土 力 学                                                                                                                           Soil Mechanics                                                           张孟喜 上海大学 土木工程系

绪 论 土力学是研究土体的物理性质及其在工程活动影响下的应力、变形、强度和稳定性的学科。它属于土木工程的一门基础学科。随着人口不断密集，人类活动的范围日益狭小，现代工程建设不得不向高（高层建筑）、深（地下工程）、远（高速公路）的方向发展。同时通过对不良场地土体的改善进行工程建设，可以充分地利用日益紧缺的土地资源。因此土力学在现代土木工程建设事业中发挥着举足轻重的作用。 　　与其它科学一样，土力学是人类在工程实践的成功与失败中，不断总结与积累经验而逐步发展起来的一门学科，目前已形成了系统的理论体系。我们首先通过一系列的工程实例 来认识一下学习该课程的意义和作用，回顾一下土力学的 发展历史，最后让我们了解一下该课程的主要内容 。                                 

Tower of Pisa （意大利比萨斜塔） 这是举世闻名的建筑物倾斜的典型实例。 该塔自1173年9月8日动工，至1178年在建至第4层中部，高度约29m时，因塔明显倾斜而停工。94年后，于1272年复工，经6年时间，建完第7层，高48m，再次停工中断82年。于1360年再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m。

塔身呈圆筒形，1~6层由优质大理石砌成，顶部7~8层采用砖和轻石料。 1590年伽利略在此塔做落体实验，创建了物理学上著名的落体定律。 斜塔成为世界上最珍贵的历史文物，吸引无数世界各地游客。全塔总重约145MN，基础底面平均压力约50kPa。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。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°，成为危险建筑。1990年1月4日被封闭。除加固塔身外，用压重法和取土法进行地基处理。目前已向游人开放。

Latitude: 43.7167 Longitude: 10.3833 Elevation of Piazza : About 6 ft, (2 m) First Construction Stop: 1178 (War with Firenze) Lean obvious: 1178 (3rd Story: 10.6m ) Level - Tower Straightens to North: 5 (About 110 meters) 2nd Construction Stop: 1185 (War with Firenze) Later Construction Stop: 1284 (War with Genoa, Major Sea Battle Defeat)

Transcona Grain Elevation （加拿大特朗斯康谷仓） 　　 该谷仓平面呈矩形，南北向长59.44m，东西向宽23.47m，高31.00m，容积36368立方米，容仓为圆筒仓，每排13个圆仓，5排共计65个圆筒仓。谷仓基础为钢筋混凝土筏板基础，厚度61cm，埋深3.66m。谷仓于1911年动工，1913年完工，空仓自重20000T，相当于装满谷物后满载总重量的42.5%。

1913年9月装谷物，10月17日当谷仓已装了31822 谷物时，发现1小时内竖向沉降达30 1913年9月装谷物，10月17日当谷仓已装了31822 谷物时，发现1小时内竖向沉降达30.5cm，结构物向西倾斜，并在24小时内谷仓倾斜，倾斜度离垂线达26°53ˊ，谷仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m，上部钢筋混凝土筒仓坚如磐石。 谷仓地基土事先未进行调查研究，据邻近结构物基槽开挖试验结果，计算地基承载力为352kPa，应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，谷仓地基实际承载力为（193.8-276.6）kPa，远小于谷仓破坏时发生的压力329.4kPa，因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。 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。

上海地铁４号线 2003.7.1 上海地铁４号线发生渗水事故突发。仅直接经济损失就达1.5亿元左右,地铁４号线旁通道，采用的是冻结加固暗挖法施工。１９９２年起，冻结法工艺被广泛应用于上海地下工程中。 事故造成黄浦江大堤部分坍塌，造成中山南路847号鸿宇大楼（8层）和裙房倾斜或倒塌。周边居民和单位的自来水、电力、通讯和煤气暂时中断。 上海的多条公交线路已因此改道、缩线。

香港宝城大厦土坡滑动 香港地区人口稠密，市区建筑密集。新建住宅只好建在山坡上。1972年7月，香港发生一次大滑坡，数万立方米残积土从山坡上下滑，巨大的冲击力正好通过一幢高层住宅--宝城大厦，顷刻之间，宝城大厦被冲毁倒塌。因楼间净距太小，宝城大厦倒塌时，砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。宝城大厦居住着金城银行等银行界人士，因大厦冲毁时为清晨7点钟，人们都还在睡梦中，当场死亡120人，这起重大伤亡事故引起了西方世界极大的震惊。

