土质学与土力学
人防教研室 赵佩胜
中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件
,土质学与土力学, 多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作
绪 论
一, 土质学与土力学的研究对象及发展简史
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, 主要研究土的工程性质以及土在荷载作
用下的应力, 变形和强度问题, 为设计与施工提供土的工程
性质指标与评价方法, 土的工程问题的分析计算原理, 是土
木工程专业的技术基础课 。
1,土的形成 —— 土是岩石风化的产物, 是各种矿物颗
粒的集合体 。
● 风化作用类型：物理风化, 化学风化, 生物风化
● 土在形成过程中及形成以后经历的地质历史, 都对土
的性质产生影响, 因此, 土的性质与其成因历史有关 。
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2,土质学 —— 是从工程地质学范畴里发展起来的, 它
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 。
3,土力学 —— 是从工程力学范畴里发展起来的, 它把
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
性和适用条件 。
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4,土质学与土力学的发展简史
土力学始于 18世纪, 1773年由库仑建立并由莫尔发展
的第一个土力学理论, 即 Mohr-Coulomb强度理论, 为土压
力, 地基承载力和土坡稳定分析奠定了基础 。 1776年
Coulomb发表了建立在滑动土楔平衡条件分析基础上的土
压力理论； 1857年朗金 （ Rankine） 提出了建立在土体极限
平衡条件分析基础上的土压力理论； 1856年达西 （ Darcy）
通过室内试验建立了有孔介质中水的渗透理论； 1885年布辛
奈斯克 （ Boussinesq） 和 1892年弗尔曼 （ Flamant） 分别
提出了均匀的, 各向同性的半无限体表面在竖直集中力和线
荷载作用下的位移和应力分布理论 。 这些早期的著名理论奠
定了土力学的基础 。
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20世纪初, 土力学继续取得进展, 普朗特尔 （ Prandtl）
根据塑性平衡的原理, 研究了坚硬物体压入较软的, 均匀的,
各向同性材料的过程, 导出了著名的极限承载力公式 。 在这
基础上, 太沙基 （ Terzaghi）, 梅亚霍夫 （ Meyerhof）,
魏西克 （ Vesic） 和汉森 （ Hansen） 等分别进行了修正, 补
充和发展, 提出了各种地基极限承载力公式；费兰纽斯
（ Fellenius） 提出了著名的瑞典圆弧法分析土坡稳定性；
特别是 Terzaghi建立了饱和土的有效应力原理和一维固结理
论, 比奥 （ Biot） 建立了土骨架压缩和渗透耦合理论, 为近
代土力学的发展提供了理论依据 。 Terzaghi在 1925年发表
的, 土力学, 是最早系统论述土力学体系的著作, 也是土力
学形成一门独立学科的标志 。
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早期土质学的著作主要是前苏联的, 土质学,
和, 粘性土的工程性质,, 它们系统地论述了土质
这的基本原理, 对我国有很大的影响；近代的著作
如黄文熙的, 土的工程性质, 和 Mitchell 的
,Fundamentals of Soil Behavior,代表了从两
个不同的角度深入研究土的工程性质所达到的新水
平 。
在我国将土质学和土力学结合在一起的教材,
是 60年代俞调梅的, 土质学及土力学, 。
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二, 土质学与土力学的学习内容
本书是根据道路, 桥梁专业的特点编写的, 内容分两类
共十一章 。 第一类是关于土的基本性质的试验, 分析以及基
本规律的介绍；第二类是土的应力, 变形和强度的分析计算 。
全书的主要内容如下,
第一章土的物理性质及工程分类：主要介绍描述土的物
质组成和干湿, 疏密状态的指标试验与计算, 以及利用土工
指标对土进行分类的方法 。
第二章粘性土的物理化学性质：主要讨论土颗粒表面与
水相互作用所引起的一系列物理化学现象及其工程意义 。
第三章土中水的运动规律：主要研究土的渗透特性和冻
