巖土力學(xué)(研究生課件)1

1、 土力學(xué)是一門研究土體滲流、壓縮和強(qiáng)度三個(gè)主要課題的學(xué)科 巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性態(tài)的理論和應(yīng)用的學(xué)科 研究對(duì)象：土和巖石 土體是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，是一種松散的顆粒堆積物。 巖石是由礦物和巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而成的自然體。 巖體是受到各種性質(zhì)的軟弱面切割而成的自然地質(zhì)綜合體。 巖體結(jié)構(gòu)：包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。 對(duì)工程地質(zhì)定性成果進(jìn)行定量分析和計(jì)算 巖土體物力性質(zhì)研究 巖土體的穩(wěn)定性參數(shù)測(cè)試方法研究、現(xiàn)場(chǎng)大型力學(xué)試驗(yàn)、應(yīng)力和應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù) 巖土體中應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律及巖土體和工程建筑物相互作用的研究 影響巖土體穩(wěn)定性的各種因素和作用力，定量評(píng)價(jià)巖土體穩(wěn)定性的理論和科學(xué)計(jì)算方法的研究 加固

2、巖土體的工程措施和處理技術(shù)研究 作用一(宏觀） 應(yīng)用巖土力學(xué)知識(shí)分析、計(jì)算、評(píng)價(jià)建筑物地基變形、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，確保水庫(kù)、大壩等的安全可靠性 盡可能把不利因素轉(zhuǎn)化為有利因素，提高建筑物的穩(wěn)定性并節(jié)約投資 0 概述 壩堤基礎(chǔ)的穩(wěn)定、地下電站建設(shè)、引水隧道建設(shè)、開挖邊坡、評(píng)價(jià)水利水電的建設(shè)環(huán)境和地下滲透水的狀態(tài)等 與巖土工程密切相關(guān)的是高壩建設(shè)、引水隧洞、自然邊坡的穩(wěn)定 三峽大型水利樞紐，面對(duì)一系列巖土工程技術(shù)難題，如船閘高邊坡的計(jì)算分析與建設(shè) 二灘水電站在基巖上建高壩要求解決建基面的力學(xué)分級(jí)，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，多裂隙巖體的強(qiáng)度及變形分析方法 二灘地下廠房規(guī)模為世界第四，洞室群要求采用施工優(yōu)化系統(tǒng) 高

3、165M處于復(fù)雜地基上的李家峽拱壩，在大壩軟弱夾層運(yùn)用了砼置換、抗震樁、傳力峒及600T位的錨拉技術(shù) （1）勘探技術(shù)方面 高壩基巖的勘探，需解決許多與工程地質(zhì)、巖體力學(xué)有關(guān)的難題，如區(qū)域性的構(gòu)造穩(wěn)定、復(fù)雜巖基、風(fēng)化基巖的力學(xué)特性 （2）水利水電建設(shè)中的巖體質(zhì)量分級(jí)：巖體質(zhì)量分級(jí)按不同的工程類型，如大壩主地基、邊坡開挖工程等，進(jìn)行不同的分級(jí)。 單因素分級(jí)法指標(biāo)：按巖石抗壓強(qiáng)度分級(jí)；按風(fēng)化程度分級(jí)；按巖石質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)；以彈性波速度分級(jí)。 多因素分級(jí)法指標(biāo)：按巖體連續(xù)性分級(jí)；西班牙的圖末羅法分級(jí)；我國(guó)的損傷力學(xué)巖體分類法 （3）大壩穩(wěn)定計(jì)算分析 引用非線性非連續(xù)介質(zhì)模型對(duì)大壩穩(wěn)定性進(jìn)行分析 清華大學(xué)

