1、鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,土力學(xué),授課者 劉忠玉,緒 論,一、土力學(xué)及其研究對(duì)象 二、土力學(xué)的任務(wù) 三、土力學(xué)的學(xué)科地位 四、土力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 五、課程的學(xué)習(xí)方法,一、土力學(xué)及其研究對(duì)象,什么是土？,土是礦物或巖石碎屑物構(gòu)成的松軟集合體。 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。,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(méi)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(diǎn)。 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(duì)移動(dòng)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、

2、荷載等影響。,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(shí)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。還要用專門的土工試驗(yàn)技術(shù)來(lái)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。,地基基礎(chǔ)的概念,地基(subgrade, foundation soils) 承受建筑物全部荷載的那一部分天然的或部分經(jīng)過(guò)人工改造的地層,基礎(chǔ) (foundation ) 位于建筑物墻、柱、底梁以下，經(jīng)過(guò)適當(dāng)擴(kuò)大尺寸的建筑物最下部結(jié)構(gòu),埋深 (depth of embedment) 地面至基底的豎向距離,天然地面或設(shè)計(jì)地面,二、土力學(xué)的任務(wù),土體穩(wěn)定問(wèn)題：地基承載

3、力、邊坡與擋土墻的穩(wěn)定,基底壓力,地基承載力特征值,地基變形問(wèn)題：地基沉降和不均勻沉降、側(cè)向位移,地基變形特征,地基變形允許值,滲流,事故類型與案例,與土力學(xué)有關(guān)的土木工程事故主要有以下類型： 地基產(chǎn)生整體剪切破壞 地基發(fā)生不均勻沉降 地基產(chǎn)生過(guò)量沉降 地基土液化失效,(1)地基產(chǎn)生整體剪切破壞,A.加拿大特朗斯康谷倉(cāng) 建于1914年，由65個(gè)圓柱形筒倉(cāng)構(gòu)成，高31m，寬23.5m，其下為鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，由于事前不了解基礎(chǔ)下埋藏有厚達(dá)16m的軟粘土層，谷倉(cāng)建成后初次貯存谷物達(dá)27000t后，發(fā)現(xiàn)谷倉(cāng)明顯下沉，結(jié)果谷倉(cāng)西側(cè)突然陷入土中7.3m，東側(cè)上抬1.5m，倉(cāng)身傾斜近27o。后查明谷倉(cāng)基

4、礎(chǔ)底面單位面積壓力超過(guò)300kPa，而地基中的軟粘土層極限承載力才約250kPa，因此造成地基產(chǎn)生整體破壞并引發(fā)谷倉(cāng)嚴(yán)重傾斜。該谷倉(cāng)由于整體剛度極大，因此雖傾斜極為嚴(yán)重，但谷倉(cāng)本身卻完好無(wú)損。后于基礎(chǔ)之下做了七十多個(gè)支承于下部基巖上的混凝土墩，使用了388個(gè)50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)才把倉(cāng)體逐漸扶正，但其位置比原來(lái)降低了近4.0m。,(1)地基產(chǎn)生整體剪切破壞,B.巴西某十一層大廈 1955年始建的巴西某十一層大廈長(zhǎng)25m，寬12m，支承在99根21m長(zhǎng)的鋼筋混凝土樁上。1958年大廈建成后，發(fā)現(xiàn)明顯下沉。1月30日，該建筑物的沉降速度高達(dá)每小時(shí)4mm，晚8時(shí)許，大廈在20s內(nèi)倒塌。后查明該大廈

5、下有25m厚的沼澤土，而其下的樁長(zhǎng)僅有21m，為深入其下的堅(jiān)固土層，倒塌是由于地基產(chǎn)生整體剪切破壞所致。,C. 羅長(zhǎng)高速公路,(2)地基發(fā)生不均勻沉降,A.意大利比薩斜塔 1173年動(dòng)工修建，當(dāng)塔修建至24m高時(shí)發(fā)生傾斜，一百年后續(xù)建該塔至塔頂，建成后塔高54.5m。目前塔北側(cè)沉降一米多，南側(cè)沉降近三米，塔頂偏離中心線約5.54m（傾斜約5.8o）。為使斜塔安全留存，后在國(guó)際范圍內(nèi)進(jìn)行了招標(biāo)，對(duì)斜塔進(jìn)行了加固處理。,(2)地基發(fā)生不均勻沉降,B.我國(guó)名勝蘇州虎丘塔 蘇州虎丘塔建于959961年期間，為七級(jí)八角形磚塔，塔底直徑13.66m，高47.5m，重63000kN塔建成后由于歷經(jīng)戰(zhàn)火滄桑、

6、風(fēng)雨侵蝕，使塔體嚴(yán)重?fù)p壞，為了使該名勝古跡安全留存，我國(guó)于19561957年期間對(duì)其進(jìn)行了上部結(jié)構(gòu)修繕，但修繕的結(jié)果使塔體重量增加了約2000 kN，同時(shí)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(duì)該塔進(jìn)行了基礎(chǔ)托換，使其不均勻沉降得以控制。,(3)地基產(chǎn)生過(guò)量沉降,A. 廣深鐵路k2+150段線路 我國(guó)廣深鐵路k2+150段線路位于廣州市，該路段地處山澗流水地帶，淤泥覆蓋層較厚，通車后路基不斷下沉，1975年后，嚴(yán)重地段每旬下沉量高達(dá)1216mm，其它地段每旬下沉量812mm不等，路基的下沉不僅

