【清華大學】《土力學》（國家級精品課） P2 - 2. 2-1-2緒論（2）

好 我們繼續上課 我們上一課在給大家介紹 在工程當中遇到的一些土地學問題 下面這個例子是關於研究泥石流的這麼一個室外實驗的例子 日本做的 在1970年11月做的這樣一個泥石流室外的實驗 大家看到它這個室外的實驗是在野外 找了一個山坡 然後在這上面做上人工降雨的裝置 模擬一個人工降雨 人工降雨之後是想辦法使山坡上發生泥石流 之後人們在對岸設置了觀察點 進行錄像 進行觀察 來觀察泥石流發生的條件和它發生的過程 來進行這方面的研究 但是儘管這樣是一個人工控制的野外的實驗 如果說你對於土它的性質的認識發生偏差的話 同樣會發生問題 大家看到我們這兒也有一個段現場的錄像 我們看看它發生了什麼問題 這個事故造成15人不幸遇難 埋了31個人進去 15人不幸遇難 11人受傷 這是一個非常慘痛的一個事情 我們把剛纔給大家介紹過的幾個例子 給大家做一個小節 加拿大這個古長地基的失穩 我們上海樓褪褪事件 我們汶川地震當中的數量衆多的滑坡 我們北京萬亨大廈擊坑的倒塌 日本的泥石流室外的實驗發生的事故 大家看到在這樣一些事件當中 它都有一個共同的特點 都是土體發生了破壞 發生了破壞 發生了滑動 發生了破壞 我們把這種問題都歸結爲 和土有關的我們所謂的強度的問題 所謂的強度問題都是發生了破壞的 土的強度 你對它的強度把握得不夠 在工程中造成了這樣的問題 這是我們土在工程當中第一大類 我們非常感興趣的問題 非常有用的問題 叫做強度問題 下面我們接着看一些工程實例 非常著名的比薩斜塔 這個比薩斜塔它的修築過程就非常神奇 它的修築過程非常神奇 它是在1173年開始動工的 五年之後修築到四層 這時候塔高大概是三十米 因爲修築過程發現這個塔斜了 所以停工了 然後到了1272年 大家看到這個過了大概是 從開工的話到一百年 一百年之後又重新復工 慢慢的修了六年 修到第七層 這時候高四十八米 又停工了 爲什麼呢 人們發現這個斜的在發展 發展得快了又受不了了 又停工了 後來到了1360年 1360年又接近一百年 又再復工 到1370年修到了盡 竣工了 這個比薩斜塔一共是八層 八層高度是55米 高度55米 這個比薩斜塔它之所以有名 除了它是一個歷史的文物之外 這是有久的歷史 並且有很多在裏面 除了這個之外 它另外一個非常有名的 就是因爲它傾斜 這個大家知道 就因爲它傾斜 非常有名 這個大家學中學物理的時候知道 這個很重要的一個事件 伽利略在這個斜塔這 做了這個自由落體實驗 那它的問題是什麼呢 這個斜 並且斜一直在發展 人們會感覺到 它是不是發展到一定程度 它會倒下的 到目前的話 目前這個塔是向南傾斜的 這個南北兩端的沉降差是 這個一米八 這個沉降差一米八 這個塔頂離這個中心線 它已經移出去 水平這個 因爲它傾斜 移出去五米多了 這個傾角是5.5度 那它發生這個傾斜的原因 就是它的地基 它的磁力層爲粉砂 下面還有這個粉土和粘土層 這個特點就是強度低 變形大 就是說非常容易變形 變形大 這個使得它變形太大 而造成不均勻沉降 不均勻沉降 關於這個比薩斜塔的加固處理 是一個困擾 這個我們全世界沿途工程界的 一個非常著名的問題 這個比薩斜塔 它的問題是什麼呢 如果說我要把比薩斜塔給它扶正 是相當簡單的一件事情 相當簡單的一件事情 它的工程的難度在什麼地方呢 你既不能讓它這個太傾斜 這個一直要倒下去 但是你又不能讓它正了 