土力学-绪论课件

土土 力力 学学 Soil Mechanics绪 论：土力学的主要内容及学习要求教学时间讲课时间312教学周，其中8学时为试验学时、40学时为理论学时教学要求讲课必须出席，不定期点名，迟到者记录；作业一周交一次，必须独立完成；试验课时，注意观察，联系理论，深入分析。参考资料教材：张孟喜，土力学原理，华中科技大学出版社，2007；参考：陈仲颐、周景星、王洪瑾，土力学，清华大学出版社，1994；龚晓南主编 土力学，中国建筑工业出版社，2002；R.F.Craig,CraigS Soil Mechanics(7th),2004.考核：平时成绩（平时成绩（2020）试验（）试验（1010）考试（）考试（7070）绪 论：内 容土力学的研究对象及作用土力学的发展概况土力学的学科特点土力学的主要内容及学习要求u土，地之生万物者也土，地之生万物者也 说文解字说文解字u希腊，中国，印第安人的神话：希腊，中国，印第安人的神话：神用泥土造人神用泥土造人u中国传统文化中的五行：金木水中国传统文化中的五行：金木水火土火土土绪 论：内 容绪 论：土力学的研究对象及作用地球表层的整体岩石在大气中经受长期的风化作用后地球表层的整体岩石在大气中经受长期的风化作用后形成形状各异、大小不同的颗粒，这些颗粒在不同的形成形状各异、大小不同的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境下形成的堆积物，就是天然土。自然环境下形成的堆积物，就是天然土。什么是土？什么是土？莫霍面莫霍面古登堡面古登堡面地球地球是太阳系中的一个是太阳系中的一个行星，其形状大致行星，其形状大致为椭球体，赤道半为椭球体，赤道半径稍长，约为径稍长，约为6378.2千米千米，极半径稍短，极半径稍短6356.8千米千米。地球的圈层构造地球的圈层构造-利用地震波在地球内部传播速度的变化，地球内部可以划利用地震波在地球内部传播速度的变化，地球内部可以划分为若干个同心的球形圈层。分为分为若干个同心的球形圈层。分为地壳、地幔、地核。地壳、地幔、地核。人类的生产活动目人类的生产活动目前还都局限在地壳的浅部。前还都局限在地壳的浅部。地壳地壳由原来的一团高温物质，逐渐冷却，在地球表面结成的一层薄壳。是由原来的一团高温物质，逐渐冷却，在地球表面结成的一层薄壳。是莫霍面以上地球的固体表层部分，厚度变化很大。莫霍面以上地球的固体表层部分，厚度变化很大。平约厚度约平约厚度约18千米左右千米左右（实际地壳厚度变化很大，按高山（实际地壳厚度变化很大，按高山高原高原平原平原浅海浅海大洋的次序渐次大洋的次序渐次变薄）。变薄）。地球地球是太阳系中的一个行是太阳系中的一个行星，其形状大致为椭星，其形状大致为椭球体，赤道半径稍长，球体，赤道半径稍长，约为约为6378.2千米千米，极，极半径稍短半径稍短6356.8千米千米。绪 论：土力学的研究对象及作用土力学是土力学是研究土体的物理性质及其在工程活动研究土体的物理性质及其在工程活动影响下的应力、变形、强度和稳定性影响下的应力、变形、强度和稳定性的学科。的学科。（1 1）强度问题：强度不足时会导致地基、基础及上）强度问题：强度不足时会导致地基、基础及上部结构失稳；部结构失稳；土力学的研究对象土力学要解决的问题（3 3）渗透问题：考虑渗流对土体变形和稳定的影响。）渗透问题：考虑渗流对土体变形和稳定的影响。（2 2）变形问题：变形或不均匀沉降超过允许值，建）变形问题：变形或不均匀沉降超过允许值，建筑物不能正常使用；筑物不能正常使用；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滑，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住宅巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-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塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。宅。死亡死亡7 7人。人。原因：原因：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。绪 论：土力学的研究对象及作用Early 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后绪 论：土力学的研究对象及作用汶川地震时滑坡绪 论：土力学的研究对象及作用地基液化引起房屋倒塌液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失液化：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。强度变成流动状态的一种现象。绪 论：土力学的研究对象及作用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 比萨斜塔比萨斜塔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。