土质学与土力学绪论课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土,质,学,与土力学,土 质学与力 学,什么是土？,土有哪些特点？,土质学与土力学有何特点？,为什么要学习土质学与土力学？,土质学与土力学包括哪些内容？,如何学好土质学与土力学？,0,绪 论,土质学与土力学的定义,？,土质学与土力学的发展简史及现状,？,土质学与土力学的研究内容与方法,？,本课程的教学要求,？,本章主要内容,土,：,“土”是地壳表层岩石受风化、剥蚀、搬运、沉积而形成的松散堆积物，在地质年代上形成于第四纪，故又称“第四纪沉积物”,风化,岩石,地球,颗粒堆积物,地球,什么是土？,土木工程中遇到的与土有关的问题,作为建筑物,(,房屋、桥梁、道路、水工结构等,),地基的土。,作为建筑材料,(,路基材料、土坝材料,),的土。,作为建筑物周围介质或环境,(,隧道、挡土墙、地下建筑、滑坡问题等,),的土。,土的特点,土的形成经历了漫长的地质历史过程，是地质作用的产物，是一种矿物集合体，是一多相分散系统。土体极易受到外界环境,(,温度、湿度等,),变化而变化，其主要特征是分散性、复杂性和易变性。,碎散性,非连续介质,受力以后易变形,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,强度低,岩石风化的产物,多相介质,三相体系,受力后由土骨架、孔隙介,质共同承担,存在复杂的相互作用,孔隙流体流动,固相,土骨架,液相,水,气相,空气,自然变异性,自然界的产物,非均匀性,各向异性,结构性,时空变异性,碎散性,三相体系,自然变异性,力学特性复杂,变形特性,强度特性,渗透特性,成层性,物质组成、物理化学状态基本一致，工程,性质大体相仿的同一层土称为,土层,.,一般土,土,特殊土,无机土,(,碎石土、砂粒土、,粉性土、 粘性土,),有机土,(,淤泥质土等,),湿陷性黄土、胀缩性土,(,膨胀土,),、,冻土、软土、填土、混合土、,盐渍土、风化岩土、残积土等,土的分类,土质学,是地质科学的一个分支，它是从土的成因出发，应用工程地质学、矿物结晶学及物理化学等知识来研究土的物质组成、物理,-,化学性质、物理,-,力学性质，以及它们之间的相互关系，并进一步探讨在自然或人为因素下，土的成分、性质的变化趋势以及如何利用这种趋势，并提出土质改良措施的一门学科。,土质学定义,普通土质学,研究广泛分布的各种典型土类的成因、成分、结构、构造及其工程性质的形成规律，是整个土质学的理论基础。,区域土质学,依据历史,-,地理条件及自然,-,地理条件和土中所进行的自然作用而研究各种土的成分、结构、特性及分而情况。,土的技术改良,的基本任务是按照各种不同类型建筑物的要求而拟定人工改变土的性质的理论和方法。,土质学发展,土质学,作为一门独立学科，始于,20,世纪。早期土质学的著作如,的,土质学,和,的,黏性土的工程性质,，系统的论述了土质学的原理，为土质学的进一步发展奠定了基础，也对我国土地的研究有很大的影响。,近代的著作如黄文熙的,土的工程性质,和,Mitchell,的,Fundamentals of Soil Behavior,代表了从两个不同的角度深入研究土的工程性质所达到的新水平。,土力学,是工程力学的一个分支，是土木工程学科的重要组成部分，也是土木、水利等专业的一门重要的基础课程。,土力学定义,土力学,是利用土工试验技术和力学理论来研究土的力学特性及体积变化规律的一门学科，主要包括土的渗流、应力、变形、强度和稳定性。在与生产实践的结合过程中，又产生了土力学的不同分支，例如冻土力学、海洋土力学、环境土力学、土动力学、月球土力学等，对区域性土和特殊类土（例如湿陷性黄土、红黏土、胀缩土、软土、盐碱土、污染土、工业废料等）的研究也不断深入。,土质学与土力学,本来就是两门关系十分密切的学科，其相互渗透、相互结合已日益受到重视。土力学应该吸取土质学中从成因及微观结构认识土性本质的研究成果，来进一步说明土的力学现象本质，并同土的应力,-,应变,-,强度关系的研究结合起来。,十八世纪欧洲工业革命开始开启了土力学的理论研究，使土力学理论体系逐渐形成并发展为一门独立的学科，这一阶段称为土力学的理论提高阶段。,土力学发展,1.,土力学的理论提高阶段,1773,年库仑,(C.A.Coulomb,，法国,),根据试验创立了砂土的抗剪强度理论，并在,1776,年发表的挡土墙土压力理论是土力学的开始。,1857,年朗肯,(W. J. M. Rankine,，英国,),借助土的极限平衡分析建立了朗肯土压力理论。,达西,1856,年,(Darcy,，法国,),根据对两种均匀砂土渗透试验结果提出的渗透定律。,1885,年布西奈斯克,(J. Boussinesq,，法国,),提出了表面竖向集中力在弹性半无限体内部应力和变形的理论解答，至今仍在土力学有关课题中广泛使用。