土力学课件 第1章 绪论

土力学与基础工程Email:cjsh_007@163.comTel:13859832169主讲教师黄丽娟ArchitecturalEngineeringDepartmentSoilMechanicsandFoundationEngineering 本课程的主要内容第1章绪论；第2章土的物理性质及其工程分类；第3章土体中的应力计算;第4章土的压缩性与地基沉降计算；第5章土的抗剪强度与地基承载力；第6章土压力与土坡稳定；第7章天然地基浅基础;第8章桩基础。 绪论一、土力学、地基及基础的概念二、土力学与基础工程简史三、国内外土木工程事故举例四、本课程的特点和学习要求 一、土力学、地基及基础的有关概念1.土力学—利用力学的一般原理，研究地表土的物理、力学特性及其受力后强度和体积变化规律的学科。2.地基—建筑物荷载作用下产生不可忽略的附加应力与变形的那一部分地层。3.基础—建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础。4.地基基础设计的先决条件在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘察，充分了解、研究地基土(岩)层的成因及构造、它的物理力学性质、地下水情况以及是否存在(或可能发生)影响场地稳定性的不良地质现象(如滑坡、岩溶、地震等)，从而对场地件作出正确的评价。 5.地基基础设计的基本要求(1)地基的强度条件地基要有足够的强度，在上部结构的荷载作用下，地基土不应发生剪切破坏或失稳。(2）地基的变形条件为保证建筑物的正常使用功能，地基不应产生过大的沉降或不均匀沉降。(3)基础结构本身应有足够的强度和刚度在地基反力作用下，建筑物基础不会产生过大强度破坏，并具有改善沉降与不均匀沉降的能力。地基及基础示意图地基基础上部结构 基础上部结构地基地基基础示意图 基础浅基础深基础地基天然地基人工地基 建筑物的上部结构、基础和地基三部分，功能不同，研究方法各异，但它们又是建筑物的有机组成部分，缺一不可、彼此联系、相互制约。所以，科学的、理想的方法是将三部分统一起来进行设计计算。地基和基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。工程实践表明，建筑物的事故很多都与地基基础问题有关，而且一旦发生地基基础事故，往往后果严重，补救十分困难，有些即使可以补救，其加固修复工程所需的费用也十分可观。 二、土力学与基础工程简史1、土力学的历史土力学是人们在长期工程实践中形成发展起来的一门学科。土力学的发展可以划分为三个阶段：1920年以前，1920年至1960年左右，1960年左右至今。18世纪欧洲工业革命开启了土力学的理论研究。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，这一理论被认为是土力学的开始。1856年，达西（Darcy）研究了土的渗透性，发展了达西渗透公式。1869年英国的W.G.M.朗肯（Rankine）基于塑性平衡理论提出了挡土墙土压力理论，与库仑土压力理论形成了古典土压力理论，这对后来土体强度理论的发展起了很大的作用。 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，成为计算地基中应力的主要方法，如今，这一理论任在土力学相关课题中广泛使用。土是最古老和最复杂的工程材料。我们的祖先就使用土作为建筑材料建造陵墓、防洪设施和居所。西方文明认为是古罗马人最早认识到土对结构稳定性的重要性。当时不存在所谓的设计理论，人们所依赖的都是以往的经验和教训。 2、现代土力学土力学是岩土工程的一个分支。岩土工程涉及运用土力学，地质学和水力学的知识分析和设计各种岩土工程系统，如坝，堤坝，围堰，隧道，运河，水道和桥梁、道路及建筑物的地基，以及污水处理系统。每一次运用土力学都涉及不确定性，因为土的变化性（天然的）–土是分层的、构成复杂，工程性质不均匀。所以，工程力学仅仅提供部分的解决方法。在实际工程中，经验和近似计算往往是成功解决问题的基本手段。教科书中的很多计算都是近似的。 3、基础工程的发展简史基础工程是一项古老的工程技术，发展到今天成为一门专门的学科。在中国，基础工程伴随着华夏五千年的文明史。考古工作者发现人类早在五千年前就建有房屋，当时的基础很简单。如浙江的河姆渡文化遗址，其房屋底层是架空在埋于地下的木桩基础上的；洛阳王湾仰韶文化遗址，其基础是在墙下挖槽，槽内填卵石夯实，类似于近代的换土垫层处理人工地基。西方国家，自18世纪兴起工业革命以来，随着城市建设的扩大，工厂、铁路、水坝的兴建，促使土力学理论的产生和基础工程技术的发展。特别是二次大战之后，基础设计理论、计算方法施工工艺有了较大发展。 如：1893年，美国芝加哥人工挖孔桩问世；1950年，意大利米兰地下连续墙出现；1957年，德国首先采用锚杆桩墙深基坑支护方式。此外施工机械设备的研制与应用都极大的提高了基础工程施工的生产效率。我国自改革开放以来，基础设施建设蓬勃发展，基础工程的设计理论、施工工艺水平在不断的提高，与世界同步发展，日新月异。 目前，基础工程的关注点在于：1）.基础工程设计计算理论和方法方面的研究，包括考虑上部结构、基础和地基共同作用的理论和设计方法、概率极限状态设计理论和方法、优化设计、数值分析方法和计算机的应用等。2）.桩基础技术，其中桩土共同作用、新的桩基设计控制理论、桩基非线性分析和设计方法、桩基承载力等都成为研究和开发的热点。3）.