土力学(中国水利水电出版社出版)第一章和第二章

龚晓南主编 中国建筑工业出版社，2002.
王泽云等编 重庆大学出版社，2002.
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本课程安排和要求
教学环节
考核及成绩
课堂讲授 (54 学时)
实验课 (10 学时)
期末考试：80％ 试验：10％（预习＋操作＋报告） 课堂表现及作业：10％
要求
1. 大课必须出席，不定期点名。 2. 试验：注意观察，联系理论，深入分析。 3. 作业：独立完成，每章交一次，在该章讲课结束后当周内按时
碎散性 三相性 天然性
力学特性 复杂
• 变形特性 • 强度特性 • 渗透特性
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2. 土的分类 （1）按有机质含量
有机土（Organic soil） 无机土（Inorganic soil） （2）按粒间粘聚程度 粘性土（Cohesive soil）； 无粘性土（Cohesionless soil）
3、土的工程应用
3、形成独立学科阶段（1925）
—1925, 美国的太沙基（Terzaghi）归纳发展了以往的理论，发表了《土力学》 一书，他被认为是土力学的奠基人
4、发展阶段
（1）1955年英国的毕肖普（Bishop）提出了土坡稳定计算方法，其中考 虑了条间水平力，并应用有效强度指标计算土坡稳定；
（2）20世纪50年代后期，挪威的詹布（Janbu）和加拿大的摩根斯坦 （Morgenstern）提出了考虑条间力，滑动面取任意形状的土坡稳定 计算方法，在强度理论、强度计算等方面进一步发展了摩尔-库仑准 则。
± 土工建筑材料-堤、坝、路基等 ± 建筑物基础之地基-房屋、闸坝、码头 ± 建筑环境-隧道、涵洞、运河
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Foundation
Tunneling
4、上部结构、基础和地基三者之间的关系
地基（Ground） 由于建筑物 的修建，使一定范围内土层的 应力状态发生变化，这一范围 内的地层称为地基。
基础（Foundation）指与地基接 触的建筑物下部结构。
1773年，Coulomb向法兰西科学院提交了论文“最大最小原 理在某些与建筑有关的静力学问题中的应用”，文中研究了土的 抗剪强度，并提出了土的抗剪强度准则（即库仑定律），还对 挡土结构上的土压力的确定进行了系统研究，首次提出了主动 土压力和被动土压力的概念及其计算方法（即库仑土压力理 论）。该文在3年后的1776年由科学院刊出，被认为是古典土力 学的基础，他因此也称为“土力学之始祖”。
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第二节 土力学发展简介
Section 2 Introduction of soil mechanics Development
1、感性认识阶段(18世纪中叶以前) 2、理性认识阶段（18世纪中叶~1925年）
— 1773, 法国的库伦（C. A .Coulomb）根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公 式 —1856,法国的达西（H. P. G. Darcy）通过研究水在砂土中渗透的基础上提出 了著名的Darcy定律 —1869,英国的朗肯（W. J. M. Rankine）从不同角度提出了挡土墙土压力理论 —1885,法国的布辛奈斯克(J.Boussinesq )求得了弹性半无限空间在竖向集中力 作用下的应力和变形的理论解 —1922, 瑞典的费兰纽斯(W. Fellenius)为解决铁路塌方问题提出了土坡稳定分 析法
Section 1 Study objects and contents of Soil Mechanics 一、 土力学的研究对象
1、土——是岩石风化的产物，是母岩风化后经搬运、沉积等 地质作用形成的岩石碎屑和单独矿物颗粒组成的集合体。
岩石 地球
风化作用 搬运、沉积
土 地球
土有哪些特点？
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岩石风化 的产物 碎散性
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加拿大特朗斯康谷仓
26°53′
-0.61
1952.10.3 试验孔
-12.34
填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土
失事后 1913.10.18
1952.10.5 试验孔 -4.27
-13.72
原因： 地基土事先未进行调查， 据邻近结构物基槽开挖取 土试验结果，计算地基承 载力应用到此谷仓。1952 年经勘察试验与计算，地 基实际承载力小于破坏时 的基底压力。因此， 谷仓地基因超载发生强度 破坏而滑动。
土力学人物简介
Karl von Terzaghi (1883 - 1963)
1925年，他被派往麻省理工学院担任访问教授，四年后回 到维也纳技术大学任教授。1938 年德国占领奥地利后， Terzaghi前往美国，并在哈佛大学任教，直到1956年退休。在此 期间的1943 年，他还出版了《Theoretical Soil Mechanics》，在 这部不朽的著作中，Terzaghi就固结理论、沉降计算、承载力、 土压理论、抗剪强度及边坡稳定等问题进行了阐述。1963年10月 25 日,Terzaghi在马萨诸塞州的温彻斯特逝世。
非连续介质
z 受力以后易变形 z 体积变化主要是孔隙变化 z 剪切变形主要由颗粒
相对位移引起 z 强度低
•固相—土骨架 •液相—水 •气相—空气
三相性 （三相体系）
多相介质
• 受力后由土骨架、孔隙介 质共同承担
• 存在复杂的相互作用 • 孔隙流体流动
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自然界的产物
天然性 （自然变异性）
•非均匀性 •各向异性 •结构性 •时空变异性
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
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二、 土力学的任务及研究内容
1、土力学的任务
土体受力多种多样，如自重、建筑物荷载、水的浮力、静 水压力、动水压力、基础振动和地震等诸多方面。在这些力的 作用下，土体的特性必然发生变化，揭示这些变化规律的本 质，用以解决建筑物的地基基础问题就是土力学的任务。
（3）土体稳定性计算
稳定性计算的目的在于揭示在外力和周围综合环境的作用下，土体单 元的临界稳定条件和极限状态条件，以便对土的渗透稳定以及土体的强度 稳定性进行评价，主要包括土的渗透稳定、土压力、土坡和地基承载力等 有关的土体稳定、动荷载作用下土体的稳定等。
