土力學(xué)課件(第一部分 - 質(zhì)量工程

l學(xué) 習(xí) 目 的l學(xué) 習(xí) 要 求l發(fā) 展 簡 史緒 論 1. 土 的 工 程 應(yīng) 用 土 工 建 筑 材 料 建 筑 物 基 礎(chǔ) 之 地 基 建 筑 環(huán) 境土的工程應(yīng)用緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 土 力 學(xué) 2. 與 土 有 關(guān) 的 工 程 問 題與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？加 拿 大 特 朗 斯 康 谷 倉 事 故 ：1913年 9月 裝 谷 物 ， 10月 17日 裝 了 31822 谷 物 時 ，1小 時 豎 向 沉 降 達(dá) 30.5cm24小 時 傾 斜 26 53西 端 下 沉 7.32m 東 端 上 抬 1.52m 上 部 鋼 混 筒 倉 完 好 無 損概 況 ： 長 59.4m， 寬 23.5m， 高 31.0m， 共 65個 圓 筒 倉 。 鋼 混 筏 板 基 礎(chǔ) ， 厚 61cm， 埋 深 3.66m。 1911年 動 工 ， 1913年 完 工 ， 自 重 20000T。 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？加 拿 大 特 朗 斯 康 谷 倉 處 理 ：事 后 在 下 面 做 了 七 十 多 個 支 撐 于 基 巖 上 的 混 凝 土 墩 ， 使 用 388個 50t千 斤 頂 以 及 支 撐 系 統(tǒng) ， 把 倉 體 逐 漸 糾 正 過 來 ， 其位 置 比 原 來 降 低 了 米 。 原 因 ：地 基 土 事 先 未 進(jìn) 行 調(diào) 查 ，據(jù) 鄰 近 結(jié) 構(gòu) 物 基 槽 開 挖 取土 試 驗 結(jié) 果 ， 計 算 地 基 承載 力 應(yīng) 用 到 此 谷 倉 。 1952年 經(jīng) 勘 察 試 驗 與 計 算 ， 地基 實 際 承 載 力 小 于 破 壞 時的 基 底 壓 力 。 因 此 ，谷 倉 地 基 因 超 載 發(fā) 生 強 度破 壞 而 滑 動 。2653 失 事 后1913.10.181952.10.5 試 驗 孔填 土褐 色 粉 質(zhì) 粘 土灰 色 粉 質(zhì) 粘 土-0.61-12.34 -13.72-4.271952.10.3 試 驗 孔 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？香 港 寶 城 滑 坡 1972年 7月 某 日 清 晨 ， 香 港 寶 城 路 附近 ， 兩 萬 立 方 米 殘 積 土 從 山 坡 上 下 滑 ，巨 大 滑 動 體 正 好 沖 過 一 幢 高 層 住 宅 -寶 城 大 廈 ， 頃 刻 間 寶 城 大 廈 被 沖 毀 倒塌 并 砸 毀 相 鄰 一 幢 大 樓 一 角 約 五 層 住宅 。 死 亡 7人 。原 因 ：山 坡 上 殘 積 土 本 身 強 度 較 低 ， 加 之 雨 水 入 滲 使 其 強 度 進(jìn) 一 步 大大 降 低 ， 使 得 土 體 滑 動 力 超 過 土 的 強 度 ， 于 是 山 坡 土 體 發(fā) 生 滑 動 。 香 港 1900年 建 市 ， 1977年 成 立 土 力 工 程 署1972 Po Shan 滑 坡 ( 20,000 m3)(67 死 、 20 傷 ) Early 1972 滑 坡 前July 1972 滑 坡 后 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？阪 神 大 地 震 中 地 基 液 化神 戶 碼 頭 ：地 震 引 起 大 面 積 砂土 地 基 液 化 后 產(chǎn) 生很 大 的 側(cè) 向 變 形 和沉 降 ， 大 量 的 建 筑物 倒 塌 或 遭 到 嚴(yán) 重?fù)p 傷 液 化 ： 松 砂 地 基 在 振 動 荷 載 作用 下 喪 失 強 度 變 成 流 動 狀 態(tài) 的一 種 現(xiàn) 象 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？阪 神 大 地 震 中 地 基 液 化神 戶 碼 頭 ：沉 箱 式 岸 墻 因 砂 土 地 基 液化 失 穩(wěn) 滑 入 海 中 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？