土質(zhì)土力學(xué)-1緒論

1、土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)授課人：許江波授課人：許江波mail: 土，地之生萬(wàn)物者也。土，地之生萬(wàn)物者也?！岸毕蟮刂?，地之象地之上，地之中；中；“|”物出形也。物出形也。說(shuō)文解字說(shuō)文解字 中國(guó)神話、希臘神話：神用中國(guó)神話、希臘神話：神用土土造人造人 中國(guó)傳統(tǒng)文化中的五行：金、木、水、火、中國(guó)傳統(tǒng)文化中的五行：金、木、水、火、土土 土：土：建筑物地基、建筑物地基、建筑材料與建筑物建筑材料與建筑物周圍周圍介質(zhì)介質(zhì)。緒緒 論論 土土是由巖石經(jīng)過(guò)是由巖石經(jīng)過(guò)物理風(fēng)化物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用后的和化學(xué)風(fēng)化作用后的產(chǎn)物，是由各種大小不同的產(chǎn)物，是由各種大小不同的土粒土粒按各

2、種比例組按各種比例組成的成的集合體集合體。巖石巖石顆粒堆積物顆粒堆積物 風(fēng)化風(fēng)化緒緒 論論土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)土的工程性質(zhì)土的工程性質(zhì)的本質(zhì)與機(jī)理的本質(zhì)與機(jī)理土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度以及與土有關(guān)的工程問(wèn)題以及與土有關(guān)的工程問(wèn)題 緒緒 論論緒緒 論論 1773 Coulomb 強(qiáng)度理論，強(qiáng)度理論，1776 土壓力理論土壓力理論 1856 Darcy 定律定律 1857 Rankine 朗金土壓力理論朗金土壓力理論 1885、1892 豎向集中力和線性荷載作用下的位移、應(yīng)力豎向集中力和線性荷載作用下的位移、應(yīng)力理論理論 1925 Terzaghi 有效應(yīng)力原理及一維固結(jié)理論

3、有效應(yīng)力原理及一維固結(jié)理論土力學(xué)土力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的重要成為一門獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志標(biāo)志土力學(xué)的發(fā)展歷史土力學(xué)的發(fā)展歷史 黃文熙黃文熙土的工程性質(zhì)土的工程性質(zhì) 俞調(diào)梅俞調(diào)梅土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)緒緒 論論 1950 電子計(jì)算技術(shù)引入，土工數(shù)值仿真方法迅速發(fā)展電子計(jì)算技術(shù)引入，土工數(shù)值仿真方法迅速發(fā)展 土體非線性模型和彈塑性模型的深入研究和大量應(yīng)用土體非線性模型和彈塑性模型的深入研究和大量應(yīng)用 土工測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用（原位測(cè)試技術(shù)、室內(nèi)模型試土工測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用（原位測(cè)試技術(shù)、室內(nèi)模型試驗(yàn)技術(shù)）驗(yàn)技術(shù)）土力學(xué)的發(fā)展歷史土力學(xué)的發(fā)展歷史緒緒 論論法國(guó)工程師，法國(guó)科學(xué)院院士。法國(guó)工程師

4、，法國(guó)科學(xué)院院士。1773 年，年， Coulomb 向法蘭西科學(xué)院提交了論文向法蘭西科學(xué)院提交了論文“最大最小原理在某些與最大最小原理在某些與建筑有關(guān)的靜力學(xué)問(wèn)題中的應(yīng)用建筑有關(guān)的靜力學(xué)問(wèn)題中的應(yīng)用”，提出了土的，提出了土的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則（即庫(kù)侖定律抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則（即庫(kù)侖定律），），還對(duì)擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力的確定進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首次提出了主動(dòng)土壓還對(duì)擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力的確定進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首次提出了主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的概念及其計(jì)算方法（即力和被動(dòng)土壓力的概念及其計(jì)算方法（即庫(kù)侖土壓理論庫(kù)侖土壓理論）。）。被認(rèn)為是古典土力學(xué)的基礎(chǔ)，他因此也稱為被認(rèn)為是古典土力學(xué)的基礎(chǔ)，他因此也稱為“土力學(xué)之始祖

