土力学绪论.pptx

1土土 力力 学学华南农业大学水利与土木学院黄金林2什么是土？什么是土？土有哪些特点？土有哪些特点？土力学有何特点？土力学有何特点？为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？如何学好土力学？如何学好土力学？绪 论3土土是指：是指：地球表面的整体岩石在大气中地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。或胶结很弱的颗粒堆积物。风化风化岩石岩石地球颗粒堆积物颗粒堆积物地球什么是土？什么是土？4本课程研究对象及其重要性研究对象研究对象：地球表面地层中的土体：地球表面地层中的土体 地基。地基。地地球球上上但但凡凡人人类类居居住住、生生活活和和工工作作及及与与之之相相关关的的一一切切建建筑筑物物均均建建造造在在地地壳壳的的表表层层 地地基基上上，“空空中中楼楼阁阁”是是不不存存在在的的。因因此此，以以地地基基土土为为研究对象的这门课程研究对象的这门课程土力学土力学在土木工程中占据重要地位。在土木工程中占据重要地位。所有建筑物和构筑物的荷载均由地基承担。所有建筑物和构筑物的荷载均由地基承担。土力学的土力学的重要性重要性，岩土工程和地基问题事故多，人们对土的性质和工，岩土工程和地基问题事故多，人们对土的性质和工程特性认识不足，专业人员队伍庞大，良莠不齐，存在鱼目混珠的现程特性认识不足，专业人员队伍庞大，良莠不齐，存在鱼目混珠的现象。象。5荷载的传递方式以常见的房屋建筑为例，建筑物上部结构以常见的房屋建筑为例，建筑物上部结构 基础基础 地基。地基。0.00标高以上标高以上基础基础地基地基室外地面室外地面室内地面室内地面墙或柱（上部结构）墙或柱（上部结构）直直接接向向地地基基传传递递荷荷载载的的下下部部结结构构，或或即即：建建筑筑物最下部直接与地基接触的部分物最下部直接与地基接触的部分直接承托基础并受建筑物影响的那部分土或岩石直接承托基础并受建筑物影响的那部分土或岩石 0.0082 课程内容和学习方法课程内容：课程内容：课堂教学课堂教学 土力学土力学（10章）；章）；实实验验教教学学 土土工工(室室内内)试试验验（4项项）。主主要要实实验验包包括括:(1)土土的的密密度度、含含水水量量、液液限限、塑塑限限试试验验;渗渗透透试试验验；(3)压压缩试验缩试验;(4)直剪试验直剪试验学习要求和方法学习要求和方法：1.理论、室内外测试、工程实践三者结合理论、室内外测试、工程实践三者结合 2.搞搞清清概概念念、掌掌握握原原理理、学学以以致致用用。要要求求牢牢固固掌掌握握土土力力学基本概念和原理，并能应用于分析和解决实际工程问题。学基本概念和原理，并能应用于分析和解决实际工程问题。以课堂教学为主，多媒体课件教学为辅。以课堂教学为主，多媒体课件教学为辅。93、本课程与其它课程的关系理论力学材料力学弹性力学结构力学土力学土力学高层结构建筑施工路基路面桥梁工程10土有哪些特点？土有哪些特点？11碎散性碎散性非连续介质非连续介质l 受力以后易变形受力以后易变形l 体积变化主要是孔隙变化体积变化主要是孔隙变化l 剪切变形主要由颗粒剪切变形主要由颗粒 相对位移引起相对位移引起l 强度低强度低岩石风化岩石风化的产物的产物12多相介质多相介质三相性三相性（三相体系）（三相体系）受力后由土骨架、孔隙介受力后由土骨架、孔隙介 质共同承担质共同承担 存在复杂的相互作用存在复杂的相互作用 孔隙流体流动孔隙流体流动固相固相土骨架土骨架液相液相水水气相气相空气空气13天然性天然性（自然变异性）（自然变异性）自然界的产物自然界的产物非均匀性非均匀性各向异性各向异性结构性结构性时空变异性时空变异性14碎散性碎散性三相性三相性天然性天然性力学特性力学特性复杂复杂 变形特性变形特性 强度特性强度特性 渗透特性渗透特性15土力学发展的历史16土力学发展史回顾土力学发展史回顾土力学的发展可以划分成以下三个历史时期萌芽期萌芽期 (17731923)1773年Coulomb发表了论文极大极小准则在若干静力学问题中的应用，为土体破坏理论奠定了基础。在此后的漫长的150年中，而且只限于研究土体的破坏土体的破坏问题。古典土力学古典土力学 (19231963)1923年，Terzaghi发表了著名的论文粘土中动水应力的消散计算，提出了土体一维固结理论，开创了土土体体变变形形研究。接着又在另一文献中提出了著名的有有效效应应力力原原理理，从而建立起一门独立的学科土力学。土体破坏理论方面的主要成就：Fellenius，Taylor和Bishop等关于滑弧稳定分析方法的建立与完善；Terzaghi关于极限土压力的研究和提出承载力公式；散粒体静力学的建立；Shield和沈珠江等关于土体破坏的运动方程和极限平衡理论的建立。17The Grandfather of Soil MechanicCharles Augustin de Coulomb (1736 1806)18Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858)Darcys Law is a generalized relationship for flow in rate is a function of the flow area,elevation,fluid pressure and a proportionality constant.19变形理论方面的主要成就：地基沉降计算方法的建立与完善；Mindlin公式的提出及其在桩基沉降计算中的应用；弹性地基梁板的计算；砂井固结理论；Biot固结理论的提出和完善。