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1、,土力學與地基基礎,丁春梅 土木工程系,土力學是利用力學知識和土工試驗技術來研究土的強度、變形及其規(guī)律并將其應用到生產實踐中的一門科學,它既是一門古老的工程技術，又是一門年輕的應用科學。古人興建的堤壩、橋梁、蜿蜒的萬里長城、大運河等，都為本學科的發(fā)展積累了豐富的經驗，17、18世紀眾多學者的研究為土力學的發(fā)展奠定了理論基礎，1925年，土力學的奠基人太沙基歸納前人的成就，發(fā)表了土力學一書，系統(tǒng)介紹了土力學的基本內容，土力學得以成為一門獨立的學科。20世紀60,前言,年代以后，科學的發(fā)展帶來的各種先進的儀器和先進的計算方法，為土力學的發(fā)展提供了很好的條件，土力學與基礎工程領域的研究發(fā)生了深刻的變
2、化，許多復雜的巖土工程問題可以依賴先進的計算技術解決。我國在工程地質勘察、現(xiàn)場原位測試和室內土工試驗、地基處理、新設備、新材料、新工藝的研究和應用方面，都取得了很大的進展。隨著我國社會主義建設事業(yè)的發(fā)展，必將對土力學與基礎工程提出更多新的挑戰(zhàn)，隨著這些問題的解決，也必將促進土力學與基礎工程技術向前發(fā)展。,緒論及第一章：土的物理性質及工程分類 第二章：土的滲透性 第三章：土中應力 第四章：土的壓縮性及地基變形 第五章：土的抗剪強度 第六章：土壓力 第七章：土坡的穩(wěn)定性分析 第八章：地基承載力 第九章：地基、基礎設計 第十章：樁基礎 第十一章：軟土地基處理及特殊土 復習,目錄,,土力學與地基基礎就
3、是研究土體的特性及其在工程活動影響下的應力、變形、強度和穩(wěn)定性及其應用的學科。它屬于土木工程的一門基礎學科。隨著人口不斷密集，人類活動的范圍日益狹小，現(xiàn)代工程建設不得不向高（高層建筑）、深（地下工程）、遠（高速公路）的方向發(fā)展。同時通過對不良場地土體的改善進行工程建設，可以充分地利用日益緊缺的土地資源。因此土力學與地基基礎在現(xiàn)代土木工程建設事業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。,緒論,與其它經驗科學一樣，土力學是人類在工程實踐的成功與失敗中，不斷總結與積累經驗而逐步發(fā)展起來的一門學科，目前已形成了系統(tǒng)的理論體系。在此我們首先回顧一下土力學的 發(fā)展歷史，再通過一系列的工程實例 來認識一下學習該課程的意義和
4、作用，最后讓我們了解一下該課程的 學習內容 。,緒論,圖片：高層建筑,,緒論,圖片：長隧道,,緒論,圖片：高速公路（立交）,,緒論,第一部分 發(fā)展歷史,土力學是人們在在長期工程實踐中形成發(fā)展起來的一門學科。 我國勞動人民從遠古時代就能利用土石作為地基和建筑材料修筑房屋了。如西安新石器時代的半坡村遺址，就發(fā)現(xiàn)有土臺和石礎，這就是古代的堂高三尺、茅茨土階（語見韓非子）的建筑。我國舉世聞名的秦萬里長城逾千百年而留存至今。充分體現(xiàn)了我國古代勞動人民的高超水平。,緒論,圖片：半坡村落遺址,,緒論,隋朝石工李春所修建成的趙州石拱橋，造型美觀，至今安然無恙。橋臺砌置于密實的粗砂層上，一千三百多年來估計沉降量
