土力学课件(清华大学)土力学绪论.ppt

1、F 什么是土？什么是土？F 土及土力学有哪些特点？土及土力学有哪些特点？F 为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？F 土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？F 如何学好土力学？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点课程绪论：土力学及其特点1土的一般概念土的一般概念土，地之生万物者也。土，地之生万物者也。二二象地之象地之上，地之中；上，地之中；|物出形也。物出形也。-说文解字说文解字土字包括：地上植物部分、表土层、土字包括：地上植物部分、表土层、植物地下部分和底土层四个层次。植物地下部分和底土层四个层次。土地系指由地形、水文、局地气候、土地系指由地形、水文、局地气候、岩石圈的上层、土壤和生

2、物有机体等岩石圈的上层、土壤和生物有机体等相互作用组成的自然地域综合体，是相互作用组成的自然地域综合体，是地球表层历史发展的产物。地球表层历史发展的产物。2大气圈大气圈水圈水圈岩石圈岩石圈生物圈生物圈风化物风化物土壤圈土壤圈地下水地下水土壤在自然界的位置土壤在自然界的位置土壤是岩石圈、大气圈、水土壤是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈综合作用形成的圈和生物圈综合作用形成的产物。其上界通常是绿色植产物。其上界通常是绿色植物层顶，下界达植物根分布物层顶，下界达植物根分布层。其垂直范围，恰好是岩层。其垂直范围，恰好是岩石圈的上层、大气圈的下层、石圈的上层、大气圈的下层、水圈及生物圈相互接触的地水圈及生物圈

3、相互接触的地方，是生物生命及人类生产方，是生物生命及人类生产活动最集中的地方。活动最集中的地方。“地者，万物之本原，诸地者，万物之本原，诸生之根苑也生之根苑也”-管仲管仲3土壤的剖面和形成土壤的剖面和形成土壤有非常复杂的形成过程，并具有独特的土壤有非常复杂的形成过程，并具有独特的层状构造。土壤剖面一般包含枯枝落叶层、层状构造。土壤剖面一般包含枯枝落叶层、腐殖质层、淀积层和母质层四个基本层次。腐殖质层、淀积层和母质层四个基本层次。FF 地质大循环：地质大循环：岩石岩石 土壤土壤风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积FF 生物小循环：生物小循环：生物活动所造成的土壤生物活动所造成的土壤 有机质的循环有机

4、质的循环地质成岩作用地质成岩作用土壤带土壤带腐殖质层腐殖质层淀积层淀积层母质层母质层传统岩土工程的范畴传统岩土工程的范畴4岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚高山下的冲积锥群高山下的冲积锥群风蚀蘑菇风蚀蘑菇土的形成过程土的形成过程黄河冲积三角洲5 砾石料砾石料 卵卵 石石 砂砂 粘粘 土土（人工破碎）（人工破碎）工程与土力学中的土工程与土力学中的土地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。很弱的颗粒堆积物。67F 什么是土？什么是土？

5、F 土及土力学有哪些特点？土及土力学有哪些特点？F 为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？F 土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？F 如何学好土力学？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点课程绪论：土力学及其特点8土体的特点土体的特点FF 一般一般固体：固体：FF 液体：液体：FF 土体（散粒体）：土体（散粒体）：可保持固定的形状可保持固定的形状不具有特定的形状不具有特定的形状具有一定但不固具有一定但不固定的形状定的形状9岩石风化或破岩石风化或破碎的产物，是碎的产物，是非连续体非连续体 受力以后易变形，强度低受力以后易变形，强度低 体积变化主要是孔隙变化体积变化主要是孔隙变化 剪切变形

6、主要由颗粒相对剪切变形主要由颗粒相对 位移引起位移引起固相固相-土骨架土骨架液相液相-水水气相气相-空气空气 受力后由土骨架、孔隙受力后由土骨架、孔隙 介质共同承担介质共同承担 相间存在复杂的相互作用相间存在复杂的相互作用 孔隙流体流动孔隙流体流动自然界的产物，自然界的产物，存在自然变异性存在自然变异性 非均匀性非均匀性 各向异性各向异性 时空变异性时空变异性土体的特点土体的特点 碎散性碎散性 三相性三相性 天然性天然性10 渗透特性渗透特性 变形特性变形特性 强度特性强度特性 碎散性碎散性 三相性三相性 天然性天然性物理力学物理力学特性复杂特性复杂土体的特点土体的特点11学科学科研究对象研究

