两相介质动力反应计算分析的时域显式有限元方法.ppt

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1、,土质学与土力学,北京工业大学 建筑工程学院,2009-2010学年第一学期,Company Logo,任 课 教 师 简 介,土质学与土力学,李 亮 建筑工程学院岩土与地下工程研究所副研究员 主要研究方向：土动力学理论与数值计算方法 办公地点：建工学院2-410室 联系方式：67396357-603,Company Logo,本课程的教学安排,土质学与土力学,总学时：40学时（2.5学分）课堂理论教学：34学时 实验教学：6学时（3次室内实验课）,Company Logo,教材与参考书目,土质学与土力学,教材：高大钊，袁聚云主编.土质学与土力学（第三版）.人民交通出版社，2001年参考书目：

2、1.赵明华主编.土力学与基础工程（第2版）.武汉理工大学出版社，2003年 2.赵成刚，白冰，王运霞主编.土力学原理.清华大学出版社，北京交通大学出版社，2004年,Company Logo,本课程最终成绩的评定方式,土质学与土力学,总成绩：期末考试：70%平时成绩（作业）：20%实验成绩：10%,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,学习土质学与土力学课程的目的和意义土质学与土力学的研究对象及主要内容土质学与土力学的发展简史与代表人物典型的工程案例分析土质学与土力学的发展方向学习本课程的方法及注意的问题,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,学习土质学与土力学课程的目

3、的和意义,Company Logo,学习土质学与土力学的目的和意义,绪 论,土质学与土力学知识与人类的生产活动及工程实践具有非常密切的联系。在人类文明发展的早期，已开始掌握并应用一定的土力学知识，发展了地基基础工程的工艺。如：西安半坡新石器时代遗址（距今六七千年）已发现有土台和石础。距今三四千年的夏商宫殿的夯土台基和柱础。,Company Logo,学习土质学与土力学的目的和意义,绪 论,人类文明的重要载体与表现形式之一，土木建筑工程。如：举世闻名的万里长城、京杭大运河，秦直道（中国最早的军事高速公路），雄伟壮丽的宫殿与寺庙、佛塔等。这些工程之所以能绵延万里，流传千年，成为亘古奇观，必须处理好

4、有关的岩土工程问题。而对岩土工程问题的处理和解决，离不开对土质学和土力学知识的掌握和运用。,Company Logo,学习土质学与土力学的目的和意义,绪 论,土质学与土力学知识与人类的生产活动及工程实践具有非常密切的联系。土质学与土力学知识是各类土木工程结构正常施工的前提和安全使用的保证。各类土木工程结构的主体结构施工之前，必须进行必要的地基处理和基础结构的施工。许多工程事故的发生都与地基和基础的失效与破坏有关。强度破坏 变形破坏 渗流引起的破坏（流砂和管涌）,Company Logo,学习土质学与土力学的目的和意义,绪 论,安全与正常使用是土木工程中的两大主题，也是土质学与土力学应该面对和处

5、理的两大主题。学习土质学与土力学的目的是为土工结构物的设计与施工提供土的工程性质指标与评价方法，为土的各种工程问题提供分析和计算的原理和方法。,地基与基础、土石坝、地下结构、隧道、路基、岸坡、挡土结构等,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,土质学与土力学的研究对象及主要内容,Company Logo,土质学与土力学的研究对象,绪 论,土质学与土力学是将土作为建筑物的地基、材料或介质来研究的一门学科。土作为地基：结构工程土作为建筑材料：道路工程（路堤填料）土作为介质或环境：地下结构（地下车库，土中隧道等）介质（medium）：作为媒介的物质。,Company Logo,土质学与土力

6、学的研究内容,绪 论,土质学 从工程地质学的范畴里发展起来，从土的成因与成份出发，研究土的工程性质的本质与机理。对土在荷载、温度及湿度等因素作用下发生的变化作出数量上的评价，并根据土的强度、变形机理提出改良土质的有效途径。,研究土的各种工程性质的内在原因与产生机理及其评价方法,Company Logo,土质学与土力学的研究内容,绪 论,土力学 从工程力学范畴里发展起来，把土作为物理力学系统，根据土的应力应变强度关系提出力学计算模型，用数学和力学方法求解土在各种条件下的应力分布、变形以及土压力、地基承载力与土坡稳定等课题。同时根据土的实际情况评价各种力学计算方法的可靠性与适用条件。,用数学和力学

