土力学与基础工程 教学课件 ppt 作者 代国忠 第1章绪论

常州工学院 2010年,土力学与基础工程教学课件,制作: 代国忠,1.1 土力学、地基及基础的基本概念 1.2 土力学与基础工程发展简史 1.3 学习土力学与基础工程的重要性 1.4 课程性质和学习要求,第1章 绪论,1.1 土力学、地基及基础的基本概念,1土力学,土力学（Soil Mechanics）是利用力学的一般原理，研究地表土的物理、力学特性及其受力后强度和体积变化规律的学科。 实际上，土力学就是以力学为基础，研究土的渗流、变形和强度特性，并据此进行土体的变形和稳定性计算一门学科。,土具有碎散性、三相体系和自然变异性。 决定了土力学特性非常复杂，其变形特性、强度特性和渗透特性是土力学研究和面对的主要问题。,建筑物,上部结构,基 础,地 基,2地基与基础,工业与民用建筑、高层建筑、桥梁建筑等各类建筑物均由上部结构与地下基础两大部分组成。 以室外地面整平标高（或河床最大冲刷线）为基准，基准线以上部分为上部结构，基准线以下部分为基础。,基 础,上部结构,地 基,建筑物三部分示意图,2地基与基础,1）地基。 是建筑物荷载作用下产生不可忽略附加应力与变形的那部分地层。 有天然地基和人工地基之分。 天然土质过于软弱或有不良工程地质问题，需经过人工加固或处理后才能修筑基础的地基称为人工地基（地基处理）。,2）基础。 埋藏于地面下承受上部结构荷载、并将荷载传递给下卧层的人工构筑物。,浅基础：埋深h 5m，可用简便施工方法进行基坑开挖和排水的基础，如柱下独立基础（钢筋混凝土扩展基础）、条形基础（毛石或素混凝土基础）、筏板基础、交叉梁基础。 深基础：埋深h 5m ，需用专门的施工方法建造，如桩基、沉井、地下连续墙、箱形基础、较深的筏板基础等。 某些基础工程，在土层内深度虽较浅（ h 5m ），但在水下部分较深，如深水中的桥墩基础，亦可按深基础进行设计。,2地基与基础,3）基础工程。基础设计与施工工作，以及有关的工程地质勘察、基础施工所需基坑的开挖、支护、降水和地基加固工作总称。,4）基础的主要功能,扩散压力。地基土承载力较低时，采用锥形或板式基础形状，扩大基础的底面积，可将基础所承受的较大荷载转变为较低的压力。 传递压力。上部地层较差时，采用深基础（桩基、墩基、地下连续墙、沉井等）将荷载传递到深部较好地层（岩层或砂卵石层）。 调整地基变形。利用厚筏、箱形基础、群摩擦桩等基础所具有的刚度和上部结构共同作用，以调整地基的不均匀变形或不均匀沉降。 若采取的措施得当，基础还具有抗滑或抗倾覆及减振的作用。 对于桥梁工程，桥梁上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础等。,浅基础：,c）素混凝土基础,a）砖基础,b）砌石基础,浅基础：,为加大底板刚度，可采用“套箱式”箱形基础。,浅基础,深基础桩基础,1）单桩基础：一柱一桩独立基础。 2）群桩基础：两根以上基桩和承台组成基础。 桩基础作用：桩与地基土相互作用以桩侧土阻力或桩端阻力的形式承担上部建筑结构传给承台的载荷。,桩基础的组成,深基础沉井工程,地下连续墙工程应用“逆作法” 1.地下连续墙；2.中间支承柱；3.地下室顶板；4.底板,1）地基强度条件：地基有足够强度，在荷载作用下，地基土不发生剪切破坏或失稳。 2）地基变形条件：不使地基产生过大的沉降或不均匀沉降，保证建筑物正常使用。 3）基础结构本身应有足够的强度和刚度，在地基反力作用下不会产生过大强度破坏，并具有改善沉降与不均匀沉降的能力。,3地基基础设计的基本要求,1773 Coulomb(法国) 强度定律，土压力理论 1856 Darcy (法国) 定律 1857 Rankine (英国)新的土压力理论 1885 Boussinesq(法国)半无限空间弹性体中应力计算 1925 Terzaghi (美国) 有效应力原理及渗透固结理论 1936 Fellenius(瑞典)土坡稳定分析的整体圆弧滑动法 1936 第一届国际土力学及基础工程会议 1949 中国土力学研究的兴起,土力学成为一门独立学科的重要标志 Terzaghi是土力学的奠基人,1.2 土力学与基础工程的发展简史,1.土力学的发展简史,自土力学作为一门独立学科以来，大致可以分为两个发展阶段：,第一阶段从20世纪的20年代到60年代，称古典土力学阶段。 特点: 在不同的课题中分别把土看作线弹性体或刚塑性体，又根据课题需要把土视为连续介质或分散体。 这一阶段的土力学研究主要在太沙基理论基础上，形成以有效应力原理、渗透固结理论、极限平衡理论为基础的土力学理论体系，研究土的强度与变形特性，解决地基承载力和变形、挡土墙土压力、土坡稳定等与工程密切相关的土力学课题。,第二阶段从20世纪60年代开始，称为现代土力学阶段。 把土的应力、应变、强度、稳定等受力变化过程统一用一个本构关系加以研究。 依赖于数学力学的发展和计算机技术的突飞猛进。较为著名的本构关系有邓肯非线性弹性模型和剑桥弹塑性模型。,国内外学者认为二十一世纪的土力学的发展特点是：,1）进一步汲取现代数学、力学的成果和利用计算机技术，深入研究土的非线性、各向异性、流变等特性，建立新的更符合土的真实特性的本构模型以及将该模型用于解决实际问题的计算方法。 2）充分考虑土工问题的不确定性，进行风险分析和优化决策，岩土工程的定值设计方法逐步向可靠度设计转化。 3）对非饱和土的深入研究，充分揭示土粒、水、气三相界面的表面现象对非饱和土力学特性影响，建立非饱和土强度变形理论框架。 4）土工测试设备和测试技术将得到新的发展。原位测试、土工离心试验等得到更大应用，计算机仿真成为特殊的土工试验手段，声波法、射线法、CT识别法等将列入土工试验方法中。 5）环境土力学得到极大的重视。炉渣、粉煤灰、尾矿石的利用和处理，污染土和污染水的性质和治理。 6）用微观和细观的手段，研究和揭示岩土力学特性的本质。 7）人工合成材料的应用。人工合成材料在排水、防渗、滤层、加筋等方面已得到很好的应用。,2. 