這是它這個工程的難點 吸引了很多全世界的 沿途工程的這個方面的專家 來參與這個處理工程的論證 經過很多次處理 現在已經又對郵輪重新開放 這是我們介紹的第一個 關於接着的這個例子 比薩斜塔 下面看到的 大家看到的是在海上 是在海上填出來的 人工填出來的一個機場 我們就是日本的關西機場 是在上個世紀80年代 到90年代修建的 這個機場的面積 大家看到長 這個是接近4.4公里 寬1.25公里 這個填注的這個方量 總方量都是在海里填出來的 這個填注的總方量 1.81立方米 平均填的厚度 填的這個土層的厚度是33米 33米 我們知道在海上填 挖的土填進去 因爲是它在水下填 我們沒有辦法去人工壓實它 所以填出來的土層 它的特點就是比較松 這樣松的話 它就變形比較大 而我們作爲一個機場 大家知道 對它的平整度等要求都非常高 飛機的起降速度非常快 所以關西機場修建之後 就發生了由於沉江大 並且不均 產生了非常多的問題 當時設計這個工程的時候 當時設計的預計 這個工程將來的沉降 會大概是在5.7到7.5米 就是根據將來大家也會學的是吧 根據我們土著學學的各種理論和方法 去事先做一個估計 估算出來大概是這個沉降量 而實際情況 在1990年完工的時候 實測的沉降量已經達到8.1米 並且還在於每個月5公分的速度在發展 人們預測它的變形 我們叫主固節 主固節這個詞現在大家不懂 學完我們土著學就懂了 什麼叫主固節 就主要的變形期 這個需要20年時間 需要20年去完成 當時實際修這個工程的時候 比這個設計的實際多填了3米 因爲可能發現了 可能這個變形要比設計的大 這是關西機場的問題 大家看到這個圖上 這個兩個古艙 這個不是人工專門修建成這樣的 底下留一條縫 上面讓它合起來 不是這樣的 這個修的時候是兩個都是 都是一個有距離的 但是這個修建之後若干年 發現了它上面發生了新聞 這個爲什麼 大家看到這個兩個盒載 大家知道兩個盒載是吧 兩個盒載下來之後 在土層裏面 盒載中間那個部分 顯然是這個盒載會兩個方向都有疊加的 疊加之後 這個兩個古艙中間那個部分 中間那個部分沉降會大 沉降會大 大家兩個向那邊靠 最後兩個上面就撞上了 這也是加拿大鴻河谷上的一個 加拿大鴻河谷這個地方 它的土層是一個弧向沉積的 一個非常鬆軟的土層 變形非常大 非常大發生的這個事情 大家如果去墨西哥城旅遊的話 會在街上會經常看到這樣的建築 會經常看到這樣的建築 大家看到這個曲線 優美的曲線 這個優美的曲線 不是修築的時候專門設計的 而是由於它沉降造成的 不均勻沉降造成的 墨西哥城這個地方 它的下面的地基 下面的土層 也是一種弧向沉積的層 弧向沉積的 大家看我這寫了幾個數字 這個土層的 土的天然含水量 高達650% 什麼叫含水量 先給大家稍微說一下 這個含水量什麼意思 就是這個土裏面 我們說三項組成 由土骨架和水 那麼這個水重 比上相對於它的固體顆粒的重量 我們把它叫含水量 大家看到 含水量650%是什麼意思 就是說這個土裏面 水它的量比土顆粒要多6.5倍 所以大家看到 水很容易吸泥 類似於吸泥似的 還有其他指數 後面我們再介紹 這個塑形指數350 孔隙比15 這孔隙比就反映 這個固體顆粒 它那裏面的孔隙佔了多少 孔隙比15 這是很厲害的一個數 所以它的土層 具有非常高的壓縮性 就我們修了建築物之後 它的沉降變形會非常大 在這個墨西哥城 這個墨西哥城我去過 確實它那個建築物 你在街上看 都非常的奇特 非常奇特 