土力学

第1章绪论 人类的生活离不开水与空气，当然也离不开土。人们非常熟悉土，土滋养着万物生长，在生活中随处可见。肥沃的土地上、贫瘠的沙漠中、松软的海滩边，到处是土，连戈壁滩上的飞沙走石都是土。土是地球表面大块的岩石经过风化、搬运、沉积而形成的一种松散的堆积物，分布在地球的表面，与人类的生产、生活密切相关。 土可以作为建筑地基，也可以作为建筑物的周围环境介质（如隧道周围的土体），还可以作为建筑材料（如铁路、公路路基，工业与民用建筑物基坑、堤坝等的填料）。 与其他材料相比，土不是连续介质，而是由各种大小不同的颗粒集合而成的，是散粒体介质，具有松散性。颗粒间存在孔隙，孔隙间又有水与空气的存在。因此，土是由固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）组成的三相体系，区别于一般的建筑材料（木材、石块、水泥、混凝土、钢筋 ），主要具有以下几个特点。 （1）土的强度比较低且质地不均匀。 （2）土是多相体。土体的固相（土颗粒）、液相（水）和气相（空气）之间质量与体积的比例关系，特别是孔隙水的多少，对土的物理力学性质有很大影响。 （3）土具有透水性与隔水性。工程中常利用其良好的透水性或隔水性进行设计与施工。例如，透水性差的饱和软土或淤泥土地基常采用砂井及砂垫层加快地基的排水固结（图1-1）；工程中还常利用隔水性好的黏土作为防渗处理的材料。 图1-1地基的排水固结 （4）土的变形较大。由于土颗粒之间联结很弱甚至无联结，在荷载作用下土颗粒之间会发生相对位移，孔隙水、气逐渐排出使孔隙减小。因此，相对于一般材料，土的变形较大，是一种大变形材料。 （5）土的变形需要一定时间才能完成。尤其是对于一些饱和的软黏土，并不是在加荷瞬间土的变形就会全部完成，而是需要几天、几月、几年、十几年甚至更长的时间，原因就是水从土的孔隙中排出需要一定的时间。透水性越差，需要的时间就越长。 （6）土的变形包括弹性变形和不可恢复的塑性变形。因此，按照弹性理论很难完全解决土力学中的有关问题，需要利用弹塑性理论和塑性理论来解决。 土力学是利用力学原理和土工试验技术来研究土的应力、应变、强度、渗透和稳定性等特性及其随时间变化规律的学科，它来源于生产力的发展，与工程实践有密切的关系。土无论作为建筑物地基、建筑材料，还是作为建筑物的周围环境介质，均与土力学所研究的范畴有关。 土力学研究的问题比较复杂，主要源于土本身的复杂性，具体如下。 （1）土的形成时代不同，有早有晚。整个第四纪的250多万年，地球表面均有土的沉积。不同沉积时代的土，工程性质差别很大。 （2）土的生成环境不同。例如，干旱区形成的黄土、湿热区形成的红土、静水区形成的淤泥土，性质截然不同。 （3）不同土体中的矿物成分及土颗粒的大小、形状均不同；同一土体，其三相之间质量与体积的比例也可不同。 以上各方面的差异，导致土体的性质千差万别。即使是同一类土，处于不同的场地、不同的深度，其性质均会不同。土的具体工程性质需通过试验分析，这些试验称为“土工试验”，其操作必须按照相关的土工试验方法标准进行。实际工程中，几乎找不到性质完全相同的土，要掌握某种土的性质，必须通过土工试验对土的物理力学性质进行测试，才能确定其基本参数。因此，土工试验在土力学（岩土工程）中非常重要，必须重视。 1.1土力学的发展 土力学是一门古老而年轻的学科。所谓古老，是指在古代虽未形成土力学的理论体系，但人们早已有实践；所谓年轻，是指其真正成为一门独立的学科还未足百年。 在古代，人们已懂得将土作为建筑材料和建筑物的地基。在长期的生产实践中，人们不断地积累经验，修建了一个又一个的伟大工程，如我国的都江堰、万里长城、大运河、坎儿井，古埃及的金字塔，古罗马的阿皮亚古道等，无一不体现着当时人们的聪明才智与丰富的工程经验，但由于社会生产发展水平和技术条件的限制，发展较慢。直到18世纪中叶，人们对土工程性质的认识还停留在感性阶段。 