土力学课件(清华大学)土力学绪论.ppt

什么是土？土及土力学有哪些特点？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？课程绪论：土力学及其特点 土的一般概念土，地之生万物者也。‘二’象地之上，地之中；‘|’物出形也。-《说文解字》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。 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 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传统岩土工程的范畴 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 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。 什么是土？土及土力学有哪些特点？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？课程绪论：土力学及其特点 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 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土体的特点碎散性三相性天然性 渗透特性变形特性强度特性碎散性三相性天然性物理力学特性复杂土体的特点 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土力学与其他学科的比较 土力学的特点土力学研究土的渗透、变形和强度特性以及与此有关的工程问题连续介质力学的基本知识描述碎散体特性的理论实验规律及工程实践经验 土力学发展的历史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后现代土力学萌芽时期古典时期现代 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》 什么是土？土及土力学有哪些特点？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？课程绪论：土力学及其特点 土是工程中应用最广泛的建筑材料。由土层所构成的广袤大地是工程建设的基地是建筑物的地基是地下建筑的环境为土工构筑物提供填筑材料因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损失巨大的事故。土力学的重要性 加拿大特朗斯康谷仓事故：1913年9月开始装谷物，至10月17日共装入3万多Ｔ谷物，但此时发生破坏：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。1913年完工，自重2万T。 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。加拿大特朗斯康谷仓原因：谷仓的地基承载力按邻近结构物基槽开挖取土试验结果计算。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。2653失事后1913.10.181952.10.5试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3试验孔 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。 PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad香港宝城滑坡现场 Early1972滑坡前July1972滑坡后 阪神大地震中的地基液化液化：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 阪神大地震中地基液化地基液化造成的路面塌陷 1964年日本新泻地震地基的大面积液化 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 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 事故发生地点 关东壤土：风化花岗岩上火山灰堆积层ρ=1.45w=5%倾角：30°厚:1.2～3m现场泥石流实验布置简图 试验现场照片 ActualslopefailureexperimentbyAPERIFprojectTime:Nov.12-14,2003Location:Mt.Kappa（加波山）Mainoperator:Forestry&ForestProductsResearchInstitute,JapanRainfallintensity:80mm/hr 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 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香港宝城滑坡阪神等大地震中地基液化泥石流室外试验事故案例总结（一） 比萨斜塔1173年：动工1360年：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m1272年：复工，经6年，至7层，高48m，再停工1178年：至4层中，高约29m，因倾斜停工 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°原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度低，变形大。比萨斜塔1590年:伽利略在此塔做自由落体实验 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。处理措施比萨斜塔 苏州虎丘塔概况：位于虎丘公园山顶，建于宋太祖建隆二年(公元961年)。塔高47.5m，平面呈八角形。问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达2.31m，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物。原因：坐落于不均匀粉质粘土层，产生不均匀沉降。处理：在四周建造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。 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世界最大的人工岛日本关西机场 关西机场问题：沉降大且不均匀设计沉降：5.7-7.5m完成时(1990年)实际沉降：8.1m，5cm/月预测主固结需：20年比设计多超填：3m 地面沉降危害引起地表积水 道路与桥梁受损车间遭到破坏居民楼变形路面变形破坏 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 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地面沉降案例总结（二） 土坝，高90m，长1000m，1975年建成次年6月失事Teton坝（美国） Teton坝渗流破坏过程①②③⑤⑥ 上午10:3011：0011:3011:57 Teton坝失事现场现状损失直接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 1998年长江大堤 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，并很快形成宽约62m的溃口。溃口原因：堤基管涌焦点词汇：豆腐渣工程 沟后面板砂砾石坝位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。1993年8月7日突然发生溃坝，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 可归结为与土有关的渗透问题美国Teton坝失事98洪水长江堤防险情沟后面板砂砾石坝溃坝案例总结（三） 土工结构物或地基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。学习土力学的目的 什么是土？土及土力学有哪些特点？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？课程绪论：土力学及其特点 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土力学（1）土力学（2） 绪论第一章土的物理性质与工程分类第二章土的渗透性和渗透破坏第三章土中应力计算第四章土的变形特性第五章土的强度土力学(2)－工程应用土力学的主要内容 什么是土？土及土力学有哪些特点？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？课程绪论：土力学及其特点 注意土的基本特点：通过与其它材料对比注重理论联系实际：通过现场观察与试验注重正确学习方法-概念，原理，方法-内容间联系-要记忆，但不能死记土力学的学习方法 教学环节：讲课+习题课+实验(54学时)考核及成绩：70％（期末考试）15％（平时作业）5％(平时表现)10%（实验报告）土力学课程的安排和要求大课必须出席积极参加课堂讨论独立按时完成作业。抄袭、迟交或不认真完成者在平时成绩中扣分。为鼓励个人独立完成，作业错误不扣分。课程要求： 课前课后教室答疑平时教师办公室答疑根据要求，安排集中答疑期末集中答疑答疑安排：