5、土力學(xué)之始祖”。Charles Augustin de Coulomb (1736- 1806)重要的歷史人物重要的歷史人物緒緒 論論蘇格蘭土木工程師，蘇格蘭土木工程師，1855 年后擔(dān)任格拉斯哥大學(xué)土木工程和力學(xué)系主任。年后擔(dān)任格拉斯哥大學(xué)土木工程和力學(xué)系主任。Rankine 被后人譽(yù)為那個(gè)時(shí)代的天才，他在熱力學(xué)被后人譽(yù)為那個(gè)時(shí)代的天才，他在熱力學(xué) 、流體力學(xué)、流體力學(xué) 及土力學(xué)等及土力學(xué)等領(lǐng)域均有杰出的貢獻(xiàn)。領(lǐng)域均有杰出的貢獻(xiàn)。1857年年Rankine建立朗金土壓力理論建立朗金土壓力理論，至今仍在廣，至今仍在廣泛應(yīng)用。泛應(yīng)用。William John Maquorn Rankine(18

6、20 - 1872)緒緒 論論法國(guó)著名的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。法國(guó)著名的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。Boussinesq一生對(duì)數(shù)學(xué)物理中的所有分支（除電磁學(xué)外）都有重要的貢一生對(duì)數(shù)學(xué)物理中的所有分支（除電磁學(xué)外）都有重要的貢獻(xiàn)。在流體力學(xué)方面，他主要研究渦流、波動(dòng)、固體物對(duì)液體流動(dòng)的阻力獻(xiàn)。在流體力學(xué)方面，他主要研究渦流、波動(dòng)、固體物對(duì)液體流動(dòng)的阻力、粉狀介質(zhì)的力學(xué)機(jī)理、流動(dòng)液體的冷卻作用等方面。、粉狀介質(zhì)的力學(xué)機(jī)理、流動(dòng)液體的冷卻作用等方面。 1885年年Boussinesq提出提出地基表面豎直集中力作用下的理論解答地基表面豎直集中力作用下的理論解答，是土中應(yīng)力解，是土中應(yīng)力解答的基本理論。答的基本理論。

7、Valentin Joseph Boussinesq (1842-1929)緒緒 論論生于捷克的首都布拉格生于捷克的首都布拉格 ，畢業(yè)于奧地利的格拉茨（，畢業(yè)于奧地利的格拉茨（ Graz ）技術(shù)大學(xué)）技術(shù)大學(xué) ，曾任地質(zhì)工程師，曾任地質(zhì)工程師 ，后分別在土耳，后分別在土耳其伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)、麻省理工學(xué)院、維也納技術(shù)其伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)、麻省理工學(xué)院、維也納技術(shù)大學(xué)和美國(guó)哈佛大學(xué)任教。大學(xué)和美國(guó)哈佛大學(xué)任教。被譽(yù)為土力學(xué)之父被譽(yù)為土力學(xué)之父 。1925 年，年，Terzaghi在維也納出版了舉世聞名的在維也納出版了舉世聞名的 Erdbaumechanik （土力學(xué)）（土力學(xué)），該書介紹了他所提

8、，該書介紹了他所提出的固結(jié)理論以及土壓力、承載力、穩(wěn)定性分析等理出的固結(jié)理論以及土壓力、承載力、穩(wěn)定性分析等理論，標(biāo)志著土力學(xué)這門學(xué)科的誕生。論，標(biāo)志著土力學(xué)這門學(xué)科的誕生。 1943 年，他還年，他還出版了出版了 Theoretical Soil Mechanics ，在這部不，在這部不朽的著作中，朽的著作中， Terzaghi 就固結(jié)理論、沉降計(jì)算、承載就固結(jié)理論、沉降計(jì)算、承載力、土壓理論、抗剪強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題進(jìn)行了闡力、土壓理論、抗剪強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題進(jìn)行了闡述。述。Terzaghi 還是許多重大工程的顧問(wèn)，英國(guó)的還是許多重大工程的顧問(wèn)，英國(guó)的Mission 大壩，大壩， 196