古典土力学古典土力学可以归结为：一个原理有效应力原理有效应力原理 两个理论以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论变形理论 以刚塑性模型为出发点的破坏理论破坏理论(极限平衡理论极限平衡理论)有效应力原理有效应力原理是古典土力学的核心，在某种意义上，古典土力学只能称为弹性土弹性土力学力学。土体不是理想弹性体，也不是理想刚塑性体。土体两个基本特性：压硬性和剪胀性压硬性和剪胀性20现代土力学可以归结为一个模型一个模型、三个理论三个理论和四个分支四个分支。一个模型：一个模型：本构模型本构模型，特别是指结构性模型。三个理论三个理论：一个变形理论变形理论和两个破坏理论破坏理论 (1)非饱和土固结理论非饱和土固结理论 (2)液化破坏理论液化破坏理论 (3)渐进破坏理论渐进破坏理论四个分支：理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学现代土力学现代土力学 1963年，Roscoe发表了著名的剑桥模型，才提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而可以看作现代土力学的开端。下列几方面取得重要进展：非线性模型和弹塑性模型；非线性模型和弹塑性模型；损伤力学模型与结构性模型；损伤力学模型与结构性模型；非饱和土固结理论；非饱和土固结理论；砂土液化理论的研究；砂土液化理论的研究；剪切带理论及渐进破损；剪切带理论及渐进破损；土的细观力学土的细观力学现代土力学的核心问题是本构模型本构模型211776 Coulomb 强度定律，土压力理论强度定律，土压力理论1856 Darcy 定律定律1857 Rankine 新的土压力理论新的土压力理论1925 Terzaghi 有效应力原理及渗透固结理论有效应力原理及渗透固结理论1936 第一届国际土力学及基础工程会议第一届国际土力学及基础工程会议1949 中国土力学研究的兴起中国土力学研究的兴起土力学土力学成为一门独立成为一门独立学科的重要标志学科的重要标志Terzaghi是土力学的是土力学的奠基人奠基人22为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？1.1.土具有广泛的工程应用土具有广泛的工程应用2.2.存在大量与土有关的工程问题存在大量与土有关的工程问题23（岩）土力学研究的内容对工程地质定性成果进行定量分析和计算岩土体物力性质研究岩土体的稳定性参数测试方法研究、现场大型力学试验、应力和应变监测技术岩土体中应力和应变的分布规律及岩土体和工程建筑物相互作用的研究影响岩土体稳定性的各种因素和作用力，定量评价岩土体稳定性的理论和科学计算方法的研究加固岩土体的工程措施和处理技术研究24（岩）土力学在工程建设中的作用和任务作用一作用一(宏观）宏观）应用岩土力学知识分析、计算、评价建筑物地基变形、强度及稳定性，确保建筑物、水库、大坝等的安全可靠性尽可能把不利因素转化为有利因素，提高建筑物的稳定性并节约投资25作用二：工程建设中的岩土工程建筑地基、坝堤基础的稳定、地下电站建设、引水隧道建设、开挖边坡、评价水利水电的建设环境和地下渗透水的状态等与岩土工程密切相关的是高坝建设、引水隧洞、自然边坡的稳定三峡大型水利枢纽，面对一系列岩土工程技术难题，如船闸高边坡的计算分析与建设261 工程建设中的岩土工程问题（1）勘探技术方面建筑物、高坝基岩的勘探，需解决许多与工程地质、岩体力学有关的难题，如区域性的构造稳定、复杂岩基、风化基岩的力学特性（2）工程建设中的岩体质量分级：岩土体质量分级按不同的工程类型，如大坝主地基、边坡开挖工程等，进行不同的分级。单因素分级法指标：按岩石抗压强度分级；按风化程度分级；按岩石质量指标分级；以弹性波速度分级。27多因素分级法指标：按岩土体连续性分级；（3）建筑、大坝稳定计算分析引用非线性非连续介质模型对大坝稳定性进行分析（4）岩土体稳定评价目前主要采用计算分析法和模型试验法计算分析法：有限元法，刚体极限平衡法模型试验法：地质力学模型，脆性材料模型评价（岩）土体稳定，是设计中面临的最困难的问题之一283 地下工程建设中的岩土工程地下隧道（如地铁、公路隧道）地下水电站指引水道、调压井、压力管道、主厂房部分洞室、尾水洞室等均位于地下的电站在地质条件允许的情况下，可充分利用围岩承载能力减少支承结构，节省钢材、水泥，降低工程造价把围岩视为承载结构，建立岩体支护概念293 地下水电站建设中的岩土工程地下洞室的稳定判据：以岩体的屈服、变形、状态作为判据喷锚支护加固地下结构：锚杆、锚索、喷射砼等洞室群的施工优化：从全局出发，找出有利于围岩稳定而且经济的优化施工方案30作用三：铁路建设中的岩土工程铁路建设中的岩土工程包括岩土工程勘探、路基、桥梁基础工程、隧道工程。