土力學王常明緒論

1、教材教材：土力學土力學王常明王常明 土質學與土力學土質學與土力學高大釗高大釗 土質學與土力學土質學與土力學 許惠德許惠德主講：主講： 金金 超超 學時：學時： 3030課程課程：巖土力學巖土力學 下篇下篇土土 力力 學學F 什么是土？什么是土？ F 土及土力學的特點土及土力學的特點F 為什么要學習土力學？為什么要學習土力學？F 土力學的研究內容土力學的研究內容F 如何學好土力學？如何學好土力學？F 土力學的發(fā)展過程土力學的發(fā)展過程 緒緒 論論土，地之生萬物者也。土，地之生萬物者也。二二象象地之上，地之中；地之上，地之中；| |物出形也。物出形也。 - - 說文解字說文解字緒論：什么是土？緒論：

2、什么是土？ 一、研究對象與任務一、研究對象與任務n研究對象：研究對象：土土巖石圈表層非巖質的組成部巖石圈表層非巖質的組成部分，是由各種巖石礦物顆粒組成的松散集合體分，是由各種巖石礦物顆粒組成的松散集合體（松散介質）（松散介質）“地者，萬物之本原，諸生地者，萬物之本原，諸生之根苑也之根苑也” - - 管仲管仲大氣圈大氣圈水圈水圈巖石圈巖石圈生物圈生物圈風化物風化物土壤圈土壤圈地下水地下水軟流圈軟流圈巖石因物理巖石因物理風化作用破風化作用破碎，在重力碎，在重力作用下堆積作用下堆積到山腳到山腳高山下的沖積錐群高山下的沖積錐群風蝕蘑菇風蝕蘑菇土的形成過程土的形成過程黃河沖積三角洲黃河沖積三角洲 礫石料

3、礫石料 卵卵 石石 砂砂 粘粘 土土工程與土力學中的土工程與土力學中的土土土地球表面的整體巖石在大氣中經受長期的風化地球表面的整體巖石在大氣中經受長期的風化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結或作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結或膠結很弱的顆粒堆積物。膠結很弱的顆粒堆積物。土力學土力學利用利用力學知識和土工試驗技術來力學知識和土工試驗技術來研究土研究土的強度和變形及其規(guī)律性的一門科學。的強度和變形及其規(guī)律性的一門科學。它是隨著經它是隨著經濟建設而發(fā)展起來的應用力學之一，一般認為屬力濟建設而發(fā)展起來的應用力學之一，一般認為屬力學的一個分支。學的一個分支。緒論：土及土力學有哪些特點？

4、緒論：土及土力學有哪些特點？ 土體的特點土體的特點FF 一般一般固體：固體：FF 液體：液體：FF 土體（散粒）：土體（散粒）：可保持固定的形狀可保持固定的形狀不具有特定的形狀不具有特定的形狀具有不固定的形具有不固定的形狀狀緒論：土及土力學有哪些特點？緒論：土及土力學有哪些特點？ 巖石風化或破巖石風化或破碎的產物，是碎的產物，是非連續(xù)體非連續(xù)體顆粒本身強度粒間連顆粒本身強度粒間連 接強度接強度 受力以后易變形，強度低受力以后易變形，強度低 體積變化主要是孔隙變化體積變化主要是孔隙變化 剪切變形主要由顆粒相對剪切變形主要由顆粒相對 位移引起位移引起固相固相- -土骨架土骨架液相液相- -水水氣相

5、氣相- -空氣空氣 受力后由土骨架、孔隙受力后由土骨架、孔隙 介質共同承擔介質共同承擔 相間存在復雜的相互作用相間存在復雜的相互作用 孔隙流體流動孔隙流體流動自然界的產物，自然界的產物，存在復雜性、異存在復雜性、異變性變性 非均勻性非均勻性 各向異性各向異性 時空變異性時空變異性土體的特點土體的特點碎散性碎散性（散體性散體性） 三相性三相性復雜性復雜性異變性異變性緒論：土及土力學有哪些特點？緒論：土及土力學有哪些特點？ 滲透特性滲透特性 變形特性變形特性 強度特性強度特性 碎散性碎散性 三相性三相性 復雜性復雜性 異變性異變性物理力學物理力學特性復雜特性復雜土體的特點土體的特點緒論：土及土力學