,二十世纪初，一些重大土木工程事故的出现，如德国的桩基码头大滑坡，瑞典的铁路坍方，美国的地基承载力问题等，对地基问题提出了新的要求，推动了土力学理论的发展。例如普朗德尔,(Prandtl,，,1920,年,),发表了地基滑动面的数学公式。彼德森,(Peterson,，,1915,年,),提出、以后又由费伦纽斯,(W. Fellenius,，,1936,年,),、泰勒,(Taylor,，,1937,年,),等发展了的计算边坡稳定性的圆弧滑动法等，就是这一时期的重要成果。,2.,土力学理论的发展,土力学作为一门独立的学科阶段一般认为从太沙基,K.Terzaghi),总结前人的研究成果，提出了一维固结理论，并于,1925,年发表第一本,土力学,专著开始。太沙基把当时零散的有关定律、原理、理论等按土的特性加以系统化，形成了土力学的基本理论框架，从而使土力学形成了一门独立的学科。因此，太沙基被认为是土力学的,奠基人。,3.,土力学作为一门独立的学科阶段,第一阶段：从,20,年代到,60,年代，称古典土力学阶段,土力学快速发展阶段。例如费伦纽斯,(W. Fellenius,，,1927,年,),、泰勒,(D.W. Taylor,，,1937,年,),、毕肖普,(A. W. Bishop,，,1955),等建立和完善了圆弧稳定分析法。,1942,年,B.B,索科洛夫斯基建立了散体静力学。,1948,年,B. A. Barron,提出了砂井固结理论，,1941,年,M. A. Biot,发表了三维固结理论和动力方程，有效应力原理得到了广泛的推广应用等等。,1957,年,D. C. Drucker,提出了土力学与加工硬化塑性理论，对土的本构研究起到了很大的推动作用。在本阶段，土体被视为线弹性体、刚塑性体、连续介质或分散体。在太沙基理论基础上，形成以有效应力原理、渗透固结理论、极限平衡理论为基础的土力学理论体系，研究土的强度与变形特性，解决地基承载力和变形、挡土墙土压力、土坡稳定等与工程密切相关的土力学课题，对弹塑性力学的应用也有了一定认识,第二阶段,:,从,60,年代开始，称为现代土力学阶段,1963,年剑桥大学的,K.H. Roscoe,等人提出了状态边界面概念，据此创立了著名的剑桥弹塑性模型，突破了先前弹性介质模型和刚塑性模型的局限，标志土力学进入了崭新的现代发展阶段。,非饱和土渗流固结变形理论与强度理论的研究,(1993,年,D. C. Fredrund,和,H. Bahardjo,发表了,非饱和土力学,),国际土力学与岩土工程会议,(1999,年以前称为土力学与地基基础会议,),，至,2005,年已开了,16,届。,1999,年国际土力学与基础工程协会,(ISSMFE),更名为国际土力学与岩土工程协会,(ISSMGE),土力学特点,学科,研究对象,理论力学,质点或刚体,材料力学,单个弹性杆件（杆、轴、梁）,连续固体,结构力学,若干弹性杆件组成的杆件结构,弹性力学,弹性实体结构或板壳结构,水力学,不可压缩的连续流体（水）,连续流体,土力学,天然的三相碎散堆积物,碎散材料,二十一世纪土力学的发展具有以下特点：,(1),进一步汲取现代数学、现代力学的成果和充分利用计算机技术，深入研究土的非线性、各向异性、流变等特性，建立新的更符合土体特性的本构模型和计算方法。,(2),充分考虑土和土工问题的不确定性，进行风险分析和优化决策，岩土工程的定值设计方法逐步向可靠度设计转化。,(3),对非饱和土的深入研究，充分揭示土粒、水、气三相界面的表面现象对非饱和土力学特性的影响，建立非饱和土强度变形的理论框架。,(4),土工测试设备和测试技术将得到新的发展。高应力、粗粒径、大应变、多因素和复杂应力组合的试验设备和方法得到发展，原位测试、土工离心试验等得到更大应用，计算机仿真成为特殊的土工试验手段，声波法、,射线法、,CT,识别法等也将列入土工试验方法的行列。,(5),环境土力学得到极大的重视。由开矿、抽水、各种岩土工程活动造成的地面沉降和对周围环境的影响及防治继续受到重视。污染土和污染水的性质和治理，固体废料深埋处置方法中废料、周围土介质和地下水的相互作用以及污染物的扩散规律等研究将大大加强。沙漠化、盐碱化、区域性滑坡、洪水、潮汐、泥石流、地震等大环境问题也将进入土力学的研究范畴。,(6),土质学的研究进一步深入，用微观和细观的手段，研究和揭示岩土力学特性的本质。,(7),人工合成材料的应用。人工合成材料在排水、防渗、滤层、加筋等方面已得到很好的应用，但设计理论和方法还很不完善，其相互作用机理的了解尚很初步，对这种复合材料的深入研究将给土力学研究增加新的内容。,土质学与土力学研究内容,(1),土的成因、结构、物质组成和相互作用；,(2),土的应力变形规律；,(3),土体的强度及其稳定性分析；,(4),水在土中的运动及对应力、变形和强度、稳定性的影响；,(5),采用各种可能的测试手段和方法研究土的物理力学性质；,(6),应用土力学的基本原理研究新方法、新工艺、新材料并解决实际工程问题。