遥感、物探、原位测试、岩土试验滑坡、崩塌、泥石流及岩溶等复杂工程地质条件下的铁路工程软土、膨胀土、黄土、冻土等特殊条件下的铁路工程风沙地区的铁路工程31锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、加筋土挡土墙、抗滑桩、桩板墙、锚索抗滑桩及土钉墙等各种支挡结构工程重载及高速铁路路基复杂条件下桥梁及基础工程复杂条件下长、大隧道工程32作用四：港口建设中的岩土工程港口建设中的岩土工程包括软土地基的勘探取土和现场测试、沿海软粘土工程、软基加固工程、桩基和其他港工结构基础和设计和施工工程采用浅层剖面仪在大面积水域中进行初步勘探并结合少量钻孔，鉴别土类和土层采用标准贯入、土压力计等常规设备完成现场测试和原体观测用砂井排水堆载预压方法加固软粘土地基33作用四：港口建设中的岩土工程用袋装砂井和塑料纸板排水处理淤泥质海岸用振冲碎石桩法、真空预压法、强夯法、深层拌合法、填土超载挤淤法、爆炸挤淤法等加固软基预应力钢筋砼空心方桩应用于高桩码头大型钢管桩应用于建造深水码头大型预应力钢筋砼管桩应用于建造海水腐蚀码头34作用四：港口建设中的岩土工程其他港工建筑物基础：大直径圆筒结构，地下连续墙，大型扶壁，沉井和沉箱等35作用五：城建中的环境岩土工程处于江河湖泊或海洋沿岸的城市，城市环境灾害防治摆在重要地位城市防洪：须控制淹没高度，涉及上下游河道清理工程、防洪堤和防汛墙工程等采取技措提高大坝抗洪能力：用探地雷达等无损检测方法查明堤防工程的地层特点和险情隐患；用旋喷等加固大堤地基；用防渗墙等延长渗透途径；采用经济高效新型加固材料加速工程进度，提高工程质量36作用五：城建中的环境岩土工程山城的泥石流治理：在形成区用沟坡兼治措施；在流通区，筑各种拦截坝、溢流坝；在堆积区，采取排导停淤措施港口城市须疏通航道，合理构筑导堤，提高通航能力海岸城市须进行岸坡稳定保护，合理地构筑围海海堤城市地面沉降，涉及深井回灌、高层建筑纠偏等工程37任务解决岩土工程问题通过岩土力学分析计算，提出建筑物结构类型、施工方法及运营使用中的注意事项提出改善和防治不良地质条件，解决岩土工程问题的方法和措施382.2.与土有关的工程问题与土有关的工程问题39与土有关的工程问题与土有关的工程问题加拿大特朗斯康谷仓 处理：处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其位置比原来降低了米。位置比原来降低了米。原因：原因：地基土事先未进行调查，地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。载力应用到此谷仓。19521952年经勘察试验与计算，地年经勘察试验与计算，地基实际承载力小于破坏时基实际承载力小于破坏时的基底压力。因此，的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动破坏而滑动。2653失事后1913.10.181952.10.5 试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 试验孔40与土有关的工程问题与土有关的工程问题香港宝城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。宅。死亡死亡7 7人。人。原因：原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。41神户码头：神户码头：沉箱式岸墙因砂土地基液沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中化失稳滑入海中42以上几个实例可归结为与土有关的强度问题43比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.513601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m12721272：复工，经复工，经6 6年，至年，至7 7层，高层，高48m48m，再，再停工停工11781178：至至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工，因倾斜停工11731173：动工动工原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，层，模量较低，变形较大变形较大。44以上几个实例可归结为以上几个实例可归结为与土有关的变形问题变形问题九江大堤决口溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面找到2处进水口又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5 m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约62m的溃口。管涌砂环砂性土堤基管涌破坏示意图砂性土堤基管涌破坏示意图管涌破坏当管涌发生时，当管涌发生时，渗流将导致向源渗流将导致向源侵蚀，使堤防基侵蚀，使堤防基础下部出现渗流础下部出现渗流通道通道当水头差足够大时，当水头差足够大时，侵蚀将加速并掏挖侵蚀将加速并掏挖堤防基础。形成通堤防基础。形成通道后极易引起溃决道后极易引起溃决47以上几个实例可归结为与土有关的渗透问题48土工结构物或地基土强度问题强度问题变形问题变形问题渗透问题渗透问题 强度特性强度特性 变形特性变形特性 渗透特性渗透特性土力学可以解决工程实践问题，这正是土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的。49如何学好土力学？注意土的基本特点注意土的基本特点-通过与其它材料对比通过与其它材料对比 注重理论联系实际注重理论联系实际-通过现场观察与试验通过现场观察与试验注重正确学习方法注重正确学习方法-概念，原理，方法概念，原理，方法 内容间联系内容间联系 要记忆，但不能死记要记忆，但不能死记