土力學第一章-緒論課件

1、土 力 學華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木學院黃金林1什么是土？土有哪些特點？土力學有何特點？為什么要學習土力學？土力學包括哪些內(nèi)容？如何學好土力學？緒 論2土是指： 地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)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(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物。風化巖石地球顆粒堆積物地球什么是土？3本課程研究對象及其重要性研究對象：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，以地基土為研究對象的這門課程土力學在土木工程中占據(jù)重要地位。所有建筑物和構(gòu)筑物的荷載均由地基承擔。 土力學的重要性，巖土工程和

2、地基問題事故多，人們對土的性質(zhì)和工程特性認識不足，專業(yè)人員隊伍龐大，良莠不齊，存在魚目混珠的現(xiàn)象。 4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。0.00標高以上基礎(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0.0051 本課程的特點土力學 研究土的應力、變形、強度和穩(wěn)定以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用規(guī)律的一門應用科學和技術(shù)。課程特點：概念多、名詞多，須強記；涉及學科多，包括工程地質(zhì)、水力學、塑性力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學等，知識面寬。力學研究方法遵循認識論的基本法則：實踐理論

3、實踐，首先是在實踐中提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(guān)系，建立土力學模型，在此基礎(chǔ)上可運用已知的力學或物理學規(guī)律（必要時做一些假設(shè)）以及合適的數(shù)學工具進行理論演繹，導出新的理論。72 課程內(nèi)容和學習方法課程內(nèi)容： 課堂教學 土力學（10章）； 實驗教學 土工(室內(nèi))試驗（4項）。主要實驗包括: (1)土的密度、含水量、液限、塑限試驗; 滲透試驗；(3)壓縮試驗; (4)直剪試驗學習要求和方法： 1. 理論、室內(nèi)外測試、工程實踐三者結(jié)合 2. 搞清概念、掌握原理、學以致用。要求牢固掌握土力學基本概念和原理，并能應用于分析和解決實際工程問題。以課堂教學為主，多媒體課件教學為輔。8土有哪些特點？10

4、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 相對位移引起 強度低巖石風化的產(chǎn)物11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 存在復雜的相互作用 孔隙流體流動固相土骨架液相水氣相空氣12碎散性三相性天然性力學特性復雜 變形特性 強度特性 滲透特性14土力學發(fā)展的歷史15The Grandfather of Soil MechanicCharles Augustin de Coulomb (1736 1806)17Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858)Darcys Law is a generaliz

5、ed relationship for flow in rate is a function of the flow area, elevation, fluid pressure and a proportionality constant.18變形理論方面的主要成就： 地基沉降計算方法的建立與完善； Mindlin公式的提出及其在樁基沉降計算中的應用； 彈性地基梁板的計算； 砂井固結(jié)理論； Biot固結(jié)理論的提出和完善。古典土力學可以歸結(jié)為： 一個原理有效應力原理 兩個理論以彈性介質(zhì)和彈性多孔介質(zhì)為出發(fā)點的變形理論 以剛塑性模型為出發(fā)點的破壞理論(極限平衡理論) 有效應力原理是古典土力學的

6、核心，在某種意義上，古典土力學只能稱為彈性土力學。土體不是理想彈性體，也不是理想剛塑性體。土體兩個基本特性：壓硬性和剪脹性19現(xiàn)代土力學可以歸結(jié)為一個模型、三個理論和四個分支。一個模型：本構(gòu)模型，特別是指結(jié)構(gòu)性模型。三個理論：一個變形理論和兩個破壞理論 (1)非飽和土固結(jié)理論 (2)液化破壞理論 (3)漸進破壞理論四個分支：理論土力學、計算土力學、實驗土力學和應用土力學現(xiàn)代土力學 1963年，Roscoe發(fā)表了著名的劍橋模型，才提出第一個可以全面考慮土的壓硬性和剪脹性的數(shù)學模型，因而可以看作現(xiàn)代土力學的開端。下列幾方面取得重要進展： 非線性模型和彈塑性模型； 損傷力學模型與結(jié)構(gòu)性模型； 非飽和

7、土固結(jié)理論； 砂土液化理論的研究； 剪切帶理論及漸進破損； 土的細觀力學現(xiàn)代土力學的核心問題是本構(gòu)模型201776 Coulomb 強度定律，土壓力理論1856 Darcy 定律1857 Rankine 新的土壓力理論1925 Terzaghi 有效應力原理及滲透固結(jié)理論1936 第一屆國際土力學及基礎(chǔ)工程會議1949 中國土力學研究的興起土力學成為一門獨立學科的重要標志Terzaghi是土力學的奠基人21為什么要學習土力學？1.土具有廣泛的工程應用2.存在大量與土有關(guān)的工程問題22（巖）土力學在工程建設(shè)中的作用和任務(wù)作用一(宏觀）應用巖土力學知識分析、計算、評價建筑物地基變形、強度及穩(wěn)定性，