7、对象理论力学理论力学 质点或刚体质点或刚体材料力学材料力学 单个弹性杆件（杆、轴、梁）单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体连续固体结构力学结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性力学 弹性实体结构或板壳结构弹性实体结构或板壳结构水力学水力学不可压缩的连续流体（水）不可压缩的连续流体（水）连续流体连续流体土力学土力学天然的三相碎散堆积物天然的三相碎散堆积物碎散材料碎散材料土力学与其他学科的比较土力学与其他学科的比较12土力学的特点土力学的特点 土力学土力学研究土的渗透、变形和强度特性以及研究土的渗透、变形和强度特性以及与此有关的工程问题与此有关的工程问题连续介质力

8、学连续介质力学的基本知识的基本知识描述碎散体描述碎散体特性的理论特性的理论实验规律及工实验规律及工程实践经验程实践经验13土力学发展的历史土力学发展的历史1773 Coulomb1773 Coulomb（后（后MohrMohr发展）：摩尔发展）：摩尔-库仑强度库仑强度理论理论 有关土力学的第一个理论有关土力学的第一个理论1776 Coulomb1776 Coulomb：库仑土压力理论：库仑土压力理论1856 Darcy1856 Darcy：达西渗流：达西渗流 定律定律1857 Rankine 1857 Rankine：朗肯土压力理论：朗肯土压力理论1920 Prandtl1920 Prandt

9、l：普朗特极限承载力公式：普朗特极限承载力公式1921-1923 Terzaghi1921-1923 Terzaghi：有效应力原理及固结理论：有效应力原理及固结理论1925 Terzaghi 1925 Terzaghi：出版：出版土力学土力学 土力学成为一门独立学科的标志土力学成为一门独立学科的标志1936 1936 第一届国际土力学及基础工程会议第一届国际土力学及基础工程会议1960s1960s后后 现代土力学现代土力学萌萌芽芽时时期期古古典典时时期期现现代代14土力学发展的历史土力学发展的历史是公认的土力学之父（18831963）国际土力学与地基基础学会从第一届（1936）到第三届的主席

10、（1957）两部经典名著：理论土力学、工程实用土力学15F 什么是土？什么是土？F 土及土力学有哪些特点？土及土力学有哪些特点？F 为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？F 土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？F 如何学好土力学？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点课程绪论：土力学及其特点16土是工程中应用最广泛的建筑材料。由土层所土是工程中应用最广泛的建筑材料。由土层所构成的广袤大地构成的广袤大地l 是工程建设的基地是工程建设的基地l 是建筑物的地基是建筑物的地基l 是地下建筑的环境是地下建筑的环境l 为土工构筑物提供填筑材料为土工构筑物提供填筑材料因此，对土工程性质认识的偏差可能

11、会导致损因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损失巨大的事故。失巨大的事故。土力学的重要性土力学的重要性17加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：19131913年年9 9月开始装谷物，月开始装谷物，至至1010月月1717日共装入日共装入3 3万多万多谷物，但此时发生破坏：谷物，但此时发生破坏：1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm 24 24小时倾斜小时倾斜26265353 西端下沉西端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m 上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损概况：概况：长长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，

12、高31.0m31.0m，共，共6565个圆筒仓。钢混筏板个圆筒仓。钢混筏板基础，厚基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。19131913年完工，自重年完工，自重2 2万万T T。18处理：处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。但其位置比原来降低了米。加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 原因：原因：谷仓的地基承载力谷仓的地基承载力按邻近结构物基槽开挖取按邻近结构物基槽开挖取

13、土试验结果计算。土试验结果计算。19521952年年经勘察试验与计算，地基经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因坏时发生的基底压力。因此谷仓地此谷仓地基因超载发生强基因超载发生强度破坏而滑动度破坏而滑动。2653失事后1913.10.181952.10.5 试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 试验孔19香港宝城滑坡香港宝城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高残积土从山坡