深基坑开挖问题，包括土压力、水压力计算、基坑支护设计理论和方法的深化、新的基坑支护方法、基坑开挖对环境的影响等。4）.地基处理方面，进一步完善复合地基理论，对各类地基处理方法机理的深入研究及施工及检测技术的改进等。 三、国内外土木工程事故举例综合分析可以得到，与地基基础有关的土木工程事故可主要概括为以下类型：1.地基产生整体剪切破坏；2.地基发生不均匀沉降；3.地基产生过量沉降以及地基土液化失效。 1、地基产生整体剪切破坏①巴西某十一层大厦1955年始建的巴西某十一层大厦长25m，宽12m，支承在99根21m长的钢筋混凝土桩上。1958年大厦建成后，发现其背后明显下沉。1月30日，该建筑物的沉降速度高达每小时4mm，晚8时许，大厦在20s内倒塌。后查明该大厦下有25m厚的沼泽土，而其下的桩长仅有21m，为深入其下的坚固土层，倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致。 ②加拿大特朗斯康谷仓下图是建于1914年的加拿大特朗斯康谷仓地基破坏情况。该谷仓由65个圆柱形筒仓构成，高31m，宽23.5m，其下为钢筋混凝土筏板基础，由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软粘土层，谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后，发现谷仓明显下沉，结果谷仓西侧突然陷入土中7.3m，东侧上抬1.5m，仓身倾斜近27o。 后查明谷仓基础底面单位面积压力超过300kPa，而地基中的软粘土层极限承载力才约250kPa，因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严重倾斜。该谷仓由于整体刚度极大，因此虽倾斜极为严重，但谷仓本身却完好无损。后于土仓基础之下做了七十多个支承于下部基岩上的混凝土墩，使用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体逐渐扶正，单其位置比原来降低了近4.0m。这是地基产生剪切破坏，建筑物丧失其稳定性的典型事故实例。 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故 2、地基产生不均匀沉降①意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔1173年动工修建，当塔修建至24m高时发生倾斜，一百年后续建该塔至塔顶，建成后塔高54.5m。目前塔北侧沉降一米多，南侧沉降近三米，塔顶偏离中心线约5.54m（倾斜约5.8o）。为使斜塔安全留存，后在国际范围内进行了招标，对斜塔进行了加固处理。 意大利比萨斜塔 ②我国名胜苏州虎丘塔苏州虎丘塔建于959～961年期间，为七级八角形砖塔，塔底直径13.66m，高47.5m，重63000kN塔建成后由于历经战火沧桑、风雨侵蚀，使塔体严重损坏，为了使该名胜古迹安全留存，我国于1956～1957年期间对其进行了上部结构修缮，但修缮的结果使塔体重量增加了约2000kN，同时加速了塔体的不均匀沉降，塔顶偏离中心线的距离由1957年1.7m发展到1978年的2.31m，并导致地层砌体产生局部破坏。后于1983年对该塔进行了基础托换，使其不均匀沉降得以控制。 3、地基产生过量沉降①广深铁路k2+150段线路我国广深铁路k2+150段线路位于广州市，该路段地处山涧流水地带，淤泥覆盖层较厚，通车后路基不断下沉，1975年后，严重地段每旬下沉量高达12～16mm，其它地段每旬下沉量8～12mm不等，路基的下沉不仅增加了该段铁路的维修保养作业量，更严重威胁着铁路列车的安全营运。该路段后采用高压喷射注浆法进行了路基土加固处理。 ②西安某住宅楼西安某住宅楼位于西安市霸桥区，场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土场地，建筑物长18.5m，宽14.5m，为六层点式砖混结构，基础采用肋梁式钢筋混凝土基础，建筑物修建以前对地基未做任何处理，由于地下管沟积水，致使地基产生湿陷沉降，在沉降发生最为严重的5天时间里，该建筑物的累计沉降量超过了300mm。后虽经对基础进行托换处理止住了建筑物的继续沉降，但过量沉降严重影响了该建筑物的使用功能，在门厅处不仅形成了倒灌水现象，而且门洞高度严重不足，人员出入极不方便。 4、地基液化失效①日本新泻地震日本新泻市于1964年6月16日发生了7.5级大地震，当地大面积的砂土地基由于在地震过程中产生振动液化现象而失去了承载能力，毁坏房屋近2890幢。②唐山地震1976年7月28日发生在我国唐山市的大地震是人类历史上造成损失最严重的地震之一，震级7.8级，大量建筑物在地震中倒塌损毁，地基土的液化失效是其中的主要原因之一，唐山矿冶学院图书馆书库因地基液化失效致使其第一层全部陷入地面以下。 四、本课程的特点和学习要求1.课程的特点（1）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；（2）课程理论性和实践性均较强。 2.学习要求(1)学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等土力学基本原理；(2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；(3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内土工试验方法。