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土土 力力 学学 四川大学水电学院四川大学水电学院 授课教师：张茹授课教师：张茹Soil Mechanics绪 论：土力学的主要内容及学习要求教学时间讲课时间312教学周，其中8学时为试验学时、40学时为理论学时教学要求讲课必须出席，不定期点名，迟到者记录；作业一周交一次，必须独立完成；试验课时，注意观察，联系理论，深入分析。参考资料教材：张孟喜，土力学原理，华中科技大学出版社，2007；参考：陈仲颐、周景星、王洪瑾，土力学，清华大学出版社，1994；龚晓南主编 土力学，中国建筑工业出版社，2002；R.F.Craig,CraigS Soil Mechanics(7th),2004.考核：平时成绩（平时成绩（2020）试验（）试验（1010）考试（）考试（7070）绪 论：内 容土力学的研究对象及作用土力学的发展概况土力学的学科特点土力学的主要内容及学习要求u土，地之生万物者也土，地之生万物者也 说文解字说文解字u希腊，中国，印第安人的神话：希腊，中国，印第安人的神话：神用泥土造人神用泥土造人u中国传统文化中的五行：金木水中国传统文化中的五行：金木水火土火土土绪 论：内 容绪 论：土力学的研究对象及作用地球表层的整体岩石在大气中经受长期的风化作用后形地球表层的整体岩石在大气中经受长期的风化作用后形成形状各异、大小不同的颗粒，这些颗粒在不同的自然成形状各异、大小不同的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境下形成的堆积物，就是天然土。环境下形成的堆积物，就是天然土。什么是土？什么是土？莫霍面莫霍面古登堡面古登堡面地球地球是太阳系中的一个是太阳系中的一个行星，其形状大致行星，其形状大致为椭球体，赤道半为椭球体，赤道半径稍长，约为径稍长，约为6378.2千米千米，极半径稍短，极半径稍短6356.8千米千米。地球的圈层构造地球的圈层构造-利用地震波在地球内部传播速度的变化，地球内部可以划利用地震波在地球内部传播速度的变化，地球内部可以划分为若干个同心的球形圈层。分为分为若干个同心的球形圈层。分为地壳、地幔、地核。地壳、地幔、地核。人类的生产活动目人类的生产活动目前还都局限在地壳的浅部。前还都局限在地壳的浅部。地壳地壳由原来的一团高温物质，逐渐冷却，在地球表面结成的一层薄壳。是由原来的一团高温物质，逐渐冷却，在地球表面结成的一层薄壳。是莫霍面以上地球的固体表层部分，厚度变化很大。莫霍面以上地球的固体表层部分，厚度变化很大。平约厚度约平约厚度约18千米左右千米左右（实际地壳厚度变化很大，按高山（实际地壳厚度变化很大，按高山高原高原平原平原浅海浅海大洋的次序渐次大洋的次序渐次变薄）。变薄）。地球地球是太阳系中的一个行是太阳系中的一个行星，其形状大致为椭星，其形状大致为椭球体，赤道半径稍长，球体，赤道半径稍长，约为约为6378.2千米千米，极，极半径稍短半径稍短6356.8千米千米。绪 论：土力学的研究对象及作用土土力力学学是是研研究究土土体体的的物物理理性性质质及及其其在在工工程程活活动动影响下的应力、变形、强度和稳定性影响下的应力、变形、强度和稳定性的学科。的学科。（1 1）强强度度问问题题：强强度度不不足足时时会会导导致致地地基基、基基础础及及上上部结构失稳；部结构失稳；土力学的研究对象土力学要解决的问题（3 3）渗透问题：考虑渗流对土体变形和稳定的影响。）渗透问题：考虑渗流对土体变形和稳定的影响。（2 2）变变形形问问题题：变变形形或或不不均均匀匀沉沉降降超超过过允允许许值值，建建筑物不能正常使用；筑物不能正常使用；香港宝城滑坡 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，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塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。宅。死亡死亡7 7人。人。原因：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。土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。绪 论：土力学的研究对象及作用Early 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后绪 论：土力学的研究对象及作用汶川地震时滑坡绪 论：土力学的研究对象及作用地基液化引起房屋倒塌液液化化：松松砂砂地地基基在在振振动动荷荷载载作作用用下下丧丧失失强度变成流动状态的一种现象。强度变成流动状态的一种现象。绪 论：土力学的研究对象及作用以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的强度问题强度问题比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.513601360：再复工，至再复工，至13701370年竣工，全塔共年竣工，全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m12721272：复工，经复工，经6 6年，至年，至7 7层，高层，高48m48m，再，再停工停工11781178：至至4 4层中，高约层中，高约29m29m，因倾斜停工，因倾斜停工11731173：动工动工原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，层，模量较低，变形较大变形较大。