我們再總結一下 把剛纔的幾個案例 意大利著名的比薩斜塔 日本人工填注的關西機場 加拿大傑文的桶艙 墨西哥城 它的建築的沉降 我們看到這些工程 沒有發生我們第一個方面 第一個給大家介紹的問題 沒有發生破壞 但是這些工程 都因爲發生了很大的變形 而使得在它運用的過程當中 產生了很多的問題 我們把這些工程歸結一下 這些問題歸結一下 就歸結成我們土地學 在工程當中的第二個方面的問題 我們把它稱作是變形問題 儘管沒有發生破壞 但是由於它的變形太大 我們在這工程當中也會發生一些問題 是第二個方面的問題 我們接着給大家介紹工程實例 我們大家現在看到的這個圖上 大家看到了很多同學開始說 這是一個滑水道 滑水道其實不是的 這個是什麼東西呢 這是我們水利系的 可能同學會知道 我們修一個水庫的時候 把這個河擋起來之後 這個水來了之後 它總要有一個放水的地方 來了洪水之後讓它泄洪水的地方 這個是一個土石壩的一個泄洪道 一個溢洪道留下來的一個 大家就看到這個溢洪道了 那壩在哪呢 大家看到這個缺口 壩被衝了 這是在美國發生的一個事情 美國的梯塘壩 也是我們非常有名的一個壩的失事的例子 這個土石壩的壩高是90米 長是大概一公里 在1975年建成 在第二年第一次蓄水的時候 就發生了破壞 大家看到這是一個平面圖 這是梯塘河 從這邊流向右邊 這是修建的梯塘壩 大家看到那個溢洪道 這個圖上就是這個 洪水來了之後 它可以從這流下去的 而這個事故發生在它的右壩間 右壩間大家看到這個發生的位置 這個123這個次序 大家看到這個水出來 從這地方 這個圖上圖示了幾個發生過程當中的照片 發生過程當中的照片 實際上人們發現漏水 是在那天的早上8點多鐘 8點多鐘這個工程師巡視的時候 就在下游的壩間的下面 發現有清水流出來 發生了清水流出來 那有這個清水流出來 就肯定是有散漏點了 所以工程師就沿着這個下面向上面找 向上面找這個漏水點在哪 大家看到了10點半的時候 這地方已經衝出來了 衝出來有溝了 然後大家看到這是11點的時候 11點半的時候 不到12點的時候 這個整個就垮掉了 這個洪水一瀉而下 洪水一瀉而下 這個工程造成的直接損失8000萬美元 我們知道美國人很喜歡打官司 什麼事都要到法院去打官司 由這個工程造成的起訴事件 一共是5500多起 5500多起 這個照片看到的是工程現場 目前還保留在這 我在99年去美國的時候到這個地方看過 這個是一個到美國去的土木或者水利工程師 經常去的一個地點 大家看這是一個歷史上非常有名的一個土石壩破壞的例子 大家看到這邊是被沖掉的 而這邊大家看到 這邊原來是沒有被沖掉的 是事後去研究爲什麼會發生衝石這個事情 人工在這開挖出來 看一看這個壩前處的質量到底好不好 開挖出來一個人工的斷面在這 目前保留在這 現場保留在這 在座的各位以後去美國的時候可以到這看一看 非常有意思的一個工程的事實的例子 發生的原因是什麼 我們所謂的土力學將來會學的 我們叫做滲透破壞 發生衝石或者叫水利坯裂 這個叫滲透破壞造成的一個土石壩事實的例子 今年我們的國家東北發生大的洪水 其實我們在99年的時候 我們國家從南到北都發生了大規模的洪水 其中長江流域最爲嚴重 在98年長江流域長江大堤經受了非常嚴峻的考驗 但是在這個過程當中也發生了很多的破壞的事故 人們做了一個統計 在98年在洪水期間 長江大堤一共發生各種各樣的險情 6000多處 人們對它的原因做了一個分類的統計 