土质学与土力学绪论课件

土质学与力学什么是土？土有哪些特点？土质学与土力学有何特点？为什么要学习土质学与土力学？土质学与土力学包括哪些内容？如何学好土质学与土力学？0绪论土质学与土力学的定义

？土质学与土力学的发展简史及现状

？土质学与土力学的研究内容与方法

？本课程的教学要求

？本章主要内容土：“土”是地壳表层岩石受风化、剥蚀、搬运、沉积而形成的松散堆积物，在地质年代上形成于第四纪，故又称“第四纪沉积物”风化岩石地球颗粒堆积物地球什么是土？土木工程中遇到的与土有关的问题作为建筑物(房屋、桥梁、道路、水工结构等)地基的土。作为建筑材料(路基材料、土坝材料)的土。作为建筑物周围介质或环境(隧道、挡土墙、地下建筑、滑坡问题等)的土。

土的特点土的形成经历了漫长的地质历史过程，是地质作用的产物，是一种矿物集合体，是一多相分散系统。土体极易受到外界环境(温度、湿度等)变化而变化，其主要特征是分散性、复杂性和易变性。碎散性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岩石风化的产物多相介质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碎散性三相体系自然变异性力学特性复杂变形特性强度特性渗透特性成层性物质组成、物理化学状态基本一致，工程性质大体相仿的同一层土称为土层.一般土土

特殊土

无机土(碎石土、砂粒土、粉性土、粘性土)有机土(淤泥质土等)湿陷性黄土、胀缩性土(膨胀土)、冻土、软土、填土、混合土、盐渍土、风化岩土、残积土等土的分类

土质学是地质科学的一个分支，它是从土的成因出发，应用工程地质学、矿物结晶学及物理化学等知识来研究土的物质组成、物理-化学性质、物理-力学性质，以及它们之间的相互关系，并进一步探讨在自然或人为因素下，土的成分、性质的变化趋势以及如何利用这种趋势，并提出土质改良措施的一门学科。

土质学定义普通土质学研究广泛分布的各种典型土类的成因、成分、结构、构造及其工程性质的形成规律，是整个土质学的理论基础。区域土质学依据历史-地理条件及自然-地理条件和土中所进行的自然作用而研究各种土的成分、结构、特性及分而情况。土的技术改良的基本任务是按照各种不同类型建筑物的要求而拟定人工改变土的性质的理论和方法。

土质学发展土质学作为一门独立学科，始于20世纪。早期土质学的著作如Приклонский的《土质学》和Пенисов的《黏性土的工程性质》，系统的论述了土质学的原理，为土质学的进一步发展奠定了基础，也对我国土地的研究有很大的影响。近代的著作如黄文熙的《土的工程性质》和Mitchell的《FundamentalsofSoilBehavior》代表了从两个不同的角度深入研究土的工程性质所达到的新水平。土力学是工程力学的一个分支，是土木工程学科的重要组成部分，也是土木、水利等专业的一门重要的基础课程。土力学定义土力学是利用土工试验技术和力学理论来研究土的力学特性及体积变化规律的一门学科，主要包括土的渗流、应力、变形、强度和稳定性。在与生产实践的结合过程中，又产生了土力学的不同分支，例如冻土力学、海洋土力学、环境土力学、土动力学、月球土力学等，对区域性土和特殊类土（例如湿陷性黄土、红黏土、胀缩土、软土、盐碱土、污染土、工业废料等）的研究也不断深入。土质学与土力学本来就是两门关系十分密切的学科，其相互渗透、相互结合已日益受到重视。土力学应该吸取土质学中从成因及微观结构认识土性本质的研究成果，来进一步说明土的力学现象本质，并同土的应力-应变-强度关系的研究结合起来。

