用淤泥，覆盖在青草堆上，一段时间后，让青草在淤泥内腐烂变质，形成新的有机肥。
搬运沉积方式的不同，形成残积土和运积土。
土的三相组成，土体是由固体颗粒，土中水，土中气三相组成，这里我想到了，我们人可能是土做的，人也有身，心，灵组成，与土多么相似，难怪中国农村有句古话，老人去世后“入土为安”。固体颗粒构成土骨架，对土的性质起决定作用，就好比我们人，身体起决定作用，土中水，人中血，血汇聚于心脏，土中有气，人有灵性，人与土这么对应，真的很神奇。难怪佛教中有句阿弥陀佛，是无边无垠的意思，人体即是一个小宇宙。土中水对土的性质有重要影响，即是土的液相，土中气对土的性质起次要作用，即是土的气相，土体颗粒的粒径级配曲线，其物理意义是，曲线上两点，表达某粒径范围内土颗粒所占的质量百分比；斜率，某粒径范围内颗粒含量的多少，曲线越陡，相应粗组含量多，曲线越平缓，相应粗组含量少，若变成平台，则相应粒组缺乏。对特征粒径需要记忆，平均粒径d50，控制粒径d60，有效粒径d10，连续粒径d30，各个粒径的概念要清晰，d60与d10之间是构成通常土体的骨架部分，也是承受主要荷载的主要部分，从土力学的级配曲线，可以了解土的粗细程度，分布和均匀的程度以及分布的连续的程度，从而用来判别土的级配优劣。这里我再介绍一下我们儿时玩的推规穿圈游戏，现在想起来，还是很有科学哲理的，就是在有松软的细粒土地方，挖了个坑，挖出的泥士堆在坑边，利用细粒土居高因自重下流特性，再用草制一个直径约5cm的圈，放在坑上堆土高的一半位置，用双手将坑上土向坑里猛的一推，然后用木棒在土中穿插，每次穿插上挑，直到把草圈挑起，即为胜利，这游戏检验穿圈命中率。其实是利用细粒土的松软不密实特性，这是土力学知识，对于把草圈比喻成规矩，被人类自私的人性埋没，哲者从埋没中挑出，重新约束人的规范，那是人文教育的哲理，对社会发展和廉政教育的意义，就更大，这里不作讨论。关于判断级配优劣的指标，土颗粒的矿物成分和形状等，这里也就不作介绍。
我想重点谈谈黏土矿物的带电特性，研究表明，片状黏土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷，电泳和电渗的实验更清晰。颗粒形状和比表面积中，首先了解比表面积，是单位质量土颗粒所拥有的总表面积，比表面积与土颗粒大小及形状有关，颗粒越细，比表面积越大。这和日常生活中炒菜相似，菜越大，在锅中占的油盐越少，吃起来越没味，菜切的越细，在锅内占的油盐越多，吃起来越有味，仔细想想，是不是这道理。对于黏性土，其大小直接反应士颗粒四周介质，特别是水，相互作用的强烈程度，是代表黏土特征的一个重要指标，下面三种黏土矿物的比表面积，作为常识，熟记，高岭石是10到20平方米每克，伊利石是80到100平方米每克，蒙特石是800平方米每克。
关于土中水，我还想说一说强结合水和弱结合水，强结合水的特点有两个，强结合水紧靠土颗粒表面，电场的作用力很大，几乎完全固定排列，丧失液体的特性；冰点低于零度，密度比自由水大，具有蠕变性，温度略高于100摄氏度时，才会蒸发。弱结合水，指强结合水之外，电场作用范围之内的水。定向排列于土颗粒四周，电场作用力随远离颗粒而变弱；弱结合水是一种黏滞的水膜，外力作用下可以移动和变形，但不因重力而流动。这种土颗粒中弱结合水现象，我们童年常见，那时割牛草，在長满芦苇的草塘边，有一种水生草，很细很長，浮在小水塘的水面，简称油膜草，在水面有一种赤红色油膜，有时油膜很浓厚，你拖动一根油膜草，那水膜也跟着草移动，童年感到有趣，常常几个人一起逗玩，现在学习土力学，真的感到，人生没有白走的路，童年的记忆，让我对土中强结合水，弱结合水，自由水中的毛细水，重力水能够直观的理解。土的气相，自由气体，封闭气体更好理解，我们童年常常用手捧水，浇在土孔隙中，用以辨别孔隙中有无小鱼或小虾，因为有小鱼小虾的孔隙，气泡出来多且大，没有就少而小，土中气主要包括四种气体，首先是自由气体，即是与大气相通的气体，对土的性质影响不大，其次是封闭气体，被土颗粒和水封闭的气体，其体积与压力有关，产生的影响，会增加土的弹性，阻塞渗流通道，降低渗透性，第三是溶解在水中的气体，第四是吸附于土颗粒表面的气体。