5、約幾厘米。現(xiàn)在驗算其基底壓力約500-600kpa，這與現(xiàn)代土力學理論給出的承載力值很接近。,緒論,圖片 趙州石拱橋,,緒論,根據(jù)夢溪筆談記載，北宋初著名木工喻皓（公元989年）在建造開封開寶寺木塔時，考慮到當?shù)囟辔鞅憋L，便特意使建于飽和土上的塔身稍向西北傾斜，設想在風力的長期斷續(xù)作用下可以漸趨復正?？梢娫诋敃r的工匠已考慮到建筑物地基的沉降問題了。而作為本學科理論基礎的土力學的發(fā)端，始于十八世紀興起了工業(yè)革命的歐洲。隨著資本主義工業(yè)化的發(fā)展，為了滿足向國內外擴張市場的需要，陸上交通進入了所謂鐵路時代，因此，最初有關土力學的個別理論多與解決鐵路路基問題有關。,緒論,土力學的發(fā)展（ 可劃分為三個階
6、段： 1925年以前，1925年至1960年左右，1960年左右至今） （ 1）1925年前土力學尚未形成一門學科。 工程實踐可追溯到遠古時代：半坡，秦長城，商朝各類祭臺；被用作工程材料，如挖洞、筑堤、修路等；戰(zhàn)國時的考工記，就認識到作用力與變形之間的關系，比胡克 ( Hooke )定律還早1500多年； 有文字記載最早理論是,緒論,,1773年，法國的C.A.庫倫（Coulomb）根據(jù)試驗創(chuàng)立了著名的砂土抗剪強度公式，提出了計算擋土墻土壓力的滑楔理論。 1856達西(Darcy) 研究 了砂土的滲透性，發(fā)展了達西滲透公式 1857年英國的W.G.M.朗肯（Rankine）又從不同角度
7、提出了擋土墻土壓力理論。 1869年卡爾洛維奇第一本地基與基礎著作 1885年法國J.布辛奈斯克（Boussinesq）求得了彈性半無限空間在豎向集中力作用下的應力和變形的Boussinesq解。,緒論,,1900年莫爾(Mohr)土的強度理論 1922年瑞典W.費蘭紐斯（Fellenius）為解決鐵路塌方問題提出了土坡穩(wěn)定分析法。 以上這些方法至今仍廣泛應用。,緒論,,（ 2）1925年至1960年左右的古典土力學（以有效應力原理為核心） 1925年太沙基( Terzaghi )出版的第一本土力學專著標志著土力學學科的形成，之后世界許多學者對土 的抗剪強度 、土的變形、土的滲透性、土
8、的應力應變關系和破壞機理進行了大量的研究工作，并逐漸將土力學的基本理論普遍應用于解決各種不同條件下的工程問題。,緒論,,（ 3）1960年左右后的現(xiàn)代土力學（以本構模型為核心） 20世紀60年代計算機及其應用的高速發(fā)展，促進了土力學的大發(fā)展。 如復雜條件下土的應力應變強度 時間關系本構模型的建立； 土動力理論，流變理論，土體穩(wěn)定性問題等。,緒論,,土力學的四個分支的形成 ： 理論土力學 計算土力學 實驗土力學 應用土力學,緒論,我國學者黃文熙：土的強度與變形、本構關系； 陳宗基：土的微觀結構與流變； 錢家歡：在土的流變、土工抗震方面有不少研究； 沈珠江： 2000年出版理論土力學，
9、研究發(fā)展軟土本構關系。,緒論,第二部分 工程實例,加拿大特朗斯康谷倉的地基事故 美國紐約某水泥倉庫 意大利比薩斜塔 蘇州市虎丘塔 上海展覽中心館 匈牙利一碼頭建筑物墻體開裂 墨西哥市藝術宮 天津市人民會堂辦公樓墻體開裂 南京分析儀器廠職工住宅基礎開裂 南京江南水泥廠土坡滑動 香港寶城大廈土坡滑動 盤錦市房屋凍脹開裂,緒論,,1、建筑物傾斜,緒論,加拿大特朗斯康谷倉的地基事故,該谷倉平面呈矩形，南北向長59.44m，東西向寬23.47m，高31.00m，容積36368立方米，容倉為圓筒倉，每排13個圓倉，5排共計65個圓筒倉。谷倉基礎為鋼筋混凝土筏板基礎，厚度61cm，埋深3.66m。谷倉于19
