土力學(xué)第一章-緒論

1土力學(xué)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木學(xué)院黃金林2上部結(jié)構(gòu)的自重及各種荷載都是通過基礎(chǔ)傳到地基中的?；讐毫Ω郊討?yīng)力地基沉降變形基底反力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的外荷載上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地基建筑物設(shè)計(jì)3什么是土？土有哪些特點(diǎn)？土力學(xué)有何特點(diǎn)？為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？如何學(xué)好土力學(xué)？緒論4土是指：地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長(zhǎng)期的風(fēng)化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物。風(fēng)化巖石地球顆粒堆積物地球什么是土？5本課程研究對(duì)象及其重要性研究對(duì)象：地球表面地層中的土體——地基。地球上但凡人類居住、生活和工作及與之相關(guān)的一切建筑物均建造在地殼的表層——地基上，“空中樓閣”是不存在的。因此，以地基土為研究對(duì)象的這門課程——土力學(xué)在土木工程中占據(jù)重要地位。所有建筑物和構(gòu)筑物的荷載均由地基承擔(dān)。

土力學(xué)的重要性，巖土工程和地基問題事故多，人們對(duì)土的性質(zhì)和工程特性認(rèn)識(shí)不足，專業(yè)人員隊(duì)伍龐大，良莠不齊，存在魚目混珠的現(xiàn)象。6荷載的傳遞方式以常見的房屋建筑為例，建筑物上部結(jié)構(gòu)→基礎(chǔ)→地基?！?.00標(biāo)高以上基礎(chǔ)地基室外地面室內(nèi)地面墻或柱（上部結(jié)構(gòu)）——直接向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)，或即：建筑物最下部直接與地基接觸的部分直接承托基礎(chǔ)并受建筑物影響的那部分土或巖石0.0071、本課程的任務(wù)和作用概括的說，研究并解決地基的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定及其相關(guān)問題，就是本課程的任務(wù)和作用。建筑物的安全與否與地基密切相關(guān)。當(dāng)?shù)鼗鶆偠群蛷?qiáng)度足夠，則建筑物將安然無(wú)恙；反之，則會(huì)發(fā)生地基問題（事故）。地基問題變形問題：房屋建筑穩(wěn)定（強(qiáng)度）問題：路堤、土壩等整體滑動(dòng)，失穩(wěn)破壞沉降過大（變形過大），影響正常使用不均勻沉降，建筑物開裂，甚至倒塌81

本課程的特點(diǎn)土力學(xué)

——研究土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用規(guī)律的一門應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)。課程特點(diǎn)：概念多、名詞多，須強(qiáng)記；涉及學(xué)科多，包括工程地質(zhì)、水力學(xué)、塑性力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等，知識(shí)面寬。力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識(shí)論的基本法則：實(shí)踐－理論－實(shí)踐，首先是在實(shí)踐中提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(guān)系，建立土力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上可運(yùn)用已知的力學(xué)或物理學(xué)規(guī)律（必要時(shí)做一些假設(shè)）以及合適的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行理論演繹，導(dǎo)出新的理論。92課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法課程內(nèi)容：課堂教學(xué)

——土力學(xué)（10章）；

實(shí)驗(yàn)教學(xué)

——土工(室內(nèi))試驗(yàn)（4項(xiàng)）。主要實(shí)驗(yàn)包括:(1)土的密度、含水量、液限、塑限試驗(yàn);⑵滲透試驗(yàn)；(3)壓縮試驗(yàn);(4)直剪試驗(yàn)學(xué)習(xí)要求和方法：

1.理論、室內(nèi)外測(cè)試、工程實(shí)踐三者結(jié)合

2.搞清概念、掌握原理、學(xué)以致用。要求牢固掌握土力學(xué)基本概念和原理，并能應(yīng)用于分析和解決實(shí)際工程問題。以課堂教學(xué)為主，多媒體課件教學(xué)為輔。103、本課程與其它課程的關(guān)系理論力學(xué)材料力學(xué)彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)土力學(xué)高層結(jié)構(gòu)建筑施工路基路面橋梁工程11土有哪些特點(diǎn)？12碎散性非連續(xù)介質(zhì)受力以后易變形體積變化主要是孔隙變化剪切變形主要由顆粒相對(duì)位移引起強(qiáng)度低巖石風(fēng)化的產(chǎn)物13多相介質(zhì)三相性（三相體系）受力后由土骨架、孔隙介質(zhì)共同承擔(dān)存在復(fù)雜的相互作用孔隙流體流動(dòng)固相—土骨架液相—水氣相—空氣14天然性（自然變異性）自然界的產(chǎn)物非均勻性各向異性結(jié)構(gòu)性時(shí)空變異性15碎散性三相性天然性力學(xué)特性復(fù)雜變形特性強(qiáng)度特性滲透特性16土力學(xué)發(fā)展的歷史17土力學(xué)發(fā)展史回顧土力學(xué)的發(fā)展可以劃分成以下三個(gè)歷史時(shí)期萌芽期(1773—1923)1773年Coulomb發(fā)表了論文《極大極小準(zhǔn)則在若干靜力學(xué)問題中的應(yīng)用》，為土體破壞理論奠定了基礎(chǔ)。在此后的漫長(zhǎng)的150年中，而且只限于研究土體的破壞問題。古典土力學(xué)