广州富力广场 2002年7月，广州中山8路富力广场基坑塌方现场照 该事故造成坑边道路塌方，煤气管道爆裂，造成周围800名居民紧急疏散，万佳百货受到严重威胁。

Tower of Huqiu in suzhou(苏州虎丘塔) 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），距今已有1036年悠久历史。全塔7层，高47.5m。塔的平面呈八角形，由外壁、回廊与塔心三部分组成。塔身全部青砖砌筑， 　 80年代，塔身已向东北方向严重倾斜，不仅塔顶离中心线已达2.31m，而且底层塔身发生不少裂缝，东北方向为竖直裂缝，西南方向为水平裂缝。 召开多次专家会议，采取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树根桩加固塔身。

上海展览中心馆 馆，位于上海市区延安中路北侧。展览 馆中央大厅为框架结构，箱形基础，展 览馆两翼采用条形基础。箱形基础为两 上海展览中心馆原称上海工业展览 馆，位于上海市区延安中路北侧。展览 馆中央大厅为框架结构，箱形基础，展 览馆两翼采用条形基础。箱形基础为两 层，埋深7.27m。箱基顶面至中央大厅顶部塔尖，总高96.63m。地基为高压缩性淤泥质软土。展览馆于1954年5月开工，当年底实测地基平均沉降量为60cm。1957年6月，中央大厅四周的沉降量最大达146.55cm，最小为122.8cm。到1979年，累计平均沉降量为160cm，从1957年至1979年共22年的沉降量仅20cm左右，不及1954年下半年沉降量的一半，说明沉降已趋向稳定。但由于地基严重下沉，不仅使散水倒坡，而且建筑物内外连接的水、暖、电管道断裂，都付出了相当的代价。

发展History: 理论提高阶段 —1773, C A Coulomb (France)根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。 —1869, W J M Rankine (UK)又从不同角度 提出了挡土墙土压力理论。 —1885, J Boussinesq (France)求得了弹性半无限空间在竖向集中力作用下的应力和变形的Boussinesq解。 形成独立学科阶段 —1922, W Fellenius (Sweden)费兰纽斯，为解决铁路塌方问题提出了土坡稳定分析法。 —1925, 美国K.太沙基（Terzaghi）归纳发展了以往的理论，发表了《土力学》一书，他被认为是土力学的奠基人。

Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806)                                                        　　Coulomb 对土木工程、岩土工程以及自然科学和物理学（包括力学、电学和磁学）等都有重要的贡献（如物理学中著名的库仑定律）。 1774 年当选为法国科学院院士。 　　1773 年， Coulomb 向法兰西科学院提交了论文“最大最小原理在某些与建筑有关的静力学问题中的应用”，文中研究了土的抗剪强度，并提出了土的抗剪强度准则（即库仑定律），还对挡土结构上的土压力的确定进行了系统研究，首次提出了主动土压力和被动土压力的概念及其计算方法（即库仑土压理论）。该文在 3 年后的 1776 年由科学院刊出，被认为是古典土力学的基础，他因此也称为“土力学之始祖”。

William John Maquorn Rankine (1820 - 1872) 1820 年 7 月 2 日 生于苏格兰的爱丁堡， 1872 年 12 月 24 日 逝世于苏格兰的格拉斯哥（ Glasgow ）。 　　Rankine 被后人誉为那个时代的天才，他在热力学 、流体力学 及土力学等领域均有杰出的贡献。他建立的土压力理论，至今仍在广泛应用。 　　Rankine 进入爱丁堡大学学习 2 年后，他离校去做一名土木工程师。 1840 年后，他转而研究数学物理， 1848 ～ 1855 年间，他用大量精力研究理论物理、热力学和应用力学。 1855 年后， Rankine 在格拉斯哥大学担任土木工程和力学系主任。 1853 年当选为英国皇家学会会员。他一生论著颇丰，共发表学术论文 154 篇，并编写了大量的教科书及手册。

Valentin Joseph Boussinesq (1842-1929)                                                                           　　Boussinesq 是法国著名的物理学家和数学家。他 1867 年获得博士学位后，先在多所学校担任数学教师，之后担任里尔理学院（ Faculty of Sciences of Lille ）的微积分学教授 (1872-1886) 、 巴黎大学 （ Sorbonne ） 数学和物理教授 （ 1886 ）， 1886 年当选法国科学院院士。 　　Boussinesq 一生对数学物理中的所有分支（除电磁学外）都有重要的贡献。在流体力学方面，他主要研究涡流、波动、固体物对液体流动的阻力、粉状介质的力学机理、流动液体的冷却作用等方面。他在紊流方面的成就深得著名科学家 Saint Venant 的赞赏，而在弹性理论方面的研究成就受到了 Love 的称赞。

Karl von Terzaghi (1883 - 1963) Terzaghi 于 1883 年 10 月 2 日 出生于捷克的首都布拉格， 1904 年毕业于奥地利的格拉茨（ Graz ）技术大学，之后成为土木工程领域的一名地质工程师。 1916 ～ 1925 年期间，他在土耳其的伊斯坦布尔技术大学和 Bogazici 大学任教，并从事土的特性方面的研究课题，这也最终导致了他的举世闻名的《 Erdbaumechanik 》（土力学）于 1925 在维也纳的问世，该书介绍了他所提出的固结理论以及土压力、承载力、稳定性分析等理论，标志着土力学这门学科的诞生。 　　

