1、1,土 力 学,石家庄铁道学院土木工程分院 岩土工程系,2,土，地之生万物者也。二象地之上，地之中；|物出形也。说文解字 希腊，中国，希伯来人，印第安人的神话：神用泥土造人 中国传统文化中的五行：金木水火土 土字包括：地上植物部分、表土层、植物地下部分和底土层四个层次。 土地系指由地形、水文、局地气候、岩石圈的上层、土壤和生物有机体等相互作用组成的自然地域综合体，是地球表层历史发展的产物。,土,3,大气圈,水圈,岩石圈,生物圈,风化物,土壤圈,地下水,土壤在自然界的位置,土壤是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈综合作用形成的产物。其上界通常是绿色植物层顶，下界达植物根分布层。其垂直范围，恰好是岩石圈
2、的上层、大气圈的下层、水圈及生物圈相互接触的地方，是生物生命及人类生产活动最集中的地方。,“地者，万物之本原，诸生之根苑也”- 管仲,4,土壤的剖面和形成,土壤有非常复杂的形成过程，并具有独特的层状构造。土壤剖面一般包含枯枝落叶层、腐殖质层、淀积层和母质层四个基本层次。, 地质大循环：,岩石 土壤,风化、搬运、沉积, 生物小循环： 生物活动所造成的土壤 有机质的循环,地质成岩作用,土壤带,腐殖质层,淀积层,母质层,5,岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚,高山下的冲积锥群,风蚀蘑菇,土的形成过程,黄河冲积三角洲,6,砾石料 卵 石 砂 粘 土 （人工破碎）,工程与土力学中的土,地球表
3、面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。,7,什么是土？ 土有哪些特点？ 土力学有何特点？ 为什么要学习土力学？ 土力学包括哪些内容？ 如何学好土力学？,绪 论,8,土是指：地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。,绪论,风化,什么是土？,9,土有哪些特点？,绪论,10,土体的特点, 一般固体： 液体： 土体（散粒体）：,可保持固定的形状,不具有特定的形状,具有一定但不固 定的形状,11,碎散性,土有哪些特点？,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
4、要由颗粒相对位移引起强度低,绪论,岩石风化的产物,12,多相介质,三相性 （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,绪论,土有哪些特点？,固相土骨架 液相水 气相空气,13,天然性 （自然变异性）,自然界的产物,绪论,土有哪些特点？,非均匀性 各向异性 结构性 时空变异性,14,碎散性,三相性,天然性,力学特性复杂,变形特性 强度特性渗透特性,绪论,土有哪些特点？,15,土力学有何特点？,绪论,土力学与其他学科的比较,16,土力学有何特点？,土力学,绪论,连续介质力学的基本知识,描述碎散体特性的理论,土的变形、强度和渗透特性以及与此有关的工程问题,实验规律及
5、工程实践经验,17,土力学发展的历史,绪论,土力学有何特点？,1773 Coulomb（后Mohr发展）：摩尔-库仑强度理论 有关土力学的第一个理论 1776 Coulomb：库仑土压力理论 1856 Darcy：达西渗流 定律 1857 Rankine ：朗肯土压力理论 1920 Prandtl：普朗特极限承载力公式 1921-1923 Terzaghi：有效应力原理及固结理论 1925 Terzaghi ：出版土力学 土力学成为一门独立学科的标志 1936 第一届国际土力学及基础工程会议 1960s后 现代土力学,18,土力学发展的历史,是公认的土力学之父（18831963） 国际土力学与
6、地基基础学会从第一届（1936）到第三届的主席（1957） 两部经典名著：理论土力学、工程实用土力学,19,为什么要学习土力学？,1.土具有广泛的工程应用2.存在大量与土有关的工程问题,绪论,20,1. 土的工程应用,土工建筑材料建筑物基础之地基建筑环境为土工构筑物提供填筑材料,绪论,为什么要学习土力学？,21,2. 与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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2653 西端下沉7.32m东端上抬1.52m 上部钢混
7、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。,23,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,加拿大特朗斯康谷仓,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，把仓体逐渐纠正过来，其位置比原来降低了米。,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，地基实际承载力小于破坏时的基底压力。因此， 谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,24,与土有关的工
8、程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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。,25,香港1900年建市，1977年成立土力工程署 1972 Po Shan 滑坡 ( 20,000 m3)(67 死、20 伤),26,Early 1972 滑坡前,27,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,阪神大地震中地基液化,神
9、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,28,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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,29,阪神大地震中地基液化,地基液化造成的路面塌陷,30,1964年日本新泻地震地基的大面积液化,31,时间：1971年11月9-11日 地点：神奈川县川崎市生 研究机构：地质研究所(通产省) 消防研究所(自治省) 土木研究所(建设省) 防灾科学技术中心(科技厅),泥 石 流 室 外 试 验,32,事故发生过程要点
10、,壤土(loam)斜坡崩塌（泥石流）实验9日15:00人工降雨开始11日15:00左右降雨量达500mm陡坡中泥土突然以20-30m/s流出，斜 坡崩塌，泥石流产生泥石流推倒28米外的护栏，一直冲到 55米外的水池中央，造成31人被埋,33,事故发生地点,34,关东壤土：风化花岗岩上火山灰堆积层=1.45w=5% 倾角：30 厚: 1.23m,现场泥石流实验布置简图,35,试验现场照片,36,Actual slope failure experiment by APERIF project,Time: Nov.12-14, 2003 Location: Mt. Kappa（加波山）,Main
11、operator: Forestry & Forest Products Research Institute, Japan,Rainfall intensity: 80 mm/hr,37,试验现场照片,38,39,15人不幸遇难，11人受伤 死者当中 实验人员 1人 参观者 10人 报社记者 1人 电视采访人员 3人,事故伤亡情况,40,莲花河畔景苑倒楼事故,6月27日5时30分，上海市闵行区莲花南路罗阳路口，一在建楼盘工地发生楼体倒覆事故，造成一名工人死亡，无人受伤。事故发生在淀浦河南岸的“莲花河畔景苑”，发生倒覆的是一栋13层在建住宅楼,41,莲花河畔景苑倒楼事故(续）,42,房屋倾倒的