以 上 幾 個 實 例 可 歸 結(jié) 為 與 土 有 關(guān) 的強 度 問 題 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？比 薩 斜 塔 目 前 ： 塔 向 南 傾 斜 ， 南 北 兩 端 沉 降 差 1.80m， 塔 頂 離 中 心 線 已 達(dá) 5.27m， 傾 斜 5.51360： 再 復(fù) 工 ， 至 1370年 竣 工 ， 全 塔 共 8 層 ， 高 度 為 55m1272： 復(fù) 工 ， 經(jīng) 6年 ， 至 7層 ， 高 48m， 再 停 工1178： 至 4層 中 ， 高 約 29m， 因 傾 斜 停 工1173： 動 工原 因 ：地 基 持 力 層 為 粉 砂 ， 下 面 為 粉 土 和 粘 土層 ， 模 量 較 低 ， 變 形 較 大 。1590: 伽 利略 在 此 塔 做 落 體 實 驗 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？比 薩 斜 塔1838-1839： 挖 環(huán) 形 基 坑 卸 載1933-1935： 基 坑 防 水 處 理 基 礎(chǔ) 環(huán) 灌 漿 加 固1990年 1月 : 封 閉1992年 7月 ： 加 固 塔 身 ， 用 壓 重 法 和 取 土 法 進(jìn) 行 地 基 處 理目 前 : 已 向 游 人 開 放 。 處理措施 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？虎 丘 塔 問 題 ： 塔 身 向 東 北 方 向 嚴(yán) 重 傾 斜 ，塔 頂 離 中 心 線 已 達(dá) 2.31m， 底 層 塔 身 發(fā) 生 不 少 裂 縫 ， 成 為 危險 建 筑 物 而 封 閉 。概 況 ： 位 于 蘇 州 市 虎 丘 公 園 山 頂 ， 落 成于 宋 太 祖 建 隆 二 年 （ 公 元 961年 ） 。 全塔 7層 ， 高 47.5m， 塔 的 平 面 呈 八 角 形 。原 因 ： 坐 落 于 不 均 勻 粉 質(zhì) 粘 土 層 上 ， 產(chǎn) 生 不 均 勻 沉 降 。處 理 ： 在 塔 四 周 建 造 一 圈 樁 排 式 地下 連 續(xù) 墻 并 對 塔 周 圍 與 塔 基 進(jìn)行 鉆 孔 注 漿 和 打 設(shè) 樹 根 樁 加 固塔 身 ， 效 果 良 好 。 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？日 本 關(guān) 西 國 際 機 場 世 界 最 大 人 工 島1986年 ： 開 工1990年 ： 人 工 島 完 成1994年 ： 機 場 運 營面 積 ： 4370m 1250m填 筑 量 ： 180 106m3平 均 厚 度 ： 33m 設(shè) 計 時 預(yù) 測 沉 降 ： 5.7-7.5 m完 成 時 實 際 沉 降 ： 8.1 m， 5cm/月 (1990年 )預(yù) 測 主 固 結(jié) 完 成 ： 20年 后比 設(shè) 計 超 填 ： 3m問題：沉降大且有不均勻沉降 與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？以 上 幾 個 實 例 可 歸 結(jié) 為 與 土 有 關(guān) 的變 形 問 題 美 國 Teton壩概 況 ：土 壩 ， 高 90m， 長 1000m， 建 于1972-75年 ， 1976年 6月 失 事 損 失 ：直 接 8000萬 美 元 ， 起訴 5500起 ， 2.5億 美 元 ，死 14人 ， 受 災(zāi) 2.5萬 人 ，60萬 畝 土 地 ， 32公 里鐵 路原 因 ：滲 透 破 壞 水 力 劈 裂與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ Teton壩1976年 6月 5日 上 午 10:30左 右 ， 下 游 壩面 有 水 滲 出 并帶 出 泥 土 。與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ Teton壩11： 00左 右洞 口 不 斷 擴大 并 向 壩 頂靠 近 ， 泥 水流 量 增 加與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ Teton壩11:30洞 口 繼 續(xù) 向 上 擴 大 ，泥 水 沖 蝕 了 壩 基 ，主 洞 的 上 方 又 出 現(xiàn)一 滲 水 洞 。 