9、5 年被命名為年被命名為 Terzaghi 大壩大壩 。Terzaghi 曾是第曾是第13屆屆ISSMFE （國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)）（國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)）的主席的主席 。Karl von Terzaghi(1883 - 1963)緒緒 論論 為什么要學(xué)習(xí)為什么要學(xué)習(xí)土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)？ 廣泛的工程應(yīng)用廣泛的工程應(yīng)用 大量與土有關(guān)的工程問(wèn)題大量與土有關(guān)的工程問(wèn)題。緒緒 論論 廣泛的工程應(yīng)用廣泛的工程應(yīng)用土工建筑材料、建筑地基、建筑環(huán)境土工建筑材料、建筑地基、建筑環(huán)境緒緒 論論 香港寶城滑坡香港寶城滑坡 141972 滑坡前滑坡前1972 滑坡后滑坡后 原因：原因： 山坡上殘積

10、土本身山坡上殘積土本身強(qiáng)度較低，加之雨強(qiáng)度較低，加之雨水入滲使其強(qiáng)度進(jìn)水入滲使其強(qiáng)度進(jìn)一步大大降低，使一步大大降低，使得得 土體滑動(dòng)力超過(guò)土土體滑動(dòng)力超過(guò)土的強(qiáng)度，于是山坡的強(qiáng)度，于是山坡土體發(fā)生滑動(dòng)。土體發(fā)生滑動(dòng)。緒緒 論論 龍橋隧道出口塌方龍橋隧道出口塌方 2004年年06月月21日龍橋隧道出口塌方日龍橋隧道出口塌方緒緒 論論 路面凍脹翻漿路面凍脹翻漿路面凍脹翻漿路面凍脹翻漿緒緒 論論事故：事故：1913年年9月裝谷物，月裝谷物，10月月17日裝日裝31822谷物，谷物，1小時(shí)豎向沉降小時(shí)豎向沉降達(dá)達(dá)30.5cm，24小時(shí)傾小時(shí)傾斜斜2653；西端下沉西端下沉7.32m；東端上抬東端上抬1

11、.52m上部鋼上部鋼混筒倉(cāng)完好無(wú)損?；焱矀}(cāng)完好無(wú)損。加拿大特朗斯康谷倉(cāng)加拿大特朗斯康谷倉(cāng)：長(zhǎng)長(zhǎng)59.4m，寬，寬23.5m，高，高31.0m，共，共65個(gè)圓筒倉(cāng)。鋼混筏板基礎(chǔ)，厚個(gè)圓筒倉(cāng)。鋼混筏板基礎(chǔ)，厚61cm，埋深，埋深3.66m。1911年動(dòng)工，年動(dòng)工，1913年完工，自重年完工，自重20000T。緒緒 論論加拿大特朗斯康谷倉(cāng)加拿大特朗斯康谷倉(cāng)2653失事后1913.10.181952.10.5 試驗(yàn)孔填土褐色粉質(zhì)粘土灰色粉質(zhì)粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 試驗(yàn)孔 原因：原因： 1952年經(jīng)勘察試驗(yàn)與年經(jīng)勘察試驗(yàn)與計(jì)算，計(jì)算，地基實(shí)際承載地基實(shí)際承載力

12、小于破壞時(shí)的基底力小于破壞時(shí)的基底壓力壓力。因此，谷倉(cāng)地。因此，谷倉(cāng)地基因超載發(fā)生強(qiáng)度破基因超載發(fā)生強(qiáng)度破壞而滑動(dòng)。壞而滑動(dòng)。 處理：處理：事后在下面做了七十多個(gè)支撐于基巖上的混凝土事后在下面做了七十多個(gè)支撐于基巖上的混凝土墩，使用墩，使用388個(gè)個(gè)50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，把倉(cāng)體逐漸糾千斤頂以及支撐系統(tǒng)，把倉(cāng)體逐漸糾正過(guò)來(lái)，其位置比原來(lái)降低了米。正過(guò)來(lái)，其位置比原來(lái)降低了米。 緒緒 論論 液化：松砂地基在振動(dòng)液化：松砂地基在振動(dòng)荷載作用下荷載作用下喪失強(qiáng)度變喪失強(qiáng)度變成流動(dòng)狀態(tài)成流動(dòng)狀態(tài)的一種現(xiàn)象的一種現(xiàn)象 新干線的傾覆新干線的傾覆 地震引起大面積砂土地震引起大面積砂土地基液化后產(chǎn)生很大地基

