《土力学与地基基础》PPT课件.ppt

n n 土力学是利用力学知识和土工试验技术来 研究土的强度、变形及其规律并将其应用到生 产实践中的一门科学,它既是一门古老的工程技 术，又是一门年轻的应用科学。古人兴建的堤 坝、桥梁、蜿蜒的万里长城、大运河等，都为 本学科的发展积累了丰富的经验，17、18世纪 众多学者的研究为土力学的发展奠定了理论基 础，1925年，土力学的奠基人太沙基归纳前人 的成就，发表了土力学一书，系统介绍了 土力学的基本内容，土力学得以成为一门独立 的学科。20世纪60 n年代以后，科学的发展带来的各种先进的仪 器和先进的计算方法，为土力学的发展提供 了很好的条件，土力学与基础工程领域的研 究发生了深刻的变化，许多复杂的岩土工程 问题可以依赖先进的计算技术解决。我国在 工程地质勘察、现场原位测试和室内土工试 验、地基处理、新设备、新材料、新工艺的 研究和应用方面，都取得了很大的进展。随 着我国社会主义建设事业的发展，必将对土 力学与基础工程提出更多新的挑战，随着这 些问题的解决，也必将促进土力学与基础工 程技术向前发展。 n n绪论及第一章：土的物理性质及工程分类 n第二章：土的渗透性 n第三章：土中应力 n第四章：土的压缩性及地基变形 n第五章：土的抗剪强度 n第六章：土压力 n第七章：土坡的稳定性分析 n第八章：地基承载力 n第九章：地基、基础设计 n第十章：桩基础 n第十一章：软土地基处理及特殊土 n复习 n 土力学与地基基础就是研究土体的特性及其 在工程活动影响下的应力、变形、强度和稳定性 及其应用的学科。它属于土木工程的一门基础学 科。随着人口不断密集，人类活动的范围日益狭 小，现代工程建设不得不向高（高层建筑）、深 （地下工程）、远（高速公路）的方向发展。同 时通过对不良场地土体的改善进行工程建设，可 以充分地利用日益紧缺的土地资源。因此土力学 与地基基础在现代土木工程建设事业中发挥着举 足轻重的作用。 n与其它经验科学一样，土力学是人类在工 程实践的成功与失败中，不断总结与积累 经验而逐步发展起来的一门学科，目前已 形成了系统的理论体系。在此我们首先回 顾一下土力学的 发展历史，再通过一系列 的工程实例 来认识一下学习该课程的意义 和作用，最后让我们了解一下该课程的 学 习内容 。 图片：高层建筑 图片：长隧道 图片：高速公路（立交） 第一部分 发展历史 n 土力学是人们在在长期工程实践中形成发展起来 的一门学科。 n 我国劳动人民从远古时代就能利用土石作为地基 和建筑材料修筑房屋了。如西安新石器时代的半坡村 遗址，就发现有土台和石础，这就是古代的“堂高三 尺、茅茨土阶“（语见韩非子）的建筑。我国举世 闻名的秦万里长城逾千百年而留存至今。充分体现了 我国古代劳动人民的高超水平。 图片：半坡村落遗址 n 隋朝石工李春所修建成的赵州石拱桥 ，造型美观，至今安然无恙。桥台砌置于 密实的粗砂层上，一千三百多年来估计沉 降量约几厘米。现在验算其基底压力约 500-600kpa，这与现代土力学理论给出 的承载力值很接近。 图片 赵州石拱桥 n根据梦溪笔谈记载，北宋初著名木工喻皓 （公元989年）在建造开封开宝寺木塔时，考 虑到当地多西北风，便特意使建于饱和土上的 塔身稍向西北倾斜，设想在风力的长期断续作 用下可以渐趋复正。可见在当时的工匠已考虑 到建筑物地基的沉降问题了。而作为本学科理 论基础的土力学的发端，始于十八世纪兴起了 工业革命的欧洲。随着资本主义工业化的发展 ，为了满足向国内外扩张市场的需要，陆上交 通进入了所谓“铁路时代“，因此，最初有关土 力学的个别理论多与解决铁路路基问题有关。 n土力学的发展（ 可划分为三个阶段： 1925 年以前，1925年至1960年左右，1960年左右 至今） n（ 1）1925年前土力学尚未形成一门学科。 