4、的三維非線性大壩分析程序，可分析大型拱壩的整體穩(wěn)定性 （4）壩基巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià) 目前主要采用計(jì)算分析法和模型試驗(yàn)法 計(jì)算分析法：有限元法，剛體極限平衡法 模型試驗(yàn)法：地質(zhì)力學(xué)模型，脆性材料模型 評(píng)價(jià)拱壩壩肩巖體穩(wěn)定，是拱壩設(shè)計(jì)中面臨的最困難的問題之一 （1）土壩工程加固防滲應(yīng)用技術(shù) 目前，我國(guó)已建成土壩6萬余座，占大壩總數(shù)的90%。我國(guó)土壩中大多是碾壓式土壩 根據(jù)土石料的性質(zhì)，放在壩體內(nèi)適當(dāng)?shù)牟课徊⒉捎眠m當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù) 礫質(zhì)土、風(fēng)化巖、石渣用于筑壩的技術(shù) 利用機(jī)械把風(fēng)化巖壓碎作為防滲體 把不同的土石料拌和后建成強(qiáng)度高的防滲體 凍土筑壩技術(shù) 瀝青砼塑料薄膜等材料作為土石壩的防滲結(jié)構(gòu) 土壩基礎(chǔ)的不良地

5、基處理：水泥粘土灌漿法、砼防滲墻、土鋪蓋防滲、泥漿防滲槽、化學(xué)材料灌漿、砂井加固等 （2）土壩工程設(shè)計(jì) 土的強(qiáng)度力學(xué)模型的應(yīng)用 土壩的穩(wěn)定性分析 土壩分析中計(jì)算機(jī)數(shù)值方法的引入 壩體變形和裂縫的研究引入仿真破壞模擬 用有限元法模擬土壩滲流 土壩邊坡穩(wěn)定分析的動(dòng)力分析方法 沉降計(jì)算與固結(jié)理論 地下水電站指引水道、調(diào)壓井、壓力管道、主廠房部分洞室、尾水洞室等均位于地下的電站 在地質(zhì)條件允許的情況下，可充分利用圍巖承載能力減少支承結(jié)構(gòu)，節(jié)省鋼材、水泥，降低工程造價(jià) 把圍巖視為承載結(jié)構(gòu)，建立巖體支護(hù)概念 地下洞室計(jì)算方法數(shù)值模擬法：塊體法、彈塑性模型分析法 地下洞室的穩(wěn)定判據(jù)：以巖體的屈服、變形、狀態(tài)

6、作為判據(jù) 噴錨支護(hù)加固地下結(jié)構(gòu)：錨桿、錨索、噴射砼等 洞室群的施工優(yōu)化：從全局出發(fā)，找出有利于圍巖穩(wěn)定而且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化施工方案 鐵路建設(shè)中的巖土工程包括巖土工程勘探、路基、橋梁基礎(chǔ)工程、隧道工程。 遙感、物探、原位測(cè)試、巖土試驗(yàn) 滑坡、崩塌、泥石流及巖溶等復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的鐵路工程 軟土、膨脹土、黃土、凍土等特殊條件下的鐵路工程 風(fēng)沙地區(qū)的鐵路工程 錨桿擋土墻、錨定板擋土墻、加筋土擋土墻、抗滑樁、樁板墻、錨索抗滑樁及土釘墻等各種支擋結(jié)構(gòu)工程 重載及高速鐵路路基 復(fù)雜條件下橋梁及基礎(chǔ)工程 復(fù)雜條件下長(zhǎng)、大隧道工程 港口建設(shè)中的巖土工程包括軟土地基的勘探取土和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、沿海軟粘土工程、軟基加固工程

7、、樁基和其他港工結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)和施工工程 采用淺層剖面儀在大面積水域中進(jìn)行初步勘探并結(jié)合少量鉆孔，鑒別土類和土層 采用標(biāo)準(zhǔn)貫入、土壓力計(jì)等常規(guī)設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和原體觀測(cè) 用砂井排水堆載預(yù)壓方法加固軟粘土地基 用袋裝砂井和塑料紙板排水處理淤泥質(zhì)海岸 用振沖碎石樁法、真空預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、深層拌合法、填土超載擠淤法、爆炸擠淤法等加固軟基 預(yù)應(yīng)力鋼筋砼空心方樁應(yīng)用于高樁碼頭 大型鋼管樁應(yīng)用于建造深水碼頭 大型預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管樁應(yīng)用于建造海水腐蝕碼頭 其他港工建筑物基礎(chǔ)：大直徑圓筒結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻，大型扶壁，沉井和沉箱等 處于江河湖泊或海洋沿岸的城市，城市環(huán)境災(zāi)害防治擺在重要地位 城市防洪：須控制淹沒高度