14、上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7 7人。人。原因：原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土土体滑动力超过土的强度的强度，于是山坡土体发生滑动，于是山坡土体发生滑动。20香港宝城滑坡现场香港宝城滑坡现场21Early 1972 Early 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后22阪神大地震中的地基液化阪神大地

15、震中的地基液化液化：液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变 成流动状态的一种现象成流动状态的一种现象神户码头：神户码头：地震引起大面积砂地震引起大面积砂土地基液化后产生土地基液化后产生很大的侧向变形和很大的侧向变形和沉降，大量的建筑沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重物倒塌或遭到严重损伤损伤23阪神大地震中地基液化地基液化造成的路面塌陷地基液化造成的路面塌陷241964年日本新泻地震地基的大面积液化25时间：时间：19711971年年1111月月9-119-11日日地点：神奈川县川崎市生地点：神奈川县川崎市生研究机构：地质研究所研究机构：地质研究所(通产省通产省

16、)消防研究所消防研究所(自治省自治省)土木研究所土木研究所(建设省建设省)防灾科学技术中心防灾科学技术中心(科技厅科技厅)泥泥 石石 流流 室室 外外 试试 验验26事故发生过程要点壤土(loam)斜坡崩塌（泥石流）实验 9日15:00人工降雨开始 11日15:00左右降雨量达500mm 陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜 坡崩塌，泥石流产生 泥石流推倒28米外的护栏，一直冲到 55米外的水池中央，造成31人被埋27事故发生地点28关东壤土：风化花岗岩上火山灰堆积层 =1.45 w=5%倾角：30厚:1.23m现场泥石流实验布置简图29试验现场照片试验现场照片30Actual slope

17、 failure experiment by APERIF projectTime:Nov.12-14,2003Time:Nov.12-14,2003Location:Mt.KappaLocation:Mt.Kappa（加波山）（加波山）Main operator:Main operator:Forestry&Forest Products Research Institute,JapanRainfall intensity:Rainfall intensity:80 mm/hr80 mm/hr31试验现场照片试验现场照片323315人不幸遇难，11人受伤死者当中 实验人员 1人 参观者 10

18、人 报社记者 1人 电视采访人员 3人事故伤亡情况事故伤亡情况34可归结为与土有关的可归结为与土有关的强度问题强度问题F 加拿大特朗斯康谷仓地基失稳加拿大特朗斯康谷仓地基失稳F 香港宝城滑坡香港宝城滑坡F 阪神等大地震中地基液化阪神等大地震中地基液化F 泥石流室外试验事故泥石流室外试验事故案例总结（一）35比比 萨萨 斜斜 塔塔11731173年：动工年：动工13601360年：再复工，至年：再复工，至13701370年竣工，年竣工，全塔共全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m12721272年：复工，经年：复工，经6 6年，至年，至7 7层，层，高高48m48m，再停工，再停工1178

19、1178年：至年：至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工因倾斜停工36目前：塔向南倾斜，南北两端沉目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差降差1.80m1.80m，塔顶离中心线已达，塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.5原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度低，变形大。和粘土层，强度低，变形大。比比 萨萨 斜斜 塔塔15901590年年:伽利略在此塔做伽利略在此塔做 自由落体实验自由落体实验371838-18391838-1839：挖环形基坑卸载：挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理：基坑防水处

20、理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固19901990年年1 1月月:封闭封闭19921992年年7 7月：加固塔身，用压重月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理 目目 前前 :已向游人开放。已向游人开放。处理措施处理措施比比 萨萨 斜斜 塔塔38苏州虎丘塔苏州虎丘塔F概况：位于虎丘公园山顶，建于概况：位于虎丘公园山顶，建于宋太祖建隆二年宋太祖建隆二年(公元公元961961年年)。塔。塔高高47.5m47.5m，平面呈八角形。，平面呈八角形。F问题：塔身向东北方向严重倾斜，问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达塔顶离中心线达2.31m2.31m，底层塔身，底层塔身