n 工程实践可追溯到远古时代：半坡，秦长城 ，商朝各类祭台；被用作工程材料，如挖洞、 筑堤、修路等；战国时的考工记，就认识 到作用力与变形之间的关系，比胡克 ( Hooke )定律还早1500多年； n有文字记载最早理论是 n 1773年，法国的C.A.库伦（Coulomb）根据试 验创立了著名的砂土抗剪强度公式，提出了计算挡 土墙土压力的滑楔理论。 n 1856达西(Darcy) 研究 了砂土的渗透性，发 展了达西渗透公式 1857年英国的W.G.M.朗肯（Rankine）又从不 同角度 提出了挡土墙土压力理论。 1869年卡尔洛维奇第一本地基与基础著作 n 1885年法国J.布辛奈斯克（Boussinesq）求得 了弹性半无限空间在竖向集中力作用下的应力和变 形的Boussinesq解。 n 1900年莫尔(Mohr)土的强度理论 n 1922年瑞典W.费兰纽斯（Fellenius ）为解决铁路塌方问题提出了土坡稳定 分析法。 以上这些方法至今仍广泛应用。 n n（ 2）1925年至1960年左右的古典土力学 （以有效应力原理为核心） n1925年太沙基( Terzaghi )出版的第一本土 力学专著标志着土力学学科的形成，之后 世界许多学者对土 的抗剪强度 、土的变形、 土的渗透性、土的应力应变关系和破坏机理 进行了大量的研究工作，并逐渐将土力学的 基本理论普遍应用于解决各种不同条件下的 工程问题。 n （ 3）1960年左右后的现代土力学（ 以本构模型为核心） n 20世纪60年代计算机及其应用的高速发 展，促进了土力学的大发展。 如复杂条件下 土的应力应变强度 时间关系本构模型 的建立； n 土动力理论，流变理论，土体稳定性问 题等。 n土力学的四个分支的形成 ： n理论土力学 n计算土力学 n实验土力学 n应用土力学 n我国学者黄文熙：土的强度与变形、本 构关系； n 陈宗基：土的微观结构与流变 ； n 钱家欢：在土的流变、土工抗 震方面有不少研究； n 沈珠江： 2000年出版理论土 力学，研究发展软土本构关系。 第二部分 工程实例 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故 美国纽约某水泥仓库 意大利比萨斜塔 苏州市虎丘塔 上海展览中心馆 匈牙利一码头建筑物墙体开裂 墨西哥市艺术宫 天津市人民会堂办公楼墙体开裂 南京分析仪器厂职工住宅基础开裂 南京江南水泥厂土坡滑动 香港宝城大厦土坡滑动 盘锦市房屋冻胀开裂 n1、建筑物倾斜 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故 n该谷仓平面呈矩形，南北向长59.44m，东 西向宽23.47m，高31.00m，容积36368立 方米，容仓为圆筒仓，每排13个圆仓，5排 共计65个圆筒仓。谷仓基础为钢筋混凝土 筏板基础，厚度61cm，埋深3.66m。谷仓 于1911年动工，1913年完工，空仓自重 20000T，相当于装满谷物后满载总重量的 42.5%。 n1913年9月装谷物，10月17日当谷仓 已装了31822 谷物时，发现1小时内竖 向沉降达30.5cm，结构物向西倾斜， 并在24小时内谷仓倾斜，倾斜度离垂 线达2653，谷仓西端下沉7.32m， 东端上抬1.52m，上部钢筋混凝土筒 仓坚如磐石。谷仓地基土事先未进行 调查研究，据邻近结构物基槽开挖试 验结果，计算地基承载力为352kPa， 应用到此谷仓。 