土力学与地基第1章绪论.ppt

土力学与地基,环境科学与工程学院 杨 俊杰 电话：66781773,51学时、3学分 成绩平时成绩（30）期末考试成绩（70）,影响因素？ 出席情况： 课堂表现： 作业完成情况：,土力学实验：9学时、0.5学分,出席情况：迟到、早退、旷课 （不定时点名）,课堂表现：与他人交谈、看报纸 看与本课无关的书籍,作业完成情况：随堂布置作业 错了不扣分,接打电话、收发短信,希望：上课用心听讲、课前预习、课后复习、认真完成作业 记笔记,公平原则： 在选修同学之间广泛传阅。 一要： 要认真听讲、记笔记。 一不要： 不要传给未选修同学。,课件复制问题,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土及土力学有哪些特点？ 1.3 结构物稳定性问题（强度问题） 1.4 学习土力学的重要性 1.5 土力学包括哪些内容？ 1.6 土力学发展的历史 1.7 本课程的目标 1.8 如何学好土力学？,1.1 什么是土？,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,地质大循环： 岩石 土,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚,高山下的冲积锥群,风蚀蘑菇,土的形成过程,黄河冲积三角洲,腐殖质层,淀积层,母质层,枯枝落叶层,土层剖面,土力学中的“土”指的是“工程土”，是地壳中从地表算起极浅的范围，一般厚度是数百米，深达1000米。,砾石（人工破碎）,卵石,砂,粘土,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土及土力学有哪些特点？ 1.3 结构物稳定性问题（强度问题） 1.4 学习土力学的重要性 1.5 土力学包括哪些内容？ 1.6 土力学发展的历史 1.7 本课程的目标 1.8 如何学好土力学？,1.2 土及土力学有哪些特点？,土体的特点, 一般固体： 液体： 土体（散粒）：,可保持固定的形状,不具有特定的形状,具有一定但不固 定的形状,1.2 土及土力学有哪些特点？,土体的特点,岩石风化或破碎的产物，是非连续体,受力以后易变形，强度低 体积变化主要是孔隙变化 剪切变形主要由颗粒相对 位移引起,固相-土骨架 液相-水 气相-空气,受力后由土骨架、孔隙 介质共同承担 相间存在复杂的相互作用 孔隙流体流动,自然界的产物，存在自然变异性,非均匀性 各向异性 时空变异性, 碎散性, 三相性, 天然性,1.2 土及土力学有哪些特点？,土体的特点,渗透特性 变形特性 强度特性, 碎散性 三相性 天然性,1.2 土及土力学有哪些特点？,土力学的特点（与其他学科的比较）,1.2 土及土力学有哪些特点？,土力学的特点（及研究内容）,1.2 土及土力学有哪些特点？,土力学的特点（是一门什么样的学科？）,土力学是工程力学的一个分支，是利用力学原理研究土的本构关系（应力、应变、强度和时间四个变量之间的内在关系）及结构物稳定性等力学问题的一门应用学科。,材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、水力学,地基（的承载力）、边坡（的稳定）、挡土结构（上的土压力）,渗透特性,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土及土力学有哪些特点？ 1.3 结构物稳定性问题（强度问题） 1.4 学习土力学的重要性 1.5 土力学包括哪些内容？ 1.6 土力学发展的历史 1.7 本课程的目标 1.8 如何学好土力学？,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,地基（的承载力） 边坡（的稳定） 挡土结构（上的土压力）,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,地基的承载力,什么是上部结构？基础？地基？,F,G,d,b,地面,上部结构,地基,基础,基础（下部结构）：承受上部结构各种荷载（F）并传递给 地基的地面以下的结构。承上启下、转嫁荷载,地基：承受上部结构及基础荷载（FG）的土层或岩层。 （或经过人工处理的土）。研究的对象,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,地基的承载力,地基的分类,天然地基：未经人工处理就能满足设计要求的地基。 图(a)、(b)、(c)、(d)？ 人工地基：需要对地基进行加固处理才能满足设计要求的地基。图(a)、(b)、(c)、(d)？,天然地基： 人工地基：图2-1(a)、(b)、(c)、(d)？,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,地基的承载力,基础按埋置深度和施工方法分类,浅基础：埋置深度小于5m的一般基础（柱基和墙基）；埋置深度大于5m，但小于基础宽度的大尺寸的基础（筏形基础、箱形基础），在计算中不必考虑基础的侧面摩擦力。图(a)、(b)、(c)、(d)？ 深基础：基础的埋置深度超过某一值，且需借助特殊的施工方法才能将建筑物荷载传递到地表以下较深土层或岩层的基础。图(a)、(b)、(c)、(d)？,天然地基上的浅基础 图(a)、(b)、(c)、(d)？ 天然地基上的深基础 图(a)、(b)、(c)、(d)？ 人工地基上的浅基础 图(a)、(b)、(c)、(d)？ （人工地基上的深基础？）