土质土力学01绪论

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1、土质土力学,关于土的工程特性的科学,从事岩土工程勘察主要的一门课程，实践性强。,教材与参考书,第一章 绪论,1、教材 （1）土质学与土力学 许惠德等编，中国矿业大学出版社，1995 （2）土质土力学实验指导书，自编 2、参考书 唐大雄的工程岩土学（第二版） 陈希哲的土力学地基基础（第四版） 高大钊的土质学与土力学（第三版） 南京大学编写的工程地质学等。,一、土质学与土力学在工程地质学中的地位,第一章 绪论,1工程建设的种类及存在的地质问题,工程建设的种类： 房屋建筑 水利水电工程 地下工程（隧道、矿井等） 道路、桥梁工程 ,第一章 绪论,地质环境与工程 建设相互制约,第一章 绪论,工程建设与地

2、质环境之间的关系在工程地质学中归结为两个方面：,（1）工程地质条件,（2）工程地质问题,第一章 绪论,2工程地质条件 工程地质条件是工程建设开始前已经客观存在的、对工程建设有影响的地质条件。一般认为由以下六个因素构成： 岩土及其工程性质 地质结构 地形地貌 水文地质 物理地质作用 天然建筑材料,工程地质条件可通过工程地质勘察进行查明，是工程地质工作基本任务。,第一章 绪论,3工程地质问题 工程建设过程中及建设后产生的工程建设引起的地质条件的改变而产生的新的地质和环境问题。,工程地质问题的具体类型与工程类型有关： 房屋建筑地基变形（下沉或差异下沉），地基强度（稳定性）等 水利水电工程坝基、坝肩稳

3、定性，水库渗漏，库岸稳定性，水库淹没，边坡稳定性，地下厂房围岩稳定性等 基坑工程地下水问题，渗透变形，边坡等 道路、桥梁工程路基变形、稳定性，桥墩、桥台稳定性，隧道稳定性等 区域稳定性、边坡等问题是各类工程均存在的问题。,工程地质问题是后生的，是工程不能适应地质环境的表现，在工程兴建之前是不存在的，不能通过勘察来查明，只能通过工程地质条件与工程相互作用过程进行分析研究和预测预报。是工程勘察的核心任务，难点所在。,第一章 绪论,（1）工程地质学的定义 调查、研究和解决与工程建设有关的地质条件和地质问题的科学。 性质：地质学在工程中的应用的科学，属地质学范畴；是地质学与工程建设相互交叉和渗透形成的

4、边缘学科；为工程建设服务的实践性极强的科学。,4土质土力学在工程地质学中的地位,第一章 绪论,土与工程建设关系密切：土是地基、围岩、或建筑材料（土料）。土的性质直接影响工程建设的顺利施工与正常使用，也影响规模。土质学是工程地质学的理论基础之一，也是其重要的组成部分。 土力学是土质学的延伸和发展。,（2）土质土力学在工程地质学中的地位,第一章 绪论,5土质学与土力学研究意义Peck（1962）：地下工程是一门技艺，土力学是一门工程科学，。我们应当很好地回想和分析，为使地下工程成功地付诸实施所必不可少的先决条件，至少有三点：通晓先例，精通土力学，以及具有地质学的工作知识。 ,比萨斜塔： 意大利比萨

5、斜塔始建于1173年8月，由著名建筑师那诺.皮萨诺主持修建。它位于罗马式大教堂后面右侧，是比萨城的标志。动工五六年后，塔身从三层开始倾斜，直到完工还在持续倾斜，在其关闭之前，塔顶已南倾(即塔顶偏离垂直线)4.5m。 1990年，意大利政府将其关闭，开始进行整修。经过12年的修缮，耗资约2500万美元，斜塔被扶正44cm，基本达到了预期的效果。专家认为，只要不出现不可抗拒的自然因素，经过修复的比萨斜塔，300年内将不会倒塌。2001年12月15日起再次向游人开放。,精通先例：变形,比萨斜塔从地基到塔顶高58.36m，从地面到塔顶高55m，钟楼墙体在地面上的宽度是4.09m，在塔顶宽2.48m，总