流 出 的泥 水 開 始 沖 擊 壩 趾處 的 設(shè) 施 。與土有關(guān)的工程問題緒論為什么要學(xué)習(xí)土力學(xué)？ 11： 50左 右洞 口 擴 大 加 速 ，泥 水 對 壩 基 的 沖蝕 更 加 劇 烈 。Teton壩與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 11:57 壩 坡 坍 塌 ，泥 水 狂 瀉 而 下Teton壩與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 12： 00過 后坍 塌 口 加 寬Teton壩與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 洪 水 掃 過 下 游谷 底 ， 附 近 所有 設(shè) 施 被 徹 底摧 毀Teton壩與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 九 江 大 堤 決 口潰 口 原 因 ： 堤 基 管 涌 1998年 8月 7日13:10發(fā) 生 管 涌險 情 ， 20分 鐘 后 ，在 堤 外 迎 水 面 找到 2處 進(jìn) 水 口又 過 20分 鐘 ， 防水 墻 后 的 土 堤 突然 塌 陷 出 1個 洞 ，5 m寬 的 堤 頂 隨 即全 部 塌 陷 ， 并 很快 形 成 一 寬 約62m的 潰 口 。 與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 長 江 堤 防 工 程 堤 基 管 涌 發(fā) 生 發(fā) 展 過 程 示 意 圖砂環(huán) 管涌口粘 性 土砂 性 土滲 水 雜 填 土管 涌 ： 在 滲 流 作 用 下 ， 無 粘 性 土 體 中 的 細(xì) 小 顆 粒 ，通 過 土 的 孔 隙 ， 發(fā) 生 移 動 或 被 水 流 帶 出 的 現(xiàn) 象 。 堤 基 管 涌與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 管 涌 砂 環(huán)砂 性 土 堤 基 管 涌 破 壞 示 意 圖管 涌 破 壞 當(dāng) 管 涌 發(fā) 生 時 ，滲 流 將 導(dǎo) 致 向 源侵 蝕 ， 使 堤 防 基礎(chǔ) 下 部 出 現(xiàn) 滲 流通 道當(dāng) 水 頭 差 足 夠 大 時 ，侵 蝕 將 加 速 并 掏 挖堤 防 基 礎(chǔ) 。 形 成 通道 后 極 易 引 起 潰 決與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 以 上 幾 個 實 例 可 歸 結(jié) 為 與 土 有 關(guān) 的滲 透 問 題與土有關(guān)的工程問題緒論學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的？ 土 工 結(jié) 構(gòu) 物 或 地 基 土強 度 問 題變 形 問 題滲 透 問 題 強 度 特 性 變 形 特 性 滲 透 特 性土力學(xué)可以解決工程實踐問題，這正是土力學(xué)存在的價值以及我們學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的。緒論 巖 石 風(fēng) 化 （ 物 理 、化 學(xué) ） 作 用 巖 石 破 碎 化 學(xué) 成 分 改 變 搬 運 沉 積 大 小 、 形 狀 和成 分 都 不 相 同的 松 散 顆 粒 集合 體 （ 土 ） 第 1章 土 的 物 理 性 質(zhì) 指 標(biāo) 與 工 程 分 類一 、 土 的 形 成 土 是 指 ： 地 球 表 面 的 整 體 巖 石 在 大 氣 中 經(jīng)受 長 期 的 風(fēng) 化 作 用 而 形 成 的 、 覆 蓋 在地 表 上 碎 散 的 、 沒 有 膠 結(jié) 或 膠 結(jié) 很 弱的 顆 粒 堆 積 物 。 按 堆 積 或 沉 積 的 條 件 分 ： 殘 積 土和 運 積 土 （ 坡 積 土 、 沖 積 土 、 風(fēng) 積 土 、冰 磧 土 ） 風(fēng) 化巖 石地球顆 粒 堆 積 物地球 l二 、 土 的 三 相 組 成1.