土质土力学-1绪论

1、土质学与土力学土质学与土力学授课人：许江波授课人：许江波mail: 土，地之生万物者也。土，地之生万物者也。“二二”象地之上，地之象地之上，地之中；中；“|”物出形也。物出形也。说文解字说文解字 中国神话、希腊神话：神用中国神话、希腊神话：神用土土造人造人 中国传统文化中的五行：金、木、水、火、中国传统文化中的五行：金、木、水、火、土土 土：土：建筑物地基、建筑物地基、建筑材料与建筑物建筑材料与建筑物周围周围介质介质。绪绪 论论 土土是由岩石经过是由岩石经过物理风化物理风化和化学风化作用后的和化学风化作用后的产物，是由各种大小不同的产物，是由各种大小不同的土粒土粒按各

2、种比例组按各种比例组成的成的集合体集合体。岩石岩石颗粒堆积物颗粒堆积物 风化风化绪绪 论论土质学与土力学土质学与土力学土的工程性质土的工程性质的本质与机理的本质与机理土的应力、变形、强度土的应力、变形、强度以及与土有关的工程问题以及与土有关的工程问题 绪绪 论论绪绪 论论 1773 Coulomb 强度理论，强度理论，1776 土压力理论土压力理论 1856 Darcy 定律定律 1857 Rankine 朗金土压力理论朗金土压力理论 1885、1892 竖向集中力和线性荷载作用下的位移、应力竖向集中力和线性荷载作用下的位移、应力理论理论 1925 Terzaghi 有效应力原理及一维固结理论

3、有效应力原理及一维固结理论土力学土力学成为一门独立学科的重要成为一门独立学科的重要标志标志土力学的发展历史土力学的发展历史 黄文熙黄文熙土的工程性质土的工程性质 俞调梅俞调梅土质学与土力学土质学与土力学绪绪 论论 1950 电子计算技术引入，土工数值仿真方法迅速发展电子计算技术引入，土工数值仿真方法迅速发展 土体非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用土体非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用 土工测试技术的发展与应用（原位测试技术、室内模型试土工测试技术的发展与应用（原位测试技术、室内模型试验技术）验技术）土力学的发展历史土力学的发展历史绪绪 论论法国工程师，法国科学院院士。法国工程师

4、，法国科学院院士。1773 年，年， Coulomb 向法兰西科学院提交了论文向法兰西科学院提交了论文“最大最小原理在某些与最大最小原理在某些与建筑有关的静力学问题中的应用建筑有关的静力学问题中的应用”，提出了土的，提出了土的抗剪强度准则（即库仑定律抗剪强度准则（即库仑定律），），还对挡土结构上的土压力的确定进行了系统研究，首次提出了主动土压还对挡土结构上的土压力的确定进行了系统研究，首次提出了主动土压力和被动土压力的概念及其计算方法（即力和被动土压力的概念及其计算方法（即库仑土压理论库仑土压理论）。）。被认为是古典土力学的基础，他因此也称为被认为是古典土力学的基础，他因此也称为“土力学之始祖

5、土力学之始祖”。Charles Augustin de Coulomb (1736- 1806)重要的历史人物重要的历史人物绪绪 论论苏格兰土木工程师，苏格兰土木工程师，1855 年后担任格拉斯哥大学土木工程和力学系主任。年后担任格拉斯哥大学土木工程和力学系主任。Rankine 被后人誉为那个时代的天才，他在热力学被后人誉为那个时代的天才，他在热力学 、流体力学、流体力学 及土力学等及土力学等领域均有杰出的贡献。领域均有杰出的贡献。1857年年Rankine建立朗金土压力理论建立朗金土压力理论，至今仍在广，至今仍在广泛应用。泛应用。William John Maquorn Rankine(18

6、20 - 1872)绪绪 论论法国著名的物理学家和数学家。法国著名的物理学家和数学家。Boussinesq一生对数学物理中的所有分支（除电磁学外）都有重要的贡一生对数学物理中的所有分支（除电磁学外）都有重要的贡献。在流体力学方面，他主要研究涡流、波动、固体物对液体流动的阻力献。在流体力学方面，他主要研究涡流、波动、固体物对液体流动的阻力、粉状介质的力学机理、流动液体的冷却作用等方面。、粉状介质的力学机理、流动液体的冷却作用等方面。 1885年年Boussinesq提出提出地基表面竖直集中力作用下的理论解答地基表面竖直集中力作用下的理论解答，是土中应力解，是土中应力解答的基本理论。答的基本理论。