8、，涉及上下游河道清理工程、防洪堤和防汛墻工程等 采取技措提高大壩抗洪能力：用探地雷達(dá)等無損檢測(cè)方法查明堤防工程的地層特點(diǎn)和險(xiǎn)情隱患；用旋噴等加固大堤地基；用防滲墻等延長(zhǎng)滲透途徑；采用經(jīng)濟(jì)高效新型加固材料加速工程進(jìn)度，提高工程質(zhì)量 山城的泥石流治理：在形成區(qū)用溝坡兼治措施；在流通區(qū)，筑各種攔截壩、溢流壩；在堆積區(qū)，采取排導(dǎo)停淤措施 港口城市須疏通航道，合理構(gòu)筑導(dǎo)堤，提高通航能力 海岸城市須進(jìn)行岸坡穩(wěn)定保護(hù)，合理地構(gòu)筑圍海海堤 城市地面沉降，涉及深井回灌、高層建筑糾偏等工程 解決巖土工程問題 通過巖土力學(xué)分析計(jì)算，提出建筑物結(jié)構(gòu)類型、施工方法及運(yùn)營(yíng)使用中的注意事項(xiàng) 提出改善和防治不良地質(zhì)條件，解決

9、巖土工程問題的方法和措施 土力學(xué)的研究方法 理論和室內(nèi)外土工試驗(yàn)及工程實(shí)踐相結(jié)合，理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)并重 巖石土力學(xué)的研究方法 采用對(duì)自然巖體進(jìn)行性質(zhì)測(cè)定、理論計(jì)算、科學(xué)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法 巖土力學(xué)是一門既古老、又新興的學(xué)科，人類很早就懂得廣泛利用土進(jìn)行工程建設(shè)（我國(guó)的長(zhǎng)城、南北大運(yùn)河）直到十八世紀(jì)中葉，人類對(duì)土在工程建設(shè)方面的特性，尚停留在感性認(rèn)識(shí)階段感性認(rèn)識(shí)階段。 十八世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命后，提出了大量與土力學(xué)有關(guān)的問題和不少成功的經(jīng)驗(yàn)，特別是一些工程事故的教訓(xùn)，迫切促使人們?nèi)で罄碚摰慕忉?，并要求永通過實(shí)踐檢驗(yàn)的理論來直到以后的工程實(shí)踐。 筑城學(xué)（歐洲） 墻后土壓力問題 鐵路、公路、水利

10、工程 土坡穩(wěn)定問題 半經(jīng)驗(yàn)分析階段半經(jīng)驗(yàn)分析階段 二十世紀(jì)，隨著土建規(guī)模的擴(kuò)大，促使人們?nèi)娴叵到y(tǒng)地對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)作理論和實(shí)踐研究，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，世界不少國(guó)家分分成立專門土力學(xué)研究機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)研究。 十八世紀(jì)二十年代，著名的土力學(xué)家太沙基的土力學(xué)專著土力學(xué)問世，標(biāo)志著土力學(xué)作為一門獨(dú)立的較系統(tǒng)而完整的學(xué)科，自1936年以來，已召開了十一屆國(guó)際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議。 近四十年來，由于尖端科學(xué)、生產(chǎn)發(fā)展的需要，土力學(xué)的研究領(lǐng)域又有了明顯的擴(kuò)大 土動(dòng)力學(xué)、凍土力學(xué)、海洋土力學(xué)、月球土力學(xué) 同時(shí)巖石力學(xué)也已與土力學(xué)分離而單獨(dú)稱為一門學(xué)科。 重視工程地質(zhì)宏觀研究 大力發(fā)展巖體和巖石測(cè)試和檢測(cè)技術(shù)

