土力学土力学绪论
高等土力学笔记
第一章绪论一、土力学的研究对象土土体土：天然的地质材料。
岩石：经过风化、搬运/迁移、沉积变成了土。
土是第四纪沉积物，由岩石碎块、矿物颗粒、粘土矿物组成的松散集合体。
土的基本性质：非均质，不连续，各相异性，抗拉强度低，（tension weak）松散性，孔隙性，多相性，在渗流压力下的破碎性，力学压缩性，渗透性。
土力学的研究内容：1、土的工程特性。
2、土工建筑物的变形固结和稳定性。
学科特点：综合性强、经验性强、地区性强（区域土、特殊土）。
土质学是从地质学的角度出发研究土的组成成分、成因、变形机理、强度及其相互关系，并以求能进一步改善土质。
土力学是从工程力学的角度，通过实验来建立物理方程和分析工程特性，即，由控制方程得到土体的应力分布、变形及稳定性。
土力学发展简史沈珠江先生指出现代土力学应该由一个模型、三个理论和四个分支组成，一个模型是指土的本构模型；三个理论是指非饱和土固结理论、液化破坏理论和逐渐破坏理论；四个分支是指理论土力学、计算土力学、试验土力学和应用土力学。
液化破坏理论：动态液化、静态液化、稳定状态稳态强度。
二、土的变形与强度特性1、一般连续介质材料的变形特征（1）、弹性线性弹性、非线性弹性，所谓弹性就是说卸载后没有残余变形，加卸载都是同一路径即沿原曲线回到原点。
弹性的特点：①、加卸载同径，无残余变形 ②、应力应变一一对应③、线弹性时叠加原理成立 ④、与应力路径及应力历史无关σ=E ε；τ=G τ；γ=E/2(1+μ)。
σij p (平面应力) εV (体积应变) εijq (广义剪应力)γ(剪切应变)由上图知：对于弹性材料，剪应力与体积应变无关，而正应力与剪切应变也无关；即平面应力p 于广义剪应变γ无关，广义剪应力q 与体积应变εV 无关。
三向应力状态下的广义胡克定律为：εX = ［σX — γ ( σY +σZ )］/E γxy = τXY /G 体积变形模量（Bulk Modulus ）：m v vpK σεε==, 3m v m K K σεε==。
土力学与基础工程复习重点
土力学与基础工程复习重点第一章绪论（1）地基:支承基础的土体或岩体。
（2）天然地基：未经人工处理就可以满足设计要求的地基。
（3）人工地基:若地基软弱、承载力不能满足设计要求，则需对地基进行加固处理。
（4）基础：将结构承受的各重作用传递到地基上的结构组成部分。
第二章土的性质及工程分类（1）土体的三相体系：土体一般由固相(固体颗粒）、液相（土中水）和气相(气体）三部分组成。
（2）粒度:土粒的大小。
（3）界限粒径：划分粒组的分界尺寸。
（4）颗粒级配:土中所含各粒组的相对量,以土粒总重的百分数表示。
（5）土的颗粒级配曲线.（6）土中的水和气（p9)（7）工程中常用不均匀系数和曲率系数来反映土颗粒级配的不均匀程度。
不均匀系数反映了大小不同粒组的分布情况，曲率系数描述了级配曲线分布整体形态。
工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断：1.对于级配连续的土：,级配良好：,级配良好。
2.对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状(见图2。
5曲线C）,采用单一指标难以全面有效地判断土的级配好坏，同时需满足和两个条件时，才为级配良好，反之则级配不良。
颗粒分析实验：确定土中各个粒组相对含量的方法称为土的颗粒分析实验。
对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可用筛分法。
对于粒径小于0。
075mm的细粒土，则可用沉降分析法（水分法）。
（7）土的物理性质指标三个基本实验指标1.土的天然密度土单位体积的质量称为土的密度（单位为)，即。
(2。
10）2.土的含水量土中的水的质量与土粒质量之比(用百分数表示）称为土的含水量,即。
（2.11)3.土粒相对密度土的固体颗粒质量与同体积4时纯水的质量之比，称为土粒相对密度，即（2.12）反映土单位体积质量（或重力)的指标1.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，并以表示:。
（2.13）2.土的饱和密度土孔隙中充满水的单位体积质量，称为土的饱和密度，即, （2。
