土力學(xué)和其基本特點(diǎn)

1、土力學(xué)之課程緒論土力學(xué)和其基本特點(diǎn)自 我 介 紹張丙印，男，巖土工程研究所 所長，教授 主要研究方向： - 高土石壩的應(yīng)力變形計(jì)算理論 - 巖土材料本構(gòu)模型 - 土工數(shù)值計(jì)算方法 - 環(huán)境巖土工程 聯(lián)系方式：辦公室：新水巖土工程研究所227室 ： 62787349（辦），62772816（家） 自 我 介 紹張丙印，男，1963年1月生， 出生地：河北省高邑縣主要學(xué)歷： 1979 - 1984 清華大學(xué)水利系水工專業(yè)，學(xué)士 1984 - 1988 清華大學(xué)水利系巖土工程專業(yè)，碩士 1995 - 1999 聯(lián)邦德國亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen） 巖土工程專業(yè)，工學(xué)博士主要工作經(jīng)歷： 19

2、84 - 1990 清華大學(xué)水利系，助教、講師 1991 - 1999 聯(lián)邦德國亞琛工業(yè)大學(xué)土木工程系巖土所 ，訪問學(xué)者 1999 - 今 清華大學(xué)水利系，教授 什么是土？ 土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？ 如何學(xué)好土力學(xué)？課程緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)土的一般概念土，地之生萬物者也。二象地之上，地之中；|物出形也。 - 說文解字土字包括：地上植物部分、表土層、植物地下部分和底土層四個(gè)層次。土地系指由地形、水文、局地氣候、巖石圈的上層、土壤和生物有機(jī)體等相互作用組成的自然地域綜合體，是地球表層歷史發(fā)展的產(chǎn)物。緒論：什么是土？ 大氣圈水圈巖石圈生物圈風(fēng)化物土壤圈地下水

3、土壤在自然界的位置土壤是巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈綜合作用形成的產(chǎn)物。其上界通常是綠色植物層頂，下界達(dá)植物根分布層。其垂直范圍，恰好是巖石圈的上層、大氣圈的下層、水圈及生物圈相互接觸的地方，是生物生命及人類生產(chǎn)活動(dòng)最集中的地方。“地者，萬物之本原，諸生之根苑也” - 管仲緒論：什么是土？ 土壤的剖面和形成土壤有非常復(fù)雜的形成過程，并具有獨(dú)特的層狀構(gòu)造。土壤剖面一般包含枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層、淀積層和母質(zhì)層四個(gè)基本層次。 地質(zhì)大循環(huán)：巖石 土壤風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積 生物小循環(huán)： 生物活動(dòng)所造成的土壤 有機(jī)質(zhì)的循環(huán)地質(zhì)成巖作用土壤帶腐殖質(zhì)層淀積層母質(zhì)層傳統(tǒng)巖土工程的范疇緒論：什么是土？ 巖石因物理風(fēng)化

4、作用破碎，在重力作用下堆積到山腳高山下的沖積錐群風(fēng)蝕蘑菇土的形成過程黃河沖積三角洲 礫石料 卵 石 砂 粘 土（人工破碎）工程與土力學(xué)中的土地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長期的風(fēng)化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物。緒論：什么是土？ 什么是土？ 土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？ 如何學(xué)好土力學(xué)？課程緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)土體的特點(diǎn) 一般固體： 液體： 土體（散粒）：可保持固定的形狀不具有特定的形狀具有一定但不固定的形狀緒論：土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 巖石風(fēng)化或破碎的產(chǎn)物，是非連續(xù)體 受力以后易變形，強(qiáng)度低 體積變化主要是孔隙變化 剪切

5、變形主要由顆粒相對 位移引起固相-土骨架液相-水氣相-空氣 受力后由土骨架、孔隙 介質(zhì)共同承擔(dān) 相間存在復(fù)雜的相互作用 孔隙流體流動(dòng)自然界的產(chǎn)物，存在自然變異性 非均勻性 各向異性 時(shí)空變異性土體的特點(diǎn) 碎散性 三相性 天然性緒論：土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 滲透特性 變形特性 強(qiáng)度特性 碎散性 三相性 天然性物理力學(xué)特性復(fù)雜土體的特點(diǎn)緒論：土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 學(xué)科研究對象理論力學(xué)質(zhì)點(diǎn)或剛體材料力學(xué)單個(gè)彈性桿件（桿、軸、梁）連續(xù)固體結(jié)構(gòu)力學(xué)若干彈性桿件組成的桿件結(jié)構(gòu)彈性力學(xué)彈性實(shí)體結(jié)構(gòu)或板殼結(jié)構(gòu)水力學(xué)不可壓縮的連續(xù)流體（水）連續(xù)流體土力學(xué)天然的三相碎散堆積物碎散材料土力學(xué)與其他學(xué)科的比較緒論：

