土力學(xué) 課件 第1章 緒論

土力學(xué)SoilMechanics第1章

緒論1.1土力學(xué)及其研究對象1.2土力學(xué)的任務(wù)1.3土力學(xué)的學(xué)科地位1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史1.5課程的學(xué)習(xí)方法土力學(xué)是干什么的？

土力學(xué)是以傳統(tǒng)的工程力學(xué)和地質(zhì)學(xué)的知識為基礎(chǔ)，研究與土木工程有關(guān)的土中應(yīng)力、變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的應(yīng)用力學(xué)分支。同時，土力學(xué)還要用專門的土工試驗技術(shù)來研究土的物理化學(xué)特性，以及土的強(qiáng)度、變形和滲透等特殊力學(xué)特性。

因此，土力學(xué)除了工程力學(xué)的一般內(nèi)容外，還有土質(zhì)學(xué)、土工試驗以及滲流力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。1.1土力學(xué)及其研究對象什么是土？

土是礦物或巖石碎屑物構(gòu)成的松軟堆積物。在自然條件下，這些堆積物可形成具有一定物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)形式和賦存環(huán)境的地質(zhì)體。1.1土力學(xué)及其研究對象

在工程建設(shè)中，土被廣泛用作各種建筑物的地基或材料，或構(gòu)成建筑物周圍的環(huán)境或保護(hù)層。

1.1土力學(xué)及其研究對象土的特點：

三相體：由固體顆粒、液體水和氣體組成。碎散性：固體顆粒之間沒有聯(lián)接強(qiáng)度或聯(lián)接強(qiáng)度遠(yuǎn)小于顆粒本身的強(qiáng)度是土有別于其它連續(xù)介質(zhì)的一大特點。透水性：粗、細(xì)粒土差別很大。多孔性：變形大、土粒之間的相對移動性。自然變異性或不均勻性：土有很強(qiáng)的區(qū)域性。易變性：易受溫度、濕度、地下水、荷載等影響。1.1土力學(xué)及其研究對象1）土體穩(wěn)定問題：包括地基承載力、邊坡以及擋土墻的穩(wěn)定等，也就是研究土體中的應(yīng)力和強(qiáng)度，避免土體因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致建筑物的破壞或邊坡喪失穩(wěn)定性。

1.2土力學(xué)的任務(wù)地基承載力不足案例：加拿大特朗斯康谷倉由65個圓筒倉組成，59.44m×23.47m，高31.00m。鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，埋深3.66m。谷倉地基土事先未進(jìn)行勘察，僅根據(jù)鄰近結(jié)構(gòu)物基槽開挖試驗結(jié)果，計算得到地基承載力為352kPa。谷倉于1913年完工后，10月13日初次裝入谷物（基底壓力329.4kPa）時，發(fā)現(xiàn)1小時內(nèi)豎向沉降達(dá)30.5cm，24小時內(nèi)谷倉向西傾斜達(dá)26°53′，西端下沉7.32m，東端上抬1.52m。事后查明，該谷倉地基實際承載力為194~277kPa，遠(yuǎn)小于谷倉破壞時的基底壓力。1.2土力學(xué)的任務(wù)加拿大特朗斯康谷倉傾斜示意圖邊坡失穩(wěn)案例：太澳高速路塹邊坡（2010）1.2土力學(xué)的任務(wù)邊坡失穩(wěn)案例：羅長高速路堤邊坡（2004）1.2土力學(xué)的任務(wù)2）土體變形問題：地基的變形特征（沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜）不超過建筑物的允許值。

1.2土力學(xué)的任務(wù)工程案例一：意大利比薩斜塔

該塔于1173年動工，1370年竣工。全塔8層，高度為55m，總荷重145MN，基底壓力約50kPa。地基持力層為粉砂，下為粉土和黏性土。該塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線達(dá)5.27m，傾斜5.5°，成為危險建筑，1990年被封閉。1.2土力學(xué)的任務(wù)工程案例二：蘇州虎丘塔

建于959～961年期間，為七級八角形磚塔，塔底直徑13.66m，高47.5m，重63000kN。1956～1957年修繕后，塔體重量增加約2000kN，同時加速了塔體的不均勻沉降，塔頂偏離中心線的距離由1957年的1.7m發(fā)展到1978年的2.31m，并導(dǎo)致地層砌體產(chǎn)生局部破壞。后于1983年對該塔進(jìn)行了基礎(chǔ)托換。1.2土力學(xué)的任務(wù)工程案例三：樓歪歪與樓靠靠

3）滲透變形問題：流土、管涌、基坑突涌等。

1.2土力學(xué)的任務(wù)2019年8月24日，南京地下空間基坑突涌2016年7月4日，武漢市青山區(qū)倒口湖管涌處理1.2土力學(xué)的任務(wù)美國Idaho州Teton壩1976年6月失事。直接損失8000萬美元。1.2土力學(xué)的任務(wù)1.2土力學(xué)的任務(wù)美國Idaho州Teton壩1976年6月失事（續(xù)）是土木類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程；與其他課程相互滲透、相互依存。預(yù)備知識：高等數(shù)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)和彈性力學(xué)的基本概念和部分計算理論后續(xù)課程：基礎(chǔ)工程、深基坑工程、地基處理1.3土力學(xué)的學(xué)科地位萬丈高樓平地起！古老+年輕感性認(rèn)識階段：古代勞動人民留下了令今人嘆為觀止的工程遺產(chǎn)。恢宏的宮殿寺院、靈巧的水榭樓臺、巍峨高塔、蜿蜒萬里的長城、大運(yùn)河等等，無不體現(xiàn)出能工巧匠的高超技藝和創(chuàng)新智慧。但這僅僅局限于工程實踐經(jīng)驗，受到當(dāng)時生產(chǎn)力水平的限制，未能形成系統(tǒng)的土力學(xué)和工程建設(shè)理論。