6、重约14453t，重心在地基上方22.6m处。圆形地基面积为285m2，对地面的平均压强为497KPa。目前的倾斜约10%，即5.5度，偏离地基外沿2.3m，顶层突出4.5m。,1173年8月9日开始建造时的设计是垂直竖立的，原设计为8层，高54.8m。 1185年，当钟楼兴建到第4层时发现由于地基不均匀和土层松软，导致钟楼已经倾斜偏向东南方，工程因此暂停。 1231年，工程继续，建造者采取各种措施修正倾斜，刻意将钟楼上层搭建成反方向的倾斜，以便补偿已经发生的重心偏离。 1278年进展到第7层的时候，塔身不再呈直线，而是为凹形。工程再次暂停。 1360年，在停滞了差不多一个世纪后钟楼向完工开始

7、最后一个冲刺，并作了最后一次重要的修正。 1372年摆放钟的顶层完工。,比萨斜塔之所以会倾斜，是由于它地基下面土层的特殊性造成的。比萨斜塔下的有好几层不同材质的土层，各种软质粉土的沉淀物和非常软的粘土相间形成，而在深约一米的地方则是地下水层。这个结论是在对地基土层成份进行观测后得出的。最新的挖掘表明，钟楼建造在了古代的海岸边缘，因此土质在建造时便已经沙化和下沉。,类似的例子苏州虎丘塔： 虎丘斜塔，塔高47m，八角七层，青砖造就，此塔建于五代后周显德六年（959年），落成于北宋建隆二年（961年），至今已有一千多年历史。这座江南最古老的大型砖塔在建造时地基就有局部沉降，以后历次修葺，并没有控制住

8、塔身倾斜。1976年，该塔出现危险情况，塔墩裂开，墩砖压碎，当时有关部门立即采取临时排险措施。1981年，又进行了第二次加固修缮。使这座古塔控制了倾斜。经测定，塔身的倾斜度和沉降都处于稳定状态，现在塔顶中心偏离塔底中心2.32m，塔身倾斜度为2.47度，被国外建筑学家称为“中国的比萨斜塔”。,上海展览中心馆严重下沉： 展览馆中央大厅为框架结构，箱形基础；两翼采用条形基础。箱形基础两层，埋深7.27m。箱基顶面至中央大厅顶部塔尖总高96.63m。由于地基严重下沉，使散水倒坡，建筑物室内外联接、内外各种管网发生断裂，维护、更新付出了相当的代价。,地基为高压缩性淤泥质软土，1954年5月开工后，当年

9、年底实测地基平均下沉量为60cm。1957年6月，中央大厅周围沉降量最大146.55cm，最小122.8cm。以后20年中仅下降20多厘米。 由于地基严重下沉，使散水倒坡，建筑物室内外联接、内外各种管网发生断裂，维护、更新付出了相当的代价。,加拿大特朗斯康谷仓： 加拿大特朗斯康谷仓平面呈矩形，长59.44 m,宽23.47 m。高31.0m。容积36368 m3。谷仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，共5排65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，厚61cm，基础埋深3.66m。 谷仓于1911年开始施工，1913年秋完工。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后满载总重量的42 5% 。1913

10、年9月起往谷仓装谷物，仔 细地装载，使谷物均匀分布、10月当谷仓装了31822m3谷物时，发现1小时内垂直沉降达30.5cm。结构物向西倾斜，并在24小时间谷仓倾倒，倾斜度离垂线达26o53。谷仓西端下沉7.32m，东端上抬端下沉7.32m，东端上抬1.52m。 1913年10月18日谷仓倾倒后，上部钢筋混凝土筒仓艰如盘石，仅有极少的表面裂缝。,精通先例：强度与稳定性问题,谷仓的场地位于冰川湖的盆地中，地基中存在冰河沉积的粘土层，厚12.2m；粘土层上面是更近代沉积层，厚3.0m。粘土层下面为固结良好的冰川下冰碛层，厚3.0 m。从不扰动的粘土试样测得：粘土层的平均含水量随深度而增加从40到约

11、60；无侧限抗压强度qu从118.4kPa减少至70.0kPa ，平均为100.0kPa；平均液限wL=105%，塑限wP=35，塑性指数IP=70。表明这层粘土是高胶体高塑性的。 加拿大特朗斯康谷仓发生地基滑动强度破坏的主要原因：对谷仓地基土层事先未作勘察、试验与研究，采用的设计荷载超过地基土的抗剪强度，导致这一严重事故。由于谷仓整体刚度较高，地基破坏后，筒仓仍保持完整，无明显裂缝，因而地基发生强度破坏而整体失稳。,九江市长江城防堤决口处位于九江段45号闸之间，堤外(迎水面)是一片河滩地，事故发生时水深约3m，长江水位22.83m。紧靠城防堤后有一个深水塘(由古河道形成的)，面积约0.33k