n1952年经勘察试验与计算，谷仓地基 实际承载力为（193.8-276.6）kPa，远 小于谷仓破坏时发生的压力329.4kPa， 因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而 滑动。 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，才把仓体逐渐纠正 过来，但其位置比原来降低了米。 图片：加拿大特朗斯康谷仓 美国纽约某水泥仓库 n 该水泥仓库是近代世界上最严重的建 筑物破坏事例之一，这座水泥仓库位于纽 约市汉森河旁，水泥仓库呈圆筒形，高约 21m，仓库直径13m，一排圆筒仓库下部 的基础为整块筏板基础，埋深2.8m。1940 年水泥仓库装载水泥，使粘土地基超载， 引起地基土剪切破坏而滑动，水泥筒仓倾 斜呈45，地基土被挤出地面高达5.18 m， 与此同时，离筒仓净距23m以外的办公楼受 地基滑动影响，也发生了倾斜。 意大利比萨斜塔 n 这是举世闻名的建筑物倾斜的典型实例 。 该塔自1173年9月8日动工，至1178年建 至第4层中部，高度约29m时，因塔明显倾 斜而停工。94年后，于1272年复工，经6年 时间，建完第7层，高48m，再次停工中断 82年。于1360年再复工，至1370年竣工， 全塔共8层，高度为55m。塔身呈圆筒形， 16层由优质大理石砌成，顶部78层采用 砖和轻石料。 n塔身每层都有精美的圆柱与花纹图案，是 一座宏伟而精致的艺术品。1590年伽利略 在此塔做落体实验，创建了物理学上著名 的落体定律。斜塔成为世界上最珍贵的历 史文物，吸引无数世界各地游客。全塔总 重约145MN，基础底面平均压力约50kPa。 地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层 。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，成 为危险建筑。1990年1月4日被封闭。除加 固塔身外，用压重法和取土法进行地基处 理。目前已向游人开放。 苏州市虎丘塔 n 此塔位于苏州市虎丘公园山顶，落 成于宋太祖建隆二年，（公元961年） ，距今已有1036年悠久历史。全塔7层 ，高47.5m。塔的平面呈八角形，由外 壁、回廊与塔心三部分组成。塔身全部 青砖砌筑，外形仿楼阁式木塔，每层都 有8个壶门，拐角处的砖特制成圆弧形 ，建筑精美。1961年3月4日，国务院 将此塔列为全国重点保护文物。 苏州市虎丘塔 n80年代，塔身已向东北方向严重倾斜，不 仅塔顶离中心线已达2.31m，而且底层塔身 发生不少裂缝，东北方向为竖直裂缝，西 南方向为水平裂缝，成为危险建筑而封闭 。在国家文物管理局和苏州市人民政府领 导下，召开多次专家会议，采取在塔四周 建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与 塔基进行钻孔注浆和树根桩加固塔身，由 上海市特种基础工程研究所承担施工，获 得成功。 图片:苏州市虎丘塔 n2、建筑地基严重下沉 上海展览中心馆 n 上海展览中心馆原称上海工业展览 馆，位于上海市区延安中路北侧。展览 馆中央大厅为框架结构，箱形基础，展 览馆两翼采用条形基础。箱形基础为两 层，埋深7.27m。箱基顶面至中央大厅 顶部塔尖，总高96.63m。地基为高压 缩性淤泥质软土。展览馆于1954年5月 开工，当年底实测地基平均沉降量为 60cm。 n 1957年6月，中央大厅四周的沉降 量最大达146.55cm，最小为122.8cm。 到1979年，累计平均沉降量为160cm， 从1957年至1979年共22年的沉降量仅 20cm左右，不及1954年下半年沉降量 的一半，说明沉降已趋向稳定。