土力学冯老师第一章绪论

土力学Soil Mechanics冯晓腊 教授 13807163182崔德山 副教授、注册土木工程师 本课程安排和要求本课程安排和要求教学环节教学环节：理论课理论课 (36(36学时学时)实验课实验课 (6(6次次 1212学时学时)考核及成绩：考核及成绩：6060 （期末考试：闭卷）（期末考试：闭卷）2020 （实验：预习操作报告）（实验：预习操作报告）2020 (考勤考勤+作业作业)理论课、实验课必须出席，不定期点名理论课、实验课必须出席，不定期点名试验：注意观察，联系理论，动手操作试验：注意观察，联系理论，动手操作独立按时完成作业。抄袭、迟交或不认真独立按时完成作业。抄袭、迟交或不认真完成者在平时成绩中扣分。为鼓励个人独完成者在平时成绩中扣分。为鼓励个人独立完成，作业错误不扣分。立完成，作业错误不扣分。课程要求：课程要求：1.课前课后教室答疑课前课后教室答疑2.平时教师和助教办公室答疑平时教师和助教办公室答疑3.根据要求，安排集中答疑根据要求，安排集中答疑4.期末集中答疑期末集中答疑答疑安排：答疑安排：主讲：主讲：冯晓腊冯晓腊 教授教授助教：崔德山助教：崔德山 副副教授教授试验：聂良佐试验：聂良佐 工程师工程师答疑：张答疑：张 姝姝 硕士硕士冯晓腊 冯晓腊，教授。1996.8 武汉丰达地质工程有限公司总经理总经理。1武汉汉口万达广场深基坑支护与降水工程武汉汉口万达广场深基坑支护与降水工程2009年年600万元万元2武商摩尔城深基坑降水工程武商摩尔城深基坑降水工程2009年年120万元万元3中南路地铁降水工程中南路地铁降水工程2009年年105万元万元4岳家嘴地铁站基坑支护与降水工程岳家嘴地铁站基坑支护与降水工程2010年年230万元万元5地质灾害对湖北电网安全的影响及对策研究地质灾害对湖北电网安全的影响及对策研究2010年年23万元万元第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 土力学的研究对象土力学的研究对象第二节第二节 土力学研究内容与方法土力学研究内容与方法第三节第三节 土力学发展简史与未来展望土力学发展简史与未来展望目目 录录第一节 土力学的研究对象 说明该问题时必须引出的几个概念说明该问题时必须引出的几个概念 1、土力学（、土力学（Soil Mechanics）：研究土的碎散特性及受力后所表现出的力学性质。包括应力、应变、强度、稳定性和渗透规律等。2、土、土各类岩石经长期地质营力作用风化后的产物，它是由岩石碎块和矿物颗粒组成的松散集合体。岩石岩石地球风化风化颗粒集合体颗粒集合体地球 3、土体土体某一研究范围内的土或存在于一定地质环境中的地质体。4、土体的特性、土体的特性松散性、孔隙性、多相性。砾石料 卵 石 砂 粘 土 5、地基（、地基（Ground）由于上部建筑物荷重的作用，使一定范围内地层的应力状态发生变，这一范围内的地层成为地基。6、基础（、基础（Foundation）与地基接触的建筑物下部结构。一般置于地面以下，起着传递荷载的作用。11上部结构2基础3地基2土力学与其他学科的比较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力学水力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 研究对象：土体研究对象：土体建筑介质建筑地基建筑材料 解决的主要问题解决的主要问题土体的变形土体的强度变形过大变形过大强度不够强度不够 几个强度问题的实例！加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：19131913年年9 9月开始装谷物，月开始装谷物，至至1010月月1717日共装入日共装入3 3万多万多谷物，但此时发生破坏：谷物，但此时发生破坏：1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm 24 24小时倾斜小时倾斜26265353 西端下沉西端下沉7.32m7.32m 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：概况：长长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565个圆筒仓。钢混筏板个圆筒仓。钢混筏板基础，厚基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。19131913年完工，自重年完工，自重2 2万万T T。处理：处理：事后在下面做了事后在下面做了7070多个支撑于基岩上的混凝土墩，使多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来但其位置比原来降低了降低了米。米。原因：原因：谷仓的地基承载力谷仓的地基承载力按邻近建筑物基槽开挖取按邻近建筑物基槽开挖取土试验结果计算。土试验结果计算。19521952年年经勘察试验与计算，地基经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因坏时发生的基底压力。因此谷仓地基因此谷仓地基因超载发生强超载发生强度破坏而滑动度破坏而滑动。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 1972 1972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米方米残积土残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7 7人。人。