14）式中为水的密度,近似取3.土的有效密度（或浮密度）在地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后，即为单位土体积中土粒的有效质量，称为土的有效密度，即。
土力学
土质土力学讲义
2011 年 10 月
绪论 一、土力学学科的重要性 土是地壳岩石经受强烈风化的产物， 是各种矿物颗粒的集合体， 由固体颗粒、 水、和空气三相组成。 土力学学科研究和解决工程中两大类问题：
⎧土体稳定问题 ⎨ ⎩土体变形问题
【工程实例】 二、本课程的主要特点、内容及学习建议
第一章土的物质组成和结构
ρd = ms V ρ sat = m s + Vv ρ ω V
Sr =
Vω × 100% Vv
， （kg/m³） 。
干密度——单位体积中土粒的质量： ， （kg/m³） 。 γ 干重度——单位体积中土粒的重量： d =ρdg， （kN/m³） 。 有效重度（浮重度）
γ′= m s g − Vs γ ω V
⎧ 筛分法— — d ≥ 0.075 mm ⎨ 比重计法— — d ≺ 0.075mm ⎩
试验成果——颗粒级配曲线 【课堂讨论】为什么土的级配曲线用半对数坐标？ ⑶ 级配曲线的特点： 半对数坐标
⎧ 纵坐标－小于某粒径的土质量含量（％） ⎨ 横坐标－对数坐标－土粒粒径（mm ） ⎩
土力学与地基基础总结
土力学与地基基础总结土力学与地基基础总结土力学与地基基础总结一第1章绪论1、基本概念土力学：是用力学的观点研究土各种性能一门科学地基：直接承受建筑物荷载的那一部分土层基础：将上部结构的荷载传递到地基中的结构的一部分，通常称为下部结构持力层：直接与基础地面接触的土层下卧层：地基内持力层下面的土层软弱下卧层：地基承载力低于持力层的下卧层天然地基：未经人工处理就可满足设计要求的地基人工地基：地层承载力不能满足设计要求，需进行加固处理的地基基础埋深：从设计地面（一般从室外地面）到基础底面的垂直距离浅基础：埋深小于5m,只需挖槽、排水等普通施工程序即可建造的基础深基础：借助于特殊施工方法建造的基础。
如桩基、墩基、沉井和地下连续墙2、地基与基础设计的基本条件（1）作用于地基上的荷载效应不得超过地基容许承载力值。
（2）基础沉降不得超过地基变形容许值。
（3）具有足够防止失稳破坏的安全储备。
第2章土的物理性质和工程分类1、土的结构：（1）单粒结构；（2）蜂窝结构；（3）絮状结构2、土的构造（1）层状构造；（2）分散构造；（3）裂隙构造（4）结核状构造3、土的工程特性（1）压缩性高；（2）强度低；（3）透水性大4、土的颗粒级配（1）土的粒径： d60 —控制粒径d10 —有效粒径d30 —中值粒径（3）连续程度:Cc = d302 / (d60 ×d10 ) —曲率系数5、土的物理性质（1）土的物理性质指标1）土的密度、有效密度、饱和密度、干密度土的重度、有效重度、饱和重度、干重度2）土粒的比重3）土的饱和度4）土的含水量5）土的孔隙比和空隙率（2）无粘性土的密实度：Dremaxeemaxemin（3）粘性土的物理性质：（4）液性指数和塑性指数IpLpILpLp（5）粘性土的灵敏度（6）粘性土的触变性饱和粘性土受到扰动后，结构产生破坏，土的强度降低。
当扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐恢复的现象，称为触变性。
土力学—绪论
绪 论
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上部结构、基础和地基三者之间的关系
土 力 学
• 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。 • 一般建筑物由上部结构 （Superstructure）和基础两部 期地质营力作用风化后覆盖在地 表上的没有胶结或胶结很弱的碎散矿物颗粒集合体。 • 土具有成层性。物质组成、物理化学状态基本一致， 工程性质大体相仿的同一层土称为土层。
力• 学
由若干厚度不等、性质各异、以一定上下层序组合在 一起的土层集合体称为土体。
• 土的基本特性：松散性、孔隙性、多相性及自然变异 性 • 土力学研究对象：与工程建设有关的土
绪 论
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三、土力学发展简史与趋势
土 力 学
• 十八世纪中叶以前的很长一个时期，土力学停留在经 验积累的感性认识阶段 • 至本世纪二十年代，理论提高阶段 • 1925年美国的K.Terzaghi发表了第一部《土力学》专著， 形成独立学科的阶段
