土力學 課件 第1章 緒論

土力學SoilMechanics第1章

緒論1.1土力學及其研究對象1.2土力學的任務1.3土力學的學科地位1.4土力學的發(fā)展簡史1.5課程的學習方法土力學是干什么的？

土力學是以傳統(tǒng)的工程力學和地質學的知識為基礎，研究與土木工程有關的土中應力、變形、強度和穩(wěn)定性的應用力學分支。同時，土力學還要用專門的土工試驗技術來研究土的物理化學特性，以及土的強度、變形和滲透等特殊力學特性。

因此，土力學除了工程力學的一般內(nèi)容外，還有土質學、土工試驗以及滲流力學的相關內(nèi)容。1.1土力學及其研究對象什么是土？

土是礦物或巖石碎屑物構成的松軟堆積物。在自然條件下，這些堆積物可形成具有一定物質組成、結構形式和賦存環(huán)境的地質體。1.1土力學及其研究對象

在工程建設中，土被廣泛用作各種建筑物的地基或材料，或構成建筑物周圍的環(huán)境或保護層。

1.1土力學及其研究對象土的特點：

三相體：由固體顆粒、液體水和氣體組成。碎散性：固體顆粒之間沒有聯(lián)接強度或聯(lián)接強度遠小于顆粒本身的強度是土有別于其它連續(xù)介質的一大特點。透水性：粗、細粒土差別很大。多孔性：變形大、土粒之間的相對移動性。自然變異性或不均勻性：土有很強的區(qū)域性。易變性：易受溫度、濕度、地下水、荷載等影響。1.1土力學及其研究對象1）土體穩(wěn)定問題：包括地基承載力、邊坡以及擋土墻的穩(wěn)定等，也就是研究土體中的應力和強度，避免土體因強度不足而導致建筑物的破壞或邊坡喪失穩(wěn)定性。

1.2土力學的任務地基承載力不足案例：加拿大特朗斯康谷倉由65個圓筒倉組成，59.44m×23.47m，高31.00m。鋼筋混凝土筏板基礎，埋深3.66m。谷倉地基土事先未進行勘察，僅根據(jù)鄰近結構物基槽開挖試驗結果，計算得到地基承載力為352kPa。谷倉于1913年完工后，10月13日初次裝入谷物（基底壓力329.4kPa）時，發(fā)現(xiàn)1小時內(nèi)豎向沉降達30.5cm，24小時內(nèi)谷倉向西傾斜達26°53′，西端下沉7.32m，東端上抬1.52m。事后查明，該谷倉地基實際承載力為194~277kPa，遠小于谷倉破壞時的基底壓力。1.2土力學的任務加拿大特朗斯康谷倉傾斜示意圖邊坡失穩(wěn)案例：太澳高速路塹邊坡（2010）1.2土力學的任務邊坡失穩(wěn)案例：羅長高速路堤邊坡（2004）1.2土力學的任務2）土體變形問題：地基的變形特征（沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜）不超過建筑物的允許值。

1.2土力學的任務工程案例一：意大利比薩斜塔

該塔于1173年動工，1370年竣工。全塔8層，高度為55m，總荷重145MN，基底壓力約50kPa。地基持力層為粉砂，下為粉土和黏性土。該塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線達5.27m，傾斜5.5°，成為危險建筑，1990年被封閉。1.2土力學的任務工程案例二：蘇州虎丘塔

建于959～961年期間，為七級八角形磚塔，塔底直徑13.66m，高47.5m，重63000kN。1956～1957年修繕后，塔體重量增加約2000kN，同時加速了塔體的不均勻沉降，塔頂偏離中心線的距離由1957年的1.7m發(fā)展到1978年的2.31m，并導致地層砌體產(chǎn)生局部破壞。后于1983年對該塔進行了基礎托換。1.2土力學的任務工程案例三：樓歪歪與樓靠靠

3）滲透變形問題：流土、管涌、基坑突涌等。

1.2土力學的任務2019年8月24日，南京地下空間基坑突涌2016年7月4日，武漢市青山區(qū)倒口湖管涌處理1.2土力學的任務美國Idaho州Teton壩1976年6月失事。直接損失8000萬美元。1.2土力學的任務1.2土力學的任務美國Idaho州Teton壩1976年6月失事（續(xù)）是土木類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程；與其他課程相互滲透、相互依存。預備知識：高等數(shù)學、工程地質學、流體力學、材料力學和彈性力學的基本概念和部分計算理論后續(xù)課程：基礎工程、深基坑工程、地基處理1.3土力學的學科地位萬丈高樓平地起！古老+年輕感性認識階段：古代勞動人民留下了令今人嘆為觀止的工程遺產(chǎn)。恢宏的宮殿寺院、靈巧的水榭樓臺、巍峨高塔、蜿蜒萬里的長城、大運河等等，無不體現(xiàn)出能工巧匠的高超技藝和創(chuàng)新智慧。但這僅僅局限于工程實踐經(jīng)驗，受到當時生產(chǎn)力水平的限制，未能形成系統(tǒng)的土力學和工程建設理論。