6、有哪些特點？緒論：土及土力學有哪些特點？ 學科學科研究對象研究對象理論力學理論力學 質點或剛體質點或剛體材料力學材料力學 單個彈性桿件（桿、軸、梁）單個彈性桿件（桿、軸、梁）連續(xù)固體連續(xù)固體結構力學結構力學 若干彈性桿件組成的桿件結構若干彈性桿件組成的桿件結構彈性力學彈性力學 彈性實體結構或板殼結構彈性實體結構或板殼結構水力學水力學不可壓縮的連續(xù)流體（水）不可壓縮的連續(xù)流體（水）連續(xù)流體連續(xù)流體土力學土力學天然的三相碎散堆積物天然的三相碎散堆積物碎散材料碎散材料土力學與其他學科的比較土力學與其他學科的比較緒論：土及土力學有哪些特點？緒論：土及土力學有哪些特點？ 土力學土力學研究土的滲透變形、壓

7、縮變形和強度研究土的滲透變形、壓縮變形和強度特性以及與此有關的工程問題特性以及與此有關的工程問題連續(xù)介質力學連續(xù)介質力學的基本知識的基本知識描述碎散體描述碎散體特性的理論特性的理論實驗規(guī)律及工實驗規(guī)律及工程實踐經驗程實踐經驗土力學土力學(經典經典or古典古典) 利用力學知識和土工試驗技術來研利用力學知識和土工試驗技術來研 究土的強度和變形及其規(guī)律性的一門科學。究土的強度和變形及其規(guī)律性的一門科學。緒論：土及土力學有哪些特點？緒論：土及土力學有哪些特點？ 土是工程中應用最廣泛的建筑材料。由土層所土是工程中應用最廣泛的建筑材料。由土層所構成的廣袤大地構成的廣袤大地 是工程建設的基底是工程建設的基底

8、 是建筑物的地基是建筑物的地基 是地下建筑的環(huán)境是地下建筑的環(huán)境 為土工構筑物提供填筑材料為土工構筑物提供填筑材料因此，對土工程性質認識的偏差可能會導致損因此，對土工程性質認識的偏差可能會導致損失巨大的事故。失巨大的事故。土力學的重要性土力學的重要性緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 均勻沉降不均勻沉降n建筑物失事：建筑物失事：強度問題（剪切破壞）強度問題（剪切破壞）變形問題（沉降破壞）變形問題（沉降破壞）滲透問題（滲透破壞）滲透問題（滲透破壞）緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 加拿大特朗斯康谷倉加拿大特朗斯康谷倉 事故：事故：19131913年年9 9月

9、開始裝谷物，月開始裝谷物，至至1010月月1717日共裝入日共裝入3 3萬多萬多谷物，但此時發(fā)生破壞：谷物，但此時發(fā)生破壞： 1 1小時豎向沉降達小時豎向沉降達30.5cm30.5cm 24 24小時傾斜小時傾斜26265353 西端下沉西端下沉7.32m7.32m 東端上抬東端上抬1.52m1.52m 上部鋼混筒倉完好無損上部鋼混筒倉完好無損概況：概況：長長59.4m59.4m，寬，寬23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565個圓筒倉。鋼混筏板個圓筒倉。鋼混筏板基礎，厚基礎，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。19131913年完工，自重年完工，自重2

10、2萬萬T T。緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 處理：處理：事后在下面做了七十多個支撐于基巖上的混凝土墩，事后在下面做了七十多個支撐于基巖上的混凝土墩，使用使用388388個個50t50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，才把倉體逐漸糾正過來，千斤頂以及支撐系統(tǒng)，才把倉體逐漸糾正過來，但其位置比原來降低了米。但其位置比原來降低了米。 加拿大特朗斯康谷倉加拿大特朗斯康谷倉 原因：原因：谷倉的地基承載力谷倉的地基承載力按鄰近結構物基槽開挖取按鄰近結構物基槽開挖取土試驗結果計算。土試驗結果計算。19521952年年經勘察試驗與計算，地基經勘察試驗與計算，地基實際承載力遠小于谷倉破實際承載力遠小

