土質土力學01緒論課件

土質土力學關于土的工程特性的科學從事巖土工程勘察主要的一門課程，實踐性強。教材與參考書第一章緒論1、教材（1）土質學與土力學許惠德等編，中國礦業(yè)大學出版社，1995（2）土質土力學實驗指導書，自編2、參考書唐大雄的《工程巖土學》（第二版）陳希哲的《土力學地基基礎》（第四版）高大釗的《土質學與土力學》（第三版）南京大學編寫的《工程地質學》等。一、土質學與土力學在工程地質學中的地位第一章緒論1．工程建設的種類及存在的地質問題工程建設的種類：房屋建筑水利水電工程地下工程（隧道、礦井等）道路、橋梁工程………第一章緒論工程建設與地質環(huán)境之間的關系在工程地質學中歸結為兩個方面：（1）工程地質條件（2）工程地質問題第一章緒論2．工程地質條件工程地質條件是工程建設開始前已經客觀存在的、對工程建設有影響的地質條件。一般認為由以下六個因素構成：巖土及其工程性質地質結構地形地貌水文地質物理地質作用天然建筑材料工程地質條件可通過工程地質勘察進行查明，是工程地質工作基本任務。第一章緒論3．工程地質問題工程建設過程中及建設后產生的工程建設引起的地質條件的改變而產生的新的地質和環(huán)境問題。工程地質問題的具體類型與工程類型有關：房屋建筑——地基變形（下沉或差異下沉），地基強度（穩(wěn)定性）等水利水電工程——壩基、壩肩穩(wěn)定性，水庫滲漏，庫岸穩(wěn)定性，水庫淹沒，邊坡穩(wěn)定性，地下廠房圍巖穩(wěn)定性等基坑工程——地下水問題，滲透變形，邊坡等道路、橋梁工程——路基變形、穩(wěn)定性，橋墩、橋臺穩(wěn)定性，隧道穩(wěn)定性等區(qū)域穩(wěn)定性、邊坡等問題是各類工程均存在的問題。工程地質問題是后生的，是工程不能適應地質環(huán)境的表現，在工程興建之前是不存在的，不能通過勘察來查明，只能通過工程地質條件與工程相互作用過程進行分析研究和預測預報。是工程勘察的核心任務，難點所在。第一章緒論土與工程建設關系密切：土是地基、圍巖、或建筑材料（土料）。土的性質直接影響工程建設的順利施工與正常使用，也影響規(guī)模。土質學是工程地質學的理論基礎之一，也是其重要的組成部分。土力學是土質學的延伸和發(fā)展。（2）土質土力學在工程地質學中的地位第一章緒論5．土質學與土力學研究意義Peck（1962）：地下工程是一門技藝，土力學是一門工程科學，……。我們應當很好地回想和分析，為使地下工程成功地付諸實施所必不可少的先決條件，至少有三點：通曉先例，精通土力學，以及具有地質學的工作知識。……比薩斜塔：意大利比薩斜塔始建于1173年8月，由著名建筑師那諾.皮薩諾主持修建。它位于羅馬式大教堂后面右側，是比薩城的標志。動工五六年后，塔身從三層開始傾斜，直到完工還在持續(xù)傾斜，在其關閉之前，塔頂已南傾(即塔頂偏離垂直線)4.5m。1990年，意大利政府將其關閉，開始進行整修。經過12年的修繕，耗資約2500萬美元，斜塔被扶正44cm，基本達到了預期的效果。專家認為，只要不出現不可抗拒的自然因素，經過修復的比薩斜塔，300年內將不會倒塌。2001年12月15日起再次向游人開放。精通先例：——變形1173年8月9日開始建造時的設計是垂直豎立的，原設計為8層，高54.8m。1185年，當鐘樓興建到第4層時發(fā)現由于地基不均勻和土層松軟，導致鐘樓已經傾斜偏向東南方，工程因此暫停。1231年，工程繼續(xù)，建造者采取各種措施修正傾斜，刻意將鐘樓上層搭建成反方向的傾斜，以便補償已經發(fā)生的重心偏離。