土的物理状态包括土的物理性质指标和土的物理状态指标，土的物理性质指标，是指土的三个组成相的体积和质量上的比例关系，即从室内测定三个基本物理性质指标，由土的密度，土粒比重，土的含水量，通过三相草图法，分别得到孔隙含量，含水程度，密度和重度。土的物理状态指标，指土的松密和软硬状态，也就是粗粒土的密实状态，用相对密度表示，细颗粒土的稠度状态，用液性指数表示，这里关于相对密度和液性指数的公式，就不作交待，见教材。土的物理状态中还要了解两个概念，稠度界限wp到WL，是反应土中水形态的变化；塑性指数Ip，表示吸附结合水的能力。
土的结构是土颗粒或粒团的空间排列和相互联结，粗颗粒土，粒间力，重力起主导作用，结构形式为单粒结构。细颗粒土，粒间力、其他粒间力起主导作用，结构形式有分散结构和絮凝结构。反映黏性土结构性的性质是灵敏度( St)和触变性(σ)。灵敏度就是原状土的无侧限抗压强度( qu1)和重塑土的无侧限抗压强度(qu2)之比，结构强度会随时间的增加而增長，在含水量不变的条件下，将原状土破碎，重新按照原来的密度制备出重塑土样。由于原状土的结构被破坏，重塑土的强度较原状土样将有明显降低。触变性即是强度降低之后的土，若静置不动，则土颗粒，水分子及离子会重新组合排列，形成新的结构，强度又会得到一定程度的恢复。完整的解释就是，含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的性质，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。这说明土石坝填筑随时间的增長而强度也更增强，但到一定程度后，将不会无止境增加坝体的强度。可惜，目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标，有待我们有兴趣者去开发研讨。
土的工程分类，就是将工程性质相近的土进行归类和定名，目的是便于调查分析，便于研究评价，便于在共同概念中交流。分类依据是，最能反应土的物理力学性质的指标，粗粒土是根据粒径级配，细粒土是根据吸附结水合能力wl,wp, I p。粗粒土，无黏性，粒间力以重力和毛细力为主，颗粒通过接触点直接接触。细粒土，粒间有分子引力及静电力等，存在相互联结，具有可塑性，黏粒吸引结合水膜，通常不直接接触，具有胀缩性，黏土矿物吸水膨胀，失水收缩。
最后，再来看看土的压实性，土的压实性，指土在一定压实能量作用下密度增長的特性，研究土的压实性目的，以最小的能量消耗，获得最大的压实效果(压实密度)。研究的方法有，室内击实试验，现场试验，室内标准击实试验，这里就不作重点介绍，把试验结论说一下，击实曲线特性是，细颗粒土击实曲线具有峰值，峰值干密度称为该种土体的最大干密度p dmax，也对应着试样所能达到的最小孔隙比，干密度越大，孔隙比越小；对应的含水量称为最优含水量W op，在该种含水量条件下，该种土体最容易被压实。另外，击实曲线总是位于饱和曲线之下，饱和曲线是指在饱和情况下，干密度pdmaⅹ和含水量关系曲线，根据三相草图，可导出饱和曲线方程，这里就省略了。击实曲线总是位于饱和曲线之下的原因是，黏性土透水性小，击实时含水量几乎不变；在一定含水量情况下，土样理论上最密的状态，就是被击实到饱和状态。