11、于谷倉破壞時發(fā)生的基底壓力。因壞時發(fā)生的基底壓力。因此谷倉此谷倉地基因超載發(fā)生強地基因超載發(fā)生強度破壞而滑動。度破壞而滑動。2653失事后1913.10.181952.10.5 試驗孔填土褐色粉質粘土灰色粉質粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 試驗孔緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 香港寶城滑坡香港寶城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬立方米月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動體正好沖過一幢高殘積土從山坡上下滑，巨大滑動體正好沖過一幢高層住宅層住宅-寶城大廈，頃刻間寶城大廈被沖毀倒塌

12、并寶城大廈，頃刻間寶城大廈被沖毀倒塌并砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。死亡砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。死亡6767人。人。原因：原因：山坡上殘積土本身強度較低，加之雨水入滲山坡上殘積土本身強度較低，加之雨水入滲使其強度進一步大大降低，使得使其強度進一步大大降低，使得土體滑動力超過土土體滑動力超過土的強度的強度，于是山坡土體發(fā)生滑動。，于是山坡土體發(fā)生滑動。緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 香港寶城滑坡現場香港寶城滑坡現場Early 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后阪神大地震中的地基液化阪神大地震中的地基液化液化：液化：飽水松砂地基在振動荷載作用下喪

13、失強度變成流動飽水松砂地基在振動荷載作用下喪失強度變成流動 狀態(tài)的一種現象狀態(tài)的一種現象神戶碼頭：神戶碼頭：地震引起大面積砂地震引起大面積砂土地基液化后產生土地基液化后產生很大的側向變形和很大的側向變形和沉降，大量的建筑沉降，大量的建筑物倒塌或遭到嚴重物倒塌或遭到嚴重損傷損傷緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 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緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 1964年日本新瀉地震地基的大面積液化緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 時間：時間：19711971年年1111月月9-119-11

14、日日地點：神奈川縣川崎市生地點：神奈川縣川崎市生研究機構：地質研究所研究機構：地質研究所(通產省通產省) 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(建設省建設省) 防災科學技術中心防災科學技術中心(科技廳科技廳)泥泥 石石 流流 室室 外外 試試 驗驗緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 事故發(fā)生過程要點壤土(loam)斜坡崩塌（泥石流）實驗 9日15:00人工降雨開始 11日15:00左右降雨量達500mm 陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜 坡崩塌，泥石流產生 泥石流推倒28米外的護欄，一直沖到 55米外的水池中央，造成31人被埋緒論：為什么要學習土

15、力學？緒論：為什么要學習土力學？ 事故發(fā)生地點關東壤土：風化花崗巖上火山灰堆積層 =1.45 w=5%傾角：30厚: 1.23m現場泥石流實驗布置簡圖試驗現場照片試驗現場照片試驗現場照片試驗現場照片15人不幸遇難，11人受傷死者當中 實驗人員 1人 參觀者 10人 報社記者 1人 電視采訪人員 3人事故傷亡情況事故傷亡情況緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 可歸結為與土有關的可歸結為與土有關的強度問題強度問題F 加拿大特朗斯康谷倉地基失穩(wěn)加拿大特朗斯康谷倉地基失穩(wěn)F 香港寶城滑坡香港寶城滑坡F 阪神等大地震中地基液化阪神等大地震中地基液化F 泥石流室外試驗事故泥石流室外試驗事

16、故案例總結（一）緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 比比 薩薩 斜斜 塔塔11731173年：動工年：動工13601360年：再復工，至年：再復工，至13701370年竣工，年竣工， 全塔共全塔共8 8層，高度為層，高度為55m55m12721272年：復工，經年：復工，經6 6年，至年，至7 7層，層， 高高48m48m，再停工，再停工11781178年：至年：至4 4層中，高約層中，高約29m29m， 因傾斜停工因傾斜停工緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 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，塔頂離中心線已達

17、5.27m，傾斜，傾斜5.5原因：原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，強度低，變形大。和粘土層，強度低，變形大。比比 薩薩 斜斜 塔塔15901590年年: : 伽利略在此塔做伽利略在此塔做 自由落體實驗自由落體實驗n19901990年停止開放。年停止開放。n按南側每年沉降按南側每年沉降1.4mm1.4mm推算推算,2003,2003或或20042004年斜塔可能倒塌。年斜塔可能倒塌。緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 1838-18391838-1839：挖環(huán)形基坑卸載：挖環(huán)形基坑卸載1933-19351933-1935：基坑防水處理：基