1.4土力學的發(fā)展簡史萌芽期(1773~1923)：十七世紀末期，歐洲各國大規(guī)模的城堡建設推動了筑城學的發(fā)展并提出了墻后土壓力問題，庫侖（1773）提出了著名的抗剪強度公式和土壓力理論。1869年英國人朗肯又從不同途徑提出了擋土墻的土壓力理論。1.4土力學的發(fā)展簡史CACoulomb(1736—1806)WJMRankine(1820—1872)十九世紀中葉開始，大規(guī)模的橋梁、鐵路和公路建設推動了樁基和深基礎的理論與施工方法的發(fā)展。1885年布辛奈斯克求得了彈性半空間體在豎向集中力作用下的應力和位移解。同時深井抽水很盛行，促進了地下水的研究。1852年達西創(chuàng)立了砂性土的滲流理論“達西定律”。1.4土力學的發(fā)展簡史JVBoussinesq(1842—1929)HPGDarcy(1803—1858)路塹和路堤、運河渠道邊坡、水壩等的建設提出了土坡穩(wěn)定性的分析問題。1916年，瑞典彼得森(K.E.Petterson)首先提出了邊坡穩(wěn)定計算的圓弧滑動法，1922年，瑞典費倫紐斯(W.Fellenius)對此做了進一步的發(fā)展，至今在邊坡工程中廣泛采用。1920年法國普朗德爾(L.Prandtl)發(fā)表了地基滑動面計算的數(shù)學公式，為后來多種地基承載力理論公式的提出奠定了基礎。1.4土力學的發(fā)展簡史古典土力學（1923~1963）：1923年，太沙基提出了飽和土體一維固結理論，1925年在歸納以往成果的基礎上闡述了有效應力原理，發(fā)表了第一本《土力學》（Erdbaumechanik）專著，從而建立起一門獨立的學科——土力學。1.4土力學的發(fā)展簡史KTerzaghi(1883—1963)這一時期，費倫紐斯、泰勒（D.W.Taylor）和畢肖普(A.W.Bishop)等完善和發(fā)展了圓弧滑動分析方法，特別是1955年畢肖普對邊坡安全系數(shù)提出的新定義，為其后非圓弧條分法的提出鋪平了道路。1941年比奧(M.A.Biot)提出了Biot三維固結理論，首次將滲流和變形耦合到一起。1948年，巴?。≧.A.Barron）提出的砂井固結理論成為預壓法處理軟弱地基的理論基礎。1954年斯肯普敦(A.W.Skempton)提出的著名的孔隙水壓力公式和1963年簡布(N.Janbu)提出的模量公式，已分別初步考慮到了土體的剪脹性和壓硬性，這說明現(xiàn)代土力學已在20世紀50年代已開始醞釀。1.4土力學的發(fā)展簡史現(xiàn)代土力學（1963~）：1963年，羅斯科(K.H.Roscoe)等人創(chuàng)建并發(fā)表了著名的劍橋彈塑性模型，標志著人們對土性質的認識和研究進入了一個嶄新的階段。其后，非線性和彈塑性本構模型得以深入研究，新的本構模型不斷涌現(xiàn)，非飽和土力學已日漸雛形。隨著土工數(shù)值計算的飛速發(fā)展，土力學進入了計算機模擬階段。同時土工測試技術，特別是原位測試技術和離心模型試驗技術也取得很大進展。1.4土力學的發(fā)展簡史沈珠江院士將現(xiàn)代土力學理論歸結為一個模型、三個理論和四個分支。一個模型即本構模型，特別是指結構性模型；三個理論即非飽和土固結理論、液化破壞理論和漸進破壞理論；四個分支即理論土力學、計算土力學、試驗土力學和應用土力學（土工學）。1.4土力學的發(fā)展簡史沈珠江(1933.1.25-2006.10.2)中國學者的貢獻：我國對土力學的研究始于1945年在中央水利試驗處創(chuàng)立第一個土工試驗室，但是，大規(guī)模的研究則是在新中國成立以后大規(guī)模的工程建設中。1.4土力學的發(fā)展簡史南京長江大橋三峽大壩中國學者的貢獻：在土的特性方面：劉祖典等對黃土濕陷特性的研究、魏汝龍對軟黏土強度變形特性的研究、汪聞韶對砂土動力特性的研究等。1.4土力學的發(fā)展簡史劉祖典（1914—)汪聞韶（1919—）中國學者的貢獻：在理論和計算方面：黃文熙對地基應力和沉降計算方面的改進、陳宗基的流變模型、錢家歡應用李氏比擬法求解黏彈性多孔介質的固結問題、謝定義關于砂土液化理論的研究、沈珠江關于有效應力動力分析方法的研究1.4土力學的發(fā)展簡史黃文熙(1909—2001)陳宗基（