大家看到佔50%是一個叫做管湧的這麼一個東西 這個管湧是我們土力學當中的一個專業詞彙 我們在下面的第二章會給大家介紹什麼叫管湧 這樣一個專業的詞彙在98年長江洪水過後 全國人民老少所有的人都知道管湧這個詞 我們這個專業詞彙所有的人都知道 爲什麼呢 因爲管湧造成了很多很多的險情 其中一個慘痛的事情是發生在九江 九江大堤發生了掘口 這個掘口發生在1998年8月7號下午 98年實際上九江大堤剛剛加固完畢 洪水來之前 據說上午朱鎔基總理就給九江市長打電話 就說洪水要到你們那了 你們怎麼樣 九江市長說我們剛修完 我們固若金湯 這個下午就垮了 下午就垮了 這個原因叫做滴積管湧 滴積發生管湧 後來一個詞經常用這個豆腐渣 這個朱總理就說這個豆腐渣工程 以後這個豆腐渣工程這個詞就被廣泛應用了 下面看到的這個現場 這是我們國家世事的一個土石壩的一個現場 土石壩的現場 這個土石壩主要的壩體是用砂礫石修建起來的 它的防順 我們在這個砂礫石的上游側修一個很薄的一個混凝土的面板來進行防順 這種壩型我們叫做面板壩 面板砂礫石壩 我們叫做 實際上 我們土石壩是一個很安全的壩型 我們經過精心設計和精心施工的現代這個土石壩 國內外幾乎沒有垮的 你很難找到一個垮的 我們這個溝後面板砂礫石壩的潰壩 是一個現代修的一個土石壩垮壩的一個非常不好的例子 非常不好的例子 大家聽說的關於很多土石壩的垮壩 都是很多是這個鄉鎮企業 鄉鎮企業自己農民自己修的那些小壩 來了洪水垮掉了 我們經過正規設計院經過正規施工的土石壩是一個非常安全的壩型 幾乎沒有國內外幾乎沒有垮壩的這個案例 但是我們這個是發生在我們國家 這個這是一個非常不好的一個 這個潰壩的原因是什麼 就是經過分析認爲就是面板 我們這混凝土板修的是一塊塊板 中間還有接縫 接縫着要做止水 就是很多認爲是這個面板的止水 很多地方失效了 失效之後水就沿着這個這個這個縫隙滲進來 滲進來之後呢 下游壩體 沙利石做的本來你可以要把它可以把它設計的很透水 來了水之後它滲下去應該也是沒問題的 那可惜呢 這個地方修的這個沙利石下游排水不暢 這個水這個滲進來之後就在壩體裏面 它排不走 這樣的話呢 就整個下游的這個壩體呢 都變成飽和了 變成飽和了 我們後面還有它會強度降低 強度降低就造成這個這個壩坡的這個滑坡 壩坡的失穩 失穩 造成的有破壞 大家看到也是和這個滲水有關係的 滲水有關係的 我們把這個上面給大家介紹的三個例子 美國梯塘壩的失事 酒吧洪水 長江堤防很多的險情 我們溝後面板沙利石壩的潰壩 這樣一些問題 我們看到他們一些共同的特點都是和水在塗裏面的滲透有關 就是水在塗裏面是吧 這個滲透的現象有關 發生了滲透破壞 我們把這一類問題呢 就歸結爲和塗有關的所謂的滲透問題 滲透問題 實際上呢 塗和水的相互作用是非常複雜的 我們如果去做一個統計的話 我們城市裏面 比如說土木工程 土木工程裏發生的事物 你去做一個統計的話 十有八九是和水有關的 而我們許多學土木的 我們水方面的知識相對來說學的比較少 所以我們在處理水方面 經常是我們土木工程師的一大弱點 但是這個處理不好 會造成事故 我們很多土木工程方面的事故 也是由於和水有關 水造成的 這是土的第三個方面的問題 叫做滲透問題 這樣的我們把剛纔給大家舉的這些例子 都做一個總結 我們在實際工程當中 所遇到的土工結構或者是地基 我們會面臨着有關 我們剛纔講的這土的三大問題 我們叫做強度問題 變形問題和滲透問題 我們要解決土的這三大問題 