,土质学与土力学分析方法,土质学与土力学,连续介质力学的基本知识,描述碎散体特性的理论,研究土的一门力学，它研究土体的应力、变形、强度、渗流和长期稳定性的一门学科。,土质学与土力学,以工程地质学的知识为基础，研究土的工程性质，解决工程问题，是土木工程的一个分支,-,岩土工程,方向（地基、边坡、地下围岩,(,土,),等）重要理论基础。,岩土工程,结构工程,桥隧工程,防灾减灾,供热、供燃气、通风及空调工程,市政工程,土质学与土力学学科特点,土木工程,土质学与土力学,研究方法,基本方法：,土工试验研究、简化计算（弹性理论，塑性理论）、数值计算,(1),注意土质学与土力学所引用的其它学科理论，如一般连续介质力学基本原理的基本假定和适用范围。,(2),注意土质学与土力学中对土所具有的区别于其它材料的特性。,(3),注意综合利用土质学与土力学理论解决实际问题，养成综合评判的思维方式。,(4),注意土质学与土力学中的基本力学计算结果的适用条件和假设。,发展趋势,1室内和原位测试技术和仪器设备的研究。,2土的非线性问题本构关系的研究。,本构关系,指土的应力、应变、强度和时间的关系，描述这类关系的数学表达式称为数学模型或简称模型。,3计算技术的研究。非确定性计算方法在土力学中应用。,4模型试验和现场观测。,5加强土力学的基础性研究，宏观和微观研究相结合。,本课程的教学要求,(1),了解土的基本物理力学性质和土的分类，以及这些性质与土的组成和结构的关系。,(2),必须牢固掌握土力学的基本原理和理论。强度理论、有效应力原理、渗透理论、固结理论、土压力理论等是其中主要的一些理论，需要理解它们的本质概念。,(3),掌握主要的计算方法，例如三相指标的换算、强度计算、变形计算、土压力计算、边坡稳定计算等，了解它们在工程实践中的应用，这是学习后续的专业课程如,基础工程,、,路基路面工程,等课程的基础。,(4),掌握基本的土力学实验方法和成果分析，了解原位测试技术的应用。,(5),更重要的是如前所述，掌握土力学的学科特点和分析方法，能真正地把这门课的知识用于解决实际问题。,为什么要学习土力学,土具有广泛的工程应用,2.,存在大量与土有关的工程问题,土的工程应用,土工建筑材料,建筑物基础之地基,建筑环境,地基,（,Ground,）由于建筑物的修建，使一定范围内土层的应力状态发生变化，这一范围内的地层称为地基。,基础,（,Foundation,）指与地基接触的建筑物下部结构。,一般建筑物由,上部结构,（,Superstructure,）和基础两部分组成。,加拿大特朗斯康谷仓,事故：,1913,年,9,月装谷物，,10,月,17,日装了,31822,谷物时，,1,小时竖向沉降达,30.5cm,24,小时倾斜,26,53,西端下沉,7.32m,东端上抬,1.52m,上部钢混筒仓完好无损,概况：长,59.4m,，宽,23.5m,，高,31.0m,，共,65,个圆筒仓。,钢混筏板基础，厚,61cm,，埋深,3.66m,。,1911,年动工，,1913,年完工，自重,20000T,。,与土有关的工程问题,加拿大特朗斯康谷仓,原因：,地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。,1952,年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，,谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动,。,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,388,个,50t,千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。,香港宝城滑坡,1972,年,7,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，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塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。,死亡,7,人。,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。