中南大学土力学课件

土的强度理论土的压缩性与地基沉降计算土体中的应力计算土的渗透性与水的渗流土的物理性质与工程分类绪论：土力学及其特点挡土结构物上的土压力地基承载力土力学张升[e-mail]教材及参考书教材：①马建林主编，《土力学》（第三版），中国铁道出版社②阮波，张向京主编，《土力学试验》，中南大学出版社参考书：①ArnoldVerruijt,《SOILMECHANICS》②陈希哲主编，《土力学与地基基础》，清华大学出版社③邵光辉主编，《土力学与地基基础》，人民交通出版社④陈仲颐主编，《土力学》，清华大学出版社教学环节：讲课+习题课(34学时)实验课(3次6学时)考核及成绩：70％（期末考试）10％（作业完成情况）15％（实验：预习＋操作＋报告）5％(平时表现)土力学课程的安排和要求上课、实验课必须出席积极参加课堂讨论独立按时完成作业。抄袭、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。课程要求：什么是土？土及土力学的特点？学习土力学的重要性？土力学的研究内容？土力学的发展方向？绪论：土力学及其特点主要内容土地系指由地形、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。什么是土？绪论：土力学及其特点大气圈水圈岩石圈生物圈风化物土壤圈地下水一、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。绪论：土力学及其特点二、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传统岩土工程的范畴绪论：土力学及其特点岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚三、土的形成过程风蚀蘑菇绪论：土力学及其特点高山下的冲积锥群黄河冲积三角洲绪论：土力学及其特点砾石料卵石砂粘土（人工破碎）四、工程与土力学中的土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：土力学及其特点一、土体的特点一般固体：液体：土体（散粒）：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土及土力学的特点？绪论：土力学及其特点岩石风化或破碎的产物，是非连续体•受力以后易变形，强度低•体积变化主要是孔隙变化•剪切变形主要由颗粒相对位移引起固相-土骨架液相-水气相-空气•受力后由土骨架、孔隙介质共同承担•相间存在复杂的相互作用•孔隙流体流动自然界的产物，存在自然变异性•非均匀性•各向异性•时空变异性碎散性三相性天然性绪论：土力学及其特点学科研究对象理论力学质点或刚体材料力学单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体结构力学若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性实体结构或板壳结构水力学不可压缩的连续流体（水）连续流体土力学天然的三相碎散堆积物碎散材料二、土力学与其他学科的比较绪论：土力学及其特点三、土力学的特点土力学研究土的物理、化学和力学性质以及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学。连续介质力学的基本知识描述碎散体特性的理论实验规律及工程实践经验绪论：土力学及其特点四、土力学的发展历史1773Coulomb（后Mohr发展）：摩尔-库仑强度理论有关土力学的第一个理论1776Coulomb：库仑土压力理论1856Darcy：达西渗流定律1857Rankine：朗肯土压力理论1920Prandtl：普朗特极限承载力公式1921-1923Terzaghi：有效应力原理及固结理论1925Terzaghi：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1960’s后现代土力学萌芽时期古典时期现代绪论：土力学及其特点土是工程中应用最广泛的建筑材料。由土层所构成的广袤大地•是工程建设的基地•是建筑物的地基•是地下建筑的环境•为土工构筑物提供填筑材料因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损失巨大的事故。学习土力学的重要性？绪论：土力学及其特点☆加拿大特朗斯康谷仓事故：1913年9月开始装谷物，至10月17日共装入3万多Ｔ谷物，但此时发生破坏：•1小时竖向沉降达30.5cm•24小时倾斜26°53ˊ•西端下沉7.32m东端上抬1.52m•上部钢混筒仓完好无损概况：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。1913年完工，自重2万T。绪论：土力学及其特点处理：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，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了４米。原因：谷仓的地基承载力按邻近结构物基槽开挖取土试验结果计算。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。2653失事后1913.10.181952.10.5试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3试验孔绪论：土力学及其特点☆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６7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。