1278年進展到第7層的時候，塔身不再呈直線，而是為凹形。工程再次暫停。1360年，在停滯了差不多一個世紀后鐘樓向完工開始最后一個沖刺，并作了最后一次重要的修正。1372年擺放鐘的頂層完工。比薩斜塔之所以會傾斜，是由于它地基下面土層的特殊性造成的。比薩斜塔下的有好幾層不同材質的土層，各種軟質粉土的沉淀物和非常軟的粘土相間形成，而在深約一米的地方則是地下水層。這個結論是在對地基土層成份進行觀測后得出的。最新的挖掘表明，鐘樓建造在了古代的海岸邊緣，因此土質在建造時便已經沙化和下沉。類似的例子——蘇州虎丘塔：虎丘斜塔，塔高47m，八角七層，青磚造就，此塔建于五代后周顯德六年（959年），落成于北宋建隆二年（961年），至今已有一千多年歷史。這座江南最古老的大型磚塔在建造時地基就有局部沉降，以后歷次修葺，并沒有控制住塔身傾斜。1976年，該塔出現危險情況，塔墩裂開，墩磚壓碎，當時有關部門立即采取臨時排險措施。1981年，又進行了第二次加固修繕。使這座古塔控制了傾斜。經測定，塔身的傾斜度和沉降都處于穩(wěn)定狀態(tài)，現在塔頂中心偏離塔底中心2.32m，塔身傾斜度為2.47度，被國外建筑學家稱為“中國的比薩斜塔”。地基為高壓縮性淤泥質軟土，1954年5月開工后，當年年底實測地基平均下沉量為60cm。1957年6月，中央大廳周圍沉降量最大146.55cm，最小122.8cm。以后20年中僅下降20多厘米。由于地基嚴重下沉，使散水倒坡，建筑物室內外聯接、內外各種管網發(fā)生斷裂，維護、更新付出了相當的代價。加拿大特朗斯康谷倉：加拿大特朗斯康谷倉平面呈矩形，長59.44m,寬23.47m。高31.0m。容積36368m3。谷倉為圓筒倉，每排13個圓筒倉，共5排65個圓筒倉組成。谷倉的基礎為鋼筋混凝土筏基，厚61cm，基礎埋深3.66m。谷倉于1911年開始施工，1913年秋完工。谷倉自重20000t，相當于裝滿谷物后滿載總重量的425%。1913年9月起往谷倉裝谷物，仔細地裝載，使谷物均勻分布、10月當谷倉裝了31822m3谷物時，發(fā)現1小時內垂直沉降達30.5cm。結構物向西傾斜，并在24小時間谷倉傾倒，傾斜度離垂線達26o53ˊ。谷倉西端下沉7.32m，東端上抬端下沉7.32m，東端上抬1.52m。1913年10月18日谷倉傾倒后，上部鋼筋混凝土筒倉艱如盤石，僅有極少的表面裂縫。精通先例：——強度與穩(wěn)定性問題谷倉的場地位于冰川湖的盆地中，地基中存在冰河沉積的粘土層，厚12.2m；粘土層上面是更近代沉積層，厚3.0m。粘土層下面為固結良好的冰川下冰磧層，厚3.0m。從不擾動的粘土試樣測得：粘土層的平均含水量隨深度而增加從40％到約60％；無側限抗壓強度qu從118.4kPa減少至70.0kPa，平均為100.0kPa；平均液限wL=105%，塑限wP=35％，塑性指數IP=70。表明這層粘土是高膠體高塑性的。加拿大特朗斯康谷倉發(fā)生地基滑動強度破壞的主要原因：對谷倉地基土層事先未作勘察、試驗與研究，采用的設計荷載超過地基土的抗剪強度，導致這一嚴重事故。由于谷倉整體剛度較高，地基破壞后，筒倉仍保持完整，無明顯裂縫，因而地基發(fā)生強度破壞而整體失穩(wěn)。趙州橋隋朝石工李春所修趙州石拱橋、不僅因其建筑和結構設計的成就而著稱于世，就論其地基基礎的處理也是頗為合理的。他把橋臺砌置于密實租砂層上，1300多年來估計沉降約幾厘米?