10、11年動工，1913年完工，空倉自重20000T，相當于裝滿谷物后滿載總重量的42.5%。,緒論,1913年9月裝谷物，10月17日當谷倉已裝了31822 谷物時，發(fā)現(xiàn)1小時內豎向沉降達30.5cm，結構物向西傾斜，并在24小時內谷倉傾斜，傾斜度離垂線達2653，谷倉西端下沉7.32m，東端上抬1.52m，上部鋼筋混凝土筒倉堅如磐石。谷倉地基土事先未進行調查研究，據(jù)鄰近結構物基槽開挖試驗結果，計算地基承載力為352kPa，應用到此谷倉。,緒論,1952年經勘察試驗與計算，谷倉地基實際承載力為（193.8-276.6）kPa，遠小于谷倉破壞時發(fā)生的壓力329.4kPa，因此，谷倉地基因超載發(fā)生強
11、度破壞而滑動。 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)，才把倉體逐漸糾正過來，但其位置比原來降低了米。,緒論,圖片：加拿大特朗斯康谷倉,,緒論,美國紐約某水泥倉庫,該水泥倉庫是近代世界上最嚴重的建筑物破壞事例之一，這座水泥倉庫位于紐約市漢森河旁，水泥倉庫呈圓筒形，高約 21m，倉庫直徑13m，一排圓筒倉庫下部的基礎為整塊筏板基礎，埋深2.8m。1940年水泥倉庫裝載水泥，使粘土地基超載，引起地基土剪切破壞而滑動，水泥筒倉傾斜呈45，地基土被擠出地面高達5.18 m，與此同時，離筒倉凈距23m以外的辦公樓受地基滑動影響，也發(fā)生了傾斜。,緒論,意大利比
12、薩斜塔,這是舉世聞名的建筑物傾斜的典型實例。 該塔自1173年9月8日動工，至1178年建至第4層中部，高度約29m時，因塔明顯傾斜而停工。94年后，于1272年復工，經6年時間，建完第7層，高48m，再次停工中斷82年。于1360年再復工，至1370年竣工，全塔共8層，高度為55m。塔身呈圓筒形，16層由優(yōu)質大理石砌成，頂部78層采用磚和輕石料。,緒論,,,緒論,,塔身每層都有精美的圓柱與花紋圖案，是一座宏偉而精致的藝術品。1590年伽利略在此塔做落體實驗，創(chuàng)建了物理學上著名的落體定律。斜塔成為世界上最珍貴的歷史文物，吸引無數(shù)世界各地游客。全塔總重約145MN，基礎底面平均壓力約50kPa。
13、地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層。目前塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線已達5.27m，傾斜5.5，成為危險建筑。1990年1月4日被封閉。除加固塔身外，用壓重法和取土法進行地基處理。目前已向游人開放。,緒論,蘇州市虎丘塔,此塔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），距今已有1036年悠久歷史。全塔7層，高47.5m。塔的平面呈八角形，由外壁、回廊與塔心三部分組成。塔身全部青磚砌筑，外形仿樓閣式木塔，每層都有8個壺門，拐角處的磚特制成圓弧形，建筑精美。1961年3月4日，國務院將此塔列為全國重點保護文物。,緒論,蘇州市虎丘塔,80年代，塔身已向東北方