18世纪中叶至20世纪初期，随着欧洲工业革命的发展，大型建筑物的兴建及相关学科的发展，人们开始从已得的感性认识来寻求对土工程性质的理性解释。许多学者开展了土力学问题的理论和试验研究，总结前人和自己的实践经验，取得了迄今仍然行之有效的重要研究成果，为土力学理论的逐步形成奠定了基础。1773年，法国的库仑（Coulomb）提出了土压力滑动楔体理论；随后，在试验的基础上，库仑于1776年又提出了砂土的抗剪强度公式。1856年，法国的达西（Darcy）在研究砂土中水的渗透特性的基础上提出了著名的达西定律。1857年，英国的朗肯（Rankine）分析半无限空间土体在自重作用下达到极限平衡状态时的应力条件，提出了另一著名的土压力理论，与库仑土压力理论一起构成了古典土压力理论。1885年，法国的布西内斯克（Boussinesq）提出了弹性半无限体上作用有竖向集中力时应力和变形的理论解，为地基承载力和地基变形的计算提供了理论依据。1900年，德国的莫尔（Mohr）提出了至今仍广泛应用的土的强度理论，发展了库仑强度理论。1920年，法国的普兰特尔（Prandtl）提出了地基极限承载力公式。1925年，美国学者太沙基（Terzaghi）将当时自己及前人已有的成果进行系统的整理，出版了专著 Erdbaume Chanik，成为土力学作为一个完整而独立的学科诞生的标志。他提出的饱和土体有效应力原理、单向渗透固结理论、地基承载力理论等一系列成果，把土力学推到了一个新的高度，因此太沙基被公认为是土力学的奠基人。 随后，世界各国学者从不同角度、不同侧面发展了这门学科。1927年，瑞典的费伦纽斯（Felenius）提出了土坡稳定分析方法，为处理滑坡奠定了基础。1931年，苏联学者格尔谢瓦诺夫（Gersevanov）出版了《土体动力学原理》。比奥（Biot）分别于1940年、1951年提出了静力、动力的固结理论。1954年，索科洛夫斯基（Sokolovski）发表了《松散介质静力学》，斯肯普顿（Skempton）发展了有效应力原理，毕肖普（Bishop）、简布（Janbu）推进了边坡稳定性分析理论。1963年，英国罗斯科（Roscoe）提出了剑桥本构模型，全面考虑了土的压硬性和剪胀性，并出版了《临界状态土力学》，标志着现代土力学的开始。 我国的很多学者在土力学领域也作出了许多重要的贡献。例如，黄文熙改进了地基应力与沉降计算方法；陈宗基将流变学基本概念引进土力学，提出了流变模型；钱家欢求解了黏弹性多孔介质的固结问题；谢定义对砂土液化及黄土结构性问题进行研究，提出了结构势理论，开辟了土体结构性定量研究的先河；沈珠江对有效应力动力分析方法进行了研究。众多学者的研究成果，都推动着土力学向更高层次不断发展。 随着计算机的广泛应用，一些复杂的岩土力学问题可以通过计算机进行数值求解，相应的计算软件也得到了迅速的发展，扩展了土力学研究的空间。 1.2与土有关的工程问题 前文已述及，土具有广泛的工程应用，可以是建筑物的地基、土工建筑材料，还可以作为建筑物的周围环境介质，因此，实际工程中存在大量与土有关的工程问题。 1．与土的强度有关的工程问题 加拿大特朗斯康谷仓的平面形状为矩形，长59.44m，宽23.47m，高31.00m，容积36368m3。谷仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，共由5排65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，厚61cm，基础埋深3.66m。谷仓自身质量为20000t，相当于装满谷物后满载总质量的42.5%。该谷仓于1911年开始施工，1913年秋完工。1913年9月谷仓开始装填谷物，10月17日装谷物达31822m3时，发现1h内垂直沉降达30.5cm，24h 后谷仓向西倾斜达26°53′，西端下沉7.32m，东端上升1.52m，表现为整体倾倒，如图1-2所示。 