固 相l(xiāng) 成 土 礦 物 由 無 機 礦 物 顆 粒 和 有 機 質(zhì) 組 成 ， 而 礦 物 由 原 生 礦 物 和 次 生 礦 物 組 成l 粘 土 礦 物 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)晶 胞 ： 硅 -氧 四 面 體 、 氫 氧 八 面 體l 土 粒 大 小 和 土 的 級 配粒 組 、 土 的 級 配 、 級 配 良 好 、 級 配 不 良l 顆 粒 大 小 分 析 試 驗對 于 大 于 0.075 mm的 土 粒 常 采 用 篩 分 法而 對 于 小 于 0.075mm的 土 粒 則 采 用 密 度 計 法土 固 相液 相氣 相 l 2. 液 相l(xiāng) 土 中 水 有 吸 著 水 和 自 由 水 兩 種 形 態(tài) 。l 3. 氣 相l(xiāng) 土 中 氣 體 可 分 為 與 大 氣 連 通 的 和 不 連 通 的 兩 類 。 與 大 氣 連 通 的 氣 體 對土 的 工 程 性 質(zhì) 影 響 不 大 ， 而 與 大 氣 不 連 通 的 密 封 氣 體 對 土 的 工 程 性 質(zhì)影 響 較 大 。三 、 土 的 結(jié) 構(gòu)l 單 粒 結(jié) 構(gòu)l 分 散 結(jié) 構(gòu)l 絮 狀 結(jié) 構(gòu) 粒 度 成 分 及 其 表 示 方 法 常 用 的 粒 度 成 分 的 表 示 方 法 有 ： 表 格 法 、 累 計 曲 線 法 和 三 角 形 坐 標(biāo) 法 篩 分 法 ：用 一 套 孔 徑 不 同 的 篩 子 ，按 從 上 至 下 篩 孔 逐 漸 減小 放 置 。 將 事 先 稱 過 質(zhì)量 的 烘 干 土 樣 過 篩 ， 稱出 留 在 各 篩 上 的 土 質(zhì) 量 ，然 后 計 算 其 占 總 土 粒 質(zhì)量 的 百 分 數(shù) 。適 用 于 粗 粒 土 (0.075mm) 密 度 計 法 ： 利 用 不 同 大 小 的 土 粒 在 水 中 的 沉 降 速 度 不 同 來 確 定 小 于 某 粒徑 的 土 粒 含 量 . 適 用 于 細(xì) 粒 土 (0.075 MM) 四 、 土 的 物 理 性 質(zhì) 指 標(biāo) （ 一 ） 九 項 比 例 指 標(biāo) ：1.土 的 密 度 2.土 粒 比 重3.土 的 含 水 率 4.孔 隙 比 5.孔 隙 率 6.飽 和 度7.干 密 度 8.飽 和 密 度 9.浮 密 度 Cws ss V mG 4)(%100 swmm )/( 3cmgVmsd )/( 3cmgwsat )/( 3cmgVVm wvssat svVVe VVn v %100 vwr VVs)/( 3cmgVm 土 的 三 相 圖 氣水土 粒m sm wm V sV w VV a質(zhì) 量 m 體 積 VV v (二 )、 直 接 測 定 指 標(biāo)1.土 的 密 度 ： 單 位 體 積 土 的 質(zhì) 量 測 定 方 法 ： 環(huán) 刀 法 2.土 粒 比 重 ： 土 粒 的 質(zhì) 量 與 同 體 積 40c時 純 水 的 質(zhì) 量 之 比測 定 方 法 ： 比 重 瓶 法3.土 的 含 水 率 ： 土 中 水 的 質(zhì) 量 與 土 粒 質(zhì) 量 之 比 ， 以 百 分 數(shù)表 示測 定 方 法 ： 烘 干 法 或 酒 精 燃 燒 法 %100 swmm )/( 3cmgVm Cws ss V mG 4)( 4.孔 隙 比 ： 土 中 孔 隙 體 積 與 土 粒 體 積 之 比 5.孔 隙 率 ： 土 中 孔 隙 體 積 與 總 體 積 之 比 ， 以 百 分 數(shù) 表 示 6.飽 和 度 ： 土 中 孔 隙 水 的 體 積 與 孔 隙 總 體 積 之 比 ， 以 百 分 數(shù) 表 示 svvve Vvn v(三 )、 換 算 指 標(biāo) %100 vwr VVs 7.干 密 度 ： 單 位 體 積 內(nèi) 土 粒 的 質(zhì) 量 8.飽 和 密 度 ： 土 孔 隙 中 全 部 被 水 充 滿 時 單 位 體 積 土 的 質(zhì) 量 9.浮 密 度 ： 土 浸 沒 在 水 中 受 到 浮 力 作 用 時 的 密 度)/( 3cmgVmsd )/( 3cmgVVm wvssat )/( 3cmgwsat 指 標(biāo) 間 的 換 算 （ 例 題 ） 五 、 無 粘 性 土 的 相 對 密 實 度 、 粘 性 土 的 稠 度 及 土 的 壓 實 性l （ 一 ） 、 無 粘 性 土 的 相 對 密 實 度l 理 論 上 砂 土 在 天 然 狀 態(tài) 的 密 實 度 可 用 相 對 密 度 來 表 示 minmax 0max ee eeDr 砂 土 在 天 然 狀 態(tài)下 孔 隙 比砂 土 在 最 密 實 狀 態(tài)時 的 孔 隙 比砂 土 在 最 松 散 狀態(tài) 時 的 孔 隙 比 ddd dddrD )( )( minmax maxmin 天 然 干 密 度最 大 干 密 度 最 小 干 密 度 （ 二 ） 、 粘 性 土 的 稠 度l 稠 度 是 指 粘 性 土 的 干 濕 程 度 或 在 某 一 含 水 率 下 抵 抗 外 力 作 用而 變 形 或 破 壞 的 能 力 ， 是 粘 性 土 最 主 要 的 物 理 狀 態(tài) 指 標(biāo) 。 