,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,地基的承载力,基础的设计方案（三种）,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,地基的承载力,计算地基承载力的目的是什么？,fa,F,G,p,d,b,地面,设承载力为fa，基础底面传到地基上的应力为(F+G)/A=p，则，pfa 设计的基底面积A？。,上部结构,基础,计算承载力的目的是为设计基础提供依据。,外力（重力、渗流力、冲刷力、荷载等）土体强度（c，）？ 土的强度问题、土坡的稳定分析,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,边坡的稳定,山坡（天然边坡）,挖方边坡,填方边坡,道路,挖土,填土,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）,挡土结构上的土压力,作用在挡土结构上的土压力,道路,挡土结构,计算土压力的目的？,山坡（天然边坡）,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土及土力学有哪些特点？ 1.3 结构物稳定性问题（强度问题） 1.4 学习土力学的重要性 1.5 土力学包括哪些内容？ 1.6 土力学发展的历史 1.7 本课程的目标 1.8 如何学好土力学？,1.4 学习土力学的重要性,土为工程提供建筑材料、为土工结构物提供填筑材料；由土层构成的大地，则是 工程建设的基地 建筑物的地基 地下建筑的环境 对土的工程性质认识的偏差可能导致损失巨大的事故,属于隐蔽工程 一旦发生事故 补救和处理往往很困难，甚至不可能。,事故： 1913年9月装谷物，10月17日装了31822t谷物时， 1小时竖向沉降达30.5cm 24小时倾斜2653 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m 上部钢混筒仓完好无损,概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。 钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。 1911年动工，1913年完工，自重2万t。,1.4 学习土力学的重要性,加拿大特朗斯康谷仓地基失稳,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。,加拿大特朗斯康谷仓地基失稳,概况：2009年6月27日（星期六）5点30分左右，上海市闵行区“莲花河畔景苑”小区一栋在建的13层住宅楼倒塌，造成1名工人死亡，无人受伤。大楼不到半分钟就倒下。楼房底部原本深入地下的数十根管桩被“整齐”地折断后裸露在外。,1.4 学习土力学的重要性,上海在建13层住宅楼倒塌,1.4 学习土力学的重要性,上海在建13层住宅楼倒塌,1.3 结构物稳定性问题（强度问题）： 承载力：地基？ 土压力：挡土墙？ 边坡稳定：边坡？,1.4 学习土力学的重要性,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。,1.4 学习土力学的重要性,香港宝城滑坡,现场,Early 1972 滑坡前,1.4 学习土力学的重要性,地基液化：阪神地震中的神户码头,地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤,液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变 成流动状态的一种现象,1.4 学习土力学的重要性,地基液化：阪神地震中的地基液化造成的路面塌陷,地基液化造成的路面塌陷,1.4 学习土力学的重要性,地基液化： 1964年日本新泻地震中的大面积液化,1.4 学习土力学的重要性,泥石流室外试验事故,试验时间：1971年11月9-11日 试验地点：神奈川县川崎市 研究机构：地质研究所(通产省) 消防研究所(自治省) 土木研究所(建设省) 防灾科学技术中心(科技厅),1.4 学习土力学的重要性,泥石流室外试验事故,试验事故过程要点： 9日15:00人工降雨开始 11日15:00左右降雨量达500mm 陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜 坡崩塌，泥石流产生 泥石流推倒28米外的护栏，一直冲到 55米外的水池中央，造成31人被埋,土质：火山灰质粘性土(loam),事故发生地点,土及土坡参数： =1.45 w=5% 倾角：30 土厚: 1.23m,现场泥石流实验布置简图,试验现场照片,试验现场照片,15人不幸遇难，11人受伤 死者当中 实验人员 1人 参观者 10人 报社记者 1人 电视采访人员 3人,事故伤亡情况,室内试验：足尺、缩尺（重力场、离心场）,1G,nG,1.4 学习土力学的重要性,案例总结（一）,可归结为与土有关的 强度问题,加拿大特朗斯康谷仓地基失稳 上海在建13层住宅楼倒塌 香港宝城滑坡 地基液化 泥石流室外试验事故,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，地基变形较大。,1590: 伽利略在此塔做落体实验,1.4 学习土力学的重要性,意大利比萨斜塔,1838-1839：挖环形基坑卸载 1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固 1990年1月: 开始“扶正”工程 1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理 2007年6月27日：完工（4000万 美元、45cm） 目 前: 已向游人开放。