6、土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 土力學(xué)的特點(diǎn) 土力學(xué)研究土的滲透、變形和強(qiáng)度特性以及與此有關(guān)的工程問題連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本知識描述碎散體特性的理論實(shí)驗(yàn)規(guī)律及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)緒論：土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 土力學(xué)發(fā)展的歷史1773 Coulomb（后Mohr發(fā)展）：摩爾-庫侖強(qiáng)度理論 有關(guān)土力學(xué)的第一個(gè)理論1776 Coulomb：庫侖土壓力理論1856 Darcy：達(dá)西滲流 定律1857 Rankine ：朗肯土壓力理論1920 Prandtl：普朗特極限力承載公式1921-1923 Terzaghi：有效應(yīng)力原理及固結(jié)理論1925 Terzaghi ：出版土力學(xué) 土力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的標(biāo)志1936 第一屆

7、國際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程會(huì)議1960s后 現(xiàn)代土力學(xué)萌芽時(shí)期古典時(shí)期現(xiàn)代緒論：土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 什么是土？ 土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？ 如何學(xué)好土力學(xué)？課程緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)土是工程中應(yīng)用最廣泛的建筑材料。由土層所構(gòu)成的廣袤大地 是工程建設(shè)的基地 是建筑物的地基 是地下建筑的環(huán)境 為土工構(gòu)筑物提供填筑材料因此，對土工程性質(zhì)認(rèn)識的偏差可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p失巨大的事故。土力學(xué)的重要性緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 加拿大特朗斯康谷倉 事故：1913年9月開始裝谷物，至10月17日共裝入3萬多谷物，但此時(shí)發(fā)生破壞： 1小時(shí)豎向沉降達(dá) 24小時(shí)傾斜2653 西端下沉 東

8、端上抬 上部鋼混筒倉完好無損概況：長，寬，高，共65個(gè)圓筒倉。鋼混筏板基礎(chǔ)，厚61cm，埋深。1913年完工，自重2萬T。緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 處理：事后在下面做了七十多個(gè)支撐于基巖上的混凝土墩，使用388個(gè)50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，才把倉體逐漸糾正過來，但其位置比原來降低了米。 加拿大特朗斯康谷倉 原因：谷倉的地基承載力按鄰近結(jié)構(gòu)物基槽開挖取土試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。1952年經(jīng)勘察試驗(yàn)與計(jì)算，地基實(shí)際承載力遠(yuǎn)小于谷倉破壞時(shí)發(fā)生的基底壓力。因此谷倉地基因超載發(fā)生強(qiáng)度破壞而滑動(dòng)。2653失事后1913.10.181952.10.5 試驗(yàn)孔填土褐色粉質(zhì)粘土灰色粉質(zhì)粘土-0.61-12.34-13.7

9、2-4.271952.10.3 試驗(yàn)孔緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 香港寶城滑坡 1972年7月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動(dòng)體正好沖過一幢高層住宅-寶城大廈，頃刻間寶城大廈被沖毀倒塌并砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。死亡7人。原因：山坡上殘積土本身強(qiáng)度較低，加之雨水入滲使其強(qiáng)度進(jìn)一步大大降低，使得土體滑動(dòng)力超過土的強(qiáng)度，于是山坡土體發(fā)生滑動(dòng)。緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ Po Shan RoadConduit RoadNotewell Road香港寶城滑坡現(xiàn)場阪神大地震中的地基液化液化：松砂地基在振動(dòng)荷載作用下喪失強(qiáng)度變 成流動(dòng)狀態(tài)的一種現(xiàn)象神戶碼頭：地震引起大

10、面積砂土地基液化后產(chǎn)生很大的側(cè)向變形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到嚴(yán)重?fù)p傷緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 阪神大地震中地基液化地基液化造成的路面塌陷緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 1964年日本新瀉地震地基的大面積液化緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 時(shí)間：1971年11月9-11日地點(diǎn)：神奈川縣川崎市生研究機(jī)構(gòu)：地質(zhì)研究所(通產(chǎn)省) 消防研究所(自治省) 土木研究所(建設(shè)省) 防災(zāi)科學(xué)技術(shù)中心(科技廳)泥 石 流 室 外 試 驗(yàn)緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 事故發(fā)生過程要點(diǎn)壤土(loam)斜坡崩塌（泥石流）實(shí)驗(yàn) 9日15:00人工降雨開始 11日15:00左右降雨量達(dá)500mm 陡坡中泥土突然以20-30m