绪 论
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土力学的发展趋势
绪 论
土 力 学
一、土力学的研究对象
• 土力学（Soil mechanics）是研究土的碎散特性 及其受力后的应力、应变、强度、稳定和渗透 等规律的一门学科。 • 它以力学和工程地质学的知识为基础，研究与 工程建筑有关的土的变形和强度特性，并据此 计算土体的固结与稳定，为各项专门工程服务。
绪 论
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绪 论
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加拿大特郎斯康谷仓地基破坏事故
土 力 学
谷仓地基破坏原因： • 事后进行勘查分析，发现基 底之下为厚十余米的淤泥质 软粘土层。 • 地基的极限承载力为251kPa， 而谷仓的基底压力已超过 300kPa，从而造成地基的整 体滑动破坏。 • 基础底面以下一部分土体滑 动，向侧面挤出，使东端地 面隆起。
绪论土、土力学、地基及基础的概念
压力理论，这对后来土体强度理论的发展起了很大的促进作用。
瑞典费兰纽斯(Fellenius，1922)为解决铁路坍方提出了土坡稳
定分析法。
通过许多研究者的不懈努力、经验积累，到1925 年，美国太沙基(Terzaghi)在归纳发展以往成就的基 础上，发表了第一本《土力学》(Erdbaumechanik) 专著，1929年又与其他作者一起发表了《工程地质 学》(lngenieurgeologie)。从此土力学与基础工程 就作为独立的学科而取得不断的进展。从1936年至 今，召开了多届“国际土力学与基础工程学术会议。 许多国家和地区也都开展了类似的活动，交流和总结 本学科新的研究成果和实践经验，并定期出版土力学 与基础工程的杂志刊物，这些对本学科的发展都起到 了推动作用。
虎丘塔地质剖面图
渗透破坏－ Teton坝
损失： 直接8000万美元，起 诉5500起，2.5亿美元， 死14人，受灾2.5万人， 60万亩土地，32公里 铁路
概况： 土坝，高90m，长1000m，建于 1972-75年，1976年6月失事
原因： 渗透破坏－水力劈裂
碰头的筒仓
这两个筒仓是 农场用来储存饲料 的，建于加拿大红 河谷的Agassiz （ 阿加西）粘土层上 ，由于两筒之间的 距离过近，在地基 中产生的应力发生 叠加，使得两筒之 间地基土层的应力 水平较高，从而导 致内侧沉降大于外 侧沉降，仓筒向内 倾斜。
2、学习本课程的任务
学习土力学的基本原理和主要概念，运用这些 原理和概念并结合建筑结构设计方法和施工知识， 会分析和计算地基基础问题。
3、方法 理论实践相结合，因为这门课是实践性很强的学 科，仅仅有书本上知识还是远远不够的，必须在实 践锻炼中才能真正提高。 三、本学科的发展概况 国内早期：
土质学与土力学_绪论
剥蚀
搬运
沉积
土的主要特征： • 分散性：土是由固体颗粒及孔隙组成的分散体系，土粒间 无联结或有微弱的联结。 • 复杂性：土的性质与成因有关，各地的异差较大，其性质 极易受外界环境的变化（如温度、含水量等）的影响。 • 易变性：土的强度低，易变形。 由此产生： • 渗透性：水可在土的孔隙中流动。 • 压缩性：孔隙中水和气在受外力时可排出，孔隙体积减小。 • 抗剪性：孔隙中土粒的错位主要发生在联结处。
土质学理性质及工程分类 粘性土的物理化学性质 土中水的运动规律 土中应力计算 土的压缩及沉降计算 土的抗剪强度理论 挡土墙土压力计算 土坡稳定分析 地基承载力
土的动力特性
土的勘察及勘察报告
一、土质学及土力学的研究对象
土质学及土力学是一门研究土的细微观结构特性及其在 工程建筑荷载作用下的应力、变形、强度、渗流及长期稳定 性问题。 在工程建设中土作为不同的研究对象： •地基 •建筑材料 •介质（实际上是结构和荷载） 土是岩石风化后的松散沉积物，是具有土粒骨架孔隙特 性的松散介质。 土的形成： 岩石风化