12、m2，事故发生时水塘水位约19m。决口段城堤主要由钢筋混凝土防洪墙、土堤和堤脚浆砌石挡墙等组成。 1998年8月7日12时50分，发现堤脚水塘冒水，有3个泡泉冒浑水，水柱高20cm，直径约10cm，随即用沙包堵压未压住。13时12分，又发现干堤迎水面离堤脚820m的江面有3个漩涡，险情继续扩大。至13时40分，干堤顶部发生坍塌，直径约2m，江水随即从坍塌处涌出，干堤被冲毁，形成一个宽50m的大决口，决口处的流量为300m3/s，流速为3m/s，水位落差3m多。,精通先例：渗透变形与破坏,长江中下游堤基土层示意图,赵州桥 隋朝石工李春所修赵州石拱桥、不仅因其建筑和结构设计的成就而著称于世，就论其

13、地基基础的处理也是颇为合理的。他把桥台砌置于密实租砂层上，1300多年来估计沉降约几厘米。现在验算其基底压力约500600kPa，这与以现代土力学理论方法给出的承教力值很接近。,精通先例：成功实例,第一章 绪论,总结： 与土有关的工程问题归结为以下三个方面：土工结构或地基 土的特性强度问题 强度特性变形问题 变形特性渗透问题 渗透特性土质学与土力学研究上述特性，解决上述问题。,二、土质与土力学研究对象与研究内容,第一章 绪论,1、研究对象土和土体 土质及土力学是将土作为建筑物的地基、围岩介质和建筑材料进行研究的一门学科。 （1）土的概念 土是在漫长的地质历史过程中形成的由多种矿物集合而成的多相

14、分散体系。简单地说，土是最新地质时期的松散沉积物，是由岩石经物理和化学风化作用后的产物。,第一章 绪论,（2）土体的概念 由于形成环境的变化以及土形成以后的经受的变化等原因，土内往往存在各种层理等物性界面以及节理、裂缝等结构面，而且土赋存于一定的地质环境中。因此，土体是指在地质历史过程形成的，由土和上述结构面组成的，具有一定的微观和宏观结构特征，赋存于一定的地应力状态下和地下水等地质环境中的地质体。,第一章 绪论,2、土质与土力学研究内容 （1）土质学 土质学属于地质的范畴，是工程地质学的重要组成部分，是从工程地质观点对土进行研究，是地质学的观点和力学的观点的有机结合，理论性和实践性均很强。

15、土质学从土的成因及成分出发，研究土的工程性质的本质和机理。对土在荷载、温度及湿度等因素作用下发生的变化做出数量上的评价，并根据土的强度、变形机理提出改良土质的有效途径。,第一章 绪论,（2）土力学的研究内容 土力学属于工程力学的范畴，运用力学原理，结合土的分散体系特征把土作为物理力学系统，根据土的应力应变强度关系，提出力学计算模型，用数学力学方法求解土在各种条件下的应力分布、变形以及土压力、地基承载力与土坡稳定性等课题。同时根据土的实际情况评价各种力学计算方法的可靠性和适用条件。其力学计算模型必须建立在现场勘察和实测土的计算参数（即工程地质性质指标）的基础上。因此，土力学也是理论性和实践性很强

16、的学科。,第一章 绪论,（3）土质学与土力学的关系 相互渗透，相互结合，定性分析与定量研究相结合。,三、土质与土力学的研究方法,第一章 绪论,1、地质分析法定性研究,2、试验方法定量研究的基础、验证,3、计算方法定量研究,四、土质与土力学的发展简史,第一章 绪论,1、十八世纪前古建筑、古工程等,2、十八-十九世纪库仑定律、达西定律、库仑和朗肯经典土压力理论等,3、二十世纪普朗特尔极限承载力、太沙基有效应力原理与渗透固结理论、土力学出版等,4、新进展新的分科产生，实行岩土工程师制,第一章 绪论,岩土工程师的职责： 掌握岩土工程特点，严格之行国家规范、规程，确保第一手资料的正确性和完整性，论证和评价结论的可靠性和合理性； 采用先进勘察手段和评价方法，以最合理的勘察工作量，取得最佳的勘察成果； 提出岩土工程评价结论、基础方案、地基改良和施工方案，预测环境地质问题及预防措施； 在岩土工程勘察、设计、施工和监理的全过程承担技术责任：提出地基改良方案，推荐基础最佳施工方案，指导岩土工程施工和监理，指导岩土工程在运营和使用期间的长期观测等。,