7、方法研究土的性质,Company Logo,土质学与土力学的研究内容,绪 论,土的工程性质土的强度问题土的变形问题土的稳定问题土中水的渗流问题,土 质 学,土 力 学,Company Logo,土质学与土力学的关系,绪 论,土的微观结构决定其宏观的物理力学性质。将土质学与土力学结合起来，将土的微观与亚微观结构的研究与土的应力应变强度关系的研究结合起来，将土的变形、强度机理和土的工程性质指标结合起来，进一步说明土的各种力学现象的本质。,Company Logo,课 程 内 容,绪 论,绪 论第一章 土的物理性质及工程分类第二章 粘性土的物理化学性质第三章 土中水的运动规律第四章 土中应力计算第五

8、章 土的压缩性与地基沉降计算第六章 土的抗剪强度第七章 土压力计算第八章 土坡稳定分析第九章 地基承载力第十章 土的动力性质和压实性,Company Logo,各部分内容之间的相互关系,绪 论,强度特性变形特性渗透特性,物理化学性质,土中应力计算,土压力地基承载力,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,土质学与土力学的发展简史与代表人物,Company Logo,土质学与土力学的发展简史早期,绪 论,土质学 土质学和粘性土的工程性质系统地论述了土质学的基本原理。土力学1773年 MohrCoulomb强度理论（土力学的第一个理论）1776年 Coulomb土压力理论（滑动土楔平衡条

9、件）1857年 Rankine土压力理论（土体极限平衡条件）1856年 Darcy 土体中水的渗透理论,Company Logo,绪 论,1885年 Boussinesq 均匀各向同性的半无限体当表面作用竖向集中力时的位移和应力分布理论（Boussinesq解）1892 Flamant 均匀各向同性的半无限体当表面作用竖向线荷载时的位移和应力分布理论（Flamant解）,土质学与土力学的发展简史早期,Company Logo,绪 论,土质学黄文熙 土的工程性质Mitchell Fundamentals of Soil Behavior俞调梅 土质学及土力学土力学Prandtl 极限承载力公式T

10、erzaghi、Meyerhof、Vesic和Hansen 地基极限承载力公式,土质学与土力学的发展简史近代,Company Logo,绪 论,Fellenius 土坡稳定性分析的瑞典圆弧法Terzaghi 饱和土的有效应力原理和一维固结理论 Biot 饱和土变形和渗透耦合理论 Terzaghi在1925年出版的土力学一书是国际上第一本土力学专著，该书的出版是土力学形成一门独立学科的标志。,土质学与土力学的发展简史近代,Company Logo,绪 论,土质学与土力学发展史上的代表人物,Coulomb（1736-1806）法国力学家、物理学家主要贡献：Coulomb土压力理论砂土的强度公式,C

11、ompany Logo,绪 论,Rankine（1820-1872）英国工程师主要贡献：挡土墙理论（土对挡土墙的压力和挡土墙的稳定性问题）,土质学与土力学发展史上的代表人物,Company Logo,绪 论,土质学与土力学发展史上的代表人物,Terzaghi（1883-1963）公认的土力学之父主要贡献：土的固结理论有效应力原理理论土力学和工程实用土力学,Company Logo,绪 论,土质学与土力学发展史上的代表人物,Casagrande（1902-1981）美籍奥地利科学家主要贡献：土的分类方法土的剪切强度砂土液化问题,Company Logo,绪 论,土质学与土力学发展史上的代表人物,

12、黄文熙（1909-2000）清华大学教授中国科学院院士主要贡献：地基沉降与地基中应力分布的计算方法砂土液化机理清华弹塑性模型,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,典型的工程案例分析,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,赵州桥,Company Logo,绪 论,赵州桥赵州桥又名安济桥，位于今河北省赵县境内的洨河上，修建于隋朝大业（公元605-618）年间。桥长64.40m，跨径37.02m，是当今世界上跨径最大、建造年代最早的单孔敞肩型石拱桥。赵州桥选址合理，使用天然桥基，把桥台建筑在河床密实的粗砂层上，桥基坚实稳固。桥址处的天然地基完全能够承受桥的载荷。现代测量

13、结果表明，自建桥至今近1400年，两边桥基下沉的水平差只有5厘米。,典型的工程案例分析,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,夯 土 长 城,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,统 万 城,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,比萨斜塔 由于地基不均匀沉降造成建筑物发生倾斜的典型实例。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,比萨斜塔概况1173年动工，1370年竣工。全塔共8层，高55m，全部用白色大理石砌成。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。修建过程中曾因塔身发生明显倾斜而两度停工，在1370年完工时，塔顶中心点已偏离垂直