12、主要原因是，紧贴7号楼北侧，在短期内堆土过高，最高处达10米左右；与此同时，紧邻大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度4.6米，大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。,莲花河畔景苑倒楼事故(续）,43,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 强度问题,44,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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
13、 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，模量较低，变形较大。,1590: 伽利略在此塔做落体实验,45,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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,46,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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
14、：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，效果良好。,47,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,关西国际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：4370m1250m 填筑量：180106m3 平均厚度：33m,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
15、填： 3m,问题： 沉降大且有 不均匀沉降,48,49,与土层压缩变形有关,渗透应力拖拽机理,降落漏斗渗透速率提高水力梯度加大动水压力对土层潜蚀产生管涌土层结构松散上覆土层拉张应力集中地表张裂,降落漏斗地下水向中心渗流动力压力对固体颗粒产生动能含水层骨架出现粘性拖拽上覆土层出现张应力集中地表开裂,地下水位下降上部土层失水土层在水平方向收缩变形地表开裂,基底起伏不平压缩土层厚度差异土层差异压缩沉降沉降差异最大处张应力集中地表开裂,盆地地下水下降松散土层固结变形地表土层固结量大大小于下伏土层土层沉降翻折盆缘折裂,与渗透作用有关,与盆地边缘有关,渗透变形机理,土层失水压缩变形机理,差异压缩变形机理,
16、刚性折断机理,抽 水 作 用 说,50,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,51,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,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,52,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？,53,Teton坝,11：00左右 洞口不断扩大
17、并向坝顶靠近，泥水流量增加,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,54,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。,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,55,11：50左右 洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,56,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,57,12：00过后 坍塌口加宽,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,58,洪水扫过下游谷底，
18、附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,59,失事现场目前的状况,Teton坝,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,60,1998年长江大堤,61,98洪水长江堤防险情统计,共发生各种险情6000余处,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。,与土有关的工程问题,绪论,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,砂环,管 涌 口,粘性土,砂性
19、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,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,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,与土有关的工程问题,绪论,为什么要学习土力学？,65,襄汾溃坝事故,位于山西省临汾市襄汾县陶寺乡的新塔矿业有限公司塔山铁矿尾矿库,总库容约30万立方米，坝高约50米。9月8日8时许，该尾矿库突然发生溃坝，尾砂流失量约20万立方米，沿途带出大量泥沙，流经长度达2公里，最大
20、扇面宽度约300米，过泥面积302公顷。截止10月23日16时30分，死亡人数升至276人。,66,事故发生于9月8日上午7时50分左右，塔山矿区因暴雨发生泥石流，致使一个废弃的尾矿库坝被冲垮，造成下游云合村乱石滩自然村集贸市场和部分房屋被冲毁。事故原因是由于非法生产活动排放大量尾矿砂及近日剧烈降雨，导致已废弃停用的尾矿库溃坝，形成泥石流。汹涌的泥石流就是从这条山沟中喷涌而下的，沟的上端便是尾矿库原先的位置。,襄汾溃坝事故（续）,67,山西临汾市襄汾县陶寺乡塔山矿区，泥石流发生后，现场狼藉。,襄汾溃坝事故（续）,68,泥石流将下游的房屋几乎全部冲垮，这样的房屋已算是受损较轻的。,襄汾溃坝事故（
21、续）,69,救援人员正在寻找幸存者。,襄汾溃坝事故（续）,70,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,绪论,为什么要学习土力学？,71,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。,绪论,为什么要学习土力学？,72,绪论,土力学包括哪些内容？,基础 物理性质,预备 土中应力,具体应用 土压力 ,核心 渗透特性 变形特性 强度特性,73,基础与主线,预备,具体 应用,绪论,土力学包括哪些内容？,第一章土的物理性质和工程分类,第二章土的渗透性和渗流问题,第三章土体中
22、的应力计算,第四章土的变形特性和地基沉降计算,第五章土的抗剪强度,土力学（2） 城市岩土工程 高等土力学 环境岩土工程 土动力学与土工抗震工程,渗透特性 变形特性 强度特性,74,绪论,如何学好土力学？,注意土的基本特点 - 通过与其它材料对比,注重理论联系实际 - 通过现场观察与试验,注重正确学习方法 - 概念，原理，方法内容间联系要记忆，但不能死记,75,课程特点,研究,实用,机理,设计公式,现场条件,经验修正,伪科学？,特定条件,绪论,基本理论工程应用 实验技能,理论公式,基准,不同精度层次,应用,结果,安全性,经济性,76,本课程安排和要求,教学环节,考核及成绩,要求,1. 课堂必须出席，不定期点名。 2. 试验：注意观察，联系理论，深入分析。 3. 作业：独立完成，每章交一次，在该章讲课结束后当周内按时交给助教。迟交或不认真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。,期末考试：90 试验：10（预习操作报告）,讲课(22 次 44 学时) 实验课 (4 次 12 学时),