图1-2加拿大特朗斯康谷仓地基破坏 谷仓倾倒后，上部钢筋混凝土圆筒仓基本完好，仅有极少的表面裂缝，说明上部结构的设计是合理的。1952年，对其地基进行勘察试验发现，基础下埋藏有厚达16m的软黏土层，该地基的实际承载力仅为193.8～276.6kPa，远小于谷仓地基破坏时329.4kPa的基底压力，地基超载而发生强度破坏。其原因在于设计时未对谷仓地基承载力进行调查研究，而是借鉴了邻近建筑物地基352kPa的承载力。为恢复谷仓的使用功能，事后在谷仓下设置了70多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶及支撑系统，才将仓体逐渐纠正过来，但其高度比原来整体降低了4m。 2009年，上海市闵行区某在建的13层住宅楼整体倾倒（图1-3），也与土的强度问题密切相关。事后调查结果显示，楼房倾覆的主要原因是楼房北侧（靠近淀浦河一侧）在短期内堆土高达10m，堆载是土承载力的两倍多，而南侧正在开挖4.6m深的地下车库基坑，两侧压力差导致土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，昀终导致楼房倾倒。 图1-3上海市某住宅楼整体倾倒 2．与土的变形有关的工程问题 意大利著名的比萨斜塔始建于1173年8月，设计为直立结构。在1178年修建至第4层（高约19m）时，因发现塔身向东南方向倾斜而停工。为修正倾斜，1272年复工后，施工时曾企图通过调整承重柱的粗细和墙体的厚薄来改变塔身倾斜，但均未获成功。1278年建至第7层（高约48m）时，塔身转而向南倾斜，遂再次被迫停工。1360年再次复工，至1372年竣工。全塔共8层，高度为54.5m。比萨斜塔倾斜的原因在于：地基持力层为粉砂，其下为黏质粉土与淤泥质软黏土，地下水埋深约1m，土层的压缩模量较小，变形较大，在修建过程中便发生了明显的不均匀沉降。历史上，虽采取了挖环形基坑卸载、基坑防水处理、基础灌浆加固等措施，但塔身的倾斜并未停止。1990年1月，比萨斜塔被迫关闭。1991年，塔身向南倾斜昀大时，其顶部中心点偏离垂直中心线达5.5m以上，塔体倾斜5.5°，塔基昀大沉降量3m，南北两端沉降量差1.8m。1992年7月开始，对比萨斜塔采取了一系列的保护及纠偏措施，如钢圈加箍、钢缆反向斜拉塔身；在斜塔北侧利用铅锭反压，并使用斜钻对塔底软土进行定期抽取。斜塔逐渐回倾，塔顶中心点偏离垂直中心线的距离减少了43.8cm，对塔基进行加宽加厚处理后，逐步移除铅块反压荷载。2001年12月，比萨斜塔重新向公众开放，如图1-4所示。 图1-4比萨斜塔 日本关西国际机场位于日本大阪湾东南部的泉州海域离岸5公里的海面上，1994年正式通航，是世界**座完全填海造陆的人工岛机场。由于大阪湾海底存在厚层淤泥土，机场从建设之日起就一直处于不停的沉降中，至今仍未沉降稳定。有机构警告，若无法解决沉降问题，该机场可能将在21世纪中叶被淹没。 3．与土的渗透有关的工程问题 美国爱达荷州蒂顿（Teton）土坝的昀大坝高125.58m，坝顶长944.88m，坝顶高程1625.2m。该大坝于1972年2月开始动工兴建，1975年建成。1975年10月开始蓄水，1976年春季库水位迅速上升，6月5日库水位高程达1616.0m时发生溃坝事故，造成14人死亡，2.5万人受灾，60万亩（1亩≈666.67m2）农田被淹，32km铁路被毁；直接经济损失8000万美元，并发生诉讼5500多起，涉案金额2.5亿美元。1976年10月，蒂顿坝溃坝原因独立调查专家组认为水力劈裂造成的坝体管涌是此次失事的主要原因。在溃坝前2天，即1976年6月3日，在坝下游400～460m右岸高程1532.5～1534.7m处，发现有清水自岩石垂直裂隙流出；6月4日，右岸坝脚下游60m、高程1585.0m处发现有清水渗出；6月5日晨，该渗水点出现窄长湿沟。上午7:00，右侧坝趾高程1537.7m