香港宝城滑坡香港宝城滑坡1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后 原因：原因：山坡上残积土本身强度较低，加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，使得之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发于是山坡土体发生滑动。生滑动。阪神大地震中的地基液化阪神大地震中的地基液化 液化：液化：松砂地基在振动荷载作用下丧松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变成流动状态的一种现象。失强度变成流动状态的一种现象。神户码头：神户码头：地震引起大面积地震引起大面积砂土地基液化后产砂土地基液化后产生很大的侧向变形生很大的侧向变形和沉降，大量的建和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严筑物倒塌或遭到严重损伤重损伤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。1964年日本新泻地震地基的大面积液化可归结为与可归结为与土土有关的有关的强度问题强度问题F 加拿大特朗斯康谷仓地基失稳加拿大特朗斯康谷仓地基失稳F 香港宝城滑坡香港宝城滑坡F 阪神等大地震中地基液化阪神等大地震中地基液化F 日本新泄地震引发的砂土液化日本新泄地震引发的砂土液化案例总结（一）几个变形问题的实例！比比 萨萨 斜斜 塔塔11731173年：动工年：动工13601360年：再复工，至年：再复工，至13701370年竣工，年竣工，全塔共全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m12721272年：复工，经年：复工，经6 6年，至年，至7 7层，层，高高48m48m，再停工，再停工11781178年：至年：至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工因倾斜停工此时：塔向南倾斜，南北两端沉此时：塔向南倾斜，南北两端沉降差降差1.80m，塔顶离中心线已达，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜，倾斜5.5原因原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，压缩性高，变形大。和粘土层，压缩性高，变形大。15901590年年:伽利略在此塔做伽利略在此塔做 自由落体实验自由落体实验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：加固塔身，用压重月：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。已向游人开放。处理措施处理措施比比 萨萨 斜斜 塔塔苏州虎丘塔苏州虎丘塔F概况：位于苏州虎丘公园山顶，概况：位于苏州虎丘公园山顶，建于宋太祖建隆二年建于宋太祖建隆二年(公元公元961年年)。塔高。塔高47.5m，平面呈八角形。，平面呈八角形。F问题：塔身向东北方向严重倾斜，问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达塔顶离中心线达2.31m，底层塔，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑身发生不少裂缝，成为危险建筑物。物。F原因原因：坐落于不均匀粉质粘土层，：坐落于不均匀粉质粘土层，产生不均匀沉降。产生不均匀沉降。F处理处理：在四周建造一圈桩排式地：在四周建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行下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身。钻孔注浆和打设树根桩加固塔身。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：18018010106 6m m3 3平均厚度：平均厚度：33m33m世界最大的人工岛世界最大的人工岛日本关西机场日本关西机场问题：沉降大且不均匀问题：沉降大且不均匀 设计沉降：设计沉降：5.7-7.5 m 完成时完成时(1990年年)实际沉降：实际沉降：8.1 m，5cm/月月 预测主固结需：预测主固结需：20年年可归结为与土有关的可归结为与土有关的变形问题变形问题F 意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔F 苏州虎丘塔苏州虎丘塔F 日本关西机场日本关西机场案例总结（二）土坝，土坝，高高90m90m，长长1000m1000m，19751975年建成年建成次年次年6 6月失事月失事TetonTeton坝（美国）坝（美国）损失：损失：直接直接8000万美元，起诉万美元，起诉5500起，起，2.5亿美元，死亿美元，死14人，受灾人，受灾2.5万人，万人，60万亩土地，万亩土地，32公里铁公里铁路路原因：渗透破坏水力劈裂原因：渗透破坏水力劈裂上午上午10:3010:30 11 11：000011:3011:3011:5711:571212：0000过后过后 坍塌口加宽。坍塌口加宽。洪水扫过下游谷底，附近所洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁。有设施被彻底摧毁。失事现场目前的状况。失事现场目前的状况。上海世纪广场1998年长江大堤九江大堤决口九江大堤决口1998年年8月月7日日13:10发生管涌发生管涌险情，险情，20分钟后，在堤外迎分钟后，在堤外迎水面找到水面找到2处进水口。处进水口。