13、液化后產(chǎn)生很大的側(cè)向變形和沉降，的側(cè)向變形和沉降，大量的建筑物倒塌或大量的建筑物倒塌或遭到嚴(yán)重?fù)p傷遭到嚴(yán)重?fù)p傷 阪神大地震中地基液化阪神大地震中地基液化緒緒 論論振前松砂的結(jié)構(gòu)振中顆粒懸浮，有效應(yīng)力為零振后砂土變密實(shí)排出的剩余孔隙水緒緒 論論松砂層地下水位地震荷載建筑物噴 砂地面下沉噴砂遺井排出的剩余孔隙水地震前 液化時(shí) 液化后緒緒 論論緒緒 論論 神戶碼頭：神戶碼頭： 沉箱式岸墻因砂土地基沉箱式岸墻因砂土地基液化失穩(wěn)滑入海中液化失穩(wěn)滑入海中阪神大地震中地基液化阪神大地震中地基液化緒緒 論論以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的強(qiáng)度問(wèn)題強(qiáng)度問(wèn)題緒緒 論論比薩斜塔比薩斜塔現(xiàn)

14、狀：現(xiàn)狀：塔向南傾斜，南北兩端沉降差塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m， 塔頂離中心線已達(dá)塔頂離中心線已達(dá)5.27m，傾斜，傾斜5.51360：再?gòu)?fù)工，至再?gòu)?fù)工，至1370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8層，高度為層，高度為55m1272：復(fù)工，經(jīng)復(fù)工，經(jīng)6年，至年，至7層，高層，高48m，再，再停工停工1178：至至4層中，高約層中，高約29m，因傾斜停工，因傾斜停工1173：動(dòng)工動(dòng)工1590: 伽利伽利略在此塔做略在此塔做落體實(shí)驗(yàn)落體實(shí)驗(yàn) 原因：地基持力層為粉砂，下面為原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，模量較低，粉土和粘土層，模量較低，變形較變形較大大。緒緒 論論比薩斜塔比薩斜塔

15、1838-1839：挖環(huán)形基坑卸載挖環(huán)形基坑卸載1933-1935：基坑防水處理：基坑防水處理 基礎(chǔ)環(huán)灌漿加固基礎(chǔ)環(huán)灌漿加固1990年年1月月: 封閉封閉1992年年7月月：加固塔身，用壓重：加固塔身，用壓重法和取土法進(jìn)行地基處理、加固法和取土法進(jìn)行地基處理、加固地基和抽走地下水，并以鋼纜支地基和抽走地下水，并以鋼纜支撐塔身?yè)嗡?001年年: 已向游人開放已向游人開放。 緒緒 論論虎丘塔虎丘塔問(wèn)題：?jiǎn)栴}：塔身向東北方向嚴(yán)重傾斜塔身向東北方向嚴(yán)重傾斜，塔頂離中心線已達(dá)，塔頂離中心線已達(dá)2.31m，底，底層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險(xiǎn)層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險(xiǎn)建筑物而封閉。建筑物而封閉。原因：原

16、因：坐落于不均勻粉質(zhì)粘土坐落于不均勻粉質(zhì)粘土層上，產(chǎn)生層上，產(chǎn)生不均勻沉降不均勻沉降。處理：處理：在塔四周建造一圈樁排在塔四周建造一圈樁排式地下連續(xù)墻并對(duì)塔周圍與塔式地下連續(xù)墻并對(duì)塔周圍與塔基進(jìn)行鉆孔注漿和打設(shè)樹根樁基進(jìn)行鉆孔注漿和打設(shè)樹根樁加固塔加固塔 身，效果良好。身，效果良好。概況：概況：位于蘇州市虎丘公園山頂，位于蘇州市虎丘公園山頂，落成于宋太祖建隆二年（公元落成于宋太祖建隆二年（公元961年）。全塔年）。全塔7層，高層，高47.5m，塔的，塔的平面呈八角形。平面呈八角形。緒緒 論論橋頭跳車橋頭跳車原因：原因：在車輛荷載、結(jié)構(gòu)自重、自然因素作用下，橋梁與在車輛荷載、結(jié)構(gòu)自重、自然因素作