18、坑防水處理 基礎環(huán)灌漿加固基礎環(huán)灌漿加固19901990年年1 1月月: : 封閉封閉處理措施處理措施比比 薩薩 斜斜 塔塔緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 1992年年7月：加固塔身，月：加固塔身，用壓重法和取土法進行地用壓重法和取土法進行地基處理基處理 在斜塔北側的塔基下碼放在斜塔北側的塔基下碼放了數百噸重的鉛塊，并使了數百噸重的鉛塊，并使用鋼絲繩從斜塔的腰部向用鋼絲繩從斜塔的腰部向北側拽住，還抽走了斜塔北側拽住，還抽走了斜塔北側的許多淤泥，并在塔北側的許多淤泥，并在塔基地下打入基地下打入10根根50米長的米長的鋼柱。鋼柱。 歷時歷時10年半的比薩斜塔拯年半的比薩斜塔拯

19、救工作已全部結束。糾偏救工作已全部結束。糾偏校斜校斜43.8厘米，除自然因厘米，除自然因素外，可確保素外，可確保3個世紀內不個世紀內不發(fā)生倒塌危險。發(fā)生倒塌危險。 目目 前前 : 已向游人開放。已向游人開放。 緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 蘇州虎丘塔蘇州虎丘塔F概況：位于虎丘公園山頂，建于概況：位于虎丘公園山頂，建于宋太祖建隆二年宋太祖建隆二年( (公元公元961年年) )。磚砌七層，高磚砌七層，高47.5m47.5m，底層直徑，底層直徑13.7m13.7m。呈八角形，。呈八角形，F問題：塔身向東北方向嚴重傾斜，問題：塔身向東北方向嚴重傾斜，塔頂離中心線達塔頂離中心線達

20、2.31m，底層塔，底層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險建筑身發(fā)生不少裂縫，成為危險建筑物。物。F原因：位于傾斜基巖上，復蓋層原因：位于傾斜基巖上，復蓋層一邊深一邊深3.8m3.8m，另一邊為，另一邊為5.8m5.8m。不。不均勻粉質粘土層產生不均勻沉降。均勻粉質粘土層產生不均勻沉降。F處理：在四周建造圈樁排式地下處理：在四周建造圈樁排式地下連續(xù)墻并對塔周圍與塔基進行鉆連續(xù)墻并對塔周圍與塔基進行鉆孔注漿和打設樹根樁加固塔身。孔注漿和打設樹根樁加固塔身。緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 上海錦江飯店上海錦江飯店 建于解放前的上海錦建于解放前的上海錦江飯店高江飯店高15層，是當層，是

21、當時接待外賓的高級飯時接待外賓的高級飯店。店。 沉降量約沉降量約1.5m。緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 均勻沉降均勻沉降19861986年：開工年：開工19901990年：人工島完成年：人工島完成19941994年：機場運營年：機場運營面積：面積：4370m4370m1250m1250m填筑量：填筑量6m m3 3平均厚度：平均厚度：33m33m世界最大的人工島世界最大的人工島日本日本 關西機場關西機場緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 關西機場問題：沉降大且不均勻問題：沉降大且不均勻 設計沉降：設計沉降：5.7-7.5 m

22、完成時完成時(1990年年)實際沉降：實際沉降：8.1 m，5cm/月月 預測主固結需：預測主固結需：20年年 比設計多超填：比設計多超填：3m緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 可歸結為與土有關的可歸結為與土有關的變形問題變形問題F 意大利比薩斜塔意大利比薩斜塔F 蘇州虎丘塔蘇州虎丘塔F 日本關西機場日本關西機場案例總結（二）緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 土壩，土壩，高高90m90m，長長1000m1000m，19751975年建成年建成次年次年6 6月失事月失事TetonTeton壩（美國）壩（美國）緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力

23、學？ TetonTeton壩滲流破壞過程壩滲流破壞過程緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 上午上午10:3010:30 11 11：000011:3011:3011:5711:57TetonTeton壩壩失事現場現狀損失損失直接直接80008000萬美元，萬美元，起訴起訴55005500起，起，2.52.5億美元，死億美元，死1414人，人，受災受災2.52.5萬人，萬人，6060萬畝土地，萬畝土地，3232公里公里鐵路被沖鐵路被沖原因原因滲透破壞：沖蝕滲透破壞：沖蝕 水力劈裂水力劈裂緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 1998年長江大堤緒論：為什么要學習土

