土力学第一章绪论ppt课件

土 力 学 华南农业大学水利与土木学院 黄金林 1 什么是土？ 土有哪些特点？ 土力学有何特点？ 为什么要学习土力学？ 土力学包括哪些内容？ 如何学好土力学？ 绪 论 2 土是指： 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、 覆盖在地表上碎散的、没有胶结 或胶结很弱的颗粒堆积物。 风化 岩石 地球 颗粒堆积物 地球 什么是土？ 3 本课程研究对象及其重要性 研究对象：地球表面地层中的土体 地基。 地球上但凡人类居住、生活和工作及与之相关的一切建筑物均建造在地 壳的表层 地基上，“空中楼阁”是不存在的。因此，以地基土为研 究对象的这门课程土力学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。 土力学的重要性，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 象。 4 荷载的传递方式 以常见的房屋建筑为例，建筑物上部结构 基础 地基 。 0.00标高以上 基础 地基 室外地面 室内地面 墙或柱（上部结构） 直接向地基传递荷载的下部结构，或即：建筑 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 0.00 5 2 课程内容和学习方法 课程内容： 课堂教学 土力学（10章）； 实验教学 土工(室内)试验（4项）。主要实验包括: (1) 土的密度、含水量、液限、塑限试验; 渗透试验；(3)压 缩试验; (4)直剪试验 学习要求和方法： 1. 理论、室内外测试、工程实践三者结合 2. 搞清概念、掌握原理、学以致用。要求牢固掌握土力 学基本概念和原理，并能应用于分析和解决实际工程问题 。 以课堂教学为主，多媒体课件教学为辅。 8 3、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 高层结构建筑施工路基路面桥梁工程 9 土有哪些特点？ 10 碎散性 非连续介质 l 受力以后易变形 l 体积变化主要是孔隙变化 l 剪切变形主要由颗粒 相对位移引起 l 强度低 岩石风化 的产物 11 多相介质 三相性 （三相体系） 受力后由土骨架、孔隙介 质共同承担 存在复杂的相互作用 孔隙流体流动 固相土骨架 液相水 气相空气 12 天然性 （自然变异性） 自然界的产物 非均匀性 各向异性 结构性 时空变异性 13 碎散性 三相性 天然性 力学特性 复杂 变形特性 强度特性 渗透特性 14 土力学发展的历史 15 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 (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问题 。 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，开创了土体变形研究。接着又在另一文献中提出了著名的有效应 力原理，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。 16 The Grandfather of Soil Mechanic Charles Augustin de Coulomb (1736 1806) 17 Henry 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. 18 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。 古典土力学可以归结为： 一个原理有效应力原理 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 以刚塑性模型为出发点的破坏理论(极限平衡理论) 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 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 19 现代土力学可以归结为一个模型、三个理论和四个分支。 一个模型：本构模型，特别是指结构性模型。 三个理论：一个变形理论和两个破坏理论 (1)非饱和土固结理论 (2)液化破坏理论 (3)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 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； 损伤力学模型与结构性模型； 非饱和土固结理论； 砂土液化理论的研究； 剪切带理论及渐进破损； 土的细观力学 现代土力学的核心问题是本构模型 20 1776 Coulomb 强度定律，土压力理论 1856 Darcy 定律 1857 Rankine 新的土压力理论 1925 Terzaghi 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 1949 中国土力学研究的兴起 土力学成为一门独立 学科的重要标志 Terzaghi是土力学的 奠基人 21 为什么要学习土力学？ 1.土具有广泛的工程应用 2.存在大量与土有关的工程问题 22 （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 23 （岩）土力学在工程建设中的作用和任务 作用一(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 24 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 25 1 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。 26 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 27 3 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 28 3 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 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 2. 与土有关的工程问题 38 与土有关的工程问题 加拿大特朗斯康谷仓 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 388个50t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。 原因： 地基土事先未进行调查， 据邻近结构物基槽开挖取 土试验结果，计算地基承 载力应用到此谷仓。1952 年经勘察试验与计算，地 基实际承载力小于破坏时 的基底压力。因此， 谷仓地基因超载发生强度 破坏而滑动。 2653 失事后 1913.10.18 1952.10.5 试验孔 填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土 -0.61 -12.34 -13.72 -4.27 1952.10.3 试验孔 39 与土有关的工程问题 香港宝城滑坡 1972年7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 ，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 倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层 住宅。死亡7人。 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 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。 40 神户码头： 沉箱式岸墙因砂土地基液 化失稳滑入海中 41 以上几个实例可归结为与土有关的 强度问题 42 比萨斜塔 目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m， 塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5 1360：再复工，至1370年竣工，全塔共8 层，高度为55m 1272：复工，经6年，至7层，高48m，再 停工 1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工 1173：动工 原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土 层，模量较低，变形较大。 43 以上几个实例可归结为与土有关的 变形问题 44 九江大堤决口 溃口原因：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。 45 管涌 砂环 砂性土堤基管涌破坏示意图