1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史萌芽期(1773~1923)：十七世紀(jì)末期，歐洲各國大規(guī)模的城堡建設(shè)推動了筑城學(xué)的發(fā)展并提出了墻后土壓力問題，庫侖（1773）提出了著名的抗剪強(qiáng)度公式和土壓力理論。1869年英國人朗肯又從不同途徑提出了擋土墻的土壓力理論。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史CACoulomb(1736—1806)WJMRankine(1820—1872)十九世紀(jì)中葉開始，大規(guī)模的橋梁、鐵路和公路建設(shè)推動了樁基和深基礎(chǔ)的理論與施工方法的發(fā)展。1885年布辛奈斯克求得了彈性半空間體在豎向集中力作用下的應(yīng)力和位移解。同時深井抽水很盛行，促進(jìn)了地下水的研究。1852年達(dá)西創(chuàng)立了砂性土的滲流理論“達(dá)西定律”。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史JVBoussinesq(1842—1929)HPGDarcy(1803—1858)路塹和路堤、運(yùn)河渠道邊坡、水壩等的建設(shè)提出了土坡穩(wěn)定性的分析問題。1916年，瑞典彼得森(K.E.Petterson)首先提出了邊坡穩(wěn)定計算的圓弧滑動法，1922年，瑞典費倫紐斯(W.Fellenius)對此做了進(jìn)一步的發(fā)展，至今在邊坡工程中廣泛采用。1920年法國普朗德爾(L.Prandtl)發(fā)表了地基滑動面計算的數(shù)學(xué)公式，為后來多種地基承載力理論公式的提出奠定了基礎(chǔ)。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史古典土力學(xué)（1923~1963）：1923年，太沙基提出了飽和土體一維固結(jié)理論，1925年在歸納以往成果的基礎(chǔ)上闡述了有效應(yīng)力原理，發(fā)表了第一本《土力學(xué)》（Erdbaumechanik）專著，從而建立起一門獨立的學(xué)科——土力學(xué)。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史KTerzaghi(1883—1963)這一時期，費倫紐斯、泰勒（D.W.Taylor）和畢肖普(A.W.Bishop)等完善和發(fā)展了圓弧滑動分析方法，特別是1955年畢肖普對邊坡安全系數(shù)提出的新定義，為其后非圓弧條分法的提出鋪平了道路。1941年比奧(M.A.Biot)提出了Biot三維固結(jié)理論，首次將滲流和變形耦合到一起。1948年，巴隆（R.A.Barron）提出的砂井固結(jié)理論成為預(yù)壓法處理軟弱地基的理論基礎(chǔ)。1954年斯肯普敦(A.W.Skempton)提出的著名的孔隙水壓力公式和1963年簡布(N.Janbu)提出的模量公式，已分別初步考慮到了土體的剪脹性和壓硬性，這說明現(xiàn)代土力學(xué)已在20世紀(jì)50年代已開始醞釀。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史現(xiàn)代土力學(xué)（1963~）：1963年，羅斯科(K.H.Roscoe)等人創(chuàng)建并發(fā)表了著名的劍橋彈塑性模型，標(biāo)志著人們對土性質(zhì)的認(rèn)識和研究進(jìn)入了一個嶄新的階段。其后，非線性和彈塑性本構(gòu)模型得以深入研究，新的本構(gòu)模型不斷涌現(xiàn)，非飽和土力學(xué)已日漸雛形。隨著土工數(shù)值計算的飛速發(fā)展，土力學(xué)進(jìn)入了計算機(jī)模擬階段。同時土工測試技術(shù)，特別是原位測試技術(shù)和離心模型試驗技術(shù)也取得很大進(jìn)展。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史沈珠江院士將現(xiàn)代土力學(xué)理論歸結(jié)為一個模型、三個理論和四個分支。一個模型即本構(gòu)模型，特別是指結(jié)構(gòu)性模型；三個理論即非飽和土固結(jié)理論、液化破壞理論和漸進(jìn)破壞理論；四個分支即理論土力學(xué)、計算土力學(xué)、試驗土力學(xué)和應(yīng)用土力學(xué)（土工學(xué)）。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史沈珠江(1933.1.25-2006.10.2)中國學(xué)者的貢獻(xiàn)：我國對土力學(xué)的研究始于1945年在中央水利試驗處創(chuàng)立第一個土工試驗室，但是，大規(guī)模的研究則是在新中國成立以后大規(guī)模的工程建設(shè)中。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史南京長江大橋三峽大壩中國學(xué)者的貢獻(xiàn)：在土的特性方面：劉祖典等對黃土濕陷特性的研究、魏汝龍對軟黏土強(qiáng)度變形特性的研究、汪聞韶對砂土動力特性的研究等。1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史劉祖典（1914—)汪聞韶（1919—）中國學(xué)者的貢獻(xiàn)：在理論和計算方面：黃文熙對地基應(yīng)力和沉降計算方面的改進(jìn)、陳宗基的流變模型、錢家歡應(yīng)用李氏比擬法求解黏彈性多孔介質(zhì)的固結(jié)問題、謝定義關(guān)于砂土液化理論的研究、沈珠江關(guān)于有效應(yīng)力動力分析方法的研究1.4土力學(xué)的發(fā)展簡史黃文熙(1909—2001)陳宗基（