但由于 地基严重下沉，不仅使散水倒坡，而且 建筑物内外连接的水、暖、电管道断裂 ，都付出了相当的代价。 墨西哥市艺术宫 n 墨西哥国家首都墨西哥市艺术宫， 是一座巨型的具有纪念性的早期建筑。 此艺术宫于1904年落成，至今已有90 余年的历史。该市处于四面环山的盆地 中，古代原是一个大湖泊。因周围火山 喷发的火山灰沉积和湖水蒸发，经漫长 年代，湖水干涸形成目前的盆地。 n当地表层为人工填土与砂夹卵石硬壳层，厚 度5m，其下为超高压缩性淤泥，天然孔隙比 高达7-12，天然含水量高达150%-600%，为 世界罕见的软弱土，层厚达25m。因此，这 座艺术宫严重下沉，沉降量高达4m，临近的 公路下沉2m，公路路面至艺术宫门前高差达 2m。参观者需步下9级台阶，才能从公路进 入艺术宫。 n3、建筑物墙体开裂 匈牙利一码头建筑物墙体开裂 n 匈牙利达纳畔特码头，位于多瑙河 一座岛上的斜岸上。建筑物包括一个仓 库和几个车间，宽约24m，高6m，为 单层框架结构，建于1952年。 设计采用圆柱形独立基础，基础上 置钢筋混凝土连续梁，承受外墙荷重。 建筑物内墙采用条形基础，工程建成不 久，所有内隔墙都严重开裂。 n地基表层为人工填土，厚约3.8m；第二层 为细砂与有机粉土，厚约1.7m；第三层为 密实粗砂层。上述建筑物外墙下独立基础 埋深6.5m，基底面为粗砂层，沉降量很小 。而内墙的条形基础埋深仅0.8m，位于人 工填土层，沉降量大，显然，一幢建筑物 采用两类不同基础，埋深相差悬殊，持力 层土质压缩性高低相差悬殊，引起严重的 不均匀沉降，导致墙体严重开裂事故。 天津市人民会堂办公楼墙体开裂 n 此办公楼东西向7个开间，长约27m，南北向 宽约5m，高约5.6m，为两层楼房。工程建成，使 用正常。 1984年7月，在办公楼西侧，新建天津市科 学会堂学术楼。此学术楼东西向8个开间，长约 34m，南北宽约18m，高约22m，为6层大楼。两 楼外墙净距仅30cm。当年年底，人民会堂办公楼 西侧北墙发现裂缝，此后，裂缝不断加长加宽， 开裂宽度超过10cm，长度超过6m。 分析原因是由于新建天津市科学会堂学术楼 的附加应力扩散至原有人民会堂办公楼西侧软弱 地基，引起严重下沉所致。 盘锦市房屋冻胀开裂 n 该市位于辽宁省中部，锦州市以东 ，辽河北岸。当地表层为粘土与粉质粘 土，厚度3.0m5.0m，第二层为灰色 淤泥质粉砂，很厚。地下水位仅0.5m 2.0m，属强冻胀土。盘锦市冬季寒冷， 标准冻深为1.1m。因下卧层软弱，一般 房屋基础浅埋为0.7m0.9m。小于冻 深又无技术措施，造成冻胀而使墙体开 裂。 n4、建筑物基础开裂 南京分析仪器厂职工住宅基础开 裂 n该住宅位于南京市西部秦淮河以南太平 南路西一新村，住宅楼东西向长 37.64m，南北向宽8.94m，5层，建筑 面积1721平方米 ，建筑场地地表为杂 填土，较厚，设计采用无埋式筏板基础 。1977年12月开工，次年5月住宅楼主 体工程施工至第5层时，于5月13日发现 东起第五开间中部钢筋混凝土筏板基础 南北向断裂。5月15日工程停工。 n经重新勘察和调查，当地原为一个大水 塘，南北长70m，东西宽40m-50m。附 近的饭店、茶炉、浴室用稻壳作燃料， 烧烬的稻壳灰倾倒此塘，经几十年填平 。1972年曾作烧砖场，1977年初整平 ，同年年底动工修建住宅楼。 n第一次勘察，误将稻壳灰鉴别为一般杂 填土。由于住宅楼西半部置于古水塘内 ，东半部座落岸上，土质突变，造成钢 筋混凝土筏板基础拦腰断裂的严重事故 。经有关方面多次研究讨论，最终采用 卸荷处理方案，即拆去一层，后又拆去 一层，将原5层住宅改为3层住宅。 n5、土坡滑动 南京江南水泥厂土坡滑动 n 该厂位于南京市东北部、长江南岸栖霞 山麓。山坡多次滑动。