14、中心线2.1m，其后倾斜度不断加剧。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,比萨斜塔纠偏工程 工程从1990年初开始，分三个阶段进行：第一阶段，在塔身第一层上端安装5道厚度为10至40厘米的不锈钢圈。第二阶段，将600吨铅锭挂压在塔基的北侧。,第三阶段，在塔基北侧地下打入10根长50m的钢柱，上端同固定在塔底部的钢环相连接。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,比萨斜塔纠偏工程 工程于2001年6月完工，共耗资500亿里拉（约合24万美元）。目前塔顶中心点偏离垂直中心线的距离为4.5m，和纠偏工程实施前相比减少43.8cm，可以确保它在300年内没有发生倒塌的

15、危险。,比萨斜塔于2001年12月重新向公众开放，成为世界闻名的建筑奇观。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,2003年6月比萨斜塔 照明仪式,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,苏州虎丘塔建成于北宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1000余年历史。全塔7层，高47.5m。平面呈八角形。青砖砌筑。1980年时，塔身已向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.31m。底层塔身出现不少裂缝。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,加拿大特朗斯康谷仓,由于荷载超过地基极限承载力，使地基发生整体滑动，导致建筑物丧失稳定性的典型实例。,Compa

16、ny Logo,绪 论,典型的工程案例分析,荷载过大超过地基极限承载力,地基产生滑动破坏,基础下埋藏有厚达16米的软粘土层,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,地基严重下沉造成地基严重下沉的原因多为高压缩性软弱土。地基下沉会造成室内外连接困难及交通不便，也会对内外网管道造成破坏。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,墨西哥艺术宫地基严重下沉的典型实例。1904年落成，至今已有100余年的历史。这座建筑严重下沉，沉降量达4m。临近的公路下沉量为2m，公路路面至艺术宫门前高差达2m。参观者需步行下9级台阶，才能进入艺术宫。,Company Logo,绪 论,典型

17、的工程案例分析,建筑物墙体开裂 地基持力层土质压缩性相差悬殊或不同类型基础的基底压力相差较大，引起地基不均匀沉降，导致建筑物墙体开裂。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,建筑物基础开裂 地基压缩性相差悬殊，导致基础底板断裂。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,地下水浸蚀引起地基塌陷,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,建筑物地基液化失效（日本新泻地震）,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,液化造成地基沉陷，房屋严重裂缝（唐山地震）,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,液化造成地基沉陷，房屋严重裂缝。（

18、唐山地震）,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,液化后汽车陷入土中（唐山地震）,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,地震液化引起的喷砂冒水现象（唐山地震）,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,喷砂冒水后的场地景象（唐山地震）,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,土坡滑动,断层所造成的边坡滑动使民宅横向移动达10m，垂直落差约6m。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,香港宝城路山体滑坡,1972年7月某日清晨，香港宝城路发生山体滑坡，两万立方米残积土从

19、山坡上下滑，巨大的滑动体正好冲过山下的宝城大厦，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。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,汶川地震山体滑坡,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,上海轨道交通4号线事故,2003年7月1日凌晨，上海轨道交通4号线越江通道联络隧道因大量泥砂涌入，引起隧道结构受损及周边地区地面沉降，造成3幢建筑物严重倾斜，防汛墙开裂、沉陷等险情。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,防汛墙断裂,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,武警战士在抢险,Company Logo,绪 论,

20、典型的工程案例分析,中山南路倒塌的楼房,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,拆下保存有重要资料的电脑芯片，撤离有危险的倾斜楼房,Company Logo,绪 论,事故的三大技术原因竖井与旁通道的开挖顺序错误冷冻设备因断电出现故障导致温度回升地下承压水导致喷砂,典型的工程案例分析,事故的发生是一个积累过程，非一两个小时之过。,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,北京东三环路面塌陷,2006年1月3日凌晨，北京东三环京广桥东南角辅路地下污水管线发生漏水事故，导致路面塌陷，现场形成一个宽5米左右、长20米左右的大坑。事故造成严重的交通拥堵。,Company Log

21、o,绪 论,典型的工程案例分析,杭州地铁工地地面塌陷事故,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,事故概况,2008年11月15日下午，杭州风情大道地铁施工工地发生大面积地面塌陷事故，造成21人死亡的惨剧。专家痛惜地指出：“这是中国地铁修建史上最大的事故”。,Company Logo,绪 论,事故原因客观原因：事故发生地段地下水位高，土层流动性强；事故发生地段一直作为交通主干道使用，来往车流密集，附加荷载大。主观原因：工程层层外包，缺乏质量监管；工程负责人缺乏专业敏感，对事故前兆置之不理；不顾科学规律，盲目赶工期。,典型的工程案例分析,Company Logo,绪 论,典型的工程