8、確保建筑物、水庫、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24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、評價水利水電的建設(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，面對一系列巖土工程技術(shù)難題，如船閘高邊坡的計算分析與建設(shè)25多因素分級法指標：按巖土體連續(xù)性分級；（3）建筑、大壩穩(wěn)定計算分析引用非線性非連續(xù)介質(zhì)模型對大壩穩(wěn)定性進行分析（4）巖土體穩(wěn)定評價目前主要采用計算分析法和模型試驗法計算分析法：有限元法，剛體極限平衡法模型試驗法：地質(zhì)力學模型，脆性材

9、料模型評價（巖）土體穩(wěn)定，是設(shè)計中面臨的最困難的問題之一273 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，降低工程造價把圍巖視為承載結(jié)構(gòu)，建立巖體支護概念283 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)濟的優(yōu)化施工方案29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

10、礎(chǔ)工程、隧道工程。遙感、物探、原位測試、巖土試驗滑坡、崩塌、泥石流及巖溶等復雜工程地質(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沙地區(qū)的鐵路工程30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雜條件下橋梁及基礎(chǔ)工程復雜條件下長、大隧道工程31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)場測試、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)計和施工工程采用淺層剖面儀在大面積水域中進行初步勘探并結(jié)合少量鉆孔，鑒別土類和土層采用標準貫入、土壓力計等常規(guī)設(shè)備完成現(xiàn)場測試和原

11、體觀測用砂井排水堆載預壓方法加固軟粘土地基32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、真空預壓法、強夯法、深層拌合法、填土超載擠淤法、爆炸擠淤法等加固軟基預應力鋼筋砼空心方樁應用于高樁碼頭大型鋼管樁應用于建造深水碼頭大型預應力鋼筋砼管樁應用于建造海水腐蝕碼頭33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34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：用探地雷達等

12、無損檢測方法查明堤防工程的地層特點和險情隱患；用旋噴等加固大堤地基；用防滲墻等延長滲透途徑；采用經(jīng)濟高效新型加固材料加速工程進度，提高工程質(zhì)量35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)，采取排導停淤措施港口城市須疏通航道，合理構(gòu)筑導堤，提高通航能力海岸城市須進行岸坡穩(wěn)定保護，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36任務(wù)解決巖土工程問題通過巖土力學分析計算，提出建筑物結(jié)構(gòu)類型、施工方法及運營使用中的注意事項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372. 與土有關(guān)的工程問題38與土

13、有關(guān)的工程問題加拿大特朗斯康谷倉 處理：事后在下面做了七十多個支撐于基巖上的混凝土墩，使用388個50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，把倉體逐漸糾正過來，其位置比原來降低了米。 原因：地基土事先未進行調(diào)查，據(jù)鄰近結(jié)構(gòu)物基槽開挖取土試驗結(jié)果，計算地基承載力應用到此谷倉。1952年經(jīng)勘察試驗與計算，地基實際承載力小于破壞時的基底壓力。因此，谷倉地基因超載發(fā)生強度破壞而滑動。2653失事后1913.10.181952.10.5 試驗孔填土褐色粉質(zhì)粘土灰色粉質(zhì)粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 試驗孔39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

14、立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動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7人。原因：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，使得土體滑動力超過土的強度，于是山坡土體發(fā)生滑動。40神戶碼頭：沉箱式岸墻因砂土地基液化失穩(wěn)滑入海中41以上幾個實例可歸結(jié)為與土有關(guān)的強度問題42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5.27m，傾斜5.51360：再復工，至1370年竣工，全塔共8層，高度為55m1272：復工，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。43以上幾個實例可歸結(jié)為與土有關(guān)的變形問題44九江大堤決口潰口原因：堤基管涌1998年8月7日13:10發(fā)生管涌險情，20分鐘后，在堤外迎水面找到2處進水口又過20分鐘，防水墻后的土堤突然塌陷出1個洞，5 m寬的堤頂隨即全部塌陷，并很快形成一寬約62m的潰口。 45管涌砂環(huán)砂性土堤基管涌破壞示意圖管涌破壞當管涌發(fā)生時，滲流將導致向源侵蝕，