又过又过20分钟，防水墙后的土分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出堤突然塌陷出1个洞，个洞，5 m宽宽的堤顶随即全部塌陷，并很的堤顶随即全部塌陷，并很快形成宽约快形成宽约62m的溃口。的溃口。溃口原因：溃口原因：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，通在渗流作用下，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。过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。堤基管涌可归结为与土有关的可归结为与土有关的渗透问题渗透问题F 美国美国TetonTeton坝失事坝失事F 长江大堤长江大堤F 九江大堤决口九江大堤决口案例总结（三）第二节第二节 土力学的研究内容和方法土力学的研究内容和方法 一、研究内容是沿着土体受力后变形和强一、研究内容是沿着土体受力后变形和强度问题展开的度问题展开的 基本理论基本理论：1 有效应力原理 2 土内的应力分布理论 3 渗透固结理论 4 抗剪强度理论 实践应用实践应用：1 地基变形计算 2 地基承载力计算 3 土坡稳定性验算 4 土压力计算 二、研究方法：二、研究方法：1 地质调查 2 现场和室内试验 3 建立数学模型进行计算 三、与相关学科的结合与渗透三、与相关学科的结合与渗透 1、研究土的理化特性涉及学科：工程地质学、第四纪地质学和地貌学、物理化学、胶体化学。2、研究土的力学特性涉及学科：理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学。3、研究土体中水的运动问题涉及学科：水力学、地下水动力学、水文地质学。第三节第三节 土力学发展简史与未来发展土力学发展简史与未来发展 一、许多经典理论发展过程一、许多经典理论发展过程 1、1733年 法国Cou Lomb砂土抗剪强度砂土抗剪强度公式、挡土墙上土压力理论公式、挡土墙上土压力理论 2、1856年 法国Darcy H创立了砂性土的砂性土的Darcy公式公式 3、1857年 Rankine WJM创立了朗肯土压土压力理论力理论 4、1855年 法国Boussinesq J（布辛奈斯克）竖向荷载作用下应力计算公式竖向荷载作用下应力计算公式 5、1920年 瑞典Fellenius边坡圆弧滑动面边坡圆弧滑动面分析法分析法 6、1925年 美国Terzaghi有效应力原理、有效应力原理、渗透固结理论渗透固结理论 7、20世纪50年代完善和发展已有理论 8、黄文熙教授非均质地基的应力分布、非均质地基的应力分布、考虑侧向变形的沉降计算方法考虑侧向变形的沉降计算方法 9、陈宗基教授粘性土的流变模式及次固粘性土的流变模式及次固结理论结理论二、现阶段几个主要的发展方向二、现阶段几个主要的发展方向 1、室内和原位测试技术和仪器设备的研究 2、土的本构关系：应力应变非线性关系的数学模型，如邓肯和张模型、剑桥模型等 3、计算技术的研究 4、模型试验和现场监测 5、宏观和微观研究相结合。本章思考题本章思考题1.土力学、地基、基础的概念？土力学、地基、基础的概念？2.土受力后，可能会产生哪些工程问题？与土受力后，可能会产生哪些工程问题？与房屋建筑工程相关的有哪些？房屋建筑工程相关的有哪些？3.土力学的研究内容？土力学的研究内容？4.你身边的土力学现象有哪些？你身边的土力学现象有哪些？教材、参考书1.方云，林彤方云，林彤.土力学（第二版）土力学（第二版）.武汉：中国地质大学出版社，武汉：中国地质大学出版社，20122.陈希哲编著陈希哲编著.土力学地基基础土力学地基基础.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，20043.东南大学等合编东南大学等合编.土力学（第二版）土力学（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，20054.杨小平主编杨小平主编.土力学土力学.广州：华南理工大学出版社广州：华南理工大学出版社,20015.张孟喜主编张孟喜主编.土力学原理土力学原理.武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，20066.赵明华主编赵明华主编.土力学与基础工程土力学与基础工程.武汉：武汉理工大学出版社，武汉：武汉理工大学出版社，20037.赵成刚，白冰主编赵成刚，白冰主编.土力学原理土力学原理.北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社2009 7.莫海鸿等主编莫海鸿等主编.8.土力学及基础工程学习辅导与习题精解土力学及基础工程学习辅导与习题精解.北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，20069.李相然著李相然著.土力学应试指导土力学应试指导.北京：中国建材工业出版社，北京：中国建材工业出版社，200110.文杰主编文杰主编.土力学及基础工程习题集土力学及基础工程习题集.北京：中国建材工业出版社，北京：中国建材工业出版社，20041.清华大学http:/166.111.92.13/apply/teacher/course_preview_index.jsp?curid=63&coursename=土力学&curstyle=violet&from=manager&starts=null&orderitem=curlevel 2.河海大学http:/ 3.长安大学 http:/ 4.西安建筑科技大学 http:/ 5.安徽理工大学 http:/ http:/ 7.麻省理工学院土力学开放式课程 http:/ http:/