在生產和建設中，人類對地球表土層進行施工的目的、種類和工藝過程的組合是多種多樣的；即使是同一作業，由於工藝順序不同，其結果也不同。比如：先靠溝邊切與先離開溝邊切，兩者對前麵的和後麵的工序所造成的邊界係件就截然不同；作業的結果、質量、水平和功耗也不相同。逐一研究各種排列組合的工藝過程是無法窮盡的，而把一種土工作業看成為一種或幾種基礎元素按一定順序組成的工藝過程，從而有助於理解、分析和處理紛紜而複雜的諸多現有的或將來發展的作業，這個思想首先是由郭遼契金提出的。郭遼契金將農業機械的土壤加工工藝分為：切土、碎土、分離坷垃、鎮壓、平地、開溝、攪拌、粘附，及從莖根上將土壤分離等12種工藝元素。當將視野從耕作、行駛擴大到各種土工作業，並按過程的本質分類時，我們認為最常遇到的最主要的基本土壤工藝元素是擋土、承載、貫入、壓密和固結、切削、破碎、土壤與固體材料之間的粘附、摩擦與磨蝕、風蝕、水蝕等。
土壤在基本工藝元素過程中的響應性能與在各種複雜的施工作業中一樣，受土壤性質的影響很大，有時同一元素過程，土壤所起的響應性質可能卻完全不相同。為了便於掌握過程的本質而避免陷人實際事件中的爭議，未飽和土和飽和土等幾種典型狀態來分別處理。在本書中，采用Aitchison的分類，幹土一般指孔隙氣體已與大氣連通的狀態，未飽和土指孔隙氣體的主體封閉在孔隙水中的狀態，兩者統稱非飽和土。
一些主要的基本土壤工藝元素，在前麵各章中的不同場合及不同程度上有所涉及，本章將隻扼要介紹其過程本質，作為理解和分析複雜作業過程的基礎。
4.1擋土
許多土壤加工機械和裝置（如開溝機、鋪管機、耕作機、錨樁等）的部件或構件，在工作中都要起擋土的作用，並承受來自所擋土體的壓力，該壓力稱為土壓力。土壓力的大小不僅與擋土構件的尺寸和填土性質有關，而且與擋土構件的剛度和位移有關。
土工建築工程上，根據擋土構件的位移方向及其大小的不同，將土壓力分為以下三種：
1.靜止土壓力
擋土零件和構件（或擋土牆）完全沒有側向位移時的土壓力，稱為靜止土壓力。由於擋土構件處於靜止狀態，土體中的應力相當於有側限單向壓縮試驗中的應力條件。
2.主動土壓力
當擋土構件被土的壓力推離土體至一定距離，而且牆後土體達到極限平衡狀態（瀕於破裂），此時作用在牆背上的土壓力稱為主動土壓力。這種瑕疵平衡狀態，稱為主動極限平衡狀態。達到主動極限平衡狀態所需相對位移量（位移與牆高之比）約為0.001-0.005。
3.被動土壓力
當擋土構件被外力推向土體至一定距離，而且牆後土體達到極限平衡狀態，此時作用在牆背上的土壓力稱為被動土壓力。這種極限平衡狀態稱為被動極限平衡狀態，達到被動極限平衡狀態所需相對位移量約為0.01-0.05。
作用於擋土構件上的土壓力可能是主動與被動土壓力的任一值，這取決於構件的位移情況。土壓力的計算方法有兩種，即朗肯與庫侖土壓力埋論，下麵分別介紹。
一、庫侖土壓力理論
庫侖（Coulomb.C.A.，1776）土壓力理論假設粗糙的擋土牆麵和不規則的填土表麵，不論是在主動的或被動土壓力狀態，土體滑裂麵都是從擋土牆底點開始的直平麵，而且將整個滑動楔體視為剛體，沿剪裂麵滑動而向擋土牆麵施加作用力。根據土楔的外力平衡條件，即可解出擋土牆的總土壓大小、方向和作用點。
1.求無粘性土總主動壓力
按平麵滑裂麵求擋土構件總土壓力的步驟。是擋土構件工作麵，與鉛垂麵成一-角；50是地麵，與水平線傾斜角。在向左退讓而土體達到主動極限平衡時，滑裂麵設為心。這時作用於滑動棱體ABD上的力有：①土體質量W，破壞麵上的反力R和牆背反力從力多邊形及正弦定律，根據靜力平衡條件有
2.求無粘性土總被動土壓力
