清华大学土力学课件绪论

1、1土 力 学2u土，地之生万物者也。土，地之生万物者也。二二象象地之上，地之中；地之上，地之中；| |物出形也。物出形也。 说文解字说文解字u希腊，中国，希伯来人，印第安希腊，中国，希伯来人，印第安人的神话：神用泥土造人人的神话：神用泥土造人u中国传统文化中的五行：金木水中国传统文化中的五行：金木水火土火土土3什么是土？什么是土？土有哪些特点？土有哪些特点？土力学有何特点？土力学有何特点？为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？土力学包括哪些内容？土力学包括哪些内容？如何学好土力学？如何学好土力学？绪 论4土土是指：是指： 地球表面的整体岩石在大气中地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用

2、而形成的、经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。或胶结很弱的颗粒堆积物。绪论风化风化岩石岩石地球颗粒堆积物颗粒堆积物地球什么是土？什么是土？5土有哪些特点？土有哪些特点？绪论6碎散性碎散性土有哪些特点？土有哪些特点？非连续介质非连续介质l 受力以后易变形受力以后易变形l 体积变化主要是孔隙变化体积变化主要是孔隙变化l 剪切变形主要由颗粒剪切变形主要由颗粒 相对位移引起相对位移引起l 强度低强度低绪论岩石风化岩石风化的产物的产物7多相介质多相介质三相性三相性（三相体系）（三相体系） 受力后由土骨架、孔隙介受力后由土骨架、孔隙介

3、 质共同承担质共同承担 存在复杂的相互作用存在复杂的相互作用 孔隙流体流动孔隙流体流动绪论土有哪些特点？土有哪些特点？固相固相土骨架土骨架液相液相水水气相气相空气空气8天然性天然性（自然变异性）（自然变异性）自然界的产物自然界的产物绪论土有哪些特点？土有哪些特点？非均匀性非均匀性各向异性各向异性结构性结构性时空变异性时空变异性9碎散性碎散性三相性三相性天然性天然性力学特性力学特性复杂复杂 变形特性变形特性 强度特性强度特性 渗透特性渗透特性绪论土有哪些特点？土有哪些特点？10土力学有何特点？土力学有何特点？绪论学科学科研究对象研究对象理论力学理论力学 质点或刚体质点或刚体材料力学材料力学 单个

4、弹性杆件（杆、轴、梁）单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体连续固体结构力学结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性力学 弹性实体结构或板壳结构弹性实体结构或板壳结构水水 力力 学学 不可压缩的连续流体（水）不可压缩的连续流体（水）连续流体连续流体天然的三相碎散堆积物天然的三相碎散堆积物碎散材料碎散材料11土力学有何特点？土力学有何特点？土力学土力学绪论连续介质连续介质力学的基力学的基本知识本知识描述碎散体描述碎散体特性的理论特性的理论土的变形、强度和渗透特性以及与此有关的工程问题12土力学发展的历史1776 Coulomb 强度定律，土压力理论强度定律，土压力理

5、论1856 Darcy 定律定律1857 Rankine 新的土压力理论新的土压力理论1925 Terzaghi 有效应力原理及渗透固结理论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中国土力学研究的兴起绪论土力学有何特点？土力学有何特点？土力学土力学成为一门独立成为一门独立学科的重要标志学科的重要标志Terzaghi是土力学的是土力学的奠基人奠基人13为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？1.1.土具有广泛的工程应用土具有广泛的工程应用2.2.存在大量与土有关的工程问题存在大量与土有关的工程问题绪论141.

6、1. 土的工程应用土的工程应用 土工建筑材料土工建筑材料 建筑物基础之地基建筑物基础之地基 建筑环境建筑环境绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？152. 2. 与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：19131913年年9 9月装谷物，月装谷物，1010月月1717日装了日装了3182231822谷物时，谷物时，1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm2424小时倾斜小时倾斜26265353西端下沉西端下沉7.32m7

7、.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损概况：长概况：长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565个圆筒仓。个圆筒仓。 钢混筏板基础，厚钢混筏板基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。 1911 1911年动工，年动工，19131913年完工，自重年完工，自重20000T20000T。17与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？加拿大特朗斯康谷仓 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墩，使用事后在下面做了七十多个支撑于基岩上

8、的混凝土墩，使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，把仓体逐渐纠正过来，其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。位置比原来降低了米。 原因：原因：地基土事先未进行调查，地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。载力应用到此谷仓。19521952年经勘察试验与计算，地年经勘察试验与计算，地基实际承载力小于破坏时基实际承载力小于破坏时的基底压力。因此，的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动破坏而滑动。2653失事后1913.10.181952.