7、Valentin Joseph Boussinesq (1842-1929)绪绪 论论生于捷克的首都布拉格生于捷克的首都布拉格 ，毕业于奥地利的格拉茨（，毕业于奥地利的格拉茨（ Graz ）技术大学）技术大学 ，曾任地质工程师，曾任地质工程师 ，后分别在土耳，后分别在土耳其伊斯坦布尔技术大学、麻省理工学院、维也纳技术其伊斯坦布尔技术大学、麻省理工学院、维也纳技术大学和美国哈佛大学任教。大学和美国哈佛大学任教。被誉为土力学之父被誉为土力学之父 。1925 年，年，Terzaghi在维也纳出版了举世闻名的在维也纳出版了举世闻名的 Erdbaumechanik （土力学）（土力学），该书介绍了他所提

8、，该书介绍了他所提出的固结理论以及土压力、承载力、稳定性分析等理出的固结理论以及土压力、承载力、稳定性分析等理论，标志着土力学这门学科的诞生。论，标志着土力学这门学科的诞生。 1943 年，他还年，他还出版了出版了 Theoretical Soil Mechanics ，在这部不，在这部不朽的著作中，朽的著作中， Terzaghi 就固结理论、沉降计算、承载就固结理论、沉降计算、承载力、土压理论、抗剪强度及边坡稳定等问题进行了阐力、土压理论、抗剪强度及边坡稳定等问题进行了阐述。述。Terzaghi 还是许多重大工程的顾问，英国的还是许多重大工程的顾问，英国的Mission 大坝，大坝， 196

9、5 年被命名为年被命名为 Terzaghi 大坝大坝 。Terzaghi 曾是第曾是第13届届ISSMFE （国际土力学与基础工程学会）（国际土力学与基础工程学会）的主席的主席 。Karl von Terzaghi(1883 - 1963)绪绪 论论 为什么要学习为什么要学习土质学与土力学土质学与土力学？ 广泛的工程应用广泛的工程应用 大量与土有关的工程问题大量与土有关的工程问题。绪绪 论论 广泛的工程应用广泛的工程应用土工建筑材料、建筑地基、建筑环境土工建筑材料、建筑地基、建筑环境绪绪 论论 香港宝城滑坡香港宝城滑坡 141972 滑坡前滑坡前1972 滑坡后滑坡后 原因：原因： 山坡上残积

10、土本身山坡上残积土本身强度较低，加之雨强度较低，加之雨水入渗使其强度进水入渗使其强度进一步大大降低，使一步大大降低，使得得 土体滑动力超过土土体滑动力超过土的强度，于是山坡的强度，于是山坡土体发生滑动。土体发生滑动。绪绪 论论 龙桥隧道出口塌方龙桥隧道出口塌方 2004年年06月月21日龙桥隧道出口塌方日龙桥隧道出口塌方绪绪 论论 路面冻胀翻浆路面冻胀翻浆路面冻胀翻浆路面冻胀翻浆绪绪 论论事故：事故：1913年年9月装谷物，月装谷物，10月月17日装日装31822谷物，谷物，1小时竖向沉降小时竖向沉降达达30.5cm，24小时倾小时倾斜斜2653；西端下沉西端下沉7.32m；东端上抬东端上抬1

11、.52m上部钢上部钢混筒仓完好无损。混筒仓完好无损。加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓：长长59.4m，宽，宽23.5m，高，高31.0m，共，共65个圆筒仓。钢混筏板基础，厚个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm，埋深，埋深3.66m。1911年动工，年动工，1913年完工，自重年完工，自重20000T。绪绪 论论加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓2653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 原因：原因： 1952年经勘察试验与年经勘察试验与计算，计算，地基实际承载地基实际承载力

12、小于破坏时的基底力小于破坏时的基底压力压力。因此，谷仓地。因此，谷仓地基因超载发生强度破基因超载发生强度破坏而滑动。坏而滑动。 处理：处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用墩，使用388个个50t千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠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。正过来，其位置比原来降低了米。 绪绪 论论 液化：松砂地基在振动液化：松砂地基在振动荷载作用下荷载作用下丧失强度变丧失强度变成流动状态成流动状态的一种现象的一种现象 新干线的倾覆新干线的倾覆 地震引起大面积砂土地震引起大面积砂土地基液化后产生很大地基

13、液化后产生很大的侧向变形和沉降，的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤遭到严重损伤 阪神大地震中地基液化阪神大地震中地基液化绪绪 论论振前松砂的结构振中颗粒悬浮，有效应力为零振后砂土变密实排出的剩余孔隙水绪绪 论论松砂层地下水位地震荷载建筑物喷 砂地面下沉喷砂遗井排出的剩余孔隙水地震前 液化时 液化后绪绪 论论绪绪 论论 神户码头：神户码头： 沉箱式岸墙因砂土地基沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中液化失稳滑入海中阪神大地震中地基液化阪神大地震中地基液化绪绪 论论以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的强度问题强度问题绪绪 论论比萨斜塔比萨斜塔现