22、案例分析,九江长江大堤决口,1998年8月7日13:10大堤发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面发现两处进水口。又过了20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成宽约62m的溃口。,溃口原因：堤基管涌,Company Logo,绪 论,典型的工程案例分析,上午10:30,11:30,11:57,Teton坝渗流破坏,11:00,Company Logo,绪 论,溃坝原因：坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使大坝心墙齿槽土体发生管涌而最终导致溃坝。损失情况：2.5万人受灾，死亡14人，60万亩土地被淹，32公里铁路损毁。,典型的工程案例分析,Company L

23、ogo,绪 论,典型的工程案例分析,路基翻浆 多发生在我国北方地区。路基在冰冻春融期，因地下水位高，同时路基土排水不畅，造成路基含水量过高，强度下降，在行车荷载的反复作用下，路基出现软化、裂缝、冒泥浆等现象。,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,土质学与土力学的发展方向,Company Logo,绪 论,理论研究方面：新的设计计算理论（概率统计，神经网络，遗传算法等）；土的本构模型研究等试验研究方面：土工试验仪器的改进，新型室内试验与现场原位测试仪器（动三轴，离心机，振动台等）的研发数值计算方面：新的数值计算方法土质学与土力学的特殊研究领域：土动力学，海洋土力学，冻土力学等新材料

24、、新技术与新工艺：复合地基和复合土体等,土质学与土力学的发展方向,Company Logo,绪 论,土质学与土力学,学习土质学与土力学课程的方法及注意的问题,Company Logo,绪 论,土的工程性质的三个基本特征碎散性 土体由大小不同的颗粒组成，颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气；土是一种摩擦为主的集聚性材料。自然变异性或不均匀性 土的工程性质随空间与时间而变异。土体的性质在水平和竖直方向具有不均匀性，具有各向异性；土体的性质会随时间而发生变化。土是三相体 土是由固体颗粒、水和气三部分所组成的三相体系，其力学性质要比单一物质组成的单相固体要复杂得多。,土的工程性质的基本特征和特性,

25、Company Logo,绪 论,土的工程性质的两个基本特性土的不确定性（1）土的性质复杂。非线性，不均匀性，各向异性；影响因素复杂（结构，压力，时间，环境，应力路径等）（2）埋藏于地下，难以直接探测。土的易变性 与其他土木建筑材料（砖石、混凝土、钢材等）相比，土的工程性质会受各种因素（温度、湿度、地下水、荷载）的影响而发生变化，产生沉降、开裂、流滑、浸水失稳、徐变等各种现象。,土的工程性质的基本特征和特性,Company Logo,绪 论,闲 言 碎 语土质学与土力学是一门很“土”的科学。与其他有着严密理论基础的学科不同，土质学与土力学是一门半经验、半科学的学科。对于这门学科来说，丰富的工程

26、经验和良好的判断能力与基本理论同等重要。在学习和应用中要多探求和了解隐藏在公式后面的东西。,关于土质学和土力学的学习方法,多学习 多思考 多实践,Company Logo,土质学与土力学问题的处理方法,绪 论,基本理论,工程经验,+工程判断,问题的解答,Company Logo,绪 论,着重于搞清基本概念，掌握基本计算方法。（核心与关键）抓住课程的中心，建立各章之间的内在联系。在掌握基本原理的同时，还要注意它们的基本假定和适用条件。,学习土质学和土力学应注意的问题,土的工程性质、土的强度问题、变形问题稳定问题、土中水渗流问题,Company Logo,绪 论,地基与基础的概念,任何建筑物都建造

27、在一定的地层（土层或岩层）上。一般把直接承受建筑物影响的那一部分土层称为地基。基础是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（基础是连接上部结构与地基之间的过渡结构，起承上启下的作用）。,Company Logo,绪 论,地基与基础的概念,未经人工处理的地基称为天然地基。如果地基满足不了工程上的要求，需要对地基进行加固处理，处理后的地基称为人工地基。一般基础应埋入地下一定深度，以便进入较好的地层，使基础建筑在具有较高承载力的地基中。通常把埋置深度不大于3至5米的基础称为浅基础。若浅层土质不良，须把基础埋置于较深处的良好地层时（基础深度D大于基础宽度B），称为深基础。浅基础包括扩展基础、柱下条形基础、筏形基础、壳体基础等类型；深基础包括桩基础，墩台基础、沉井基础以及地下连续墙等类型。,