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土力学讲稿 土壤机械学,Huaiyin技术的学会 土木工程部 Y.X.SHE PhD,土力学发展简史,1773年，法国科学家库伦发表了“极大极小准则在若干静力问题中的应用” ； 1869年，英国学者朗肯发表了土力塑性平衡理论 ； 1885年，布辛奈斯克导出弹性半空间竖向集中力作用时土中应力、变形的理论解； 费莱纽斯和泰勒19271937年间发表土坡稳定性的圆弧滑动分析方法 K.Terzaghi于1925年写成土力学专著，随后又于19421948年间写成理论土力学和工程实用土力学土力学于20世纪30年代开始成为各大学土建、水利系的必修学科之一土力学研究内容,研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学土力学的两大问题,土的变形,土的强度,世界贸易中心（高层建筑）,世界贸易中心大楼位于美国纽约市曼哈顿闹市区的南部，是纽约最高、楼层最多的摩天大楼它以411米的高度和110层的楼层面被称之为“世界之窗”大楼由5幢建筑物组成，其主楼呈双塔形，采用钢结构，耗用钢材7万8千吨，墙面由铝板和玻璃窗组成，有84万名平方米的办公面积，可容纳5万名工作人员，其楼层分租给世界各国800多个厂商及各代理机构。

楼中共有电梯104部，地下有可供停车2000辆的车库世贸中心大楼于1966年开工，历时7年，1973年竣工2001年9月11日遭受恐怖袭击而毁灭世界贸易中心,帝国大厦,设计者为美国史莱夫-兰布-哈蒙建筑事务所，1931年落成，是70年代以前世界上最高的建筑纽约州别名帝国州，故名大厦位于纽约繁华的第五号大街上底部面积130*60平方米，向上逐渐收缩，85层之下为普通的使用建筑面积，85层以上收缩为直径10米高61米的尖塔塔本身相当于17层，因此帝国大厦号称102层，塔顶距地面380米有效使用面积6万平方米帝国大厦从动工到交付使用只用了19个月，平均每5天多建一层，施工速度极快帝国大厦,隧道,高速公路,地震破坏,桥梁,在建的苏通（苏州至南通）长江大桥，将创下3个第一：是长江口第一大桥，距长江入海口108公里；是国内目前最高的桥，最高处净高62米；大桥（包括南北引桥）全长27公里，是世界第一斜拉桥再过五年，苏通大桥、润扬大桥和南京第三大桥都将横跨长江之上南京长江二桥,南京长江第二大桥是一座钢箱梁斜拉桥，双塔高耸入云，主跨径为米，工程投资概算.亿元全桥由南汊桥、北汊桥、江中八卦洲公路及南、北岸引线“两桥三路”组成，全长公里。

南京长江大桥,赵洲桥,隋朝石工李春所修建成的赵州石拱桥，造型美观，至今安然无恙桥台砌置于密实的粗砂层上，一千三百多年来估计沉降量约几厘米现在验算其基底压力约500-600kpa，这与现代土力学理论给出的承载力值很接近基坑工程,挡土墙,挡土墙,,国内外著名土力学期刊,岩土工程学报 岩土力学 土木工程学报 岩石力学与工程学报 的杂志Geotechnical和Geoenviron-精神的工程 加拿大的Geotechnical杂志/讽刺滑稽剧 Geotehnique,土力学网上资源,的世界宽的网虚的库Geotechnical工程 什么地方到geo在WWW 中国建筑搜索引擎,第一章 土的物理性质,概述 土的组成 土的三相比例指标 无粘性土的密实度 粘性土的物理特征 土的分类标准 地基土的工程分类,第一节 概述,土的形成 土的物质成分 土的颗粒组成 土的三相,土的形成,我们把地球最外层的坚硬固体物质称为地壳，地壳厚度一般为30-60km，人类生存与活动范围仅限于地壳表层在漫长的地质年代中，由于内动力地质作用和外动力地质作用，地壳表层的岩石经历风化、剥蚀、搬运、沉积生成大小悬殊的颗粒，称之为土，在不同的自然环境中，由各种营力的地质作用生成了不同类型的土；而土历经压密固结、胶结硬化也可再生成岩石。

而现在所见到的土是近期地质历史--第四纪以来生成的尚未固结的松散物质第四纪沉积物,土粒粒组的划分,土的颗粒级配（筛分法）,对于粒径大于0.1mm的粗粒组可用筛分法测定试验时风干、分散土样通过一套孔径不同的标准筛，称出留在各个筛子上的土重，即可求得各个粒组的相对含量土的颗粒级配（比重计法）,对于粒径小于0.074mm的土，可用密度计法，土粒大小相当于在密度计中与实际土粒有相同沉降速度的理想圆球体的直径土的颗粒级配曲线,土粒级配的定量指标,不均匀系数Cu,曲率系数Cc,分别相当于小于某粒径土重累计百分含量为60、30、10对应的粒径d60、d30、d10,颗粒级配累计曲线的对比分析,土中水,结合水,强结合水,弱结合水,是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，或称吸附水结合水受土粒表面引力的控制而不服从静水力学规律是指紧靠土粒表面的结合水膜它的特征是没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力是紧靠强结合水的外围而形成的结合水，亦称薄膜水它仍然不能传递静水压力当土中含有较多的弱结合水时，土则有一定的可塑性土中水,自由水,自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水，它的性质与正常水一样，能传递静水压力。