结时土中水分的积聚机理 。
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第四章土中应力计算：主要研究在外荷载作用下, 土体
应力状态的变化及其实用计算单方法 。
第五章土的压缩性与沉降计算：主要介绍压缩性指标的
试验方法和建筑物沉降计算的方法 。
第六章土的抗剪强度：主要讨论土的极限平衡理论, 土
的抗剪强度指标的试验方法与指标的工程应用 。
第七章土压力计算：主要讨论静止, 主动与被动土压力
的基本概念, 朗金土压力理论和库仑土压力的基本原理及实
用计算方法, 特别在各种特殊条件下土压力的计算方法 。
第八章土坡稳定分析：主要介绍均质土和层状土的土坡
稳定分析的几种实用计算方法, 讨论在各种工程条件下土坡
稳定计算需要考虑的一些特殊问题 。
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第九章地基承载力：主要讨论地基破坏的三种模式, 介
绍地基临界荷载和极限荷载理论公式的基本概念和实用计算
表达式, 同时还介绍了规范给出的确定地基容许承载力的实
用经验方法 。
第十章土的动力特性和击实特性：讨论了土的动强度,
动模的基本概念与试验方法；介绍饱和粉细砂和粉土的液化
机理与液化判别方法；讨论了填土击实控制的原理与击实性
指标的工程应用 。
第十一章土工试验与原位测试结果的分析与利用：主要
讨论了影响试验指标可靠性的因素及其解决方法, 土工设计
参数之间的依存关系, 在实际工程中对土工指标的判别, 利
用和分析计算；并通过工程事故实例和大型原型试验实例将
指标, 计算结果与实测数据之间作定性或定量的对比分析 。
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三, 土质学及土力学与专业的关系
1,本课程在本专业的地位
土质学与土力学是一门研究与土的工程问题有关的学
科, 它既是工程力学的一个分支学科, 又是土木工程学科
的一部分 。 土是一种自然地质历史产物, 是一种特殊的变
形体材料, 它既服从连续介质力学的一般规律, 又有其特
殊的应力 ~应变关系和特殊的强度, 变形规律, 形成了土力
学不同于一般固体力学的分析方法和计算方法 。 本课程是
土木工程专业的一门重要的专业基础课 。
在道路及桥梁工程中, 会遇到各种与土有关的工程问
题, 如地基, 路基, 桥基, 路堤, 道路边坡, 建筑材料,
环境介质等 。
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2,土在工程实践中的作用
在工程建设中, 土往往被作为不同的对象来研
究, 这与土在工程建设中的作用有关 。 一般来说,
土的作用有,
（ 1） 作为建 （ 构 ） 筑物的地基 —— 直接支承
建 （ 构 ） 筑物荷重的土层 。 常见的有房屋, 桥梁,
道路, 堤坝等的地基 。
● 作为地基的要求,① 强度方面：要有足够的
强度保证地基的安全稳定； ② 变形方面：不产生过
大的沉降或不均匀沉降以保证建筑物的正常使用 。
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● 工程实例 1：加拿大特朗斯康谷仓地基失稳
该谷仓由 65个圆柱形 筒仓 组成, 高 31m,其下为片筏
基础, 平面尺寸为 23.5m× 59.4m,厚 0.6m。 初次贮存谷物
后使基底平均压力达 320kPa（ 32t/m2）, 地基产生失稳,
基础东侧上抬 1.5m,西侧下沉 8.8m,倾斜角达 26° 53′。 因
基础刚度好, 谷仓保持完整 。
原因分析：地基土表层为近代填土, 厚 3m,持力层为
褐色淤泥质粘土, 厚 5m,第三层为灰色淤泥质粘土 。 即基
底下有较厚的软土, 其承载力为 280kPa（ 28t/m2） 。 因此
产生强度破坏 。
处理：在基底下做了 70多个支承于基岩上的混凝土墩,
用 388个 50t的千斤顶及支承系统, 才把仓体纠正过来, 但其
位置整体下沉了 4m。
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● 工程实例 2：上海锦江饭店沉降
锦江饭店建于解放前, 为 15层的高层建筑, 地基为软
土 。 解放前进入饭店要上几个台阶, 现在要下几个台阶 。 一
层的门窗约有一半已沉入地面以下, 沉降量达 1.5m。
● 另外, 如意大利的 比萨斜塔, 苏州的虎丘塔等均为地
基不均匀沉降所致 。
（ 2） 作为建筑材料 —— 组成构筑物本身, 如路堤, 土
坝等土工构筑物 。
作为建筑材料, 要考虑土粒的级配及适宜性 。
（ 3） 作为建筑介质或环境 —— 如隧道, 涵洞及地下建
筑的周围介质 。