1590:1590:伽利伽利略在此塔做略在此塔做落体实验落体实验 比萨斜塔比萨斜塔1838-18391838-1839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固19901990年年1 1月月:封闭封闭19921992年年7 7月：月：加固塔身，用压重加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理目目 前前:已向游人开放。已向游人开放。处理措施绪 论：土力学的研究对象及作用苏州虎丘塔概概况况：位位于于苏苏州州市市虎虎丘丘公公园园山山顶顶，落落成成于于宋宋太太祖祖建建隆隆二二年年（公公元元961961年年）。全全塔塔7 7层层，高高47.5m47.5m，塔塔的的平平面呈八角形。面呈八角形。问问题题：塔塔身身向向东东北北方方向向严严重重倾倾斜斜，塔塔 顶顶 离离 中中 心心 线线 已已 达达 2.31m2.31m，底底 层层 塔塔身身发发生生不不少少裂裂缝缝，成成为为危危险险 建筑物而封闭。建筑物而封闭。原原因因：坐坐落落于于不不均均匀匀粉粉质质粘粘土土层层上上，产生不均匀沉降。产生不均匀沉降。处处理理：在在塔塔四四周周建建造造一一圈圈桩桩排排式式地地下下连连续续墙墙并并对对塔塔周周围围与与塔塔基基进进行行钻钻孔孔注注浆浆和和打打设设树树根根桩桩加加固固塔塔身身，效效果良好。果良好。绪 论：土力学的研究对象及作用以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的变形问题变形问题位于美国爱达荷州的位于美国爱达荷州的Teton坝坝概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事损失：损失：直接损失直接损失80008000万美元，万美元，起诉起诉55005500起，死起，死1414人，人，受灾受灾2.52.5万人，万人，6060万亩万亩土地，土地，3232公里铁路公里铁路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂Teton坝坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加Teton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton坝坝11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton坝坝12：00过后坍塌口加宽Teton坝坝洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝坝失事现场目前的状况Teton坝坝九江大堤决口溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌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处进水口又过又过2020分钟，防分钟，防水墙后的土堤突水墙后的土堤突然塌陷出然塌陷出1 1个洞，个洞，5 m5 m宽的堤顶随即宽的堤顶随即全部塌陷，并很全部塌陷，并很快形成一宽约快形成一宽约62m62m的溃口。的溃口。长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图砂砂环环管管涌涌口口粘性土粘性土砂性土砂性土渗水渗水杂填土杂填土管涌：管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。堤基管涌绪 论：土力学的研究对象及作用岸坡侵蚀岸坡侵蚀绪 论：土力学的研究对象及作用以上几个实例可归结为与土有关的以上几个实例可归结为与土有关的渗透问题渗透问题绪 论：土力学的发展概况理论提高阶段u17731773年年C C A A Coulomb Coulomb(France)(France)根根据据试试验验创创立立了了著著名名的的砂砂土土抗抗剪强度公式，剪强度公式，17761776年提出了计算挡土墙土压力理论；年提出了计算挡土墙土压力理论；u18551855年年DarcyDarcy（FranceFrance）创立了土的渗透定律；）创立了土的渗透定律；u18571857年年,W W J J M M Rankine Rankine(UK)(UK)又又从从不不同同角角度度提提出出了了挡挡土土墙墙土土压压力理论；力理论；u18851885年年 J J Boussinesq Boussinesq(France)(France)求求得得了了弹弹性性半半无无限限空空间间在在竖竖向向集集中力作用下的应力和变形的理论解；中力作用下的应力和变形的理论解；u19221922年年W W Fellenius Fellenius(Sweden)(Sweden)费费兰兰纽纽斯斯，为为解解决决铁铁路路塌塌方方问问题题提出了土坡稳定分析法。