冰点为0C，有溶解能力重力水,是存在于地下水位以下的透水层中的地下水，它是重力或水头压力作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用毛细水,是存在于地下水位以上，受到水与空气交界处表面张力的作用的自由水土中气,土中气体常与大气连通或以封闭气泡的形式存在于土中，前者在受到外力作用时，能很快从孔隙中被挤出，对土的性质影响不大；后者在外力作用时，气泡可被压缩或溶解于水中，当外力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来，使土的压缩性增大土的三相比例,,,,土粒,水,气,,,,,,,,,,,,,,,,,,水w 卷V 固体s 空气a 材料m Void--v,土的指标定义,土粒比重 土粒质量与同体积的 时纯水的质量之比.,土的含水量 土中含水的质量与土粒质量之比,以百分数计.,土的指标定义,土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为土的饱和密度土的密度,土单位体积的质量称为土的密度，g/cm3,土的干密度,,土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度饱和密度,土的指标定义,土的浮密度,土的饱和度,土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，称为土的饱和度土的指标定义,土的孔隙比,土的孔隙率,土的孔隙比是土中孔隙体积与土体积之比,土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数计。

指标换算,,,,土粒,水,气,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,令：对=1, 则 VV=e,V=1+e,指标换算,进而可以导出：,,,,,指标换算,,,,三相指标换算例题,某一原状土样，经试验测得的基本指标值如下：密度 ，含水量 ，土粒比重 试求孔隙比e 、孔隙率n 、饱和度Sr、干密度坐下以及有效密度 无粘性土的密实度,问题是如何确定最大孔隙比和最小孔隙比的试验方法其次相对密度度的意义如何？孔隙比研究密实度存在的问题emax 无粘性土的最大孔隙比是最疏松状态的孔隙比emin 无粘性土的最小孔隙比是最紧密状态的孔隙比相对密实度,无粘性的密实度,密实的 中密的 松散的,根据Dr值可把砂土的密实度状态划分为下列三种：,砂类土密实度的划分,粘性土的物理特征,同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态，其界限含水量分别为缩限、塑限和液限 所谓可塑状态就是当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状，土的这种性能叫做可塑性 粘性土由一种状态转到另一种状态的界限含水量，称为阿太堡界限含水量。

界限含水量,土由半固态不断蒸发水分，体积继续逐渐缩小，直到体积不再收缩时，对应的界限含水量叫缩限，用符号wS表示液限,塑限,缩限,土由可塑状态转到流动状态的界限含水量，称为液限，用符号wL表示土由半固态转到可塑状态的界限含水量，称为塑限，用符号wP表示塑限试验,“搓条法”测定用双手将天然湿度的土样搓成小圆球(球径小于10mm)，放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓成小土条，若土条搓到直径为3mm时恰好开始断裂，这时断裂土条的含水量就量塑限搓成的土条,液限试验,锥式液限仪来测定粘性土的液限将调成均匀的浓湖状试样装满土杯，刮平杯口表面，将76g重的圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自作用下沉入试样，若圆锥体经5s恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限值塑性指数和液性指数,塑性指数,指液限和塑限的差值（省去），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用Ip表示液性指数,是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用符号IL表示土的分类原则,简明的原则 既要能综合反映土的主要工程性质，又要其测定方法简单，且使用方便； 工程特性差异的原则 分类指标要一定程度上反映不同类工程用土的不同特性建筑地基土的分类,国标建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）和岩土工程勘察规范（GB50021）分类体系的主要特点是：在考虑划分标准时，注重土的天然结构特性和强度，并始终与土的主要工程特性变形与强度特征紧密联系。

因此首先考虑了按沉积年代和地质成因的划分，同时将某些特殊条件和特殊工程性质的区域性特殊土与普通土区别开来碎石土的分类,碎石土,为粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50的土砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的土称为砂土砂土,粉土的分类,粉土介于砂土与粘性之间，塑性指数Ip10，粒径大于0.075的颗粒含量不超过全重50的土粘性土的分类,塑性指数大于10 土称为粘性土第二章 土的渗透性,渗流量问题如基坑开挖或施工围堰时渗水量问题等； 渗透破坏问题边坡破坏、地面隆起、堤坝失稳等现象； 渗流控制研究工程措施进行渗流控制；,渗流示意图,,,,,,,,,,,,基坑,板桩,不透水层,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,达西定律,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,土样,,,,,,,碎石,测压管,溢水管,,,达西渗透试验装置,达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，单位时间内渗出水量与水力梯度和圆筒断面积A成正比，且与土的透水性质有关：,,达西定律,,写成等式：,,式中：q单位渗水量，cm3/s， 断面平均渗透速度，厘米/s，i水力梯度，k反映土的透水性的比例系数，厘米/s,达西定律表明在层流状态的渗流中，渗透速度与水力梯度的一次方成正比。

达西定律,,,,,,,,,,,,,,,,,,,砂土,砾石,密实粘土,起始水力梯度,渗透试验,常水头试验,,,,,,,,,,,,,,,,,,,土样,渗透试验,变水头试验,,,,,,,,,,,,,,,,,土样,,,,,,,,,,,现场测定渗透系数,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,现场测定渗透系数,现围绕井轴取一过水断面，该断面距井中心距离为r，水面高度为h，则过水断面面积A为：,该处水力梯度,根据达西定律,积分得：,渗透系数,影响土的渗透系数的主要因素,土粒粒度成分 土的密实度 土的饱和度 土的结构 水的温度 土的构造,成层土的等效渗透系数,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,压力水头线,,,,与层面平行的渗流情况,根据达西定律,因为,垂直与层面的渗流,,,,,,,,,,,,,,,,,,压力水头线,,,,,,,,根据水流连续原理,对任一土层来说,对整个土层来说,二维渗流方程,,,,,,,,单位时间内流入这个微单元体的水量为：,单位时间内流出这个微单元体的水量为：,根据水流不可压缩及连续原理,,二维渗流方程,根据达西定律,若各向同性,Laplace相等,流网特征,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,不透水层,,,,,流线：表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。

等势线：是渗流场中势能或水头。