14、向嚴重傾斜，不僅塔頂離中心線已達2.31m，而且底層塔身發(fā)生不少裂縫，東北方向為豎直裂縫，西南方向為水平裂縫，成為危險建筑而封閉。在國家文物管理局和蘇州市人民政府領導下，召開多次專家會議，采取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行鉆孔注漿和樹根樁加固塔身，由上海市特種基礎工程研究所承擔施工，獲得成功。,緒論,圖片:蘇州市虎丘塔,,緒論,,2、建筑地基嚴重下沉,緒論,上海展覽中心館,上海展覽中心館原稱上海工業(yè)展覽館，位于上海市區(qū)延安中路北側。展覽館中央大廳為框架結構，箱形基礎，展覽館兩翼采用條形基礎。箱形基礎為兩層，埋深7.27m。箱基頂面至中央大廳頂部塔尖，總高96.63m。地基
15、為高壓縮性淤泥質軟土。展覽館于1954年5月開工，當年底實測地基平均沉降量為60cm。,緒論,,1957年6月，中央大廳四周的沉降量最大達146.55cm，最小為122.8cm。到1979年，累計平均沉降量為160cm，從1957年至1979年共22年的沉降量僅20cm左右，不及1954年下半年沉降量的一半，說明沉降已趨向穩(wěn)定。但由于地基嚴重下沉，不僅使散水倒坡，而且建筑物內外連接的水、暖、電管道斷裂，都付出了相當?shù)拇鷥r。,緒論,墨西哥市藝術宮,墨西哥國家首都墨西哥市藝術宮，是一座巨型的具有紀念性的早期建筑。此藝術宮于1904年落成，至今已有90余年的歷史。該市處于四面環(huán)山的盆地中，古代原是一
16、個大湖泊。因周圍火山噴發(fā)的火山灰沉積和湖水蒸發(fā)，經漫長年代，湖水干涸形成目前的盆地。,緒論,,當?shù)乇韺訛槿斯ぬ钔僚c砂夾卵石硬殼層，厚度5m，其下為超高壓縮性淤泥，天然孔隙比高達7-12，天然含水量高達150%-600%，為世界罕見的軟弱土，層厚達25m。因此，這座藝術宮嚴重下沉，沉降量高達4m，臨近的公路下沉2m，公路路面至藝術宮門前高差達2m。參觀者需步下9級臺階，才能從公路進入藝術宮。,緒論,,3、建筑物墻體開裂,緒論,匈牙利一碼頭建筑物墻體開裂,匈牙利達納畔特碼頭，位于多瑙河一座島上的斜岸上。建筑物包括一個倉庫和幾個車間，寬約24m，高6m，為單層框架結構，建于1952年。設計采用圓柱形
17、獨立基礎，基礎上置鋼筋混凝土連續(xù)梁，承受外墻荷重。建筑物內墻采用條形基礎，工程建成不久，所有內隔墻都嚴重開裂。,緒論,,地基表層為人工填土，厚約3.8m；第二層為細砂與有機粉土，厚約1.7m；第三層為密實粗砂層。上述建筑物外墻下獨立基礎埋深6.5m，基底面為粗砂層，沉降量很小。而內墻的條形基礎埋深僅0.8m，位于人工填土層，沉降量大，顯然，一幢建筑物采用兩類不同基礎，埋深相差懸殊，持力層土質壓縮性高低相差懸殊，引起嚴重的不均勻沉降，導致墻體嚴重開裂事故。,緒論,天津市人民會堂辦公樓墻體開裂,此辦公樓東西向7個開間，長約27m，南北向寬約5m，高約5.6m，為兩層樓房。工程建成，使用正常。198
18、4年7月，在辦公樓西側，新建天津市科學會堂學術樓。此學術樓東西向8個開間，長約34m，南北寬約18m，高約22m，為6層大樓。兩樓外墻凈距僅30cm。當年年底，人民會堂辦公樓西側北墻發(fā)現(xiàn)裂縫，此后，裂縫不斷加長加寬，開裂寬度超過10cm，長度超過6m。分析原因是由于新建天津市科學會堂學術樓的附加應力擴散至原有人民會堂辦公樓西側軟弱地基，引起嚴重下沉所致。,緒論,盤錦市房屋凍脹開裂,該市位于遼寧省中部，錦州市以東，遼河北岸。當?shù)乇韺訛檎惩僚c粉質粘土，厚度3.0m5.0m，第二層為灰色淤泥質粉砂，很厚。地下水位僅0.5m2.0m，屬強凍脹土。盤錦市冬季寒冷，標準凍深為1.1m。因下臥層軟弱，一般房