提出了土坡稳定分析法。Charles Augustin de Coulomb(1736-1806)Coulomb 对对土土木木工工程程、岩岩土土工工程程以以及及自自然然科科学学和和物物理理学学（包包括括力力学学、电电学学和和磁磁学学）等等都都有有重重要要的的贡贡献献（如如物物理理学学中中著著名名的的库库仑仑定定律律）。1774 年年当当选选为为法法国国科科学学院院院院士士。称称为为“土土力力学之始祖学之始祖”。绪 论：土力学的发展概况形成独立学科阶段u19251925年年美美国国K.K.太太沙沙基基（TerzaghiTerzaghi）归归纳纳发发展展了了以以往往的的理理论论，发发表表了了土土力力学学专专著著，他他被被认认为为是是土土力力学学的的奠奠基基人人。其其中中有有效效应应力力原理原理的提出标志着土力学成为一门独立的学科；的提出标志着土力学成为一门独立的学科；u19361936年年在在美美国国召召开开第第一一届届国国际际土土力力学学与与基基础础工工程程会会议议1st(ICSMFE)International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering；u19431943年年K.K.太沙基出版了太沙基出版了Theoretical Soil MechanicsTheoretical Soil MechanicsTerzaghi Terzaghi 于于 1883 1883 年年 10 10 月月 2 2 日日 出出生生于于捷捷克克的的首首都都布布拉拉格格，1904 1904 年年毕毕业业于于奥奥地地利利的的格格拉拉茨茨（Graz Graz）技技术术大大学学，之之后后成成为为土土木木工工程程领领域域的的一一名名地地质质工工程程师师。191619161925 1925 年年期期间间，他他在在土土耳耳其其的的伊伊斯斯坦坦布布尔尔技技术术大大学学大大学学任任教教，并并从从事事土土的的特特性性方方面面的的研研究究课课题题，这这也也最最终终导导致致了了他他的的举举世世闻闻名名的的 Erdbaumechanik Erdbaumechanik（土土力力学学）于于 1925 1925 在在维维也也纳纳的的问问世世，该该书书介介绍绍了了他他所所提提出出的的固固结结理理论论以以及及土土压压力力、承承载载力力、稳稳定定性性分分析析等等理理论论，标标志志着着土土力力学学这这门门学科的诞生。学科的诞生。Karl von Terzaghi(1883-1963)绪 论：土力学的发展概况Karl von Terzaghi(1883-1963)19251925年年，他他被被派派往往麻麻省省理理工工学学院院担担任任访访问问教教授授，四四年年后后回回到到维维也也纳纳技技术术大大学学任任教教授授。1938 1938 年年德德国国占占领领奥奥地地利利后后，Terzaghi Terzaghi 前前往往美美国国，并并在在哈哈佛佛大大学学任任教教，直直到到 1956 1956 年年退退休休。在在此此期期间间的的 1943 1943 年年，他他还还出出版版了了 Theoretical Theoretical Soil Soil Mechanics Mechanics，在在这这部部不不朽朽的的著著作作中中，Terzaghi Terzaghi 就就固固结结理理论论、沉沉降降计计算算、承承载载力力、土土压压理理论论、抗抗剪剪强强度度及及边边坡坡稳稳定定等等问问题题进进行行了了阐阐述述。1963 1963 年年 10 10 月月 25 25 日日 ,Terzaghi,Terzaghi 在马萨诸塞州的温彻斯特逝世。在马萨诸塞州的温彻斯特逝世。Terzaghi Terzaghi 是是第第一一届届到到第第三三届届（1936 1936 1957 1957）ISSMFE ISSMFE（国国际际土土力力学学与与基基础础工工程程学学会会）的的主主席席，曾曾 4 4 次次荣荣获获 ASCE ASCE（美美国国土土木木工工程程师师协协会会）的的 Norman Norman 奖奖（1930 1930，1943 1943，1946 1946，1955 1955），并并被被 8 8 个个国国家家的的 9 9 个个大大学学授授予予荣荣誉誉博博士士学学位位。为为表表彰彰 Terzaghi Terzaghi 的的杰杰出出成成就就，美美国国土土木木工工程程师师协协会会还还设设立了立了 Terzaghi Terzaghi 奖。奖。绪 论：土力学的发展概况快速发展阶段u19571957年年，D.C.DruckerD.C.Drucker提提出出了了土土力力学学与与加加工工硬硬化化塑塑性性理理论论，对对土土的的本本构构模模型研究起了很大的推动作用型研究起了很大的推动作用；u19631963年年，英英国国CambridgeCambridge大大学学的的RoscoeRoscoe等等人人提提出出了了剑剑桥桥模模型型（Cam Cam clay clay modelmodel），该模型的提出是现代土力学的开端；），该模型的提出是现代土力学的开端；u自自6060年年代代后后，随随着着电电子子计计算算机机的的出出现现和和计计算算技技术术的的高高速速发发展展，使使土土力力学学的研究进入了一个全新的阶段；的研究进入了一个全新的阶段；u19931993年年D.C.FredrundD.C.Fredrund出出版版非非饱饱和和土土力力学学(Unsaturated(Unsaturated Soil Soil Mechanics)Mechanics)专专著，标志着非饱和土的研究进入了一个新的历时时期。