土力学课程学习指南

土力学课程学习指南《土力学》是清华大学土木水利学院的院级平台课，授课对象为水利水电工程系、土木工程系、建设管理系和工程力学系的本科生，开设时间为第五学期，总学时48学时。《土力学》是水利和土建专业的核心课程，也是交通、港口、环境、核电站和矿山等相关专业的重要专业基础课程。1．课程总体安排清华大学《土力学》课程共包含80总学时，分秋季和春季两个学期进行。其中，《土力学1》包括第一至第十二单元，安排在秋季学期；《土力学2》包括第十三至第二十单元，安排在春季学期。按照课程的特点和定位以及对学生能力培养的需求，将《土力学》课程教学组合为三个模块：1）《土力学》的理论，以土的渗透、变形和强度三大基本特性为核心内容，注重培养学生理性思维和分析能力。对应的课程是《土力学1》中的课堂授课部分，40学时/学年。2）《土力学》的应用，主要介绍土力学基本理论在各种工程问题中的应用，注重培养学生的实用计算和工程判断能力。对应的课程是《土力学2》，32学时/学年。此外，还配合《城市岩土工程》、《城市水环境工程》和《地球与人类环境》等选修课。3）《土力学》的实验，以土的物性试验、三轴试验和固结试验等为核心教学内容，注重培养学生土工试验的动手能力。土力学实验部分与土力学基本理论部分紧密结合，安排在《土力学1》课程中，8学时/学年。此外，还配合本科学生的SRT、自选试验和综合论文训练等环节。2．课程基础要求学生的先修课程包括微积分、工程力学和水力学等。3．课程基本内容第一单元绪论和土的物理性质（秋季学期6学时，第1~2教学周）了解土的三大工程问题，也即渗透问题、变形问题和强度问题；了解土的形成，掌握土的碎散性、多相性和天然性这三大特点；掌握土的物理性质，包括土的三相组成、物理状态和结构；掌握土的压实性；掌握土的工程分类标准，了解土的工程分类方法。第二单元试验课1：土的基本物性试验（秋季学期3学时，第2~6教学周）要求学生独立完成：1）密度测定试验；2）含水量测定试验；3）液塑限测定试验；4）颗粒分析试验。掌握相应物性的试验技术并加深对相关土的特性和指标等概念的理解。安排学生分组进行试验。第三单元土的渗透性和渗流问题（秋季学期5学时，第3~4教学周）掌握土的渗透性与渗透规律、多层土一维渗流分析；掌握二维渗流分析理论和流网特征，了解流网绘制方法；掌握渗透力的概念和计算方法；掌握土体受力分析方法；了解土体渗流破坏的类型和特征，掌握流土的发生条件。\o"习题课1：土的物理性质和土的渗透性"第四单元习题课1：土的物理性质和土的渗透性（秋季学期2学时，第5教学周）本次习题讨论课主要针对“第一单元：土的物理特性”和“第三单元：土的渗透性和渗流问题”的教学内容展开。通过习题讨论和小测验了解学生对第一单元和第三单元基础知识和基本技能的掌握情况，找出学生容易混淆的概念和难以掌握的方法技能。通过概念及难点剖析使学生能加深对相关基本概念和基本规律的理解，加强学生区分容易混淆概念的能力。通过互动式的方法讨论和案例分析使学生能加深对相关方法技能的理解，提高他们的分析解题能力。\o"土体中的应力计算"第五单元土体中的应力计算（秋季学期6学时，第6~7教学周）了解地基中的应力状态，回顾应力状态的莫尔圆分析方法；掌握饱和土体有效应力原理的概念和应用；掌握土体的自重应力计算；掌握基底压力的计算原理和方法；掌握土体附加应力计算原理和方法，熟练应用应力计算的叠加原理；掌握超静孔隙水压力与孔隙水压力系数。\o"习题课2：土体中的应力计算"第六单元习题课2：土体中的应力计算（秋季学期2学时，第8教学周）本次习题讨论课主要针对“第五单元：土体中的应力计算”的教学内容展开。通过习题讨论和小测验了解学生对第五单元基础知识和基本技能的掌握情况，找出学生容易混淆的概念和难以掌握的方法技能。通过概念及难点剖析使学生能加深对相关基本概念和基本规律的理解，加强学生区分容易混淆概念的能力。