若擋土構件向右將土體擠壓而使土體達到被動極限平衡時，通過同樣分析，其方向為在壁麵法線的上側，及的方向亦在滑裂麵AD的法線的上側；同時，發生於PP等於最小值的時刻，因為土體將沿最小阻力的滑裂麵。
二、按對數螺線滑裂麵求土壓力
太沙基觀察到擋土構件壁麵與土體的摩擦角增大時，按平麵滑裂麵計算出的被動土壓力顯著偏大，當％接近P值時，誤差可達30%。同時觀察到有些擋土構件呈現出壁麵上下部變形不一樣；下部填土達到極限平衡狀態時，上部填土並不一定達到極限平衡狀態。當9%大於3時，土體滑裂麵不再保持平麵，而呈現自牆底點向上的明顯撓曲，從而提出了滑裂麵為對數螺旋線的理論。根據這個假設，通過試作不同的螺線滑裂麵，通過受力平衡分析，確定總土壓力及作用點位置。
螺線滑裂麵求擋土構件總主動土壓力的步驟試取任意半徑r。按方程作對數螺線代表滑裂麵，通過擋土構件底點並假設與地表正交。
在幹土的情況下，用平麵滑裂麵作為近似解對擋土牆計算總主動壓力時相差±10%，計算總被動土壓力時相差±20%。
對於飽和土，須按不同情況來處理。不論是按平麵或按對數螺線滑裂麵計算主動土壓力或被動土壓力，若牆後填土中有地下水時，水下土的重量應考慮浮力作用，即在地下水位以下按浮容重計算。
三、按塑性極限平衡微分方程求解土壓力
上述各種按塑性極限平衡理論計算擋土構件土壓力的方法，都是對滑裂麵作某種粗略的假設，即假設是平麵、對數螺線麵或其它。在構件尺寸較大、形狀和變形複雜，土層不均勻，受力複雜，特別是需要考慮慣性力及動載荷時，如要獲得較為符合實際的結果，就需要在應用塑性極限平衡理論中，應用連續介質力學方法，按照微元土體的實際受力平衡，列出平衡微分方程，才能較為準確地確定滑裂邊界，並求算出總土壓力。這時往往需用繁長的數值方法進行計算。
靜力塑性極限平衡微分方程及解，塑性極限平衡微分方程，實質上是將土體微元平衡條件與庫侖-莫爾失效準則的聯立。
土體中的微元的平衡方程另外，在進行特征線方程的差分計算時，須把已知邊界上的應力值及其方向換成用坐標係表示的相應，然後才能按差分公式逐點地計算下去。同樣，當差分計算進行到其它邊界時，亦須把算得的值換算成相應的邊界壓力及其方向角。
4.2承載
4.2.1為對不同密度的砂進行模型試驗的典型性結果整體剪切破壞，其特征是當荷載較小時，荷載與沉降的關係近似直線變化；當荷載大到某一數值後，承載麵邊緣處的土體開始產生剪切破壞，並隨著荷載繼續增大而擴大，這時荷載與沉降關係呈曲線形狀；當荷載達到土體的最大承載能力時，則沉降出現急劇增大，基礎兩側地麵向上隆起，地基中形成延伸到地麵的連續滑裂麵。土體所承受的、承載麵上的最大壓力，稱為極限承載力。局部剪切破壞，其特征與整體剪切破壞有些相似，所不同之處是，當荷載達到土體最大承載能力時，剪切破壞區僅僅限製在土體內部某一範圍內，地基中不形成延伸到地麵的連續滑動麵；荷載與沉降關係呈非線性變化，且直至達到破壞時，仍無明顯轉折現象。衝剪破壞，其特征是，不出現明顯的連續滑裂麵，基礎兩側地麵也不隆起，基礎隨著荷載增大而近乎垂直向下地貫入土中，並在基礎側麵附近的土體中形成垂直剪切破壞。衝剪破壞的荷載與沉降關係曲線與局部剪切破壞相似。
一般認為，強度大、壓縮性小的粘性土和密實砂土將出現整體剪切破壞；而強度低、壓縮性大的粘性土和鬆砂將產生局部或衝剪破壞。總之，當載荷達到一定值後，土體中開始出現局部滑移線，沉陷增長較前為快，但未達流動狀態；在土體中產生全麵滑移線而破壞時，沉陷開始更迅速地發展。密實砂的開始剪裂破壞點和出現全麵剪切破裂點相距很近，中實砂和鬆砂則相距較遠。密實砂的載荷沉陷曲線呈駝峰型，中實砂呈漸近線型，鬆砂呈陡漸近線型。