已向游人开放。处理措施绪 论：土力学的研究对象及作用苏州虎丘塔概况：位于苏州市虎丘公园山顶，概况：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961961年）。全塔年）。全塔7 7层，高层，高47.5m47.5m，塔的平，塔的平面呈八角形。面呈八角形。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，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达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。原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，产生不均匀沉降。产生不均匀沉降。处理：在塔四周建造一圈桩排式地处理：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钻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，效孔注浆和打设树根桩加固塔身，效果良好。果良好。绪 论：土力学的研究对象及作用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位于美国爱达荷州的位于美国爱达荷州的Teton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 6月失事月失事损失：损失：直接损失直接损失80008000万美元，万美元，起诉起诉55005500起，死起，死1414人，人，受灾受灾2.52.5万人，万人，6060万亩万亩土地，土地，3232公里铁路公里铁路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂Teton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。Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加Teton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。11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton坝坝11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton坝坝12：00过后坍塌口加宽Teton坝坝洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝坝失事现场目前的状况Teton坝坝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处进水口又过又过2020分钟，防分钟，防水墙后的土堤突水墙后的土堤突然塌陷出然塌陷出1 1个洞，个洞，5 m5 m宽的堤顶随宽的堤顶随即全部塌陷，并即全部塌陷，并很快形成一宽约很快形成一宽约62m62m的溃口。的溃口。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。堤基管涌绪 论：土力学的研究对象及作用岸坡侵蚀岸坡侵蚀绪 论：土力学的研究对象及作用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渗透问题绪 论：土力学的发展概况理论提高阶段u17731773年年C A Coulomb(France)C A Coulomb(France)根据试验创立了著名的砂土抗根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式，剪强度公式，17761776年提出了计算挡土墙土压力理论；年提出了计算挡土墙土压力理论；u18551855年年DarcyDarcy（FranceFrance）创立了土的渗透定律；）创立了土的渗透定律；u18571857年年,W J M Rankine(UK)W J M Rankine(UK)又从不同角度提出了挡土墙土又从不同角度提出了挡土墙土压力理论；压力理论；u18851885年年 J Boussinesq(France)J Boussinesq(France)求得了弹性半无限空间在竖向求得了弹性半无限空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解；集中力作用下的应力和变形的理论解；u19221922年年W Fellenius(Sweden)W Fellenius(Sweden)费兰纽斯，为解决铁路塌方问题费兰纽斯，为解决铁路塌方问题提出了土坡稳定分析法。提出了土坡稳定分析法。