通过互动式的方法讨论和案例分析使学生能加深对相关方法技能的理解，提高他们的分析解题能力。\o"试验课2：三轴试验"第七单元试验课2：三轴试验（秋季学期3学时，第8~12教学周）要求学生分组完成一组粉质粘土的三轴固结不排水试验。三轴试验是测定土的抗剪强度的一种重要方法。学生通过完成一组粉质粘土的三轴固结不排水试验，认识和理解土体的应力变形特性和抗剪强度理论，掌握三轴试验方法，获得土体固结不排水抗剪强度参数。安排学生分组进行试验。\o"土的压缩性和地基沉降计算"第八单元土的压缩性和地基沉降计算（秋季学期6学时，第9~10教学周）了解土的压缩性试验方法，掌握描述土压缩性的指标；掌握计算地基最终沉降量的分层总和法；掌握土体一维渗流固结理论，学会分析地基沉降与时间的关系。\o"习题课3：土的压缩性和地基沉降计算"第九单元习题课3：土的压缩性和地基沉降计算（秋季学期2学时，第11教学周）本次习题讨论课主要针对“第八单元：土的压缩性和地基沉降计算”的教学内容展开。通过习题讨论和小测验了解学生对第八单元基础知识和基本技能的掌握情况，找出学生容易混淆的概念和难以掌握的方法技能。通过概念及难点剖析使学生能加深对相关基本概念和基本规律的理解，加强学生区分容易混淆概念的能力。通过互动式的方法讨论和案例分析使学生能加深对相关方法技能的理解，提高他们的分析解题能力。\o"试验课3：固结试验"第十单元试验课3：固结试验（秋季学期2学时，第13~15教学周）地基土层承受建筑荷载后会产生变形，地基变形不仅与建筑物荷载有关，还和土的类型、性质、状态有关。试验要求在侧限与轴向排水条件下，测定各级竖向荷载下试样的变形（或孔隙比）与压力的关系、变形与时间的关系；绘制压缩曲线和固结曲线；计算土的压缩系数a、固结系数Cv以及先期固结压力pc。安排学生分组进行试验。\o"土的抗剪强度"第十一单元土的抗剪强度（秋季学期9学时，第12~14教学周）了解土体破坏机理，掌握土体破坏与强度理论；了解土的抗剪强度的测定试验；掌握应力路径与破坏主应力线的概念和应用；掌握土的抗剪强度指标、不同指标间的相互关系，以及应用条件；了解土的动强度与砂土的振动液化。\o"习题课3：土的压缩性和地基沉降计算"第十二单元习题课4：土的抗剪强度（秋季学期2学时，第15教学周）本次习题讨论课主要针对“第十一单元：土的抗剪强度”的教学内容展开。通过习题讨论和小测验了解学生对第十一单元基础知识和基本技能的掌握情况，找出学生容易混淆的概念和难以掌握的方法技能。通过概念及难点剖析使学生能加深对相关基本概念和基本规律的理解，加强学生区分容易混淆概念的能力。通过互动式的方法讨论和案例分析使学生能加深对相关方法技能的理解，提高他们的分析解题能力。\o"土的抗剪强度"第十三单元绪论及挡土墙上的土压力（春季学期6学时，第1~3教学周）了解土力学基本理论在工程中的应用，了解工程问题的复杂性、综合性和特殊性。理解静止土压力、主动土压力、被动土压力的基本概念，与挡土墙和土体相对位移的关系；掌握朗肯土压力理论和库仑土压力理论的假设条件和适用情况；能够用朗肯土压力理论正确计算主动和被动土压力；能够正确计算土层分层情况下的主动土压力；能够正确计算墙后有水情况下的主动土压力和水压力。\o"土的抗剪强度"第十四单元土坡稳定分析（春季学期4学时，第4~5教学周）土坡稳定分析是土力学的经典课题之一。土坡稳定分析涉及土的抗剪强度，在学习本单元前也需要复习土的抗剪强度的有关知识。采用条分法分析土坡，安全系数的求解是一个超静定问题，未知数远远大于方程数。通过对条间力相关要素的假设，可以把超静定问题变得静定可解。瑞典条分法假定全部条间力为0，简化毕肖普法假定条间切向力为0，简布法则对条间力的作用点位置进行假设。假定一个滑动面可以得到一个安全系数，假定另外一个滑动面可以得到新的安全系数。最小安全系数的搜索属于数学上的组合优化问题，很多优化和搜索方法都可以用来搜索最小安全系数。