強度問題 變形問題 滲透問題 我們必然要要求我們工程師 對這土的三個方面的特性要有所掌握 並且要掌握得好 你才能解決得好 所以說這樣的話 我們土相對應的有所謂的強度特性 變形特性和滲透特性 所以因爲工程當中有這些問題 我們土有這些特性 所以就要求我們土木工程師或者是水利工程師 我們要去學習土地學 要去解決這些在工程當中遇到的這三個方面的問題 這也是我們土地學存在的價值和我們學習土地學的目的 學習土地學的目的 這是我們第三個方面 爲什麼要學土地學 下面我們再給大家簡單的介紹一下 土地學包括哪些內容 實際上我們土地學 我們可以把它分成三大塊內容 中心核心的理論核心的內容 是我們剛纔講的三個方面的特性 土的滲透特性變形特性和強度特性 是我們核心的問題 爲了介紹這些東西 爲了研究這些問題 我們會做一些準備工作 有一些前導的先導的知識 我們有一些部分的內容叫做基礎和先導 我們包括兩個方面 一個是土的物理性質 一個是我們土體當中應力怎麼計算 這兩個方面我們叫做基礎和先導 然後我們怎麼樣把這些知識應用到工程當中去 就是所謂的土地學的工程應用 包括土壓力怎麼計算 土坡它的穩定性 地基承載力 然後地基基礎怎麼設計等等這樣一些問題 我們叫做工程應用 一共這三大塊內容 這三大塊內容在我們清華大學土地學裏面 我們是這樣劃分課程的 前面兩個部分叫做土地學一 就是我們這個課要上的內容 然後關於工程應用這個部分 我們有課叫做土地學二 我們土木系的可能叫做基礎工程 水利系的叫土地學二 這是我們下學期大家要上的內容 所以我們這個土地學整個土地學課程 我們這個土地學一主要設計 大家看到這五個方面 我們土地學一設計到這五個方面的內容 這五個方面的內容也就是我們土地學主要的五章內容 土地學一要介紹的五章內容 我們這個序論剛剛正在上 下面我們有五章內容 這個一和三大家看到是那個先導部分 土的基本特性和土地當中應力的計算 然後二四五這三章 就是我們土地學的三大特性 第二章是滲透特性 第四章是變性特性 第五章是強度特性 整個的我們土地學這個內容就是這樣來安排的 那麼關於如何學好土地學的問題 簡單的給大家說幾條 大家可以看到我們土是非常複雜的 但是工程當中又非常需要這麼學科 所以土地學是有它特定的一些特點 所以大家在學習土地學的時候要注意這麼三條 第一個我們要注意土的基本的特點 三大特點 我們土的三大特點 碎散性多向性天然性 這個大家一定要在腦袋裏和其他材料它具有的一些獨特的一些特點 這樣的話你學習的時候要對比的和其他的學科做一些對比 你就容易掌握很多這個內容 第二個要注意理論聯繫實際 我們說由於土的特性是那麼複雜 我們純粹靠理論的推導和理論的研究 是沒有辦法去解決這樣複雜的一個問題的 所以說我們關於土的現象的觀察 和它實驗規律的認識和總結 是非常非常重要的方面 也是構成我們土地學很多內容的非常重要的方面 這是希望大家要特別注意的 要注意理論聯繫實際 既要注重它裏面其中的理論的部分 更要注重它裏面實踐當中總結出來的一些規律性 第三個要注意正確的學習的方法 要注意概念原理和方法的把握 另外要注意我們土地學各個內容之間 大家儘管表面上看起來它的內容體系非常的繁雜 但是它的內部實際上是有非常清晰的聯繫的 大家要注意掌握它內容之間的聯繫 第三 有一些最基本的要記憶 但是很多東西不要死記 因爲土地學裏面很多的概念 內容條數非常之多 大家記憶起來 純粹要靠記憶是非常難的一件事 要記憶一些 但是不能死記