，F在驗算其基底壓力約500~600kPa，這與以現代土力學理論方法給出的承教力值很接近。精通先例：——成功實例第一章緒論總結：與土有關的工程問題歸結為以下三個方面：土工結構或地基土的特性強度問題強度特性變形問題變形特性滲透問題滲透特性土質學與土力學研究上述特性，解決上述問題。二、土質與土力學研究對象與研究內容第一章緒論1、研究對象——土和土體土質及土力學是將土作為建筑物的地基、圍巖介質和建筑材料進行研究的一門學科。（1）土的概念土是在漫長的地質歷史過程中形成的由多種礦物集合而成的多相分散體系。簡單地說，土是最新地質時期的松散沉積物，是由巖石經物理和化學風化作用后的產物。第一章緒論2、土質與土力學研究內容（1）土質學土質學屬于地質的范疇，是工程地質學的重要組成部分，是從工程地質觀點對土進行研究，是地質學的觀點和力學的觀點的有機結合，理論性和實踐性均很強。土質學從土的成因及成分出發(fā)，研究土的工程性質的本質和機理。對土在荷載、溫度及濕度等因素作用下發(fā)生的變化做出數量上的評價，并根據土的強度、變形機理提出改良土質的有效途徑。第一章緒論（2）土力學的研究內容土力學屬于工程力學的范疇，運用力學原理，結合土的分散體系特征把土作為物理—力學系統(tǒng)，根據土的應力—應變—強度關系，提出力學計算模型，用數學力學方法求解土在各種條件下的應力分布、變形以及土壓力、地基承載力與土坡穩(wěn)定性等課題。同時根據土的實際情況評價各種力學計算方法的可靠性和適用條件。其力學計算模型必須建立在現場勘察和實測土的計算參數（即工程地質性質指標）的基礎上。因此，土力學也是理論性和實踐性很強的學科。四、土質與土力學的發(fā)展簡史第一章緒論1、十八世紀前——古建筑、古工程等2、十八-十九世紀——庫侖定律、達西定律、庫侖和朗肯經典土壓力理論等3、二十世紀——普朗特爾極限承載力、太沙基有效應力原理與滲透固結理論、土力學出版等4、新進展——新的分科產生，實行巖土工程師制第一章緒論巖土工程師的職責：掌握巖土工程特點，嚴格之行國家規(guī)范、規(guī)程，確保第一手資料的正確性和完整性，論證和評價結論的可靠性和合理性；采用先進勘察手段和評價方法，以最合理的勘察工作量，取得最佳的勘察成果；提出巖土工程評價結論、基礎方案、地基改良和施工方案，預測環(huán)境地質問題及預防措施；在巖土工程勘察、設計、施工和監(jiān)理的全過程承擔技術責任：提出地基改良方案，推薦基礎最佳施工方案，指導巖土工程施工和監(jiān)理，指導巖土工程在運營和使用期間的長期觀測等。五、土質與土力學與其它學科的關系第一章緒論1、地質學——基礎，定性2、數學、物理、化學、力學——定量3、工程技術——服務對象，相互作用的另一方先導課程——地質學中的礦物學、巖石學、構造地質學、水文地質學等后續(xù)課程——工程地質學、巖土工程勘察等六、課程教學內容安排、學習方法與要求第一章緒論1、教學與實驗內容（1）教學內容占總成績的70%土的物質組成和結構土的物理性質土的力學性質地基中的應力和地基土的沉降計算地基土承載力計算土坡穩(wěn)定和土壓力計算土的分類、各類型土的工程地質性質、地基處理與改良等內容自學。土力學部分以經典土力學為主。第一章緒論（2）實驗內容（6學時）占總成績的20%土的顆粒分析實驗土的密度和含水率測定土的液限和塑限的測定土的壓縮實驗土的直接剪切實驗驗。（3）課堂表現及作業(yè)占總成績的10%第一章緒論2．學習方法與要求學習方法：課堂聽講、課后練習與自習以及試驗有機結合。學習要求如下：1）掌握土的工