[工学]土木工程概论土力学.ppt

主讲教师：土木工程系 冯 锦 艳,岩土工程,土木工程,第一部分 土力学,第二部分 基础工程,第三部分 本学科发展现状,概述,土力学与地基基础,什么是地基？什么是基础？,地基： 承受建筑物、构 筑物荷载的土。,基础： 建筑物、构筑物 的下部结构。,加拿大特朗斯康谷仓,该谷仓为65个圆桶仓组成的整体，长度59.44m，宽度23.47m，高度31.00m。基础为钢筋混凝土筏板基础，筏板厚61cm，埋深3.66m。,1911年谷仓动工，1913年秋季完工。 1913年9月起往谷仓装谷物。10月，当谷仓已装载31822m3时，发现谷仓严重下沉。 1小时内竖向沉降30.5cm，结构向西倾斜。 24小时内，谷仓整体倾倒，倾斜度达2653,西端下沉7.32m，东端反而上台1.52m。 原因：地基严重超载，加荷速率太快，发生强度破坏，即剪切破坏，引起地基整体滑动。 谷仓倾倒后，经检查上部结构筒仓完好，后采用墩基支托法矫正。就是在谷仓筏板基础下，新做了70多个底端支撑在岩层上的砼墩子，使用了388 个50t级千斤顶，将倾倒的基础慢慢顶起。但新基础底面比原基础底面降低了5米多。,1972年7月18日早晨7点，香港地区发生一次大滑坡。数万立方米的残积土从山坡上向下滑动。,滑坡大体积下滑的巨大冲击力正好通过建在山坡上的一栋高层住宅宝城大厦，顷刻之间宝城大厦被冲毁倒塌，并且在大厦倒塌之际砸毁了邻近一栋大楼的一角。因为滑坡发生在早上7点，人们都在睡梦中，当场死亡120人。这是世界罕见的由于房屋倒塌造成的重大伤亡事故。 原因：该处地基土为花岗岩的残积土，土质差，强度低，土的孔隙大，渗透性大。在当年56月下了特大暴雨，为历史罕见。长期的暴雨使雨水渗入土体中相当深，使土的强度降低，下滑力超过了土的抗剪强度，于是发生了大体积的滑坡。,香港宝城大厦,意 大 利 比 萨 斜 塔,问题：到1990年，塔顶离开竖向中心线的水平距离已超过5m，倾斜度已达6 0。意大利政府决定国际招标，使斜塔“改斜归正”。 原因：地基持力层为粉砂层，下面为粉土和粘土，强度较低，变形较大。 纠偏方法：开始在塔的北面加上了661吨的铅块配重，但效果不明显。从1999年1月开始逐渐地挖出斜塔北面地基下的土壤，从而巧妙地将斜塔纠偏。 现状：2000年初，它已被纠偏回14cm，恢复到了100年前的状态。已从2001年开始接待游客。,1173年动工,1590年，伽里略，自由落体试验。,Teton 坝（美国）,概况： 土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事。,损失： 直接8000万美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因： 渗透破坏水力劈裂,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。,Teton 坝（美国）,11：00左右 洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加。,Teton 坝（美国）,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。,Teton 坝（美国）,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton 坝（美国）,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下。,Teton 坝（美国）,12：00过后 坍塌口加宽。,Teton 坝（美国）,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁。,Teton 坝（美国）,失事现场目前的状况,Teton 坝（美国）,一、土中水及其流动 二、地基内的应力 三、沉降 四、土的抗剪强度 五、土体稳定分析,第一部分 土力学,土（土质材料）的特征： 土通常是由土颗粒、水和空气组成的三相混合体。 （1）饱和土 （2）干燥土 （3）不饱和土,气体,固体,液体,地基 挡土墙 边坡(side slope) 为保证路基稳定，在路基两侧做成的具有一定坡度的坡面。,公路边坡,桥梁边坡,雨水滑坡,地震滑坡,土层锚杆,边坡支护,用圆铝棒做的试验,边坡稳定分析 条分法,地基 挡土墙 支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。 边坡,主动土压力,被动土压力,静止土压力,一、土中水及其流动,板桩下的流网图 大坝下的流网图,水头高的地方流向水头低的地方,一、土中水及其流动 二、地基内的应力 三、沉降 四、土的抗剪强度 五、土体稳定分析,第一部分 土力学,地基中的附加应力,二、地基内的应力,分布范围相当大，它不仅分布在荷载面积之内，而且还分布到荷载面积之外。 