19、屋基礎淺埋為0.7m0.9m。小于凍深又無技術措施，造成凍脹而使墻體開裂。,緒論,,4、建筑物基礎開裂,緒論,南京分析儀器廠職工住宅基礎開裂,該住宅位于南京市西部秦淮河以南太平南路西一新村，住宅樓東西向長37.64m，南北向寬8.94m，5層，建筑面積1721平方米 ，建筑場地地表為雜填土，較厚，設計采用無埋式筏板基礎。1977年12月開工，次年5月住宅樓主體工程施工至第5層時，于5月13日發(fā)現(xiàn)東起第五開間中部鋼筋混凝土筏板基礎南北向斷裂。5月15日工程停工。,緒論,,經重新勘察和調查，當?shù)卦瓰橐粋€大水塘，南北長70m，東西寬40m-50m。附近的飯店、茶爐、浴室用稻殼作燃料，燒燼的稻殼灰傾倒
20、此塘，經幾十年填平。1972年曾作燒磚場，1977年初整平，同年年底動工修建住宅樓。,緒論,,第一次勘察，誤將稻殼灰鑒別為一般雜填土。由于住宅樓西半部置于古水塘內，東半部座落岸上，土質突變，造成鋼筋混凝土筏板基礎攔腰斷裂的嚴重事故。經有關方面多次研究討論，最終采用卸荷處理方案，即拆去一層，后又拆去一層，將原5層住宅改為3層住宅。,緒論,,5、土坡滑動,緒論,南京江南水泥廠土坡滑動,該廠位于南京市東北部、長江南岸棲霞山麓。山坡多次滑動。1975年夏，滑動土體達數(shù)萬立方米，危及水泥廠3號窯頭廠房，工廠停工處理滑坡事故。棲霞山的山坡原是穩(wěn)定的，建廠平整場地開挖坡腳，使山坡土體失去平衡。夏季雨量集中，
21、雨水滲入山坡殘積土中，使土體含水量增加，抗剪強度降低，導致山坡滑動事故。為防止新的滑坡，在山麓修筑一道鋼筋混凝土擋土墻。,緒論,香港寶城大廈土坡滑動,香港地區(qū)人口稠密，市區(qū)建筑密集。新建住宅只好建在山坡上。1972年7月，香港發(fā)生一次大滑坡，數(shù)萬立方米殘積土從山坡上下滑，巨大的沖擊力正好通過一幢高層住宅--寶城大廈，頃刻之間，寶城大廈被沖毀倒塌。因樓間凈距太小，寶城大廈倒塌時，砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。寶城大廈居住著金城銀行等銀行界人士，因大廈沖毀時為清晨7點鐘，人們都還在睡夢中，當場死亡120人，這起重大傷亡事故引起了西方世界極大的震驚。,緒論,除了以上所述幾種土的問題外，還有土的滲透
22、問題,例如： 1963年，意大利265m高的瓦昂拱壩上游托克山左岸發(fā)生大規(guī)模的滑坡，滑坡體從大壩附近的上游擴展長達1800m，并橫跨峽谷滑移300400m，估計有23億立方米的巖塊滑入水庫，沖到對岸形成100150m高的巖堆，致使庫水漫過壩頂，沖毀了下游的朗格羅尼鎮(zhèn)，死亡約2500人，但大壩卻未遭破壞。,緒論,,1998年長江全流域特大洪水時，萬里長江堤防經受了嚴峻的考驗，一些地方的大堤垮塌，大堤地基發(fā)生嚴重管涌，洪水淹沒了大片土地，人民生命財產遭受巨大的威脅。僅湖北省沿江段就查出4974處險情，其中重點險情540處中，有320處屬地基險情；潰口性險情34處中，除3處是涵閘險情外，其余都是地基
23、和堤身的險情。1998年長江全流域特大洪水時，萬里長江堤防經受了嚴峻的考驗，一些地方的大堤垮塌，大堤地基發(fā)生嚴重管涌，洪水淹沒了大片土地，人民生命財產遭受巨大的威脅。僅湖北省沿江段就查出4974處險情，其中重點險情540處中，有320處屬地基險情；潰口性險情34處中，除3處是涵閘險情外，其余都是地基和堤身的險情。,緒論,第三部分 學習內容,土力學研究的對象是土體，研究目的是為各類土木工程建筑提供土性參數(shù)，以保證設計合理、工程造價經濟、工程運營可靠。這就要求我們不僅要了解土體的固有特性；而且要掌握在工程環(huán)境下土體物理力學狀態(tài)的改變，如建筑荷載導致附加應力，洞室或邊坡開挖產生的應力釋放與集中等，這