24、力學？緒論：為什么要學習土力學？ 緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 九江大堤決口九江大堤決口1998年年8月月7日日13:10發(fā)生管涌發(fā)生管涌險情，險情，20分鐘后，在堤外迎分鐘后，在堤外迎水面找到水面找到2處進水口。處進水口。又過又過20分鐘，防水墻后的土分鐘，防水墻后的土堤突然塌陷出堤突然塌陷出1個洞，個洞，5 m寬寬的堤頂隨即全部塌陷，并很的堤頂隨即全部塌陷，并很快形成寬約快形成寬約62m的潰口。的潰口。潰口原因：潰口原因：堤基管涌堤基管涌焦點詞匯：焦點詞匯：豆腐渣工程豆腐渣工程緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 溝后面板砂礫石壩溝后面板砂礫石壩位于

25、青海省，高位于青海省，高7171米，長米，長265265米，建米，建于于19891989年。年。19931993年年8 8月月7 7日突然日突然發(fā)生潰壩，瞬間沖發(fā)生潰壩，瞬間沖毀毀10001000多戶房舍，多戶房舍，288288人喪生，上千人喪生，上千人受傷。人受傷。潰壩原因：潰壩原因：面板止水失效，下游壩體排水不暢，面板止水失效，下游壩體排水不暢，造成壩坡失穩(wěn)造成壩坡失穩(wěn)緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 可歸結為與土有關的可歸結為與土有關的滲透問題滲透問題F 美國美國TetonTeton壩失事壩失事F 9898洪水長江堤防險情洪水長江堤防險情F 溝后面板砂礫石壩潰壩溝后面

26、板砂礫石壩潰壩案例總結（三）緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 土工結構物或地基土工結構物或地基 土 強度問題強度問題 變形問題變形問題 滲透問題滲透問題 強度特性強度特性 變形特性變形特性 滲透特性滲透特性土力學可以解決工程實踐問題，這正是土力學可以解決工程實踐問題，這正是土力學存土力學存在的價值以及我們學習土力學的目的。在的價值以及我們學習土力學的目的。學習土力學的目的學習土力學的目的緒論：為什么要學習土力學？緒論：為什么要學習土力學？ 基礎和先導基礎和先導 物理性質物理性質 土中應力計算土中應力計算工程應用工程應用 土壓力土壓力 土坡穩(wěn)定土坡穩(wěn)定 地基承載力地基承載力

27、基礎設計基礎設計核心理論核心理論 滲透特性滲透特性 變形特性變形特性 強度特性強度特性土力學土力學緒論：土力學包括那些內容？緒論：土力學包括那些內容？ 緒緒 論論第一章第一章 土體中的應力計算土體中的應力計算第二章第二章 土體地基變形計算土體地基變形計算第三章第三章 土的抗剪強度與地基承載力土的抗剪強度與地基承載力第四章第四章 擋土墻壓力計算擋土墻壓力計算第五章第五章 土坡穩(wěn)定性分析土坡穩(wěn)定性分析土力學的主要內容土力學的主要內容用地質學方法獲得地質資料并建立地質模型土力學的學習方法土力學的學習方法合理分層（模型之一）天然建材水文地質條件不良地質現象地質結構巖土類型及性質地形地貌工程地質資料查明

28、如：勘察 選用相應的土力學理論進行計算。壓縮層范圍等）土體計算邊界（滑面、等）、力學參數（力學介質模型sEac結合建筑物特點 建立力學模型 土力學的發(fā)展過程土力學的發(fā)展過程一、經驗積累階段二、理論提高階段三、形成獨立學科的階段四、對原有理論與試驗的充實和完善。 一、經驗積累階段 人類自遠古以來就廣泛利用土作為建筑地基和材料“水來土擋”就是古代人民防御洪水的原始寫照。 古代許多偉大建筑，如我國的長城、大運河、趙州橋、故宮、廟宇以及世界上知名的建筑物如埃及的金字塔、比薩斜塔等的修建都需要豐富的土的知識和在其上修建建筑物的經驗。 由于社會生產力和技術條件的限制，這一階段經歷了很長時間。和其它學科一樣直到十八世紀中葉還停留