9、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18与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？香港宝城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附月某日清晨，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滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。角约五层住宅。死亡死亡7 7人。人。原因：原因：山坡上残积土本

10、身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大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。土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。19香港香港1900年建市，年建市，1977年成立土力工程署年成立土力工程署1972 Po Shan 滑坡滑坡 ( 20,000 m3)(67 死、死、20 伤伤)20Early 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后21与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？阪神大地震中地基液化神户码头：神户码头：地震引起大面积砂地震引起大面积砂

11、土地基液化后产生土地基液化后产生很大的侧向变形和很大的侧向变形和沉降，大量的建筑沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重物倒塌或遭到严重损伤损伤 液化：松砂地基在振动荷载作液化：松砂地基在振动荷载作用下用下丧失强度变成流动状态丧失强度变成流动状态的的一种现象一种现象22与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？阪神大地震中地基液化神户码头：神户码头：沉箱式岸墙因砂土地基液沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中化失稳滑入海中23与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？以上几个实例可归结为与土有关的强度问题24与土有关的工程问题与

12、土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m， 塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.513601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m12721272：复工，经复工，经6 6年，至年，至7 7层，高层，高48m48m，再，再停工停工11781178：至至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工，因倾斜停工11731173：动工动工原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土

13、和粘土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，层，模量较低，变形较大变形较大。1590:1590: 伽利伽利略在此塔做略在此塔做落体实验落体实验 25与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？比萨斜塔1838-18391838-1839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：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19901990年年1 1月月: : 封闭封闭19921992年年7 7月：月：加固塔身，用压重加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理目目 前前: : 已向游人开放。已向

14、游人开放。 处理措施26与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？虎丘塔问题：问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔塔身向东北方向严重倾斜，塔 顶离中心线已达顶离中心线已达2.31m2.31m，底层，底层 塔身发生不少裂缝，成为危险塔身发生不少裂缝，成为危险 建筑物而封闭。建筑物而封闭。概况：概况：位于苏州市虎丘公园山顶，落成位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元于宋太祖建隆二年（公元961961年）。全年）。全塔塔7 7层，高层，高47.5m47.5m，塔的平面呈八角形。，塔的平面呈八角形。原因：原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，坐落于不均匀粉质粘土

15、层上， 产生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式地下在塔四周建造一圈桩排式地下 连续墙并对塔周围与塔基进行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钻孔注浆和打设树根桩加固塔 身，效果良好。身，效果良好。2728与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？关西国际机场 世界最大人工岛19861986年：年：开工开工19901990年：年：人工岛完成人工岛完成19941994年：年：机场运营机场运营面积：面积：4370m4370m1250m1250m填筑量：填筑量6m m3 3平均厚度：平均厚度：3

16、3m33m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) )预测主固结完成：预测主固结完成：2020年后年后比设计超填：比设计超填：3m3m问题：沉降大且有不均匀沉降29与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？以上几个实例可归结为以上几个实例可归结为与土有关的变形问题变形问题30Teton坝坝概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6

17、6月失事月失事损失：损失：直接直接80008000万美元，起万美元，起诉诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元，死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，3232公里公里铁路铁路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？提堂坝位于美国爱达荷州斯内克提堂坝位于美国爱达荷州斯内克(Snake)(Snake)河支流提堂河支流提堂(Teton)(Teton)河上河上 31Teton坝坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。与土有关的工程问题与

18、土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？32Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？33Teton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？3411：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？3511:57 坝坡坍塌，泥水

19、狂泻而下Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？3612：00过后坍塌口加宽Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？37洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？38失事现场目前的状况Teton坝坝与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？九江大堤决口溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌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

20、进水口又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5 m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约62m的溃口。 与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？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。 堤基管涌与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？管涌砂

21、环砂性土堤基管涌破坏示意图砂性土堤基管涌破坏示意图管涌破坏当管涌发生时，当管涌发生时，渗流将导致向源渗流将导致向源侵蚀，使堤防基侵蚀，使堤防基础下部出现渗流础下部出现渗流通道通道当水头差足够大时，当水头差足够大时，侵蚀将加速并掏挖侵蚀将加速并掏挖堤防基础。形成通堤防基础。形成通道后极易引起溃决道后极易引起溃决与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？42以上几个实例可归结为与土有关的渗透问题与土有关的工程问题与土有关的工程问题绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？43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

22、 变形特性变形特性 渗透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。绪论为什么要学习土力学？为什么要学习土力学？44绪论土力学包括哪些内容？基础基础物理性质物理性质预备土中土中应力应力具体应用土压力土压力核心核心渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性45基础与主线基础与主线预备具体应用绪论土力学包括哪些内容？第一章第一章土的物理性质和工程分类土的物理性质和工程分类第二章第二章土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题第三章第三章土体中的应力计算土体中的应力计算第四章第四章土的变形特性和地基沉降计算土的变形特性和地基沉降计算第五章第五章土的抗剪强度土的抗剪强度土力学（土力学（2 2）城市岩土工程城市岩土工程高等土力学高等土力学环境岩土工程环境岩土工程土动力学与土工抗震工程土动力学与土工抗震工程渗透特性渗透特性变形特性变形特性强度特性强度特性46绪论如何学好土力学？注意土的基本特点注意土的基本特点 - - 通过与其它材料对比通过与其它材料对比 注重理论联系实际注重理论联系实际 - - 通过现场观察与试验通过现场观