,香港,1900,年建市，,1977,年成立土力工程署,港岛,1972,Po Shan,滑坡 ( 20,000,m,3,)(67,死、20,伤,),Po Shan Road,Conduit Road,Notewell Road,Early 1972,滑坡前,June 1972,滑坡后,阪神大地震中地基液化,神户码头：,地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤,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,阪神大地震中地基液化,神户码头：,沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中,以上几个实例可归结为与土有关的,强度问题,比萨斜塔,目前：,塔向南倾斜，南北两端沉降差,1.80m,，,塔顶离中心线已达,5.27m,，倾斜,5.5,1360,：,再复工，至,1370,年竣工，全塔共,8,层，高度为,55m,1272,：,复工，经,6,年，至,7,层，高,48m,，再,停工,1178,：,至,4,层中，高约,29m,，因倾斜停工,1173,：,动工,原因：,地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，,变形较大,。,1590:,伽利略在此塔做落体实验,比萨斜塔,1838-1839,：,挖环形基坑卸载,1933-1935,：,基坑防水处理,基础环灌浆加固,1990,年,1,月,:,封闭,1992,年,7,月：,加固塔身，用压重,法和取土法进行地,基处理,目 前,:,已向游人开放。,处理措施,虎丘塔,问题：,塔身向东北方向严重倾斜，塔,顶离中心线已达,2.31m,，底层,塔身发生不少裂缝，成为危险,建筑物而封闭。,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,961,年）。全塔,7,层，高,47.5m,，塔的平面呈八角形。,原因：,坐落于不均匀粉质粘土层上，,产生,不均匀沉降,。,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,钻孔注浆和打设树根桩加固塔,身，获得成功。,关西机场,世界最大人工岛,1986,年：,开工,1990,年：,人工岛完成,1994,年：,机场运营,面积：,4370m,1250m,填筑量：,180,10,6,m,3,平均厚度：,33m,关西机场,设计时预测沉降：,5.7,7.5 m,完成时实际沉降：,8.1 m,，,5cm/,月,(1990,年,),预测主固结完成：,20,年后,比设计超填：,3m,问题：,沉降大且有不均匀沉降,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,以上几个实例可归结为,与土有关的,变形问题,Teton,坝,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，起诉,5500,起，,2.5,亿美元，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,Teton,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,绪论,为什么要学习土力学？,Teton,坝,11,：,00,左右,洞口不断扩大并向坝顶靠近，,泥水流量增加,Teton,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,11:57,坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton,坝,12,：,00,过后,坍塌口加宽,Teton,坝,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton,坝,失事现场目前的状况,Teton,坝,绪论,九江大堤决口,溃口原因：,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,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。,长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图,砂环,管,涌,口,粘性土,砂性土,渗水,杂填土,管涌：,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。,堤基管涌,管涌,砂环,砂性土堤基管涌破坏示意图,管涌破坏,当管涌发生时，渗流将导致向源侵蚀，使堤防基础下部出现渗流通道,当水头差足够大时，侵蚀将加速并掏挖堤防基础。形成通道后极易引起溃决,以上几个实例可归结为与土有关的,渗透问题,土工结构物或地基,土,强度问题,变形问题,渗透问题,强度特性,变形特性,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。,总 结,基础与主线,先导,具体,应用,第2章,土的物理性质和工程分类,第3章,土的渗透性和渗流问题,第4章,土体中的应力计算,第5,6章,土的压缩性和地基沉降计算,第7章,土的抗剪强度,土力学（,第8-11章,）,渗透特性,变形特性,强度特性,