土力学第一章-绪论

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1、1,土 力 学,华南农业大学水利与土木学院 黄金林,2,什么是土？ 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,3,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。,风化,什么是土？,4,本课程研究对象及其重要性,研究对象：地球表面地层中的土体 地基。 地球上但凡人类居住、生活和工作及与之相关的一切建筑物均建造在地壳的表层 地基上，“空中楼阁”是不存在的。因此，以地基土为研究对象的这门课程土力学在土木工程中占据重要地位。 所有建筑物和构筑物的荷载均由地基承担。 土力学

2、的重要性，岩土工程和地基问题事故多，人们对土的性质和工程特性认识不足，专业人员队伍庞大，良莠不齐，存在鱼目混珠的现象。,5,荷载的传递方式,以常见的房屋建筑为例，建筑物上部结构 基础 地基。,0.00,6,1、本课程的任务和作用,概括的说，研究并解决地基的强度、变形和稳定及其相关问题，就是本课程的任务和作用。 建筑物的安全与否与地基密切相关。当地基刚度和强度足够，则建筑物将安然无恙；反之，则会发生地基问题（事故）。,7,1 本课程的特点,土力学 研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用规律的一门应用科学和技术。 课程特点：概念多、名词多，须强记；涉及学科多，包括工程地质、水力学、塑

3、性力学、材料力学、结构力学等，知识面宽。 力学研究方法遵循认识论的基本法则：实践理论实践，首先是在实践中提炼出量与量之间的定性的或数量的关系，建立土力学模型，在此基础上可运用已知的力学或物理学规律（必要时做一些假设）以及合适的数学工具进行理论演绎，导出新的理论。,8,2 课程内容和学习方法,课程内容： 课堂教学 土力学（10章）； 实验教学 土工(室内)试验（4项）。主要实验包括: (1)土的密度、含水量、液限、塑限试验; 渗透试验；(3)压缩试验; (4)直剪试验 学习要求和方法： 1. 理论、室内外测试、工程实践三者结合 2. 搞清概念、掌握原理、学以致用。要求牢固掌握土力学基本概念和原理

4、，并能应用于分析和解决实际工程问题。 以课堂教学为主，多媒体课件教学为辅。,9,3、本课程与其它课程的关系,理论力学,材料力学,弹性力学,结构力学,土力学,高层结构,建筑施工,路基路面,桥梁工程,10,土有哪些特点？,11,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,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,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,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

5、性复杂,变形特性 强度特性 渗透特性,15,土力学发展的历史,16,土力学发展史回顾 土力学的发展可以划分成以下三个历史时期 萌芽期 (17731923) 1773年Coulomb发表了论文极大极小准则在若干静力学问题中的应用，为土体破坏理论奠定了基础。在此后的漫长的150年中，而且只限于研究土体的破坏问题。 古典土力学 (19231963) 1923年，Terzaghi发表了著名的论文粘土中动水应力的消散计算，提出了土体一维固结理论，开创了土体变形研究。接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理，从而建立起一门独立的学科土力学。 土体破坏理论方面的主要成就： Fellenius，Taylor

6、和Bishop等关于滑弧稳定分析方法的建立与完善； Terzaghi关于极限土压力的研究和提出承载力公式； 散粒体静力学的建立； Shield和沈珠江等关于土体破坏的运动方程和极限平衡理论的建立。,17,The Grandfather of Soil Mechanic,Charles Augustin de Coulomb (1736 1806),18,Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858),Darcys Law is a generalized relationship for flow in rate is a function of the fl

7、ow area, elevation, fluid pressure and a proportionality constant.,19,变形理论方面的主要成就： 地基沉降计算方法的建立与完善； Mindlin公式的提出及其在桩基沉降计算中的应用； 弹性地基梁板的计算； 砂井固结理论； Biot固结理论的提出和完善。 古典土力学可以归结为： 一个原理有效应力原理 两个理论以弹性介质和弹性多孔介质为出发点的变形理论 以刚塑性模型为出发点的破坏理论(极限平衡理论) 有效应力原理是古典土力学的核心，在某种意义上，古典土力学只能称为弹性土力学。,土体不是理想弹性体，也不是理想刚塑性体。 土体两个基本

8、特性：压硬性和剪胀性,20,现代土力学可以归结为一个模型、三个理论和四个分支。 一个模型：本构模型，特别是指结构性模型。 三个理论：一个变形理论和两个破坏理论 (1)非饱和土固结理论 (2)液化破坏理论 (3)渐进破坏理论 四个分支：理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学,现代土力学 1963年，Roscoe发表了著名的剑桥模型，才提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型，因而可以看作现代土力学的开端。 下列几方面取得重要进展： 非线性模型和弹塑性模型； 损伤力学模型与结构性模型； 非饱和土固结理论； 砂土液化理论的研究； 剪切带理论及渐进破损； 土的细观力学,现代土力学的核

9、心问题是本构模型,21,1776 Coulomb 强度定律，土压力理论 1856 Darcy 定律 1857 Rankine 新的土压力理论 1925 Terzaghi 有效应力原理及渗透固结理论 1936 第一届国际土力学及基础工程会议 1949 中国土力学研究的兴起,土力学成为一门独立学科的重要标志 Terzaghi是土力学的奠基人,22,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,23,（岩）土力学研究的内容,对工程地质定性成果进行定量分析和计算 岩土体物力性质研究 岩土体的稳定性参数测试方法研究、现场大型力学试验、应力和应变监测技术 岩土体中应力和应