Karl von Terzaghi (1883 - 1963) 1925 年，他被派往麻省理工学院担任访问教授，四年后回到维也纳技术大学任教授。 1938 年德国占领奥地利后， Terzaghi 前往美国，并在哈佛大学任教，直到 1956 年退休。在此期间的 1943 年，他还出版了《 Theoretical Soil Mechanics 》，在这部不朽的著作中， Terzaghi 就固结理论、沉降计算、承载力、土压理论、抗剪强度及边坡稳定等问题进行了阐述。 1963 年 10 月 25 日 , Terzaghi 在马萨诸塞州的温彻斯特逝世。 　　Terzaghi 是第一届到第三届（ 1936 ～ 1957 ） ISSMFE （国际土力学与基础工程学会）的主席，曾 4 次荣获 ASCE （美国土木工程师协会）的 Norman 奖（ 1930 ， 1943 ， 1946 ， 1955 ），并被 8 个国家的 9 个大学授予荣誉博士学位。为表彰 Terzaghi 的杰出成就，美国土木工程师协会还设立了 Terzaghi 奖。

—1936, 在美国召开的第一届国际土力学与基础工程会议1st (ICSMFE) International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering —2005, 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Osaka ,Japan —60年代，土力学的研究基本上是对原有的理论与试验充实与完善。 —自60年代后，随着电子计算机的出现和计算技术的高速发展，使土力学的研究进入了一个全新的阶段。 快速发展阶段 最突出的工作是用新的非线性应力应变关系代替过去的理想弹塑性体。随着应力应变模型建立，以此为基础建立了新的理论体系。 —1957年，D.C.Drucker提出了土力学与加工硬化塑性理论。对土的本构模型研究起了很大的推动作用。 —1963年，英国Cambridge大学的Roscoe等人提出了剑桥模型。 —许多学者纷纷进行研究，并召开多次学术会议。提出了各种应力应变模型。

K H Roscoe （ 1914-1970 ） Roscoe 1914 年 12 月出生于英国， 1934 年在剑桥大学的 接受本科教育。二战后， Roscoe 返回剑桥大学读研究生，毕业后留校从事土力学的研究，并建立了土力学实验室。他于 1958 年所提交的论文《关于土体的屈服》奠定了临界状态土力学的基础，被英国土力学学会授予成就奖。他的研究成果主要包括：所设计的剪切仪成为以后土力学平面剪切仪的先驱；提出了确定土体临界状态时孔隙比的方法；提出的剑桥模型创建了临界状态土力学，为现代土力学的诞生和发展作出了重要贡献。在他的领导下，剑桥大学关于土力学机理的研究成果得到国际岩土工程界的普遍认可。以 Roscoe 为奠基者的剑桥学派在现代土力学的发展历史中占有重要的地位。 　　Roscoe 不幸于 1970 年 4 月 10 日 因车祸遇难。

Journal for Geomechanics

土力学需要研究和解决的工程中的问题： 土体：稳定与强度问题； 土体：变形问题； 渗流：渗透变形与渗透稳定。

土力学理论与工程应用的关系 土的工程性质 →土体强度变形的定性评价 →土工计算的基本指标 渗流理论 →渗透力、渗流变形分析 基底压力计算 土中应力计算 → 地基变形分析 土的压缩性 基底压力计算 土的抗剪强度 → 地基强度分析 地基承载力 土的抗剪强度 → 土压力计算 土的抗剪强度 → 土坡稳定分析、地基稳定分析

土力学的学习内容 第一章 土的物理性质及工程分类 第二章 土体应力计算 第三章 土的渗透性 第四章 土的压缩与固结 第五章 土的抗剪强度 第六章 土压力计算 第七章 土坡稳定分析 第八章 地基承载力 第九章 非饱和土简介

参考文献（References） Barnes, G.E., Soil Mechanics Principles and Practice，2nd Edition，Palgrave, NewYork，2000 Craig, R.F., Soil Mechanics, 7th Edition, Spon Press, 2004 Das, B.M., Advanced Soil Mechanics, Taylor & Francis Das, B.M., Fundamentals of Geotechnical Engineering, Thomson, 2005 张孟喜，土力学原理，华中科技大学出版社，2007 卢廷浩主编，土力学，南京：河海大学出版社，2005.2 东南大学、浙江大学、湖南大学、苏州科技学院合编，土力学（第二版），北京：中国建筑工业出版社，2005 王成华，白冰，王运霞，土力学原理，北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2004 高大钊主编，土力学与基础工程，北京：中国建筑工业出版社，2006 陈希哲， 土力学地基基础(第4版)，北京：清华大学出版社，2004.4

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