著，标志着非饱和土的研究进入了一个新的历时时期。K H Roscoe（1914-1970）Roscoe Roscoe 1914 1914 年年 12 12 月月出出生生于于英英国国，1934 1934 年年在在剑剑桥桥大大学学接接受受本本科科教教育育。二二战战后后，Roscoe Roscoe 返返回回剑剑桥桥大大学学读读研研究究生生，毕毕业业后后留留校校从从事事土土力力学学的的研研究究，并并建建立立了了土土力力学学实实验验室室。他他于于 1958 1958 年年所所提提交交的的论论文文关关于于土土体体的的屈屈服服奠奠定定了了临临界界状状态态土土力力学学的的基基础础，被被英英国国土土力力学学学学会会授授予予成成就就奖奖。在在他他的的领领导导下下，剑剑桥桥大大学学关关于于土土力力学学机机理理的的研研究究成成果果得得到到国国际际岩岩土土工工程程界界的的普普遍遍认认可可。以以 Roscoe Roscoe 为为奠奠基基者者的的剑桥学派在现代土力学的发展历史中占有重要的地位。剑桥学派在现代土力学的发展历史中占有重要的地位。绪 论：土力学的发展概况我国土力学的发展u19451945年，年，黄文熙黄文熙在中央水利实验处创立第一个土工实验室在中央水利实验处创立第一个土工实验室；u2020世纪世纪5050年代，年代，陈宗基陈宗基对土的流变和黏土的结构进行了研究；对土的流变和黏土的结构进行了研究；u19831983年年黄文熙黄文熙主编了主编了土的工程性质土的工程性质专著专著 ；u19801980年年和和19961996年年钱钱家家欢欢和和殷殷宗宗泽泽主主编编了了土土工工原原理理做做为为研研究究生的教材；生的教材；u19911991年年和和20002000年年沈沈珠珠江江分分别别出出版版计计算算土土力力学学和和理理论论土土力力学学专著；专著；u20042004年年李广信李广信出版出版高等土力学高等土力学研究生教材；研究生教材；u同同时时国国内内成成立立了了土土力力学学基基础础工工程程方方面面的的学学会会和和开开办办了了一一些些期期刊杂志，出版了许多专著，在此不再一一介绍。刊杂志，出版了许多专著，在此不再一一介绍。绪 论：土力学的学科特点土的特点u天然性（自然变异性）天然性（自然变异性）：自然界的产物，具有非均匀性、自然界的产物，具有非均匀性、各向异性、结构性、时空变异性；各向异性、结构性、时空变异性；u碎散性碎散性：岩石风化的产物，是非连续介质，受力以后易岩石风化的产物，是非连续介质，受力以后易变形、变形、体积变化主要是孔隙变化、剪切变形主要由颗粒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；相对位移引起；u三相性三相性：由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）组成，受力后由土骨架和孔隙介质共同承担、存在复杂组成，受力后由土骨架和孔隙介质共同承担、存在复杂的相互作用、孔隙流体流动。的相互作用、孔隙流体流动。土力学与其他学科对比土力学与其他学科对比学科学科研究对象研究对象理论力学理论力学 质点或刚体质点或刚体材料力学材料力学 单个弹性杆件（杆、轴、梁）单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体连续固体结构力学结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性力学 弹性实体结构或板壳结构弹性实体结构或板壳结构水水 力力 学学 不可压缩的连续流体（水）不可压缩的连续流体（水）连续流体连续流体土力学土力学天然的三相碎散堆积物天然的三相碎散堆积物碎散材料碎散材料绪 论：土力学的学科特点如何学好土力学u思维方式的转变思维方式的转变：既要在严格的边界条件下求解由工程既要在严格的边界条件下求解由工程问题简化而来的数学物理问题，还要考虑岩土工程的实问题简化而来的数学物理问题，还要考虑岩土工程的实践性；践性；u掌掌握握概概念念：土土力力学学概概念念不不太太容容易易理理解解，要要深深刻刻体体会会，土土力学的参数非常重要且有其适用范围，不要死记；力学的参数非常重要且有其适用范围，不要死记；u具备扎实的数学力学基础具备扎实的数学力学基础：目前处理土力学有关的工程目前处理土力学有关的工程问题，主要依靠连续介质力学理论，特别是弹性力学和问题，主要依靠连续介质力学理论，特别是弹性力学和数学物理方程；数学物理方程；u注重实验观察注重实验观察：土力学与工程实际结合紧密，必须多做土力学与工程实际结合紧密，必须多做室内试验和现场试验，增加感性认识。室内试验和现场试验，增加感性认识。土力学不仅是一门科学，也是一门艺术土力学不仅是一门科学，也是一门艺术绪 论：土力学的主要内容及学习要求土力学的主要内容 第1章 土的物理性质及工程分类 基础与主线 第2章 土中应力 预备知识 第3章 土的渗透性 渗透特性 第4章 土的压缩、固结与沉降 变形特性 第5章 土的抗剪强度及本构关系 强度特性 第6章 土压力与挡墙设计 第7章 边坡稳定性 第8章 地基承载力具体应用高等土力学、非饱和土力学、环境岩土工程、基础工程绪论 绪论结束绪论结束 Thanks!