（4）土与建筑物相互作用分析
土和建筑物既相互独立，又相互影响，故研究建筑物的沉降和稳定， 必须研究土与建筑物相互作用和协同工作问题，主要包括上部结构与地基 基础间力的传递、建筑物和土体间的应力变化及应力应变协调性及工程措 施等。
（3）在土压力和承载力方面，俄国的索科洛夫斯基将古典塑性理论引入 土力学，将散体极限平衡理论应用于地基、土坡和挡土墙的稳定分析 方面，并获得了严格的数值解，发表了专著《散体静力学》。
5、新的发展阶段
（1）非线性本构模型的建立（如邓肯-张模型、剑桥模型等）； （2）土的微观结构的研究； （3）非饱和土的研究； （4）国际性土工刊物和国际会议； （5）大型水利工程（葛洲坝、小浪底、三峡、南水北调等）、海洋石油
液化：松砂地基在振动荷载作 用下丧失强度变成流动状态的 一种现象
比萨斜塔
1590: 伽利 略在此塔做 落体实验
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°
1360：再复工，至1370年竣工，全塔共8 层，高度为55m
1272：复工，经6年，至7层，高48m，再 停工
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第三节 土力学在工程建设中的地位
Section 3 Status of soil mechanics in engineering
（1）工程建筑的要求
● 建筑任务和使用上的要求 ● 建筑物应当在各种条件下保证其结构、地基变形和土 体强度的可靠性 ●施工期短、工程造价低
（2）工程建筑破坏形式
●基础的沉降和不均匀沉降 ●堤坝的渗漏和渗透破坏 ●土坡失稳 ●水平滑移
一般建筑物由上部结构 （Superstructure）和基础两部 分组成。
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5、土力学的概念 土力学——以土和由其构成的土体为研
究对象，研究土的特性及土体受力后，应 力、变形、强度和稳定性的学科。
土力学有何特点？
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）
结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构 连续固体
提交。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。
土
土，地之生万物者也。‘二’象地之 上，地之中；‘|’物出形也。
－《说文解字》 希腊，中国，希伯来人，印第安 人的神话：神用泥土造人 中国传统文化中的五行：金木水 火土
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第一章 绪 论
(Chapter 1 Introduction) 第一节 土力学的研究对象与研究内容
土力学人物简介
William John Maquorn Rankine (1820 - 1872)
1820年7月2日生于苏格兰的爱丁堡，1872年12月 24日逝世于苏格兰的格拉斯哥。
Rankine被后人誉为那个时代的天才，他在热力学、 流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献。他建立的土 压力理论，至今仍在广泛应用。
加拿大特朗斯康谷仓
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。 1911年动工，1913年完工，自重20000T。
事故： 1913年9月装谷物，10月17 日装了31822Ｔ谷物时， •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
工程、工业与民用建筑等为本学科发展提供了广阔的应用前景。各种 岩土工程相关规范，如土工试验规程、地基勘察规范、地基设计和处 理规范的制定等。
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土力学人物简介
Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806)
Coulomb 对土木工程、岩土工程以及自然科学和物理学 （包括力学、电学和磁学）等都有重要的贡献（如物理学中著 名的库仑定律），1774年当选为法国科学院院士。
土力学
四川大学水电学院 薛新华
教材
书名
作者
1. 土力学（第4版） 杨进良主编
2. Soil Mechanics 施建勇主编
出版社和出版时间 中国水利水电出版社，2009
人民交通出版社，2004
参考书目
书名 1. 土力学地基基础
2. 土力学 3. 土力学
作者
出版社和出版时间
陈希哲主编 清华大学出版社，2001.
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，把仓体逐渐纠正过来，其 位置比原来降低了４米。
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。
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Early 1972 滑坡前 July 1972 滑坡后
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阪神大地震中地基液化
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
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土力学人物简介
Karl von Terzaghi (1883 - 1963)
Terzaghi 于1883年10月2日出生于捷克的首都布拉格， 1904年毕业于奥地利的格拉茨（Graz）技术大学，之后成为土 木工程领域的一名地质工程师。
1916～1925年期间，他在土耳其的伊斯坦布尔技术大学和 博斯普鲁斯大学任教，并从事土的特性方面的研究课题，这也 最终导致了他的举世闻名的《Erdbaumechanik》（土力学）于 1925年在维也纳的问世，该书介绍了他所提出的固结理论以及 土压力、承载力、稳定性分析等理论，标志着土力学这门学科 的诞生。
2、具体研究内容 （1）土的基本性质研究
土的基本性质主要指土的物理性质和由荷载引起的力学性 质的研究，它是研究地基基础问题和改善地基条件的主要依据。 其内容包括土的物理性质指标、土的结构、状态、分类及土和 土体受力后变化的基本规律等。
（2）土体中的应力及地基变形计算
揭示在一定环境和力的作用下地基土体内部各点的应力、变形相互联 系、相互制约的规律是土力学的任务之一，主要包括土体中的应力分布与 计算、某时刻地基的变形量计算、地基的最终变形计算及孔隙水的渗流挤 出、土体固结度增长的渗透与固结的关系等。