十八世纪欧洲工业革命开始开启了土力学的理论研究，使土力学理论体系逐渐形成并发展为一门独立的学科，这一阶段称为土力学的理论提高阶段。土力学发展1.土力学的理论提高阶段1773年库仑(C.A.Coulomb，法国)根据试验创立了砂土的抗剪强度理论，并在1776年发表的挡土墙土压力理论是土力学的开始。1857年朗肯(W.J.M.Rankine，英国)借助土的极限平衡分析建立了朗肯土压力理论。达西1856年(Darcy，法国)根据对两种均匀砂土渗透试验结果提出的渗透定律。1885年布西奈斯克(J.Boussinesq，法国)提出了表面竖向集中力在弹性半无限体内部应力和变形的理论解答，至今仍在土力学有关课题中广泛使用。二十世纪初，一些重大土木工程事故的出现，如德国的桩基码头大滑坡，瑞典的铁路坍方，美国的地基承载力问题等，对地基问题提出了新的要求，推动了土力学理论的发展。例如普朗德尔(Prandtl，1920年)发表了地基滑动面的数学公式。彼德森(Peterson，1915年)提出、以后又由费伦纽斯(W.Fellenius，1936年)、泰勒(Taylor，1937年)等发展了的计算边坡稳定性的圆弧滑动法等，就是这一时期的重要成果。2.土力学理论的发展

土力学作为一门独立的学科阶段一般认为从太沙基K.Terzaghi)总结前人的研究成果，提出了一维固结理论，并于1925年发表第一本《土力学》专著开始。太沙基把当时零散的有关定律、原理、理论等按土的特性加以系统化，形成了土力学的基本理论框架，从而使土力学形成了一门独立的学科。因此，太沙基被认为是土力学的奠基人。

3.土力学作为一门独立的学科阶段

第一阶段：从20年代到60年代，称古典土力学阶段土力学快速发展阶段。例如费伦纽斯(W.Fellenius，1927年)、泰勒(D.W.Taylor，1937年)、毕肖普(A.W.Bishop，1955)等建立和完善了圆弧稳定分析法。1942年B.B索科洛夫斯基建立了散体静力学。1948年B.A.Barron提出了砂井固结理论，1941年M.A.Biot发表了三维固结理论和动力方程，有效应力原理得到了广泛的推广应用等等。1957年D.C.Drucker提出了土力学与加工硬化塑性理论，对土的本构研究起到了很大的推动作用。在本阶段，土体被视为线弹性体、刚塑性体、连续介质或分散体。在太沙基理论基础上，形成以有效应力原理、渗透固结理论、极限平衡理论为基础的土力学理论体系，研究土的强度与变形特性，解决地基承载力和变形、挡土墙土压力、土坡稳定等与工程密切相关的土力学课题，对弹塑性力学的应用也有了一定认识第二阶段:从60年代开始，称为现代土力学阶段

