土力学绪论讲稿.ppt

1 土力学 石家庄铁道学院土木工程分院岩土工程系 2 土 地之生万物者也 二 象地之上 地之中 物出形也 说文解字 希腊 中国 希伯来人 印第安人的神话 神用泥土造人中国传统文化中的五行 金木水火土土字包括 地上植物部分 表土层 植物地下部分和底土层四个层次 土地系指由地形 水文 局地气候 岩石圈的上层 土壤和生物有机体等相互作用组成的自然地域综合体 是地球表层历史发展的产物 土 3 大气圈 水圈 岩石圈 生物圈 风化物 土壤圈 地下水 土壤在自然界的位置 土壤是岩石圈 大气圈 水圈和生物圈综合作用形成的产物 其上界通常是绿色植物层顶 下界达植物根分布层 其垂直范围 恰好是岩石圈的上层 大气圈的下层 水圈及生物圈相互接触的地方 是生物生命及人类生产活动最集中的地方 地者 万物之本原 诸生之根苑也 管仲 4 土壤的剖面和形成 土壤有非常复杂的形成过程 并具有独特的层状构造 土壤剖面一般包含枯枝落叶层 腐殖质层 淀积层和母质层四个基本层次 地质大循环 岩石土壤 风化 搬运 沉积 生物小循环 生物活动所造成的土壤有机质的循环 地质成岩作用 土壤带 腐殖质层 淀积层 母质层 5 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 6 砾石料卵石砂粘土 人工破碎 工程与土力学中的土 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 7 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 8 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 绪论 风化 什么是土 9 土有哪些特点 绪论 10 土体的特点 一般固体 液体 土体 散粒体 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 11 碎散性 土有哪些特点 非连续介质 受力以后易变形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强度低 绪论 岩石风化的产物 12 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 绪论 土有哪些特点 固相 土骨架液相 水气相 空气 13 天然性 自然变异性 自然界的产物 绪论 土有哪些特点 非均匀性各向异性结构性时空变异性 14 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 绪论 土有哪些特点 15 土力学有何特点 绪论 土力学与其他学科的比较 16 土力学有何特点 土力学 绪论 连续介质力学的基本知识 描述碎散体特性的理论 土的变形 强度和渗透特性以及与此有关的工程问题 实验规律及工程实践经验 17 土力学发展的历史 绪论 土力学有何特点 1773Coulomb 后Mohr发展 摩尔 库仑强度理论 有关土力学的第一个理论1776Coulomb 库仑土压力理论1856Darcy 达西渗流定律1857Rankine 朗肯土压力理论1920Prandtl 普朗特极限承载力公式1921 1923Terzaghi 有效应力原理及固结理论1925Terzaghi 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 s后现代土力学 18 土力学发展的历史 是公认的土力学之父 1883 1963 国际土力学与地基基础学会从第一届 1936 到第三届的主席 1957 两部经典名著 理论土力学 工程实用土力学 19 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 绪论 20 1 土的工程应用 土工建筑材料建筑物基础之地基建筑环境为土工构筑物提供填筑材料 绪论 为什么要学习土力学 21 2 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 加拿大特朗斯康谷仓 事故 1913年9月装谷物 10月17日装了31822 谷物时 1小时竖向沉降达30 5cm24小时倾斜26 53 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20000T 23 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 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 24 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 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 25 香港1900年建市 1977年成立土力工程署1972PoShan滑坡 20 000m3 67死 20伤 26 Early1972滑坡前 27 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 阪神大地震中地基液化 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 28 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 阪神大地震中地基液化 神户码头 沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中 29 阪神大地震中地基液化 地基液化造成的路面塌陷 30 1964年日本新泻地震地基的大面积液化 31 时间 1971年11月9 11日地点 神奈川县川崎市生研究机构 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 泥石流室外试验 32 事故发生过程要点 壤土 loam 斜坡崩塌 泥石流 实验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 33 事故发生地点 34 关东壤土 风化花岗岩上火山灰堆积层 1 45w 5 倾角 30 厚 1 2 3m 现场泥石流实验布置简图 35 试验现场照片 36 ActualslopefailureexperimentbyAPERIFproject Time Nov 12 14 2003Location Mt Kappa 加波山 Mainoperator Forestry ForestProductsResearchInstitute Japan Rainfallintensity 80mm hr 37 试验现场照片 38 39 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 40 莲花河畔景苑倒楼事故 6月27日5时30分 上海市闵行区莲花南路罗阳路口 一在建楼盘工地发生楼体倒覆事故 造成一名工人死亡 无人受伤 事故发生在淀浦河南岸的 莲花河畔景苑 发生倒覆的是一栋13层在建住宅楼 41 莲花河畔景苑倒楼事故 续 42 房屋倾倒的主要原因是 