作为建筑的环境介质, 主要是土压力的大小和分布问题 。
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下面开始介绍江阴长江大桥
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The End
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加拿大谷仓地基滑动而倾倒
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意
大
利
比
萨
斜
塔
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绪 论
一, 土质学与土力学的研究对象及发展简史
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, 主要研究土的工程性质以及土在荷载作
用下的应力, 变形和强度问题, 为设计与施工提供土的工程
性质指标与评价方法, 土的工程问题的分析计算原理, 是土
木工程专业的技术基础课 。
1,土的形成 —— 土是岩石风化的产物, 是各种矿物颗
粒的集合体 。
● 风化作用类型：物理风化, 化学风化, 生物风化
● 土在形成过程中及形成以后经历的地质历史, 都对土
的性质产生影响, 因此, 土的性质与其成因历史有关 。
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2,土质学 —— 是从工程地质学范畴里发展起来的, 它
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 。
3,土力学 —— 是从工程力学范畴里发展起来的, 它把
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
性和适用条件 。
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土力学始于 18世纪, 1773年由库仑建立并由莫尔发展
的第一个土力学理论, 即 Mohr-Coulomb强度理论, 为土压
力, 地基承载力和土坡稳定分析奠定了基础 。 1776年
Coulomb发表了建立在滑动土楔平衡条件分析基础上的土
压力理论； 1857年朗金 （ Rankine） 提出了建立在土体极限
平衡条件分析基础上的土压力理论； 1856年达西 （ Darcy）
通过室内试验建立了有孔介质中水的渗透理论； 1885年布辛
奈斯克 （ Boussinesq） 和 1892年弗尔曼 （ Flamant） 分别
提出了均匀的, 各向同性的半无限体表面在竖直集中力和线
荷载作用下的位移和应力分布理论 。 这些早期的著名理论奠
定了土力学的基础 。
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20世纪初, 土力学继续取得进展, 普朗特尔 （ Prandtl）
根据塑性平衡的原理, 研究了坚硬物体压入较软的, 均匀的,
各向同性材料的过程, 导出了著名的极限承载力公式 。 在这
基础上, 太沙基 （ Terzaghi）, 梅亚霍夫 （ Meyerhof）,
魏西克 （ Vesic） 和汉森 （ Hansen） 等分别进行了修正, 补
充和发展, 提出了各种地基极限承载力公式；费兰纽斯
（ Fellenius） 提出了著名的瑞典圆弧法分析土坡稳定性；
特别是 Terzaghi建立了饱和土的有效应力原理和一维固结理
论, 比奥 （ Biot） 建立了土骨架压缩和渗透耦合理论, 为近
代土力学的发展提供了理论依据 。 Terzaghi在 1925年发表
的, 土力学, 是最早系统论述土力学体系的著作, 也是土力
学形成一门独立学科的标志 。
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和, 粘性土的工程性质,, 它们系统地论述了土质
这的基本原理, 对我国有很大的影响；近代的著作
如黄文熙的, 土的工程性质, 和 Mitchell 的
,Fundamentals of Soil Behavior,代表了从两
个不同的角度深入研究土的工程性质所达到的新水
平 。
在我国将土质学和土力学结合在一起的教材,
是 60年代俞调梅的, 土质学及土力学, 。
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二, 土质学与土力学的学习内容
本书是根据道路, 桥梁专业的特点编写的, 内容分两类
共十一章 。 第一类是关于土的基本性质的试验, 分析以及基
本规律的介绍；第二类是土的应力, 变形和强度的分析计算 。