(1923—1963)1923年，Terzaghi發(fā)表了著名的論文《粘土中動(dòng)水應(yīng)力的消散計(jì)算》，提出了土體一維固結(jié)理論，開創(chuàng)了土體變形研究。接著又在另一文獻(xiàn)中提出了著名的有效應(yīng)力原理，從而建立起一門獨(dú)立的學(xué)科—土力學(xué)。土體破壞理論方面的主要成就：①Fellenius，Taylor和Bishop等關(guān)于滑弧穩(wěn)定分析方法的建立與完善；②Terzaghi關(guān)于極限土壓力的研究和提出承載力公式；③Соколовский散粒體靜力學(xué)的建立；④Shield和沈珠江等關(guān)于土體破壞的運(yùn)動(dòng)方程和極限平衡理論的建立。18TheGrandfatherofSoilMechanicCharlesAugustindeCoulomb(1736–1806)19TheFatherofSoilMechanicsKarlvonTerzaghi(1923–1963)20HenryPhilibertGaspardDarcy(1803-1858)Darcy’sLawisageneralizedrelationshipforflowinrateisafunctionoftheflowarea,elevation,fluidpressureandaproportionalityconstant.21變形理論方面的主要成就：①地基沉降計(jì)算方法的建立與完善；②Mindlin公式的提出及其在樁基沉降計(jì)算中的應(yīng)用；③彈性地基梁板的計(jì)算；④砂井固結(jié)理論；⑤Biot固結(jié)理論的提出和完善。古典土力學(xué)可以歸結(jié)為：一個(gè)原理——有效應(yīng)力原理兩個(gè)理論——以彈性介質(zhì)和彈性多孔介質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)的變形理論

以剛塑性模型為出發(fā)點(diǎn)的破壞理論(極限平衡理論)

有效應(yīng)力原理是古典土力學(xué)的核心，在某種意義上，古典土力學(xué)只能稱為彈性土力學(xué)。土體不是理想彈性體，也不是理想剛塑性體。土體兩個(gè)基本特性：壓硬性和剪脹性22現(xiàn)代土力學(xué)可以歸結(jié)為一個(gè)模型、三個(gè)理論和四個(gè)分支。一個(gè)模型：本構(gòu)模型，特別是指結(jié)構(gòu)性模型。三個(gè)理論：一個(gè)變形理論和兩個(gè)破壞理論

(1)非飽和土固結(jié)理論

(2)液化破壞理論

(3)漸進(jìn)破壞理論四個(gè)分支：理論土力學(xué)、計(jì)算土力學(xué)、實(shí)驗(yàn)土力學(xué)和應(yīng)用土力學(xué)現(xiàn)代土力學(xué)

1963年，Roscoe發(fā)表了著名的劍橋模型，才提出第一個(gè)可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數(shù)學(xué)模型，因而可以看作現(xiàn)代土力學(xué)的開端。下列幾方面取得重要進(jìn)展：①非線性模型和彈塑性模型；②損傷力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)性模型；③非飽和土固結(jié)理論；④砂土液化理論的研究；⑤剪切帶理論及漸進(jìn)破損；⑥土的細(xì)觀力學(xué)現(xiàn)代土力學(xué)的核心問題是本構(gòu)模型231776