24、屬于土力學的研究內容。,緒論,,一、關于土的概念 1、土的定義：土是地表巖石經長期風化、搬運和沉積作用，逐漸破碎成細小礦物顆粒和巖石碎屑，是各種礦物顆粒的松散集合體。 2、土的特點： （1）散體性 （2）多孔性 （3）多樣性 （4）易變性,緒論,,3、土在工程中的應用 （1）作為建筑物地基 （2）作為建筑材料 （3）建筑物周圍環(huán)境,緒論,,4、地基與基礎的概念 （1）基礎： 1）定義：建筑物的下部結構，將建筑物的荷載傳給地基，起著中間的連接作用。 2）分類：按埋深可分為： 淺基礎：埋深較小， 可采用深基礎：樁基礎、地下連續(xù)墻,緒論,,（2）地基 1）定義：基底以下的土體中因修建建筑物而引起的應
25、力增加值（變形）所不可忽略的那部分土層。 持力層：直接與基礎接觸，并承受壓力的土層 下臥層：持力層下部的土層,緒論,,2）分類：天然地基：在天然土層上修建，土層要符合修建建筑物的要求（強度條件、變形條件） 人工地基：經過人工處理或加固過的地基：,緒論,,二、根據(jù)土力學的研究對象和目的，本課程的學習內容包括以下幾個方面：1 土的成因、結構、物質組成及其與工程地質性質之間的相互關系；一般來說，地質成因相同，處于相似條件下的土體，其工程地質特征具有很大的一致性。由于土體的形成與演變過程決定了土的物質成分與結構組成，成分與結構則是決定其工程地質性質的內在因素，因此根據(jù)土的成因、成分進行工程地質分類
26、，分析其工程地質性質的變化規(guī)律是土質學研究的重要內容。,緒論,,2 土的物理性質、水理性質和力學性質。土的物理性質是指土所處的物理狀態(tài)，諸如密度、含水狀況、孔隙或空隙發(fā)育情況等。水理性質是指土與水相互作用所表現(xiàn)出來的特性，如可塑性、脹縮性、吸水性、滲透性、黃土的濕陷性、砂土的液化和軟土的觸變等。力學性質是指土在外力作用下或土的受力環(huán)境發(fā)生改變時表現(xiàn)出的變形和強度特性，包括土體中的應力分布、變形特征和抗剪強度等。,緒論,,3土體受力后的變形與穩(wěn)定性問題； 首先是地基土的壓縮性與地基沉降計算；受建筑物影響的那部分地層稱為地基；建筑物向地基傳遞荷載的下部結構就是基礎。建筑物的建造使地基中原有的應力狀
27、態(tài)發(fā)生變化。這就必須運用力學方法來研究荷載作用下地基土的變形和強度問題，以便地基設計滿足二個基本條件：控制基礎沉降使之不超過地基的允許沉降量。作用于地基的荷載不超過地基的承載能力。因此需要學習附加應力和地基沉降量的計算方法，了解地基允許變形量的概念和影響因素等。,緒論,,其次是地基土的抗剪性和地基承載力；需要掌握土的抗剪強度測定的各種方法和工程應用，土的極限平衡的概念和臨塑荷載、臨界荷載、極限荷載的物理意義和計算方法；確定地基允許承載力的理論和經驗方法。,緒論,,然后是土壓力和土坡穩(wěn)定性；掌握三種土壓力產生條件、計算方法和原理；土坡穩(wěn)定性的分析原理和計算方法與技巧；土壓力和土坡穩(wěn)定分析理論在支擋結構設計中的應用。,緒論,,4、工程應用的要求和措施，主要是地基設計與處理等。 包括各種淺基礎的類型及設計、基礎底面尺寸的確定、建筑物地基變形及穩(wěn)定驗算、結構設計；深基礎著重介紹樁基礎的設計計算，另外簡單介紹一些常見的軟土地基的處理方法。,緒論,
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