7、增加了該段鐵路的維修保養(yǎng)作業(yè)量，更嚴(yán)重威脅著鐵路列車的安全營(yíng)運(yùn)。該路段后采用高壓噴射注漿法進(jìn)行了路基土加固處理。,(3)地基產(chǎn)生過(guò)量沉降,B. 西安某住宅樓 西安某住宅樓位于西安市霸橋區(qū)，場(chǎng)地為級(jí)自重濕陷性黃土場(chǎng)地，建筑物長(zhǎng)18.5m，寬14.5m，為六層點(diǎn)式磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用肋梁式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，建筑物修建以前對(duì)地基未做任何處理，由于地下管溝積水，致使地基產(chǎn)生濕陷沉降，在沉降發(fā)生最為嚴(yán)重的5天時(shí)間里，該建筑物的累計(jì)沉降量超過(guò)了300mm。后雖經(jīng)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行托換處理止住了建筑物的繼續(xù)沉降，但過(guò)量沉降嚴(yán)重影響了該建筑物的使用功能，在門廳處不僅形成了倒灌水現(xiàn)象，而且門洞高度嚴(yán)重不足，人員出入極不方便

8、。,(4)地基土液化失效,A.日本新瀉地震 日本新瀉市于1964年6月16日發(fā)生了7.5級(jí)大地震，當(dāng)?shù)卮竺娣e的砂土地基由于在地震過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)液化現(xiàn)象而失去了承載能力，毀壞房屋近2890幢。B B.唐山地震 1976年7月28日發(fā)生在我國(guó)唐山市的大地震是人類歷史上造成損失最嚴(yán)重的地震之一，震級(jí)7.8級(jí)，大量建筑物在地震中倒塌損毀，地基土的液化失效是其中的主要原因之一，唐山礦冶學(xué)院圖書館書庫(kù)因地基液化失效致使其第一層全部陷入地面以下。,三、土力學(xué)的學(xué)科地位,土木專業(yè)的一門重要的主干課程 各學(xué)科之間的相互滲透、相互依存 預(yù)備知識(shí)：高等數(shù)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、水力學(xué)、材料力學(xué)和彈性力學(xué)的基本概念和部分計(jì)算

9、理論 后續(xù)課程：基礎(chǔ)工程、深基坑工程、地基處理,四、本學(xué)科的發(fā)展概況,古老 + 年輕,感性認(rèn)識(shí)階段： 公元前2世紀(jì)修建的萬(wàn)里長(zhǎng)城；始鑿于春秋末期，后經(jīng)隋、元等代擴(kuò)建的京杭運(yùn)河；隋朝大業(yè)年間李春設(shè)計(jì)建造的河北趙州安濟(jì)橋；我國(guó)著名的古代水利工程之一，戰(zhàn)國(guó)時(shí)期李冰領(lǐng)導(dǎo)修建的都江堰；遍布于我國(guó)各地的巍巍高塔，宏偉壯麗的供電、廟宇和寺院；舉世聞名的古埃及金字塔等，都是由于修建在牢固的地基基礎(chǔ)之上才能逾千百年而留存于今。,十八世紀(jì)歐洲產(chǎn)業(yè)革命以后，理論發(fā)展階段： 十七世紀(jì)末期歐洲各國(guó)大規(guī)模的城堡建設(shè)推動(dòng)了筑城學(xué)的發(fā)展并提出了墻后土壓力問(wèn)題，庫(kù)侖（1773）提出了著名的抗剪強(qiáng)度公式和土壓力理論。 十九世紀(jì)中

10、葉開始，大規(guī)模的橋梁、鐵路和公路建設(shè)推動(dòng)了樁基和深基礎(chǔ)的理論與施工方法的發(fā)展。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(wèn)題。1857年英國(guó)人朗肯又從不同途徑提出了擋土墻的土壓力理論。1885年法國(guó)學(xué)者J.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。1852年法國(guó)的達(dá)西創(chuàng)立了砂性土的滲流理論“達(dá)西定律”。1922年瑞典學(xué)者費(fèi)蘭紐斯提出了一種土坡穩(wěn)定的分析方法。這一時(shí)期的理論研究為土力學(xué)發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。,1925年后，學(xué)科獨(dú)立，飛速發(fā)展： 1925年美國(guó)人K.太沙基歸納了以往的理論研究成果，發(fā)表了第一本土力學(xué)專著，又于1929年與其它學(xué)者一起發(fā)表了工程地質(zhì)學(xué)。這些比較系統(tǒng)完整的科學(xué)著作的出版，帶動(dòng)了各國(guó)學(xué)者對(duì)本學(xué)科各個(gè)方面的研究和探索，從此土力學(xué)作為一門獨(dú)立的科學(xué)而得到不斷發(fā)展。我國(guó)著名學(xué)者黃文熙教授，陳宗基教授等也為土力學(xué)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。 新試驗(yàn)、新