绪论：土力学及其特点香港宝城滑坡现场绪论：土力学及其特点Early1972滑坡前July1972滑坡后绪论：土力学及其特点☆阪神大地震中的地基液化神户码头：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绪论：土力学及其特点地基液化造成的路面塌陷绪论：土力学及其特点1964年日本新泻地震地基的大面积液化绪论：土力学及其特点加拿大特朗斯康谷仓地基失稳香港宝城滑坡阪神等大地震中地基液化案例总结（一）绪论：土力学及其特点可归结为与土有关的强度问题☆比萨斜塔1173年：动工1360年：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m1272年：复工，经6年，至7层，高48m，再停工1178年：至4层中，高约29m，因倾斜停工绪论：土力学及其特点目前：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°原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度低，变形大。1590年:伽利略在此塔做自由落体实验绪论：土力学及其特点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。处理措施绪论：土力学及其特点☆苏州虎丘塔概况：位于虎丘公园山顶，建于宋太祖建隆二年(公元961年)。塔高47.5m，平面呈八角形。问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达2.31m，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物。原因：坐落于不均匀粉质粘土层，产生不均匀沉降。处理：在四周建造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。绪论：土力学及其特点1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m×1250m填筑量：180×106m3平均厚度：33m世界最大的人工岛☆日本关西机场绪论：土力学及其特点问题：沉降大且不均匀•设计沉降：5.7-7.5m•完成时(1990年)实际沉降：8.1m，5cm/月•预测主固结需：20年•比设计多超填：3m绪论：土力学及其特点意大利比萨斜塔苏州虎丘塔日本关西机场案例总结（二）绪论：土力学及其特点可归结为与土有关的变形问题土坝，高90m，长1000m，1975年建成次年6月失事☆Teton坝（美国）绪论：土力学及其特点①②③⑤⑥绪论：土力学及其特点上午10:3011：0011:3011:57绪论：土力学及其特点损失直接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公里铁路被冲原因渗透破坏：冲蚀水力劈裂绪论：土力学及其特点☆1998年长江大堤绪论：土力学及其特点漏洞14%脱坡16%管涌50%跌窝1%散浸3%崩岸5%其他11%跌窝散浸崩岸其他漏洞脱坡管涌98洪水长江堤防险情统计绪论：土力学及其特点☆九江大堤决口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个洞，5m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成宽约62m的溃口。溃口原因：堤基管涌绪论：土力学及其特点☆沟后面板砂砾石坝位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。1993年8月7日突然发生溃坝，瞬间冲毁1000多户房舍，288人丧生，上千人受伤。溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳绪论：土力学及其特点美国Teton坝失事98洪水长江堤防险情沟后面板砂砾石坝溃坝案例总结（三）绪论：土力学及其特点可归结为与土有关的渗透问题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。☆学习土力学的目的绪论：土力学及其特点基础和先导•物理性质•土中应力计算工程应用•土压力•土坡稳定•地基承载力•基础设计…核心理论•渗透特性•变形特性•强度特性土力学土力学的研究内容绪论：土力学及其特点土的物理性质土的渗透性地基土的变形性质地基土的抗剪强度和稳定性土压力土动力学其他问题☆土力学的研究内容绪论：土力学及其特点设计理论方面土的本构模型土动力学研究土力学试验设备的改进和研制复合地基和复合土体的设计和改进土力学的发展方向绪论：土力学及其特点绪论：土力学及其特点重大交通运输工程：高铁、重载、机场、地铁…废料储存：核废料、垃圾、二氧化碳…重大岩土工程灾害：滑坡、地面塌陷…新能源开发：可燃冰、深部采矿…土力学的新领域绪论：土力学及其特点土力学定义、研究对象、研究的主要内容土力学应用中的成功经验土力学应用中的失败教训：建筑物倾斜、地基严重下沉、地基液化失效、土体滑坡土力学理论：古典土力学、太沙基影响时期、计算机时代土力学设计理论、本构模型、动力学、试验设备第一章：土的物理性质与工程分类1.1土的形成1.2土的三相组成1.3土的结构1.4土的物理状态1.5土的工程分类1.6土的压实性主要内容1.1土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件第一章：土的物理性质与工程分类一、风化作用物理风化化学风化生物风化•岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎•是颗粒大小发生量的变化•矿物成分与母岩相同，称原生矿物•产生无粘性土第一章：土的物理性质与工程分类•母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物•颗粒成分发生质的变化•矿物成分与母岩不同，称次生矿物•形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类物理风化化学风化生物风化第一章：土的物理性质与工程分类•包括植物、动物和土壤微生物的作用•可加剧物理和化学风化•构成土中有机质和营养物质的生物循环•导致腐殖质的形成，改变土壤的结构物理风化化学风化生物风化第一章：土的物理性质与工程分类残积土无搬运运积土有搬运二、土的沉积类型母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物残积土强风化弱风化微风化母岩体•颗粒表面粗糙•多棱角•粗细不均•无明显层理第一章：土的物