21、发生不少裂缝，成为危险建筑物。发生不少裂缝，成为危险建筑物。F原因：坐落于不均匀粉质粘土层，原因：坐落于不均匀粉质粘土层，产生不均匀沉降。产生不均匀沉降。F处理：在四周建造圈桩排式地下处理：在四周建造圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔身。孔注浆和打设树根桩加固塔身。3919861986年：开工年：开工19901990年：人工岛完成年：人工岛完成19941994年：机场运营年：机场运营面积：面积：4370m4370m1250m1250m填筑量：填筑量：18018010106 6m m3 3平均厚度：平均厚度：33m33m世界最大的人工岛世

22、界最大的人工岛日本日本 关西机场关西机场40关西机场问题：沉降大且不均匀问题：沉降大且不均匀 设计沉降：设计沉降：5.7-7.5 m 完成时完成时(1990年年)实际沉降：实际沉降：8.1 m，5cm/月月 预测主固结需：预测主固结需：20年年 比设计多超填：比设计多超填：3m41地面沉降危害地面沉降危害引起地表积水引起地表积水42道路与桥梁受损道路与桥梁受损车间遭到破坏车间遭到破坏居民楼变形居民楼变形路面变形破坏路面变形破坏43与土层压缩变形有关与土层压缩变形有关渗透应力渗透应力拖拽机理拖拽机理降落漏斗降落漏斗渗透速率提高渗透速率提高水力梯度加大水力梯度加大动水压力对土层动水压力对土层潜蚀潜

23、蚀产生管涌产生管涌土层结构松散土层结构松散上覆土层拉张应力集中上覆土层拉张应力集中地表张裂地表张裂降落漏斗降落漏斗地下水向中心渗流地下水向中心渗流动力压力对固体颗粒产生动动力压力对固体颗粒产生动能能含水层骨架出现粘性拖拽含水层骨架出现粘性拖拽上覆土层出现张应力集中上覆土层出现张应力集中地表开裂地表开裂地下水位下降地下水位下降上部土层失水上部土层失水土层在水平方向收缩变形土层在水平方向收缩变形地表开裂地表开裂基底起伏不平基底起伏不平压缩土层厚度差异压缩土层厚度差异土层差异压缩沉降土层差异压缩沉降沉降差异最大处张应力集中沉降差异最大处张应力集中地表开裂地表开裂盆地地下水下降盆地地下水下降松散土层固

24、结变形松散土层固结变形地表土层固结量大大地表土层固结量大大小于下伏土层小于下伏土层土层沉降翻折土层沉降翻折盆缘折裂盆缘折裂与渗透作用有关与渗透作用有关与盆地边缘有关与盆地边缘有关渗透变形渗透变形机理机理土层失水土层失水压缩变形压缩变形机理机理差异压缩差异压缩变形机理变形机理刚性折断刚性折断机理机理 抽抽 水水 作作 用用 说说44可归结为与土有关的可归结为与土有关的变形问题变形问题F 意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔F 苏州虎丘塔苏州虎丘塔F 日本关西机场日本关西机场F 地面沉降地面沉降案例总结（二）45土坝，土坝，高高90m90m，长长1000m1000m，19751975年建成年建成次年次年6

25、 6月失事月失事TetonTeton坝（美国）坝（美国）46TetonTeton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程47上午上午10:3010:30 11 11：000011:3011:3011:5711:5748TetonTeton坝坝失事现场现状损失损失直接直接80008000万美元，万美元，起诉起诉55005500起，起，2.52.5亿亿美元，死美元，死1414人，受人，受灾灾2.52.5万人，万人，6060万万亩土地，亩土地，3232公里铁公里铁路被冲路被冲原因原因渗透破坏：冲蚀渗透破坏：冲蚀 水力劈裂水力劈裂491998年长江大堤5051九江大堤决口九江大堤决口19981998年年8 8月月