10、变的分布规律及岩土体和工程建筑物相互作用的研究 影响岩土体稳定性的各种因素和作用力，定量评价岩土体稳定性的理论和科学计算方法的研究 加固岩土体的工程措施和处理技术研究,24,（岩）土力学在工程建设中的作用和任务,作用一(宏观） 应用岩土力学知识分析、计算、评价建筑物地基变形、强度及稳定性，确保建筑物、水库、大坝等的安全可靠性 尽可能把不利因素转化为有利因素，提高建筑物的稳定性并节约投资,25,作用二：工程建设中的岩土工程,建筑地基、坝堤基础的稳定、地下电站建设、引水隧道建设、开挖边坡、评价水利水电的建设环境和地下渗透水的状态等 与岩土工程密切相关的是高坝建设、引水隧洞、自然边坡的稳定 三峡大型

11、水利枢纽，面对一系列岩土工程技术难题，如船闸高边坡的计算分析与建设,26,1 工程建设中的岩土工程问题,（1）勘探技术方面 建筑物、高坝基岩的勘探，需解决许多与工程地质、岩体力学有关的难题，如区域性的构造稳定、复杂岩基、风化基岩的力学特性 （2）工程建设中的岩体质量分级：岩土体质量分级按不同的工程类型，如大坝主地基、边坡开挖工程等，进行不同的分级。 单因素分级法指标：按岩石抗压强度分级；按风化程度分级；按岩石质量指标分级；以弹性波速度分级。,27,多因素分级法指标：按岩土体连续性分级； （3）建筑、大坝稳定计算分析 引用非线性非连续介质模型对大坝稳定性进行分析 （4）岩土体稳定评价 目前主要采

12、用计算分析法和模型试验法 计算分析法：有限元法，刚体极限平衡法 模型试验法：地质力学模型，脆性材料模型 评价（岩）土体稳定，是设计中面临的最困难的问题之一,28,3 地下工程建设中的岩土工程,地下隧道（如地铁、公路隧道） 地下水电站指引水道、调压井、压力管道、主厂房部分洞室、尾水洞室等均位于地下的电站 在地质条件允许的情况下，可充分利用围岩承载能力减少支承结构，节省钢材、水泥，降低工程造价 把围岩视为承载结构，建立岩体支护概念,29,3 地下水电站建设中的岩土工程,地下洞室的稳定判据：以岩体的屈服、变形、状态作为判据 喷锚支护加固地下结构：锚杆、锚索、喷射砼等 洞室群的施工优化：从全局出发，找

13、出有利于围岩稳定而且经济的优化施工方案,30,作用三：铁路建设中的岩土工程,铁路建设中的岩土工程包括岩土工程勘探、路基、桥梁基础工程、隧道工程。 遥感、物探、原位测试、岩土试验 滑坡、崩塌、泥石流及岩溶等复杂工程地质条件下的铁路工程 软土、膨胀土、黄土、冻土等特殊条件下的铁路工程 风沙地区的铁路工程,31,锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、加筋土挡土墙、抗滑桩、桩板墙、锚索抗滑桩及土钉墙等各种支挡结构工程 重载及高速铁路路基 复杂条件下桥梁及基础工程 复杂条件下长、大隧道工程,32,作用四：港口建设中的岩土工程,港口建设中的岩土工程包括软土地基的勘探取土和现场测试、沿海软粘土工程、软基加固工程、桩基和

14、其他港工结构基础和设计和施工工程 采用浅层剖面仪在大面积水域中进行初步勘探并结合少量钻孔，鉴别土类和土层 采用标准贯入、土压力计等常规设备完成现场测试和原体观测 用砂井排水堆载预压方法加固软粘土地基,33,作用四：港口建设中的岩土工程,用袋装砂井和塑料纸板排水处理淤泥质海岸 用振冲碎石桩法、真空预压法、强夯法、深层拌合法、填土超载挤淤法、爆炸挤淤法等加固软基 预应力钢筋砼空心方桩应用于高桩码头 大型钢管桩应用于建造深水码头 大型预应力钢筋砼管桩应用于建造海水腐蚀码头,34,作用四：港口建设中的岩土工程,其他港工建筑物基础：大直径圆筒结构，地下连续墙，大型扶壁，沉井和沉箱等,35,作用五：城建中

15、的环境岩土工程,处于江河湖泊或海洋沿岸的城市，城市环境灾害防治摆在重要地位 城市防洪：须控制淹没高度，涉及上下游河道清理工程、防洪堤和防汛墙工程等 采取技措提高大坝抗洪能力：用探地雷达等无损检测方法查明堤防工程的地层特点和险情隐患；用旋喷等加固大堤地基；用防渗墙等延长渗透途径；采用经济高效新型加固材料加速工程进度，提高工程质量,36,作用五：城建中的环境岩土工程,山城的泥石流治理：在形成区用沟坡兼治措施；在流通区，筑各种拦截坝、溢流坝；在堆积区，采取排导停淤措施 港口城市须疏通航道，合理构筑导堤，提高通航能力 海岸城市须进行岸坡稳定保护，合理地构筑围海海堤 城市地面沉降，涉及深井回灌、高层建筑

16、纠偏等工程,37,任务,解决岩土工程问题 通过岩土力学分析计算，提出建筑物结构类型、施工方法及运营使用中的注意事项 提出改善和防治不良地质条件，解决岩土工程问题的方法和措施,38,2. 与土有关的工程问题,39,与土有关的工程问题,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。,40,与土有关的工程问题,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