1975年夏，滑动土体 达数万立方米，危及水泥厂3号窑头厂房，工 厂停工处理滑坡事故。 栖霞山的山坡原是稳定的，建厂平整场 地开挖坡脚，使山坡土体失去平衡。夏季雨 量集中，雨水渗入山坡残积土中，使土体含 水量增加，抗剪强度降低，导致山坡滑动事 故。为防止新的滑坡，在山麓修筑一道钢筋 混凝土挡土墙。 香港宝城大厦土坡滑动 n香港地区人口稠密，市区建筑密集。新建 住宅只好建在山坡上。1972年7月，香港发 生一次大滑坡，数万立方米残积土从山坡 上下滑，巨大的冲击力正好通过一幢高层 住宅-宝城大厦，顷刻之间，宝城大厦被冲 毁倒塌。因楼间净距太小，宝城大厦倒塌 时，砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。 宝城大厦居住着金城银行等银行界人士， 因大厦冲毁时为清晨7点钟，人们都还在睡 梦中，当场死亡120人，这起重大伤亡事故 引起了西方世界极大的震惊。 n除了以上所述几种土的问题外，还有土 的渗透问题,例如： n1963年，意大利265m高的瓦昂拱坝上 游托克山左岸发生大规模的滑坡，滑坡 体从大坝附近的上游扩展长达1800m， 并横跨峡谷滑移300400m，估计有2 3亿立方米的岩块滑入水库，冲到对岸 形成100150m高的岩堆，致使库水漫 过坝顶，冲毁了下游的朗格罗尼镇，死 亡约2500人，但大坝却未遭破坏。 n1998年长江全流域特大洪水时，万里长江堤防经受 了严峻的考验，一些地方的大堤垮塌，大堤地基发 生严重管涌，洪水淹没了大片土地，人民生命财产 遭受巨大的威胁。仅湖北省沿江段就查出4974处险 情，其中重点险情540处中，有320处属地基险情； 溃口性险情34处中，除3处是涵闸险情外，其余都 是地基和堤身的险情。1998年长江全流域特大洪水 时，万里长江堤防经受了严峻的考验，一些地方的 大堤垮塌，大堤地基发生严重管涌，洪水淹没了大 片土地，人民生命财产遭受巨大的威胁。仅湖北省 沿江段就查出4974处险情，其中重点险情540处中 ，有320处属地基险情；溃口性险情34处中，除3处 是涵闸险情外，其余都是地基和堤身的险情。 第三部分 学习内容 n 土力学研究的对象是土体，研究目的是 为各类土木工程建筑提供土性参数，以保证 设计合理、工程造价经济、工程运营可靠。 这就要求我们不仅要了解土体的固有特性； 而且要掌握在工程环境下土体物理力学状态 的改变，如建筑荷载导致附加应力，洞室或 边坡开挖产生的应力释放与集中等，这属于 土力学的研究内容。 n n一、关于土的概念 n1、土的定义：土是地表岩石经长期风化、搬 运和沉积作用，逐渐破碎成细小矿物颗粒和 岩石碎屑，是各种矿物颗粒的松散集合体。 n2、土的特点： n（1）散体性 n（2）多孔性 n（3）多样性 n（4）易变性 n3、土在工程中的应用 n（1）作为建筑物地基 n（2）作为建筑材料 n（3）建筑物周围环境 n4、地基与基础的概念 n（1）基础： n1）定义：建筑物的下部结构，将建筑物的荷 载传给地基，起着中间的连接作用。 n2）分类：按埋深可分为： 浅基础：埋深较 小， n可采用深基础：桩基础、地下连续墙 n（2）地基 n1）定义：基底以下的土体中因修建建 筑物而引起的应力增加值（变形）所不 可忽略的那部分土层。 n持力层：直接与基础接触，并承受压力 的土层 n下卧层：持力层下部的土层 n2）分类：天然地基：在天然土层上修 建，土层要符合修建建筑物的要求（强 度条件、变形条件） n 人工地基：经过人工处理或加固 过的地基： n二、根据土力学的研究对象和目的，本课程的学习 内容包括以下几个方面： 1 土的成因、结构、物质组成及其与工程地质性 质之间的相互关系； 一般来说，地质成因相同，处于