,处理措施,1.4 学习土力学的重要性,意大利比萨斜塔,问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔 顶离中心线已达2.31m，底层 塔身发生不少裂缝，成为危险 建筑物而封闭。,概况：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）。全塔7层，高47.5m，塔的平面呈八角形。,原因：坐落于不均匀粉质粘土层上， 地基产生不均匀沉降。,处理：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 钻孔注浆和打设树根桩加固塔 身，效果良好。,1.4 学习土力学的重要性,苏州虎丘塔,1.4 学习土力学的重要性,日本关西机场,1986年：开工 1990年：人工岛完成 1994年：机场运营 面积：4370m1250m 填筑量：180106m3 平均厚度：33m,世界最大的人工岛,1.4 学习土力学的重要性,日本关西机场,超高压缩性淤泥，厚度25m，天然孔隙比达712，天然 含水率为150600。 艺术宫下沉：4m，临近公路下沉：2m，门前高差：2m 参观者下9级台阶从公路进入艺术宫。,墨西哥市艺术宫（1904年）,1.4 学习土力学的重要性,案例总结（二）,可归结为与土有关的 变形问题,意大利比萨斜塔 苏州虎丘塔 日本关西机场 墨西哥市艺术宫,土坝， 高90m， 长1000m， 1975年建成 次年6月失事,1.4 学习土力学的重要性,美国Teton坝,Teton坝渗流破坏过程,1.4 学习土力学的重要性,美国Teton坝失事,上午10:30,11：00,11:30,11:57,失事现场状况,损失 直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路被冲 原因 渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,1.4 学习土力学的重要性,美国Teton坝失事,1.4 学习土力学的重要性,1998洪水长江堤防险情,堤防险情统计：共发生各种险情6000余处,1.4 学习土力学的重要性,1998洪水长江堤防险情,九江大堤决口,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，并很快形成宽约62m的溃口。,溃口原因：堤基管涌,焦点词汇：豆腐渣工程,1.4 学习土力学的重要性,1998洪水长江堤防险情,位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。 1993年8月27日23时许突然发生溃坝，瞬间冲毁1000多户房舍，288人丧生，上千人受伤。,溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳,1.4 学习土力学的重要性,青海沟后水库溃坝,1.4 学习土力学的重要性,案例总结（三）,可归结为与土有关的 渗透问题,美国Teton坝失事 1998洪水长江堤防险情 沟后水库溃坝,土工结构物,土,强度问题 变形问题 渗透问题,强度特性 变形特性 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。,1.4 学习土力学的重要性,土力学要解决的问题，学习的目的,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土及土力学有哪些特点？ 1.3 结构物稳定性问题（强度问题） 1.4 学习土力学的重要性 1.5 土力学包括哪些内容？ 1.6 土力学发展的历史 1.7 本课程的目标 1.8 如何学好土力学？,基础和先导 物理性质 土中应力计算,工程应用 土压力 土坡稳定 地基承载力 基础设计,核心理论 渗透特性 变形特性 强度特性,土力学（地基）,1.5 土力学包括哪些内容？,第1章 绪论 第2章 土的物理性质与工程分类 第3章 土中水的运动规律 第4章 土体中的应力计算 第5章 土的变形与地基的沉降 第6章 土的抗剪强度 第7章 挡土结构上的土压力 第8章 地基的承载力 第9章 土坡稳定分析,1.5 土力学包括哪些内容？,教材：赵成刚、白冰等编著土力学原理（修订本） 清华大学出版社、北京交通大学出版社 2009年8月，36.00元,渗透特性与渗透问题的基础,变形特性与变形问题,强度特性与强度问题,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土及土力学有哪些特点？ 1.3 结构物稳定性问题（强度问题） 1.4 学习土力学的重要性 1.5 土力学包括哪些内容？ 1.6 土力学发展的历史 1.7 本课程的目标 1.8 如何学好土力学？,1773 Coulomb（后Mohr发展）：摩尔-库仑强度理论 有关土力学的第一个理论 1776 Coulomb：库仑土压力理论 1856 Darcy：达西渗流定律 1857 Rankine ：朗肯土压力理论 1920 Prandtl：普朗特极限承载力公式 1921-1923 Terzaghi：有效应力原理及固结理论 1925 Terzaghi ：出版土力学 土力学成为一门独立学科的标志 1936 第一届国际土力学及基础工程会议 1960以后 现代土力学,1.6 土力学发展的历史,太沙基为土力学的奠基者,经典土力学：莫尔库仑定律、达西定律是土力学认识的量变到质变； 土的有效应力原理和单向渗流固结理论是土力学标志性的理论，人们公认这标志土力学作为一门独立学科的诞生。,1.6 土力学发展的历史,第1章 绪论 1.1 什么是土？ 1.2 土