随着生产力的提高和现代科学技术的不断发展，各学科 之间相互渗透、交叉、融合已成为现代科学技术发展的趋势。 本来土质学与土力学就密不可分，土质学从细微观研究土的 性质，土力学从宏观研究土的工程力学特性，所以本着微观 解释宏观，宏观指导微观的观点，我们的土质学与土力学才 能显示强大的生命力。同时该学科也还应该广泛的吸收现代 数学、测试技术等学科的先进成果，不断地充实强大该学科 的研究能力和范围，为国民经济建设服务。 另外，在基础工程和土力学也是密不可分，研究基础工 程，必涉及到大量的土力学问题，所以它们是一对孪生姐妹， 讲土力学必联系到基础工程，讲基础工程时，必用到土力学， 所以要学好土力学，必须参照基础工程的相关内容。
第一章土力学 绪论
The Father of Soil Mechanics
Karl von Terzaghi (1923-1963 )
' u
Terzaghi, a geologist. He won the Norman Medal of ASCE four times. He was given nine honorary doctorate degrees from universities in eight different countries.He started modern soil mechanics with his theories of consolidation, lateral earth pressures, bearing capacity, and stability.
A. W. Skempton
u B3 A(1 3)
A.W. Skempton was a well-respected and accomplished professor at Imperial College in the University of London
Henry Philibert Gaspard Darcy (1803-1858)
❖土的物理性质和工程分类 ❖土的渗透性和渗流 ❖土体中的应力计算 ❖土的压缩性和地基沉降计算 ❖土的抗剪强度 ❖土压力 ❖土坡稳定分析 ❖地基承载力
土力学发展史
本学科理论基础的发端，始于18世 纪兴起厂工业革命的欧洲。那时。随着资 本主义工业化的发展，工场手工业转变为 近代大工业，建筑的规模扩大了。为了满 足向国内外扩张市场的需要，陆上交通进 入了所谓“铁路时代”。因此，最初有关 土力学的个别理论多与解决铁路路基问题 有关。
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结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构 连续固体 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
土力学与其他学科的比较
连续介质力学 的基本知识
描述碎散体 特性的理论
实验规律及工 程实践经验
土力学
研究土的渗透、变形和强度特性以及 与此有关的工程问题
课程绪论：土力学及其特点
什么是土？ 土及土力学有哪些特点？ 为什么要学习土力学？ 土力学包括哪些内容？ 如何学好土力学？
土，地之生万物者也。‘二’象地之 上，地之中；‘|’物出形也。
- 《说文解字》 土字包括：地上植物部分、表土层、 植物地下部分和底土层四个层次。 土地系指由地形、水文、局地气候、 岩石圈的上层、土壤和生物有机体等 相互作用组成的自然地域综合体，是 地球表层历史发展的产物。
一般固体：
可保持固定的形状
液体：
不具有特定的形状
土体（散粒体）：
具有一定但不固 定的形状
土体的特点
• 碎散性 岩石风化或破
碎的产物，是 非连续体
• 受力以后易变形，强度低 • 体积变化主要是孔隙变化 • 剪切变形主要由颗粒相对
位移引起
• 三相性 固相-土骨架
液相-水
气相-空气
• 受力后由土骨架、孔隙 介质共同承担
1925 Terzaghi ：出版《土力学》
典
土力学成为一门独立学科的标志
时
1936 第一届国际土力学及基础工程会议
期
1960’s后 现代土力学
现
代
土力学发展的历史
是公认的土力学之父（1883－1963） 国际土力学与地基基础学会从第一 届（1936）到第三届的主席（1957） 两部经典名著：《理论土力学》、 《工程实用土力学》
东端上抬1.52m • 上部钢混筒仓完好无损
加拿大特朗斯康谷仓
-0.61
1952.10.3 试验孔
-12.34
填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土
2653
失事后 1913.10.18