11、加強(qiáng)對(duì)巖體和巖石基本性質(zhì)的研究 數(shù)值分析在巖石力學(xué)中廣泛應(yīng)用 強(qiáng)調(diào)巖石力學(xué)在工程上的應(yīng)用，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向地下工程 重視工程實(shí)例的總結(jié)分析和現(xiàn)場(chǎng)判斷，加強(qiáng)專家系統(tǒng)的建立工作 學(xué)習(xí)巖土力學(xué)，必須特別注意認(rèn)識(shí)土的特點(diǎn)多樣性易變性 巖土力學(xué)密切結(jié)合專業(yè)和實(shí)踐的一門課程，學(xué)習(xí)中不但要著重于基本概念的理解，掌握計(jì)算方法而且要學(xué)會(huì)初步解決實(shí)際問題的能力。 巖土力學(xué)屬于技術(shù)基礎(chǔ)課，它在一般基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起到承上啟下的作用。 先行課程：材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性理論初步、工程地質(zhì)學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)、水力學(xué) 后續(xù)課程：水工結(jié)構(gòu)、地基及基礎(chǔ) 巖土力學(xué)是一門邊緣學(xué)科，它所設(shè)計(jì)的自然科學(xué)范圍很廣，除了和力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)各鄰近學(xué)科有密

12、切關(guān)系外，它還涉及到普通地質(zhì)學(xué)、土質(zhì)學(xué)、物理、化學(xué)等方面的知識(shí)領(lǐng)域。 1.1.1 土的結(jié)構(gòu)與特性 土的概念及土的形成 在土木工程領(lǐng)域，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物，土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒膠結(jié)的強(qiáng)弱，所以，有時(shí)也會(huì)遇到難以區(qū)分的情況。 土根據(jù)來源可分為 無機(jī)土：巖石風(fēng)化 天然土 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物 有機(jī)土：腐殖土， 由植物完全或部分分解的堆積物具有高壓縮性、低強(qiáng)度，為不良建筑物地基風(fēng)化： 物理風(fēng)化：溫度 應(yīng)力 巖石開裂 水的凍脹 裂縫張開 巖石開裂 波浪沖擊 地震 風(fēng) 沙礫沖擊 巖石破裂 化學(xué)風(fēng)化：巖石與空氣、水和各種溶液相接觸經(jīng) 氧化 炭化 作用 分解成細(xì)小的顆粒 致使巖石

13、的礦物成分發(fā)生變化 水化 在自然界，物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化是同時(shí)或交替進(jìn)行的，所以任何一種天然土通常既是物理風(fēng)化的產(chǎn)物，又是化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物。 殘積土： 巖石風(fēng)化后仍然留在原地的堆積物。殘積土的厚度和風(fēng)化程度主要取決于氣候條件和暴露時(shí)間，其明顯特征是顆粒多為角粒，且母巖種類對(duì)殘積土的性質(zhì)有顯著影響。(優(yōu)良母巖、質(zhì)地不良母巖) 運(yùn)積土： 經(jīng)流水、風(fēng)和冰川等動(dòng)力搬運(yùn)離開產(chǎn)地的堆積物?？煞譃?河流運(yùn)積土 風(fēng)積土 冰川沉積土 沼澤土（腐植土） 水沖積形成的，上游顆粒粗，下游顆粒細(xì)，故： 上游：強(qiáng)透水，引起滲漏和滲透變形問題 下游：地基土的高壓縮性和低強(qiáng)度引起的基礎(chǔ)沉降和穩(wěn)定問題，同時(shí)要考慮滲透變形問題 黃土 典型特點(diǎn)：濕陷性，所謂濕陷性指黃土未浸水時(shí)，含水率低，一般10%