Charles Augustin de Coulomb(1736-1806)Coulomb 对土木工程、岩土工程以及自然科对土木工程、岩土工程以及自然科学和物理学（包括力学、电学和磁学）等都学和物理学（包括力学、电学和磁学）等都有重要的贡献（如物理学中著名的库仑定有重要的贡献（如物理学中著名的库仑定律）。律）。1774 年当选为法国科学院院士。年当选为法国科学院院士。称称为为“土力学之始祖土力学之始祖”。绪 论：土力学的发展概况形成独立学科阶段u19251925年美国年美国K.K.太沙基（太沙基（TerzaghiTerzaghi）归纳发展了以往的理论，发归纳发展了以往的理论，发表了表了土力学土力学专著，他被认为是专著，他被认为是土力学的奠基人土力学的奠基人。其中。其中有效应有效应力原理力原理的提出标志着土力学成为一门独立的学科；的提出标志着土力学成为一门独立的学科；u19361936年在美国召开第一届国际土力学与基础工程会议年在美国召开第一届国际土力学与基础工程会议1st(ICSMFE)International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering；u19431943年年K.K.太沙基出版了太沙基出版了Theoretical Soil MechanicsTheoretical Soil MechanicsTerzaghi Terzaghi 于于 1883 1883 年年 10 10 月月 2 2 日日 出生于捷克的首都布拉格，出生于捷克的首都布拉格，1904 1904 年毕业于奥地利的格拉茨（年毕业于奥地利的格拉茨（Graz Graz）技术大学，之）技术大学，之后成为土木工程领域的一名地质工程师。后成为土木工程领域的一名地质工程师。191619161925 1925 年期间，他在土耳其的伊斯坦布尔技术大学大学任教，年期间，他在土耳其的伊斯坦布尔技术大学大学任教，并从事土的特性方面的研究课题，这也最终导致了他并从事土的特性方面的研究课题，这也最终导致了他的举世闻名的的举世闻名的 Erdbaumechanik Erdbaumechanik（土力学）于（土力学）于 1925 1925 在维也纳的问世在维也纳的问世，该书介绍了他所提出的固结理论以，该书介绍了他所提出的固结理论以及土压力、承载力、稳定性分析等理论，标志着土力及土压力、承载力、稳定性分析等理论，标志着土力学这门学科的诞生。学这门学科的诞生。Karl von Terzaghi(1883-1963)绪 论：土力学的发展概况Karl von Terzaghi(1883-1963)19251925年，他被派往麻省理工学院担任访问教授，四年后年，他被派往麻省理工学院担任访问教授，四年后回到维也纳技术大学任教授。回到维也纳技术大学任教授。1938 1938 年德国占领奥地利后，年德国占领奥地利后，Terzaghi Terzaghi 前往美国，并在哈佛大学任教，直到前往美国，并在哈佛大学任教，直到 1956 1956 年退休。年退休。在此期间的在此期间的 1943 1943 年，他还出版了年，他还出版了 Theoretical Soil Theoretical Soil Mechanics Mechanics，在这部不朽的著作中，在这部不朽的著作中，Terzaghi Terzaghi 就固结理论、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述。进行了阐述。1963 1963 年年 10 10 月月 25 25 日日 ,Terzaghi,Terzaghi 在马萨诸塞州的在马萨诸塞州的温彻斯特逝世。温彻斯特逝世。Terzaghi Terzaghi 是第一届到第三届（是第一届到第三届（1936 1936 1957 1957）ISSMFE ISSMFE（国际土力学与基础工程学会）的主席，曾（国际土力学与基础工程学会）的主席，曾 4 4 次荣获次荣获 ASCE ASCE（美国土木工程师协会）的（美国土木工程师协会）的 Norman Norman 奖（奖（1930 1930，1943 1943，1946 1946，1955 1955），并被），并被 8 8 个国家的个国家的 9 9 个大学授予荣誉博士学个大学授予荣誉博士学位。为表彰位。为表彰 Terzaghi Terzaghi 的杰出成就，美国土木工程师协会还设的杰出成就，美国土木工程师协会还设立了立了 Terzaghi Terzaghi 奖。奖。绪 论：土力学的发展概况快速发展阶段u19571957年，提出了土力学与加工硬化塑性理论，对土的本构模型研究起了年，提出了土力学与加工硬化塑性理论，对土的本构模型研究起了很大的推动作用；很大的推动作用；u19631963年，英国年，英国CambridgeCambridge大学的大学的RoscoeRoscoe等人提出了剑桥模型（等人提出了剑桥模型（Cam clay Cam clay modelmodel），该模型的提出是现代土力学的开端；），该模型的提出是现代土力学的开端；u自自6060年代后，随着电子计算机的出现和计算技术的高速发展，使土力学年代后，随着电子计算机的出现和计算技术的高速发展，使土力学的研究进入了一个全新的阶段；的研究进入了一个全新的阶段；u19931993年出版年出版非饱和土力学非饱和土力学(Unsaturated Soil Mechanics)(Unsaturated Soil Mechanics)专著，标志着非专著，标志着非饱和土的研究进入了一个新的历时时期。