全书的主要内容如下,
第一章土的物理性质及工程分类：主要介绍描述土的物
质组成和干湿, 疏密状态的指标试验与计算, 以及利用土工
指标对土进行分类的方法 。
第二章粘性土的物理化学性质：主要讨论土颗粒表面与
水相互作用所引起的一系列物理化学现象及其工程意义 。
第三章土中水的运动规律：主要研究土的渗透特性和冻
结时土中水分的积聚机理 。
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应力状态的变化及其实用计算单方法 。
第五章土的压缩性与沉降计算：主要介绍压缩性指标的
试验方法和建筑物沉降计算的方法 。
第六章土的抗剪强度：主要讨论土的极限平衡理论, 土
的抗剪强度指标的试验方法与指标的工程应用 。
第七章土压力计算：主要讨论静止, 主动与被动土压力
的基本概念, 朗金土压力理论和库仑土压力的基本原理及实
用计算方法, 特别在各种特殊条件下土压力的计算方法 。
第八章土坡稳定分析：主要介绍均质土和层状土的土坡
稳定分析的几种实用计算方法, 讨论在各种工程条件下土坡
稳定计算需要考虑的一些特殊问题 。
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绍地基临界荷载和极限荷载理论公式的基本概念和实用计算
表达式, 同时还介绍了规范给出的确定地基容许承载力的实
用经验方法 。
第十章土的动力特性和击实特性：讨论了土的动强度,
动模的基本概念与试验方法；介绍饱和粉细砂和粉土的液化
机理与液化判别方法；讨论了填土击实控制的原理与击实性
指标的工程应用 。
第十一章土工试验与原位测试结果的分析与利用：主要
讨论了影响试验指标可靠性的因素及其解决方法, 土工设计
参数之间的依存关系, 在实际工程中对土工指标的判别, 利
用和分析计算；并通过工程事故实例和大型原型试验实例将
指标, 计算结果与实测数据之间作定性或定量的对比分析 。
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三, 土质学及土力学与专业的关系
1,本课程在本专业的地位
土质学与土力学是一门研究与土的工程问题有关的学
科, 它既是工程力学的一个分支学科, 又是土木工程学科
的一部分 。 土是一种自然地质历史产物, 是一种特殊的变
形体材料, 它既服从连续介质力学的一般规律, 又有其特
殊的应力 ~应变关系和特殊的强度, 变形规律, 形成了土力
学不同于一般固体力学的分析方法和计算方法 。 本课程是
土木工程专业的一门重要的专业基础课 。
在道路及桥梁工程中, 会遇到各种与土有关的工程问
题, 如地基, 路基, 桥基, 路堤, 道路边坡, 建筑材料,
环境介质等 。
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2,土在工程实践中的作用
在工程建设中, 土往往被作为不同的对象来研
究, 这与土在工程建设中的作用有关 。 一般来说,
土的作用有,
（ 1） 作为建 （ 构 ） 筑物的地基 —— 直接支承
建 （ 构 ） 筑物荷重的土层 。 常见的有房屋, 桥梁,
道路, 堤坝等的地基 。
● 作为地基的要求,① 强度方面：要有足够的
强度保证地基的安全稳定； ② 变形方面：不产生过
大的沉降或不均匀沉降以保证建筑物的正常使用 。
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该谷仓由 65个圆柱形 筒仓 组成, 高 31m,其下为片筏
基础, 平面尺寸为 23.5m× 59.4m,厚 0.6m。 初次贮存谷物
后使基底平均压力达 320kPa（ 32t/m2）, 地基产生失稳,
基础东侧上抬 1.5m,西侧下沉 8.8m,倾斜角达 26° 53′。 因
基础刚度好, 谷仓保持完整 。
原因分析：地基土表层为近代填土, 厚 3m,持力层为
褐色淤泥质粘土, 厚 5m,第三层为灰色淤泥质粘土 。 即基
底下有较厚的软土, 其承载力为 280kPa（ 28t/m2） 。 因此
产生强度破坏 。
处理：在基底下做了 70多个支承于基岩上的混凝土墩,
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● 另外, 如意大利的 比萨斜塔, 苏州的虎丘塔等均为地
基不均匀沉降所致 。
（ 2） 作为建筑材料 —— 组成构筑物本身, 如路堤, 土
坝等土工构筑物 。
作为建筑材料, 要考虑土粒的级配及适宜性 。
（ 3） 作为建筑介质或环境 —— 如隧道, 涵洞及地下建
筑的周围介质 。
作为建筑的环境介质, 主要是土压力的大小和分布问题 。
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