计算机的发展给工程设计带来巨大便利，稳定分析主要由商业软件来完成。本单元计算量不大，但要求对相关概念和假设有清晰的认识。\o"土的抗剪强度"第十五单元地基勘察（春季学期2时，第6教学周）地基勘察的目的是查清地质构造，为工程设计提供依据。本单元没有理论推导和太多的概念，学习起来比较轻松。但也容易被忽视。学习中在了解基本内容的同时，要重点关注工程实践中常用的勘探和试验方法。虽然这部分内容在教学中所占分量较小，但在实际工程中却有很大的意义。标准贯入试验、平板载荷试验、十字板剪切试验都是工程中最常用的手段，学习中要重点关注。\o"土的抗剪强度"第十六单元试验课4：原位演示试验与参观实习（4学时，第6-7周）本单元主要是通过原位演示标准贯入试验、静力触探、十字板剪切和旁压试验方法，要求学习中要重点关注。安排基坑工程参观实习，是提供更直观的学习机会，了解工程实践。\o"土的抗剪强度"第十七单元地基承载力（春季学期4学时，第8-9教学周）本单元涉及的地基承载力概念具有承上启下的作用。一方面与地基勘察中平板载荷试验有联系，另一方面，地基承载力是地基基础设计的主要依据。临塑荷载和临界荷载对应地基土没有破坏和局部破坏的情况，极限荷载对应整体失稳的情况。它们是从不同的角度考察地基的承载能力。地基承载力有很多种计算公式，我国规范采用的设计承载力公式对应的是临界荷载P1/4。\o"土的抗剪强度"第十八单元天然地基上的浅基础（春季学期6学时，第10-12教学周）本单元涉及的知识点较多，但主要是基本概念的理解和掌握，没有理论公式推导。通过本单元的学习，建立地基基础设计的基本概念。浅基础设计是前面所学习的土力学基础知识的综合，如：地基承载力涉及土的抗剪强度，地基沉降验算涉及土的压缩性和分层总和法沉降计算方法。本单元的主线是浅基础设计，围绕这一主线引出了基础埋深和基础尺寸确定、承载力和变形验算、基础结构验算等学习内容。从基础埋置深度中引出了土的冻胀性。地震问题具有相对独立性，但也从属于浅基础设计。\o"土的抗剪强度"第十九单元桩基础（春季学期4学时，第13-14教学周）本单元计算量不大，也没有理论公式推导，主要是基本概念的理解和掌握。桩基础主要承受竖直向下的荷载，单桩承载力也是依据所能承受的竖直向下的荷载来确定。水平荷载和上拔力是常见的桩的其它受力方式。负摩擦力由桩周土相对于桩发生向下的位移引起，对桩的受力不利。桩基础由桩和承台共同组成。距离较近的桩相互影响就是群桩效应。承台本身也会对桩基础的承载力有一定影响。通过课程设计训练，可以掌握桩基础的设计流程。桩基础实践性较强，建议有条件参观桩的施工现场，对灌注桩和预制桩施工会有直观了解。\o"土的抗剪强度"第二十单元地基处理（春季学期4学时，第15-16教学周）地基处理的目的是改善土的强度、压缩性、渗透性及抗震性能，使其满足工程设计的需要。本单元涉及的地基处理方法主要有换土垫层法、复合地基、加密法、胶结法、及加筋法等。对一些特殊土性质的了解，比如淤泥、湿陷性黄土、膨胀土等。土工合成材料是一种建筑材料，它的作用不仅仅限于地基处理。挤密桩复合地基桩间距确定、有竖向排水体情况下地基固结计算等方面有一定计算要求。4．参考文献1. 李广信，张丙印，于玉贞，土力学（第2版），清华大学出版社，2013.2. 周景星、李广信、张建红、虞石民、王洪瑾，基础工程（第3版），清华大学出版社，2015.3.BrajaM.Das，FundamentalsofGeotechnicalEngineering，CengageLearning，20124 MuniBudhu，SoilMechanicsandFoundations，JohnWiley&Sons,Inc.，20105. K.Terzaghi,R.B.Peck&G.Mesri,SoilMechanicsinEngineeringPractice(3rdEdition),JohnWiley&Sons,Inc.,1996.6. 松冈元著;土力