饱和土的研究进入了一个新的历时时期。K H Roscoe（1914-1970）Roscoe 1914 Roscoe 1914 年年 12 12 月出生于英国，月出生于英国，1934 1934 年在剑桥大学接年在剑桥大学接受本科教育。二战后，受本科教育。二战后，Roscoe Roscoe 返回剑桥大学读研究生，返回剑桥大学读研究生，毕业后留校从事土力学的研究，并建立了土力学实验室。毕业后留校从事土力学的研究，并建立了土力学实验室。他于他于 1958 1958 年所提交的论文年所提交的论文关于土体的屈服关于土体的屈服奠定了奠定了临界状态土力学的基础，被英国土力学学会授予成就奖。临界状态土力学的基础，被英国土力学学会授予成就奖。在他的领导下，剑桥大学关于土力学机理的研究成果得在他的领导下，剑桥大学关于土力学机理的研究成果得到国际岩土工程界的普遍认可。以到国际岩土工程界的普遍认可。以 Roscoe Roscoe 为奠基者的为奠基者的剑桥学派在现代土力学的发展历史中占有重要的地位。剑桥学派在现代土力学的发展历史中占有重要的地位。绪 论：土力学的发展概况我国土力学的发展u19451945年，年，黄文熙黄文熙在中央水利实验处创立第一个土工实验室；在中央水利实验处创立第一个土工实验室；u2020世纪世纪5050年代，年代，陈宗基陈宗基对土的流变和黏土的结构进行了研究；对土的流变和黏土的结构进行了研究；u19831983年年黄文熙黄文熙主编了主编了土的工程性质土的工程性质专著专著 ；u19801980年和年和19961996年年钱家欢钱家欢和殷宗泽主编了和殷宗泽主编了土工原理土工原理做为研做为研究生的教材；究生的教材；u19911991年和年和20002000年年沈珠江分别沈珠江分别出版出版计算土力学计算土力学和和理论土理论土力学力学专著；专著；u20042004年年李广信李广信出版出版高等土力学高等土力学研究生教材；研究生教材；u同时国内成立了土力学基础工程方面的学会和开办了一些期同时国内成立了土力学基础工程方面的学会和开办了一些期刊杂志，出版了许多专著，在此不再一一介绍。刊杂志，出版了许多专著，在此不再一一介绍。绪 论：土力学的学科特点土的特点u天然性（自然变异性）天然性（自然变异性）：自然界的产物，具有非均匀自然界的产物，具有非均匀性、各向异性、结构性、时空变异性；性、各向异性、结构性、时空变异性；u碎散性碎散性：岩石风化的产物，是非连续介质，受力以后岩石风化的产物，是非连续介质，受力以后易变形、易变形、体积变化主要是孔隙变化、剪切变形主要由颗体积变化主要是孔隙变化、剪切变形主要由颗粒相对位移引起；粒相对位移引起；u三相性三相性：由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）组成，受力后由土骨架和孔隙介质共同承担、存在气）组成，受力后由土骨架和孔隙介质共同承担、存在复杂的相互作用、孔隙流体流动。复杂的相互作用、孔隙流体流动。土力学与其他学科对比土力学与其他学科对比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）连续流体连续流体土力学土力学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绪 论：土力学的学科特点如何学好土力学u思维方式的转变思维方式的转变：既要在严格的边界条件下求解由工既要在严格的边界条件下求解由工程问题简化而来的数学物理问题，还要考虑岩土工程的程问题简化而来的数学物理问题，还要考虑岩土工程的实践性；实践性；u掌握概念掌握概念：土力学概念不太容易理解，要深刻体会，土力学概念不太容易理解，要深刻体会，土力学的参数非常重要且有其适用范围，不要死记；土力学的参数非常重要且有其适用范围，不要死记；u具备扎实的数学力学基础具备扎实的数学力学基础：目前处理土力学有关的工目前处理土力学有关的工程问题，主要依靠连续介质力学理论，特别是弹性力学程问题，主要依靠连续介质力学理论，特别是弹性力学和数学物理方程；和数学物理方程；u注重实验观察注重实验观察：土力学与工程实际结合紧密，必须多土力学与工程实际结合紧密，必须多做室内试验和现场试验，增加感性认识。做室内试验和现场试验，增加感性认识。土力学不仅是一门科学，也是一门艺术土力学不仅是一门科学，也是一门艺术绪 论：土力学的主要内容及学习要求土力学的主要内容 第1章 土的物理性质及工程分类 基础与主线 第2章 土中应力 预备知识 第3章 土的渗透性 渗透特性 第4章 土的压缩、固结与沉降 变形特性 第5章 土的抗剪强度及本构关系 强度特性 第6章 土压力与挡墙设计 第7章 边坡稳定性 第8章 地基承载力具体应用高等土力学、非饱和土力学、环境岩土工程、基础工程绪论 绪论结束绪论结束 Thanks!