14、状：现状：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m， 塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m，倾斜，倾斜5.51360：再复工，至再复工，至1370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8层，高度为层，高度为55m1272：复工，经复工，经6年，至年，至7层，高层，高48m，再，再停工停工1178：至至4层中，高约层中，高约29m，因倾斜停工，因倾斜停工1173：动工动工1590: 伽利伽利略在此塔做略在此塔做落体实验落体实验 原因：地基持力层为粉砂，下面为原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，粉土和粘土层，模量较低，变形较变形较大大。绪绪 论论比萨斜塔比萨斜塔

15、1838-1839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理：基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固1990年年1月月: 封闭封闭1992年年7月月：加固塔身，用压重：加固塔身，用压重法和取土法进行地基处理、加固法和取土法进行地基处理、加固地基和抽走地下水，并以钢缆支地基和抽走地下水，并以钢缆支撑塔身撑塔身2001年年: 已向游人开放已向游人开放。 绪绪 论论虎丘塔虎丘塔问题：问题：塔身向东北方向严重倾斜塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达，塔顶离中心线已达2.31m，底，底层塔身发生不少裂缝，成为危险层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物而封闭。建筑物而封闭。原因：原

16、因：坐落于不均匀粉质粘土坐落于不均匀粉质粘土层上，产生层上，产生不均匀沉降不均匀沉降。处理：处理：在塔四周建造一圈桩排在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔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基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔加固塔 身，效果良好。身，效果良好。概况：概况：位于苏州市虎丘公园山顶，位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元落成于宋太祖建隆二年（公元961年）。全塔年）。全塔7层，高层，高47.5m，塔的，塔的平面呈八角形。平面呈八角形。绪绪 论论桥头跳车桥头跳车原因：原因：在车辆荷载、结构自重、自然因素作用下，桥梁与在车辆荷载、结构自重、自然因素作

17、用下，桥梁与道路同时发生沉降，但两者的沉降不均匀，形成错台。道路同时发生沉降，但两者的沉降不均匀，形成错台。绪绪 论论关西国际机场关西国际机场问题：沉降大且有不均匀沉降19861986年：开工年：开工19901990年：人工岛完成年：人工岛完成19941994年：机场运营年：机场运营面积：面积：4370m4370m1250m1250m填筑量：填筑量6m m3 3平均厚度：平均厚度：33m33m 设计时预测沉降：设计时预测沉降：5.7-7.5 m5.7-7.5 m 完成时实际沉降：完成时实际沉降：8.1 m8.1 m，5cm/5cm/月月(1990(1990年年) )

18、预测主固结完成比设计超填：预测主固结完成比设计超填：3m3m绪绪 论论极不均匀沉降：该地基土层为深厚的湖相沉积层，天然含极不均匀沉降：该地基土层为深厚的湖相沉积层，天然含水率高达水率高达 650 ，液限，液限 500 ， 塑性指数塑性指数 350 ，孔隙比，孔隙比 15 ，具有极高的压缩性，具有极高的压缩性。 墨西哥城某建筑墨西哥城某建筑绪绪 论论以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的变形问题变形问题绪绪 论论损失：损失：直接直接80008000万美元，万美元，起诉起诉55005500起，起，2.52.5亿美元，死亿美元，死1414人，人，受灾受灾2.52.5万人，万人，

19、6060万亩土地，万亩土地，3232公里公里铁路。铁路。 Teton坝坝概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建，建于于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂绪绪 论论10:3011:0011:3011:5011:57Teton坝坝失事过程失事过程绪绪 论论12：00之后洪水扫过一切Teton坝失事过程坝失事过程绪绪 论论 Teton坝失事之后坝失事之后绪绪 论论 九江大堤决口九江大堤决口20分钟后，防水墙后分钟后，防水墙后的土堤突然塌陷出的土堤突然塌陷出1个洞，个洞，5 m宽的堤顶

20、宽的堤顶随即全部塌陷，并很随即全部塌陷，并很快形成一宽约快形成一宽约62m的的溃口。溃口。溃口原因溃口原因：堤基管涌：堤基管涌绪绪 论论 堤基管涌堤基管涌长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图砂砂环环管管涌涌口口粘性土粘性土砂性土砂性土渗水渗水杂填土杂填土管涌：管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。 绪绪 论论以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的渗透问题绪绪 论论土工结构物或地基土强度问题强度问题变形问题变形问题渗透问题渗透问题 强度特性强度特性 变