26、7 7日日13:1013:10发生管涌险发生管涌险情，情，2020分钟后，在堤外迎水面分钟后，在堤外迎水面找到找到2 2处进水口。处进水口。又过又过2020分钟，防水墙后的土堤分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出突然塌陷出1 1个洞，个洞，5 m5 m宽的堤宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形顶随即全部塌陷，并很快形成宽约成宽约62m62m的溃口。的溃口。溃口原因：堤基管涌溃口原因：堤基管涌焦点词汇：焦点词汇：豆腐渣工程豆腐渣工程52沟后面板砂砾石坝沟后面板砂砾石坝位于青海省，高位于青海省，高7171米，长米，长265265米，建米，建于于19891989年。年。19931993年年8 8月月7 7日突然

27、日突然发生溃坝，瞬间冲发生溃坝，瞬间冲毁毁10001000多户房舍，多户房舍，288288人丧生，上千人丧生，上千人受伤。人受伤。溃坝原因：溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳造成坝坡失稳53可归结为与土有关的可归结为与土有关的渗透问题渗透问题F 美国美国TetonTeton坝失事坝失事F 9898洪水长江堤防险情洪水长江堤防险情F 沟后面板砂砾石坝溃坝沟后面板砂砾石坝溃坝案例总结（三）54土工结构物或地基土工结构物或地基 土 强度问题强度问题 变形问题变形问题 渗透问题渗透问题 强度特性强度特性 变形特性变形特性 渗透特性渗透特性土力学可以解

28、决工程实践问题，这正是土力学存土力学可以解决工程实践问题，这正是土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的。在的价值以及我们学习土力学的目的。学习土力学的目的学习土力学的目的55F 什么是土？什么是土？F 土及土力学有哪些特点？土及土力学有哪些特点？F 为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？F 土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？F 如何学好土力学？如何学好土力学？课程绪论：土力学及其特点课程绪论：土力学及其特点56 基础和先导基础和先导 物理性质物理性质 土中应力计算土中应力计算工程应用工程应用 土压力土压力 土坡稳定土坡稳定 地基承载力地基承载力 基础设计基础设计核心理论核心理论 渗透

29、特性渗透特性 变形特性变形特性 强度特性强度特性土力学土力学土力学（土力学（1 1）土力学（土力学（2 2）57绪绪 论论第一章第一章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类第二章第二章 土的渗透性和渗透破坏土的渗透性和渗透破坏第三章第三章 土中应力计算土中应力计算第四章第四章 土的变形特性土的变形特性第五章第五章 土的强度土的强度土力学土力学(2)(2)工程应用工程应用土力学的主要内容土力学的主要内容58F 什么是土？什么是土？F 土及土力学有哪些特点？土及土力学有哪些特点？F 为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？F 土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？F 如何学好土力学？如何

30、学好土力学？课程绪论：土力学及其特点课程绪论：土力学及其特点59F 注意土的基本特点：通过与其它材料对比注意土的基本特点：通过与其它材料对比F 注重理论联系实际：通过现场观察与试验注重理论联系实际：通过现场观察与试验F 注重正确学习方法注重正确学习方法 -概念，原理，方法概念，原理，方法 -内容间联系内容间联系 -要记忆，但不能死记要记忆，但不能死记土力学的学习方法土力学的学习方法60教学环节教学环节 ：讲课：讲课+习题课习题课+实验实验 (54(54学时学时)考核及成绩：考核及成绩：7070 （期末考试）（期末考试）1515 （平时作业）（平时作业）5 5 (平时表现平时表现)10%10%（实验报告）（实验报告）土力学课程的安排和要求土力学课程的安排和要求大课必须出席大课必须出席积极参加课堂讨论积极参加课堂讨论独立按时完成作业。抄袭、迟交或不认真独立按时完成作业。抄袭、迟交或不认真完成者在平时成绩中扣分。为鼓励个人独完成者在平时成绩中扣分。为鼓励个人独立完成，作业错误不扣分。立完成，作业错误不扣分。课程要求：课程要求：611.1.课前课后教室答疑课前课后教室答疑2.2.平时教师办公室答疑平时教师办公室答疑3.3.根据要求，安排集中答疑根据要求，安排集中答疑4.4.期末集中答疑期末集中答疑答疑安排：答疑安排：62