17、用下，橋梁與道路同時(shí)發(fā)生沉降，但兩者的沉降不均勻，形成錯(cuò)臺(tái)。道路同時(shí)發(fā)生沉降，但兩者的沉降不均勻，形成錯(cuò)臺(tái)。緒緒 論論關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)問(wèn)題：沉降大且有不均勻沉降19861986年：開工年：開工19901990年：人工島完成年：人工島完成19941994年：機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)年：機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)面積：面積：4370m4370m1250m1250m填筑量：填筑量6m m3 3平均厚度：平均厚度：33m33m 設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)沉降：設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)沉降：5.7-7.5 m5.7-7.5 m 完成時(shí)實(shí)際沉降：完成時(shí)實(shí)際沉降：8.1 m8.1 m，5cm/5cm/月月(1990(1990年年) )

18、預(yù)測(cè)主固結(jié)完成比設(shè)計(jì)超填：預(yù)測(cè)主固結(jié)完成比設(shè)計(jì)超填：3m3m緒緒 論論極不均勻沉降：該地基土層為深厚的湖相沉積層，天然含極不均勻沉降：該地基土層為深厚的湖相沉積層，天然含水率高達(dá)水率高達(dá) 650 ，液限，液限 500 ， 塑性指數(shù)塑性指數(shù) 350 ，孔隙比，孔隙比 15 ，具有極高的壓縮性，具有極高的壓縮性。 墨西哥城某建筑墨西哥城某建筑緒緒 論論以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的變形問(wèn)題變形問(wèn)題緒緒 論論損失：損失：直接直接80008000萬(wàn)美元，萬(wàn)美元，起訴起訴55005500起，起，2.52.5億美元，死億美元，死1414人，人，受災(zāi)受災(zāi)2.52.5萬(wàn)人，萬(wàn)人，

19、6060萬(wàn)畝土地，萬(wàn)畝土地，3232公里公里鐵路。鐵路。 Teton壩壩概況：概況：土壩，高土壩，高90m90m，長(zhǎng)，長(zhǎng)1000m1000m，建，建于于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事原因：原因：滲透破壞水力劈裂滲透破壞水力劈裂緒緒 論論10:3011:0011:3011:5011:57Teton壩壩失事過(guò)程失事過(guò)程緒緒 論論12：00之后洪水掃過(guò)一切Teton壩失事過(guò)程壩失事過(guò)程緒緒 論論 Teton壩失事之后壩失事之后緒緒 論論 九江大堤決口九江大堤決口20分鐘后，防水墻后分鐘后，防水墻后的土堤突然塌陷出的土堤突然塌陷出1個(gè)洞，個(gè)洞，5 m寬的堤頂

20、寬的堤頂隨即全部塌陷，并很隨即全部塌陷，并很快形成一寬約快形成一寬約62m的的潰口。潰口。潰口原因潰口原因：堤基管涌：堤基管涌緒緒 論論 堤基管涌堤基管涌長(zhǎng)江堤防工程堤基管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程示意圖長(zhǎng)江堤防工程堤基管涌發(fā)生發(fā)展過(guò)程示意圖砂砂環(huán)環(huán)管管涌涌口口粘性土粘性土砂性土砂性土滲水滲水雜填土雜填土管涌：管涌：在滲流作用下，無(wú)粘性土體中的細(xì)小顆粒，在滲流作用下，無(wú)粘性土體中的細(xì)小顆粒，通過(guò)土的孔隙，發(fā)生移動(dòng)或被水流帶出的現(xiàn)象通過(guò)土的孔隙，發(fā)生移動(dòng)或被水流帶出的現(xiàn)象。 緒緒 論論以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的滲透問(wèn)題緒緒 論論土工結(jié)構(gòu)物或地基土強(qiáng)度問(wèn)題強(qiáng)度問(wèn)題變形問(wèn)題變形問(wèn)題滲透問(wèn)題滲透問(wèn)題 強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性 變