在离基础底面不同深度z处各个水平面上，以基底中心点下轴线处的 为最大，离开中心轴线愈远的点 越小。 在荷载分布范围内任意点竖直线上的值，随着深度增大逐渐减小。,地基中附加应力： 地基中附加应力是有建筑物荷载在地基内力引起的应力，通过土粒之间的传递，向水平与深度方向扩散，附加压力逐渐减小。,三、沉降,自重 应力不引起地基沉降， 附加应力引起地基沉降。 自重应力 在 地下水位下降 、 大面积堆土 等情况下也会引起地面沉降 。,三、沉降,三、沉降,三、沉降,三、沉降,三、沉降,地基的应力分布,地基的沉降,地基的稳定性,承载力校核,沉降量校核,pf,沉降差,四、土的抗剪强度,土的抗剪强度,直接剪切试验,四、土的抗剪强度,优点： 直剪仪构造简单，操作简单，在一般工程中应用广泛。 缺点： a.不能严格控制排水条件，不能量测试验过程中试样的孔隙水压力。 b.剪切面不是沿土样最薄弱的面剪切破坏。,三轴压缩试验,四、土的抗剪强度,优点： 能严格控制排水条件，从而量测试验过程中试样的孔隙水压力，以测定获得土中有效应力的变化情况。 试样中的应力分布不均匀，所以，试验效果比直剪试验成果更可靠、准确。 缺点： 试验仪器较复杂，操作技术要求高，且试样制备比较麻烦。 试验是在轴对称情况下进行的。,五、土体稳定分析,一、 基础的类型 二、桩基础 三、地基处理,第二部分 基础工程,一、基础的类型,独立基础,条形基础,十字交叉基础,片筏基础,箱型基础,桩筏基础,独立基础,用于单层工业厂房及框架结构,独立基础,条形基础,墙下条形基础,条形基础,柱下条形基础,十字交叉基础,片筏基础,片筏基础,箱型基础,用于高层建筑,二、桩基础,端 承 桩,摩 擦 桩,预 制 桩,灌 注 桩,碎 石 桩,钢 管 桩,钢 板 桩,钢 筋 混 凝 土 桩,混 凝 土 桩,砂 桩,按受力分,按施工方法分,按材料分,桩,桩基础,端承桩 摩擦桩,端承型桩：是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计的桩。 摩擦型桩：是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承受。,预制桩施工,接桩,预制桩施工,桩基静载试验,复合地基静载试验,三、地基处理,强夯置换法,用直径1.2m、高度2.2m，重达200kN的筒型钢锤，从20m高度处落下以4000kN.m的能量夯击地基，形成一,个直径约1.5m的深坑，再在此坑中填入级配石块后再重复夯击，如此反复，在地下形成一个块石墩。这样的块石墩与原地基一起形成复合地基。 如中央美术学院的两个运动场地基加固采用该方法，在地下形成了直径.5m，长度6m的块石墩。复合地基的承载能力可达kPa 缺点：震动大，扰民。,柱锤冲击挤密碎石桩复合地基,施工现场,填石,成孔,高压喷射注浆法（旋喷桩）,注浆压力达到50MPa的水泥浆喷射流,旋喷桩,成桩直径6001200mm,“砂袋”综合施工法,用砂袋堆积的挡土墙,用砂袋堆积的挡土墙,“砂袋”综合施工法,把砂袋用于浅基础,在筏基下全面铺设砂袋,“砂袋”综合施工法,采用砂袋补强铁路的路基和地基,“砂袋”综合施工法,本学科的产生及发展,岩土工程既是一项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学。 在史前的建筑活动中，世界文化古国的远古先民就已创造了自己的地基基础工艺，如我国西安的半坡遗址。 作为本学科基础理论的土力学的发展，始于18世纪兴起了工业革命的欧洲。直到1925年太沙基（Terzaghi)归纳发展了以往的成就，发表了土力学（Erdbaumechanik)一书，从此土力学、地基基础就作为独立的学科而取得不断的进展。,西安半坡遗址 有土台和石基,本学科的产生及其发展,万里长城 举世闻名，穿越各种地质条件的广阔地区，被誉为世界一大奇观。,本学科的产生及其发展,赵洲桥 为隋朝石工李春所建，他把石台砌筑于密实的粗砂 层上，一千三百多年来估计沉降仅几厘米。,本学科的产生及其发展,21世纪岩土工程发展展望,一、区域性土分布和特性的研究 例，沙漠砂/黄土/软土 二、本构模型研究 三、不同介质间相互作用 例，高层结构、基础、土共同工作,四、岩土工程测试技术 例，现场原位测设技术 五、岩土工程问题计算机分析 六、岩土工程可靠度分析 例，危旧房鉴定,21世纪岩土工程发展展望,21世纪岩土工程发展展望,七、环境岩土工程研究 例，垃圾处理 八、按沉降控制设计理论 九、基坑工程维护体系稳定和变形 例，工程经验积累及理论研究,21世纪岩土工程发展展望,十、复合地基 例，灰土/砂桩 十一、地震荷载作用下地基性状 例，隔振技术 十二、特殊岩土工程问题研究 例，核废料的埋放/地下空间利用,香港海底隧道,思考题,1、什么是基础？什么是地基？两者的关系是什么？ 2、什么是摩擦型桩、什么是端承型桩？其受力的最大区别是什么？ 3、什么叫做挡土墙？挡土墙土压力分为哪几种？ 4、谈谈你对地下空间开发利用的看法。,谢 谢 各 位,结 束,