压实机理是粒间联结力被破坏，颗粒间孔隙被压缩；土粒间发生滑移，转动，土粒定向排列；颗粒发生破碎，细粒土颗粒破碎较少，在范围内的颗粒越大，越易破碎。压实与含水量的关系，含水量小于Wop，颗粒表面水膜很薄，相对移动困难；含水量等于Wop,水膜润滑作用效果好，孔隙气尚没有形成封闭气泡，易排出，综合压实效果最佳，土最易击实；含水量大于Wop,水膜润滑作用不再明显增加，封闭气泡难以排出，水的相对含量增加。细颗粒土的渗透性小，在击实和碾压过程中，土中水还来不及渗出，含水量越高，得到的压实度越小。
压实功的影响，对于同一种土，最优含水量和最大干密度并不恒定，而是随压实功的大小发生变化的，压实功越大，最优含水量越小，相应的最大干密度越高；超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小，击实曲线均靠近于饱和曲线。
填土的含水量选择，首先，就应将土料的含水量控制在W op附近，以期可以用较小的压实能量，获得较高的填土的干密度；其次在W op干侧时，击实土常具有絮凝结构，土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密，浸水时易产生附加沉降；当在W op湿侧时，击实土常具有分散结构，土体可塑性大，适应变形的能力强，强度较低，具有较强的各向异性；设计土料时，应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选择合适的含水量，一般要求为W= wop(2一3%)范围内。这是我填筑坝前，必须反复看，反复思考的内容，相信在填坝前，还会看上几遍，每天思考不会少于1个小时。
填土的碾压标准，工程上常采用压实度D c，作为填方压实密度控制的标准，这里把压实度与压实系数理一下，压实度是指土或其他回填材料压实后的干密度与室内标准击实试验的最大干密度之比，用百分率表示，压实系数是指土或其他回填材料经压实实际达到的干密度与实际能达到的最大干密度的比值，施工中常用压实系数来控制填土的碾压标准。
粗粒土的压实性，压实性与含水量有关，不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实，在潮湿状态下，会存在假凝聚力，加大阻力，不易压实；同细粒土不同，粗粒土在击实过程中，可以自由排水，充分洒水，不会减少压实度；粗砂取4一5%，中砂取7%时，压实干密度最小，粗颗粒土压实标准，常采用相对密度控制。至此，课程内容结束，最后我还想谈谈，怎样将课堂知识，内化成工作能力。
再好的学术和理论，不能有机的运用到实践中，指导控制实践达成预想目标，即转化成社会生产力，那也是纸上谈兵。因此，学好土力学，重在不怕吃苦，不厌其烦的现场观察与试验，注意土的基本特点，与石子，石灰，粉煤灰，砂，石膏等材料进行对比，并且勤作笔记，记录工作中土的位置，时间，是强度，变形，渗透中那一项内容，通过历年实验总结，与不断发展的课程内容对比，看课程命题的真实性与正确性，有时，实验设备越简单，就越能体现实验目的的原始性，实验者就能洞察整个现象的变化过程，最后证实或推翻此前的假设，甚至得出新的假设，童年用土做的游戏，让我现在对土力学课程理解起来，更方便直观。我在去年，读了王磊老师《河中石兽》的课程讲解，我答应他，今年在我们施工现场，我亲自做实验，定期发现场照片给他，结果证实了教材中的内容，我的实验与书中一致，不规则的石头，放在急流不断的上下游沟渠中，石头在流水作用下，反而向上游，而且慢慢深陷土中，向上游距离越大，深陷的深度越深。总之，学好土力学，需要敬业专注精神，培养逻辑缜密的思维习惯，在工作中探索，在思维中精进，做一名合格的建设工程科技人。