紧贴7号楼北侧 在短期内堆土过高 最高处达10米左右 与此同时 紧邻大楼南侧的地下车库基坑正在开挖 开挖深度4 6米 大楼两侧的压力差使土体产生水平位移 过大的水平力超过了桩基的抗侧能力 导致房屋倾倒 莲花河畔景苑倒楼事故 续 43 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 以上几个实例可归结为与土有关的强度问题 44 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 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55m1272 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 1590 伽利略在此塔做落体实验 45 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 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 封闭1992年7月 加固塔身 用压重法和取土法进行地基处理目前 已向游人开放 处理措施 46 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 虎丘塔 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 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 47 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 关西国际机场世界最大人工岛 1986年 开工1990年 人工岛完成1994年 机场运营面积 4370m 1250m填筑量 180 106m3平均厚度 33m 设计时预测沉降 5 7 7 5m完成时实际沉降 8 1m 5cm 月 1990年 预测主固结完成 20年后比设计超填 3m 问题 沉降大且有不均匀沉降 48 49 与土层压缩变形有关 渗透应力拖拽机理 降落漏斗 渗透速率提高 水力梯度加大 动水压力对土层潜蚀 产生管涌 土层结构松散 上覆土层拉张应力集中 地表张裂 降落漏斗 地下水向中心渗流 动力压力对固体颗粒产生动能 含水层骨架出现粘性拖拽 上覆土层出现张应力集中 地表开裂 地下水位下降 上部土层失水 土层在水平方向收缩变形 地表开裂 基底起伏不平 压缩土层厚度差异 土层差异压缩沉降 沉降差异最大处张应力集中 地表开裂 盆地地下水下降 松散土层固结变形 地表土层固结量大大小于下伏土层 土层沉降翻折 盆缘折裂 与渗透作用有关 与盆地边缘有关 渗透变形机理 土层失水压缩变形机理 差异压缩变形机理 刚性折断机理 抽水作用说 50 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 以上几个实例可归结为与土有关的变形问题 51 Teton坝 概况 土坝 高90m 长1000m 建于1972 75年 1976年6月失事 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 原因 渗透破坏 水力劈裂 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 52 Teton坝 1976年6月5日上午10 30左右 下游坝面有水渗出并带出泥土 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 53 Teton坝 11 00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近 泥水流量增加 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 54 Teton坝 11 30洞口继续向上扩大 泥水冲蚀了坝基 主洞的上方又出现一渗水洞 流出的泥水开始冲击坝趾处的设施 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 55 11 50左右洞口扩大加速 泥水对坝基的冲蚀更加剧烈 Teton坝 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 56 11 57坝坡坍塌 泥水狂泻而下 Teton坝 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 57 12 00过后坍塌口加宽 Teton坝 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 58 洪水扫过下游谷底 附近所有设施被彻底摧毁 Teton坝 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 59 失事现场目前的状况 Teton坝 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 60 1998年长江大堤 61 98洪水长江堤防险情统计 共发生各种险情6000余处 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 5m宽的堤顶随即全部塌陷 并很快形成一宽约62m的溃口 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图 砂环 管涌口 粘性土 砂性土 渗水 杂填土 管涌 在渗流作用下 无粘性土体中的细小颗粒 通过土的孔隙 发生移动或被水流带出的现象 堤基管涌 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 砂性土堤基管涌破坏示意图 管涌破坏 当管涌发生时 渗流将导致向源侵蚀 使堤防基础下部出现渗流通道 当水头差足够大时 侵蚀将加速并掏挖堤防基础 形成通道后极易引起溃决 与土有关的工程问题 绪论 为什么要学习土力学 65 襄汾溃坝事故 位于山西省临汾市襄汾县陶寺乡的新塔矿业有限公司塔山铁矿尾矿库 总库容约30万立方米 坝高约50米 9月8日8时许 该尾矿库突然发生溃坝 尾砂流失量约20万立方米 沿途带出大量泥沙 流经长度达2公里 最大扇面宽度约300米 过泥面积30 2公顷 截止10月23日16时30分 死亡人数升至276人 66 事故发生于9月8日上午7时50分左右 塔山矿区因暴雨发生泥石流 致使一个废弃的尾矿库坝被冲垮 造成下游云合村乱石滩自然村集贸市场和部分房屋被冲毁 事故原因是由于非法生产活动排放大量尾矿砂及近日剧烈降雨 导致已废弃停用的尾矿库溃坝 形成泥石流 汹涌的泥石流就是从这条山沟中喷涌而下的 沟的上端便是尾矿库原先的位置 襄汾溃坝事故 续 67 山西临汾市襄汾县陶寺乡塔山矿区 泥石流发生后 现场狼藉 襄汾溃坝事故 续 68 泥石流将下游的房屋几乎全部冲垮 这样的房屋已算是受损较轻的 襄汾溃坝事故 续 69 救援人员正在寻找幸存者 襄汾溃坝事故 续 70 以上几个实例可归结为与土有关的渗透问题 与土有关的工程问题 绪