通常 用 硬 、 可 塑 、 軟 和 流 動 等 術(shù) 語 來 描 述 。l 界 限 含 水 率 及 其 測 定阿 太 堡 （ Atterberg） 界 限 : 液 限 、 塑 限 流 動 液 體 與 可 塑 性 狀 態(tài) 間 的 分 界 含 水 量 稱 為 實 驗 室 中 常 采 用 平 衡 錐 式 液 限 儀 來 測 定 的 ； 可 塑 狀 態(tài) 與 半 固 體 狀 態(tài) 間 的 分 界 含 水 量 稱 為 實 驗 室 中 常 采 用 搓 條 法 來 測 定 。 半 固 體 狀 態(tài) 與 固 體 狀 態(tài) 間 的 分 界 含 水 量 稱 為 縮 限 s。0固 態(tài) 或 半 固 態(tài) 可 塑 狀 態(tài) 流 動 狀 態(tài) 塑 限 P 液 限 L 液 限 L塑 限 P pIl 但 更 為 便 捷 和 精 確 的 測 定 方 法 是 采 用 液 塑 限 聯(lián) 合 測 定 儀 。 l 塑 性 指 數(shù) ： 液 限 與 塑 限 之 差 值 。 習(xí) 慣 上 用 不 帶 百 分 數(shù) 符 號 的 數(shù) 值 表 示 。l 液 性 指 數(shù) ： 表 示 天 然 含 水 量 與 界 限 含 水 量 關(guān) 系 的 指 標(biāo) 。 LI pL pLI plpI （ 三 ） 、 土 的 壓 實 性l 土 的 壓 實 性 在 室 內(nèi) 是 通 過 擊 實 試 驗 來 研 究 的 。l 影 響 因 素 ：含 水 率 :最 優(yōu) 含 水 率擊 實 功 能 ： 擊 實 功 小 則 最 優(yōu) 含 水 率 大 而 最 大 干 密 度 小 ;擊 實 功 大 則 最 優(yōu) 含 水 率 小 而 最 大 干 密 度 大 。土 的 種 類 和 級 配 ： 粘 性 土 中 粘 粒 含 量 越 高 越 難 壓 實 ;無 粘 性 土 含 水 率 越 高 越 易 壓 實 。 級 配 好 的 易 壓 實 。粗 粒 含 量 ： 試 驗 中 允 許 的 粒 徑 有 限 ， 所 以 所 得 的 最 大 干 密 度 和 最 優(yōu) 含 水 率 與 實 際 不 同 ， 實 際 可 用 公 式 （ 1-33） 、 （ 1-34） 校 正 。 六 、 土 的 工 程 分 類l 一 般 粗 粒 土 按 顆 粒 組 成 分 類 ， 粘 性 土 則 按 塑 性 圖 分 類 。l 目 前 國 內(nèi) 應(yīng) 用 于 對 土 進(jìn) 行 分 類 的 標(biāo) 準(zhǔn) 、 規(guī) 程 （ 規(guī) 范 ） 主 要有 以 下 幾 種 ：建 設(shè) 部 土 的 分 類 標(biāo) 準(zhǔn) （ GBJ145-90）建 設(shè) 部 建 筑 地 基 基 礎(chǔ) 設(shè) 計 規(guī) 范 （ GB50007-2002）交 通 部 公 路 土 工 試 驗 規(guī) 程 （ JTJ051-93）水 利 部 土 工 試 驗 規(guī) 程 （ SL237-1999） 等 建 筑 地 基 基 礎(chǔ) 設(shè) 計 規(guī) 范 中 的 地 基 土 分 類 ：l 巖 石 ： 顆 粒 間 聯(lián) 結(jié) 呈 整 體 或 有 節(jié) 理 裂 隙 的 。l 碎 石 土 ： 粒 徑 大 于 2mm顆 粒 含 量 超 過 全 重 50%的 。l 砂 土 ： 粒 徑 大 于 2mm顆 粒 含 量 不 超 過 全 重 50%， 粒 徑 大 于 0.075的 超 過 全 重 50%.l 粉 土 ： 塑 性 指 數(shù) 小 于 等 于 10， 粒 徑 大 于 0.075的 不 超 過 全 重 50%.l 粘 性 土 ： 塑 性 指 數(shù) 大 于 10， 粒 徑 大 于 0.075顆 粒 含 量 不 超 過 總 量 50%.l 人 工 填 土 ： 人 類 活 動 堆 填 而 成 的 堆 積 物 。l 特 殊 土 ： 軟 土 、 紅 粘 土 和 次 生 紅 粘 土 、 膨 脹 土 、 黃 土 、 凍 土