基础工程的发展简史,基础工程是一项古老工程技术，发展到今天已成为一门专门科学。 基础工程伴随着华夏五千年的文明史。浙江省余姚河姆渡文化遗址，其房屋底层是架空在埋于地下的木桩基础上的；西安半坡村遗址中的基础是夯实的红烧土和陶瓷片；洛阳王湾仰韶文化遗址，其基础是在墙下挖槽，槽内填卵石夯实，类似于近代换土填层处理地基。 春秋战国时期，夯土的基础与城墙已有相当高的水平。玉门关一带的汉长城用砂、砾石和红柳或芦苇层层压实。 很多古代建筑，如隋朝的赵洲石拱桥、郑州超化寺、晋祠的圣母殿水池等，都是由于基础工程的牢固，方能历经千百载地下水活动、多次地震或强风后而安然屹立至今。 元明清年代，基础工程得到进一步发展，如北京故宫三大殿用灰土台基，天安门用群桩基础，前门采用了木筏基础等。,西方国家，自18世纪工业革命以来，随着城市建设的扩大，工厂、铁路、水坝的兴建，促使土力学理论的产生和基础工程技术的发展。二次世界大战之后，基础设计理论、计算方法、施工工艺有较大发展。 1893年美国芝加哥人工挖孔桩的问世，1950年意大利米兰地下连续墙的出现，1957年德国首先采用土层锚杆桩墙支护深基坑等。 我国改革开放以后，基础设施建设蓬勃发展，基础工程的设计理论、施工工艺水平也不断提高。 如大直径( 0.56m)桩基础工程，深度从几十米到上百米；桩基础竖向承载力计算考虑了群桩效应，水平承载力计算采用了弹性地基梁m法。,2. 基础工程的发展简史,20世纪90年代以来，颁布实施的现行规范规程有: 建筑地基基础设计规范GB 50007-2002 建筑地基处理技术规范JGJ 79-2002 建筑桩基技术规范JGJ 94-2008 公路桥涵地基及基础设计规范JTG D63-2007 建筑基桩检测技术规范JGJ 106-2003 岩土工程勘察规范GB 50021-2001 建筑抗震设计规范GB 50011-2001 建筑基坑支护技术规程JGJ 120-99 既有建筑地基基础加固技术规范JGJ 123-2000等。 这些现行规范规程是基础工程各个领域中取得的科研成果和工程经验的高度概括，反映了基础工程的发展水平。,地基与基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系到建筑物的安危!,下面是基础工程失败的例子！,1.3 学习土力学与基础工程的重要性,A.与土有关的强度问题举例：,加拿大特朗斯康谷仓,事故： 1913年9月装谷物，10月17日装了31822谷物时，1小时竖向沉降达30.5cm；24小时倾斜26°53 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m,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。,后用388个50T千斤顶纠正，位置较原先下降4m；但钢混筒仓完好无损。,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7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。,香港1900年建市，1977年成立土力工程署 港岛1972 Po Shan 滑坡 (20,000 m3)(67 死、20 伤),Po Shan Road,Conduit Road,Notewell Road,Early 1972 滑坡前,土体滑坡,美国，California, La Conchita，1995。,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。,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。,阪神大地震中地基液化,神户码头： 沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中。,以上几个实例可归结为与土有关的 强度问题,1.3 学习土力学与基础工程的重要性,B.与土有关的变形问题举例:,比萨斜塔,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 1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工 1173：动工,原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，变形较大。,1590年伽利略在此塔做落体实验。,比萨斜塔,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,苏州虎丘塔,问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔 顶离中心线已达2.31m，底层 塔身发生不少裂缝，成为危险 建筑物而封闭。,概况：位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元961年）。全塔7层，高47.5m，塔的平面呈八角形。,原因：坐落于不均匀粉质粘土层上， 产生不均匀沉降。,处理：在塔四周建造一圈桩排式地下 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，获得成功。,上海展览中心,地基严重下沉,1979年， 累计平均沉降量160cm。,展览馆于1954年5月开工，当年底实测地基平均沉降量为60cm。,上海一在建商品楼发生倒塌事故,2009年6月27日6时，上海闵行区莲花南路罗阳路口一幢13层在建商品楼发生倒塌事故.,以上几个实例可归结为与土有关的 变形问题,1.3 学习土力学与基础工程的重要性,C.与土有关的渗透问题举例：,1998年九江大堤决口,溃口原因：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20