1952.10.5 试验孔 -4.27 -13.72
原因：谷仓的地基承载力 按邻近结构物基槽开挖取 土试验结果计算。1952年 经勘察试验与计算，地基 实际承载力远小于谷仓破 坏时发生的基底压力。因 此谷仓地基因超载发生强 度破坏而滑动。
阪神大地震中的地基液化
地基液化造成的路面塌陷
阪神大地震中地基液化
1964年日本新泻地震地基的 大面积液化
- 管仲
土壤在自然界的位置
土壤带
腐殖质层 淀积层 母质层
土壤有非常复杂的形成过程，并具有独特
的层状构造。土壤剖面一般包含枯枝落叶
层、腐殖质层、淀积层和母质层四个基本
层次。
传统岩土工程的范畴
风化、搬运、沉积
地质大循环：岩石
土壤
地质成岩作用
生物小循环： 生物活动所造成的土壤 有机质的循环
土壤的剖面和形成
风蚀蘑菇 高山下的冲积锥群
岩石因物理 风化作用破 碎，在重力 作用下堆积 到山脚
黄河冲积三角洲
土的形成过程
地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用 而形成的、覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结 很弱的颗粒堆积物。
砾石料 卵 石
砂
（人工破碎）
粘土
工程与土力学中的土
课程绪论：土力学及其特点
什么是土？ ✓ 土及土力学有哪些特点？ 为什么要学习土力学？ 土力学包括哪些内容？ 如何学好土力学？
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，才把仓体逐渐纠正过来， 但其位置比原来降低了４米。
加拿大特朗斯康谷仓
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。
土力学发展的历史
课程绪论：土力学及其特点
什么是土？ ✓ 土及土力学有哪些特点？✓ 为什么要学习土力学？ 土力学包括哪些内容？ 如何学好土力学？
土是工程中应用最广泛的建筑材料。由土层所 构成的广袤大地
是工程建设的基地 是建筑物的地基 是地下建筑的环境 为土工构筑物提供填筑材料 因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损 失巨大的事故。
• 相间存在复杂的相互作用 • 孔隙流体流动
• 天然性 自然界的产物， • 非均匀性
存在自然变异性 • 各向异性 • 时空变异性
土体的特点
• 碎散性 • 三相性 • 天然性
• 渗透特性 • 变形特性 • 强度特性
物理力学 特性复杂
土体的特点
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）
土力学的特点
1773 Coulomb（后Mohr发展）：摩尔-库仑强度
理论
有关土力学的第一个理论
1776 Coulomb：库仑土压力理论 1856 Darcy：达西渗流 定律
萌 芽 时
1857 Rankine ：朗肯土压力理论
期
1920 Prandtl：普朗特极限承载力公式
1921-1923 Terzaghi：有效应力原理及固结理论 古
土力学的重要性
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。1913年完工，自重2万T。
事故：
1913年9月开始装谷物， 至10月17日共装入3万多Ｔ 谷物，但此时发生破坏： • 1小时竖向沉降达30.5cm • 24小时倾斜26°53ˊ • 西端下沉7.32m
土的一般概念
生物圈
大气圈
土壤圈
风化物
地下水 水圈
岩石圈
土壤是岩石圈、大气圈、水 圈和生物圈综合作用形成的 产物。其上界通常是绿色植 物层顶，下界达植物根分布 层。其垂直范围，恰好是岩 石圈的上层、大气圈的下层、 水圈及生物圈相互接触的地 方，是生物生命及人类生产 活动最集中的地方。
“地者，万物之本原，诸生 之根苑也”
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。
香港宝城滑坡
Байду номын сангаас
香 港 宝 城 滑 坡 现 场
Early 1972 滑坡前 July 1972 滑坡后
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
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