1963年剑桥大学的K.H.Roscoe等人提出了状态边界面概念，据此创立了著名的剑桥弹塑性模型，突破了先前弹性介质模型和刚塑性模型的局限，标志土力学进入了崭新的现代发展阶段。非饱和土渗流固结变形理论与强度理论的研究(1993年D.C.Fredrund和H.Bahardjo发表了《非饱和土力学》)国际土力学与岩土工程会议(1999年以前称为土力学与地基基础会议)，至2005年已开了16届。1999年国际土力学与基础工程协会(ISSMFE)更名为国际土力学与岩土工程协会(ISSMGE)土力学特点学科研究对象理论力学质点或刚体材料力学单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体结构力学若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性实体结构或板壳结构水力学不可压缩的连续流体（水）连续流体土力学天然的三相碎散堆积物碎散材料二十一世纪土力学的发展具有以下特点：(1)进一步汲取现代数学、现代力学的成果和充分利用计算机技术，深入研究土的非线性、各向异性、流变等特性，建立新的更符合土体特性的本构模型和计算方法。(2)充分考虑土和土工问题的不确定性，进行风险分析和优化决策，岩土工程的定值设计方法逐步向可靠度设计转化。(3)对非饱和土的深入研究，充分揭示土粒、水、气三相界面的表面现象对非饱和土力学特性的影响，建立非饱和土强度变形的理论框架。(4)土工测试设备和测试技术将得到新的发展。高应力、粗粒径、大应变、多因素和复杂应力组合的试验设备和方法得到发展，原位测试、土工离心试验等得到更大应用，计算机仿真成为特殊的土工试验手段，声波法、γ射线法、CT识别法等也将列入土工试验方法的行列。(5)环境土力学得到极大的重视。由开矿、抽水、各种岩土工程活动造成的地面沉降和对周围环境的影响及防治继续受到重视。污染土和污染水的性质和治理，固体废料深埋处置方法中废料、周围土介质和地下水的相互作用以及污染物的扩散规律等研究将大大加强。沙漠化、盐碱化、区域性滑坡、洪水、潮汐、泥石流、地震等大环境问题也将进入土力学的研究范畴。(6)土质学的研究进一步深入，用微观和细观的手段，研究和揭示岩土力学特性的本质。(7)人工合成材料的应用。人工合成材料在排水、防渗、滤层、加筋等方面已得到很好的应用，但设计理论和方法还很不完善，其相互作用机理的了解尚很初步，对这种复合材料的深入研究将给土力学研究增加新的内容。土质学与土力学研究内容(1)土的成因、结构、物质组成和相互作用；(2)土的应力变形规律；(3)土体的强度及其稳定性分析；(4)水在土中的运动及对应力、变形和强度、稳定性的影响；(5)采用各种可能的测试手段和方法研究土的物理力学性质；(6)应用土力学的基本原理研究新方法、新工艺、新材料并解决实际工程问题。土质学与土力学分析方法土质学与土力学连续介质力学的基本知识描述碎散体特性的理论研究土的一门力学，它研究土体的应力、变形、强度、渗流和长期稳定性的一门学科。土质学与土力学以工程地质学的知识为基础，研究土的工程性质，解决工程问题，是土木工程的一个分支-----岩土工程方向（地基、边坡、地下围岩(土)等）重要理论基础。岩土工程结构工程桥隧工程防灾减灾供热、供燃气、通风及空调工程市政工程土质学与土力学学科特点土木工程土质学与土力学研究方法基本方法：土工试验研究、简化计算（弹性理论，塑性理论）、数值计算(1)注意土质学与土力学所引用的其它学科理论，如一般连续介质力学基本原理的基本假定和适用范围。(2)注意土质学与土力学中对土所具有的区别于其它材料的特性。(3)注意综合利用土质学与土力学理论解决实际问题，养成综合评判的思维方式。(4)注意土质学与土力学中的基本力学计算结果的适用条件和假设。发展趋势1．室内和原位测试技术和仪器设备的研究。2．土的非线性问题本构关系的研究。本构关系指土的应力、应变、强度和时间的关系，描述这类关系的数学表达式称为数学模型或简称模型。3．计算技术的研究。非确定性计算方法在土力学中应用。4．模型试验和现场观测。5．加强土力学的基础性研究，宏观和微观研究相结合。本课程的教学要求(1)了解土的基本物理力学性质和土的分类，以及这些性质与土的组成和结构的关系。(2)必须牢固掌握土力学的基本原理和理论。强度理论、有效应力原理、渗透理论、固结理论、土压力理论等是其中主要的一些理论，需要理解它们的本质概念。(3)掌握主要的计算方法，例如三相指标的换算、强度计算、变形计算、土压力计算、边坡稳定计算等，了解它们在工程实践中的应用，这是学习后续的专业课程如《基础工程》、《路基路面工程》等课程的基础。(4)掌握基本的土力学实验方法和成果分析，了解原位测试技术的应用。(5)更重要的是如前所述，掌握土力学的学科特点和分析方法，能真正地把这门课的知识用于解决实际问题。为什么要学习土力学土具有广泛的工程应用2.存在大量与土有关的工程问题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地基（Ground）由于建筑物的修建，使一定范围内土层的应力状态发生变化，这一范围内的地层称为地基。基础（Foundation）指与地基接触的建筑物下部结构。一般建筑物由上部结构（Superstructure）和基础两部分组成。加拿大特朗斯康谷仓事故：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30.5cm24小时倾斜26°53ˊ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。与土有关的工程问题加拿大特朗斯康谷仓原因：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，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。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，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了４米。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６7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。香港1900年建市，1977年成立土力工程署港岛1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20伤)PoShanRoadConduitRoadNotewellRoadEarly1972滑坡前June1972滑坡后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以上几个实例可归结为与土有关的强度问题比萨斜塔目前：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，强度较低，变形较大。1590:

伽利略在此塔做落体实验比萨斜塔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，获得成功。关西机场

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关西机场设计时预测沉降：

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