11、/s流出，斜 坡崩塌，泥石流產(chǎn)生 泥石流推倒28米外的護(hù)欄，一直沖到 55米外的水池中央，造成31人被埋緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 事故發(fā)生地點(diǎn)關(guān)東壤土：風(fēng)化花崗巖上火山灰堆積層 w=5%傾角：30厚3m現(xiàn)場泥石流實(shí)驗(yàn)布置簡圖試驗(yàn)現(xiàn)場照片試驗(yàn)現(xiàn)場照片15人不幸遇難，11人受傷死者當(dāng)中 實(shí)驗(yàn)人員 1人 參觀者 10人 報(bào)社記者 1人 電視采訪人員 3人事故傷亡情況緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 可歸結(jié)為與土有關(guān)的強(qiáng)度問題 加拿大特朗斯康谷倉地基失穩(wěn) 香港寶城滑坡 阪神等大地震中地基液化 泥石流室外試驗(yàn)事故案例總結(jié)（一）緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 比 薩 斜 塔1173年：動(dòng)工1360年：再復(fù)工，至1

12、370年竣工， 全塔共8層，高度為55m1272年：復(fù)工，經(jīng)6年，至7層， 高48m，再停工1178年：至4層中，高約29m， 因傾斜停工緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 目前：塔向南傾斜，南北兩端沉降差，塔頂離中心線已達(dá)，傾斜原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，強(qiáng)度低，變形大。比 薩 斜 塔1590年: 伽利略在此塔做 自由落體實(shí)驗(yàn)緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 1838-1839：挖環(huán)形基坑卸載1933-1935：基坑防水處理 基礎(chǔ)環(huán)灌漿加固1990年1月: 封閉1992年7月：加固塔身，用壓重 法和取土法進(jìn)行地 基處理 目 前 : 已向游人開放。 處理措施比 薩 斜 塔緒論：為什么要學(xué)習(xí)土

13、力學(xué)？ 蘇州虎丘塔概況：位于虎丘公園山頂，建于宋太祖建隆二年(公元961年)。塔高，平面呈八角形。問題：塔身向東北方向嚴(yán)重傾斜，塔頂離中心線達(dá)，底層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險(xiǎn)建筑物。原因：坐落于不均勻粉質(zhì)粘土層， 產(chǎn)生不均勻沉降。處理：在四周建造圈樁排式地下連續(xù)墻并對塔周圍與塔基進(jìn)行鉆孔注漿和打設(shè)樹根樁加固塔身。緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 1986年：開工1990年：人工島完成1994年：機(jī)場運(yùn)營面積：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m世界最大的人工島日本 關(guān)西機(jī)場緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 關(guān)西機(jī)場問題：沉降大且不均勻設(shè)計(jì)沉降：5.7-7.5 m完成時(shí)(1990年)

14、實(shí)際沉降：8.1 m，5cm/月預(yù)測主固結(jié)需：20年比設(shè)計(jì)多超填：3m緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 可歸結(jié)為與土有關(guān)的變形問題 意大利比薩斜塔 蘇州虎丘塔 日本關(guān)西機(jī)場案例總結(jié)（二）緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 土壩，高90m，長1000m，1975年建成次年6月失事Teton壩（美國）緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ Teton壩滲流破壞過程緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 上午10:30 11：0011:3011:57Teton壩失事現(xiàn)場現(xiàn)狀損失直接8000萬美元，起訴5500起，億美元，死14人，受災(zāi)萬人，60萬畝土地，32公里鐵路被沖原因滲透破壞：沖蝕 水力劈裂緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 1998年長

15、江大堤緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 98洪水長江堤防險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)共發(fā)生各種險(xiǎn)情6000余處九江大堤決口1998年8月7日13:10發(fā)生管涌險(xiǎn)情，20分鐘后，在堤外迎水面找到2處進(jìn)水口。又過20分鐘，防水墻后的土堤突然塌陷出1個(gè)洞，5 m寬的堤頂隨即全部塌陷，并很快形成寬約62m的潰口。潰口原因：堤基管涌焦點(diǎn)詞匯：豆腐渣工程緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 溝后面板砂礫石壩位于青海省，高71米，長265米，建于1989年。1993年8月7日突然發(fā)生潰壩，瞬間沖毀1000多戶房舍，288人喪生，上千人受傷。潰壩原因：面板止水失效，下游壩體排水不暢，造成壩坡失穩(wěn)緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 可歸結(jié)為與土有關(guān)的滲透

16、問題 美國Teton壩失事 98洪水長江堤防險(xiǎn)情 溝后面板砂礫石壩潰壩案例總結(jié)（三）緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 土工結(jié)構(gòu)物或地基 土 強(qiáng)度問題 變形問題 滲透問題 強(qiáng)度特性 變形特性 滲透特性土力學(xué)可以解決工程實(shí)踐問題，這正是土力學(xué)存在的價(jià)值以及我們學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的。學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 什么是土？ 土及土力學(xué)有哪些特點(diǎn)？ 為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？ 如何學(xué)好土力學(xué)？課程緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn) 基礎(chǔ)和先導(dǎo) 物理性質(zhì) 土中應(yīng)力計(jì)算工程應(yīng)用 土壓力 土坡穩(wěn)定 地基承載力 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)核心理論 滲透特性 變形特性 強(qiáng)度特性土力學(xué)土力學(xué)（1）土力學(xué)（2）緒論：為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 緒 論