Coulomb

強(qiáng)度定律，土壓力理論1856

Darcy

定律1857

Rankine

新的土壓力理論1925

Terzaghi

有效應(yīng)力原理及滲透固結(jié)理論1936

第一屆國(guó)際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程會(huì)議1949

中國(guó)土力學(xué)研究的興起土力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志Terzaghi是土力學(xué)的奠基人24為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？1.土具有廣泛的工程應(yīng)用2.存在大量與土有關(guān)的工程問題25（巖）土力學(xué)研究的內(nèi)容對(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)算方法的研究加固巖土體的工程措施和處理技術(shù)研究26（巖）土力學(xué)在工程建設(shè)中的作用和任務(wù)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，確保建筑物、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27作用二：工程建設(shè)中的巖土工程建筑地基、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)281工程建設(shè)中的巖土工程問題（1）勘探技術(shù)方面建筑物、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）工程建設(shè)中的巖體質(zhì)量分級(jí)：巖土體質(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)。29多因素分級(jí)法指標(biāo)：按巖土體連續(xù)性分級(jí)；（3）建筑、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（4）巖土體穩(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)（巖）土體穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)中面臨的最困難的問題之一303地下工程建設(shè)中的巖土工程地下隧道（如地鐵、公路隧道）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313地下水電站建設(shè)中的巖土工程地下洞室的穩(wěn)定判據(jù)：以巖體的屈服、變形、狀態(tài)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32作用三：鐵路建設(shè)中的巖土工程鐵路建設(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33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34作用四：港口建設(shè)中的巖土工程港口建設(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、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35作用四：港口建設(shè)中的巖土工程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36作用四：港口建設(shè)中的巖土工程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37作用五：城建中的環(huán)境巖土工程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，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(wú)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38作用五：城建中的環(huán)境巖土工程山城的泥石流治理：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39任務(wù)

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，解決巖土工程問題的方法和措施4041王府井京廣廣場(chǎng)42土力學(xué)應(yīng)用－地鐵43H?gsfjordcrossingTunnelhelddownbyanchorsandtethersLength:1400m Max.waterdepth:155m Max.depthtorock:~350m44土力學(xué)應(yīng)用－海洋平臺(tái)452.與土有關(guān)的工程問題與土有關(guān)的工程問題加拿大特朗斯康谷倉(cāng)事故：1913年9月裝谷物，10月17日裝了31822Ｔ谷物時(shí)，1小時(shí)豎向沉降達(dá)30.5cm24小時(shí)傾斜26°53ˊ西端下沉7.32m東端上抬1.52m上部鋼混筒倉(cāng)完好無(wú)損概況：長(zhǎng)59.4m，寬23.5m，高31.0m，共65個(gè)圓筒倉(cāng)。鋼混筏板基礎(chǔ)，厚61cm，埋深3.66m。1911年動(dòng)工，1913年完工，自重20000T。47與土有關(guān)的工程問題加拿大特朗斯康谷倉(cāng)處理：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388個(gè)50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，把倉(cāng)體逐漸糾正過來(lái)，其位置比原來(lái)降低了４米。原因：地基土事先未進(jìn)行調(diào)查，據(jù)鄰近結(jié)構(gòu)物基槽開挖取土試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算地基承載力應(yīng)用到此谷倉(cāng)。1952年經(jīng)勘察試驗(yàn)與計(jì)算，地基實(shí)際承載力小于破壞時(shí)的基底壓力。因此，谷倉(cāng)地基因超載發(fā)生強(qiáng)度破壞而滑動(dòng)。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48與土有關(guān)的工程問題香港寶城滑坡1972年7月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬(wàn)立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動(dòng)體正好沖過一幢高層住宅--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６7人。原因：山坡上殘積土本身強(qiáng)度較低，加之雨水入滲使其強(qiáng)度進(jìn)一步大大降低，使得土體滑動(dòng)力超過土的強(qiáng)度，于是山坡土體發(fā)生滑動(dòng)。49香港1900年建市，1977年成立土力工程署1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20傷)PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad50Early1972滑坡前July1972滑坡后51阪神大地震中地基液化神戶碼頭：地震引起大面積砂土地基液化后產(chǎn)生很大的側(cè)向變形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到嚴(yán)重?fù)p傷液化：松砂地基在振動(dòng)荷載作用下喪失強(qiáng)度變成流動(dòng)狀態(tài)的一種現(xiàn)象52神戶碼頭：沉箱式岸墻因砂土地基液化失穩(wěn)滑入海中53以上幾個(gè)實(shí)例可歸結(jié)為與土有關(guān)的強(qiáng)度問題54比薩斜塔目前：塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線已達(dá)5.27m，傾斜5.5°1360：再?gòu)?fù)工，至1370年竣工，全塔共8層，高度為55m1272：復(fù)工，經(jīng)6年，至7層，高48m，再停工1178：至4層中，高約29m，因傾斜停工1173：動(dòng)工原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，模量較低，變形較大。55比薩斜塔1838-1839：挖環(huán)形基坑卸載1933-1935：基坑防水處理基礎(chǔ)環(huán)灌漿加固1990年1月:

封閉1992年7月：加固塔身，用壓重法和取土法進(jìn)行地基處理目前:

已向游人開放。處理措施56關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)

世界最大人工島1986年：開工1