土力學(xué)與地基基礎(chǔ)完整版 全套ppt

1、,土力學(xué)與地基基礎(chǔ) （授課學(xué)時：54學(xué)時）,,本課程的參考教材(資料）,1、土力學(xué)地基基礎(chǔ)（第4版） 陳希哲 主編 清華大學(xué)出版社，2003年。2、地基及基礎(chǔ)（第三版）華南理工大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、湖南大學(xué)編，中國建筑工業(yè)出版社，1998年。3、相關(guān)的設(shè)計規(guī)范（規(guī)程）,1、《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068-20012、《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223-20043、《巖土工程勘

2、察規(guī)范》GB50021-20014、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-20015、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007-20026、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002 J220-20027、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-948、《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》JGJ6—999、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-200110、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010-2002,緒 論一、土、

3、土力學(xué)、地基及基礎(chǔ)的有關(guān)概念 1 土：是巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運、沉積等物理、化學(xué)、生物作用，在地殼表面形成的各種散粒堆積物。2 土力學(xué):研究土的應(yīng)力、變形、強度和穩(wěn)定以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用等規(guī)律的一門力學(xué)分支稱為土力學(xué)。3 地基:支撐建筑物荷載、且受建筑物影響的那一部分地層稱為地基。4 基礎(chǔ):建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)就是基礎(chǔ)(參看圖0-1)。,0-1 地基、基礎(chǔ)示意圖,4 地基基礎(chǔ)設(shè)計的先決條件： 在設(shè)計建

4、筑物之前，必須進行建筑場地的地基勘察，充分了解、研究地基土(巖)層的成因及構(gòu)造、它的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水情況以及是否存在(或可能發(fā)生)影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象(如滑坡、巖溶、地震等)，從而對場地件作出正確的評價。,5 地基基礎(chǔ)設(shè)計的兩個基本條件：對于地基應(yīng)滿足： (1)要求作用于地基的荷載不超過地基的承載能力，保證地基在防止整體破壞方面有足夠的安全儲備；(2)控制基礎(chǔ)沉降使之不超過地基的變形允許值，保證建筑物不因地基變形而損壞

5、或者影響其正常使用。(3)滿足地基的穩(wěn)定。對于基礎(chǔ)應(yīng)滿足：還應(yīng)滿足對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強度，剛度和耐久性的要求。6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的型式：7 地基類型：按地質(zhì)情況分：土基、巖基。按施工情況分：天然地基（淺基、深基）、人工地基。8 地基基礎(chǔ)設(shè)計方案的選取原則9 地基及基礎(chǔ)的重要性(工程實例),二、本課程的特點和學(xué)習(xí)要求 1、課程的特點： （1）地基及基礎(chǔ)課程涉及工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工幾個學(xué)科領(lǐng)域，內(nèi)容廣泛、綜合性強；

6、 （2）課程理論性和實踐性均較強。 2、學(xué)習(xí)要求： (1)學(xué)習(xí)和掌握土的應(yīng)力、變形，強度和地基計算等土力學(xué)基本原理； (2)學(xué)習(xí)和掌握淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的設(shè)計方法； (3)熟悉土的物理力學(xué)性質(zhì)的原位測試技術(shù)以及室內(nèi)土工試驗方法； （4）重視工程地質(zhì)基本知識的學(xué)習(xí)，了解工程地質(zhì)勘察的程序和方法，注意閱讀和使用工程地質(zhì)勘察資料能力的培養(yǎng)。,三、本學(xué)科發(fā)展概況 地基及基礎(chǔ)既是一項古老的工程技術(shù)，又是一門年青的應(yīng)用科學(xué)。追本

7、溯源，世界文化古國的遠古先民，在史前的建筑活動中，就已創(chuàng)造了自己的地基基礎(chǔ)工藝。我國西安半坡村新石器時代遺址和殷墟遺址的考古發(fā)掘，都發(fā)現(xiàn)有土臺和石礎(chǔ)。這就是古代“堂高三尺、茅茨土階”(語見《韓非子》)建筑的地基基礎(chǔ)型式。 作為本學(xué)科理論基礎(chǔ)的土力學(xué)的發(fā)端，始于十八世紀(jì)興起了工業(yè)革命的歐洲。那時，資本主義工業(yè)化的發(fā)展，工場手工業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榻蠊I(yè)，建筑的規(guī)模擴大了。為了滿足向國內(nèi)外擴張市場的需要，陸上交通進入了所謂“鐵路時代”。因此，

8、最初有關(guān)土力學(xué)的個別理論多與解決鐵路路基問題有關(guān)。,1773年，法國的庫倫根據(jù)試驗創(chuàng)立了著名的砂土抗剪強度公式，提出了計算擋土墻土壓力的滑楔理論。九十余年后， 1869年英國的朗肯又從不同途徑提出了擋土墻土壓力理論。這對后來土體強度理論的發(fā)展起了很大的作用。此外， 1885年法國布辛奈斯克求得了彈性半空間在豎向集中力作用下的應(yīng)力和變形的理論解答。 1922年瑞典費蘭紐斯為解決鐵路坍方問題作出了土坡穩(wěn)定分析法。這些古典的理論和方法，直到今

9、天，仍不失其理論和實用的價值。在長達一個多世紀(jì)的發(fā)展過程中，許多研究者承繼前人的研究，總結(jié)了實踐經(jīng)驗，為孕育本學(xué)科的雛形而作出貢獻。,1925年，太沙基歸納發(fā)展了以往的成就，發(fā)表了《土力學(xué)》一書，接著，于1929年又與其他作者一起發(fā)表了《工程地質(zhì)學(xué)》這些比較系統(tǒng)完整的科學(xué)著作的出現(xiàn)，帶動了各國學(xué)者對本學(xué)科各個方面的探索。從此，土力學(xué)及地基基礎(chǔ)就作為獨立的科學(xué)而取得不斷的進展。時至今日，土建，水利、橋梁、隧道、道路、港口、海洋等有關(guān)工程中

10、，以巖土體的利用、改造與整治問題為研究對象的科技領(lǐng)域，因其區(qū)別于結(jié)構(gòu)工程的特殊性和各專業(yè)巖土問題的共同性，已融合為一個自成體系的新專業(yè)—“巖土工程”。 它的工作方法就是：調(diào)查勘察、試驗測定、分析計算、方案論證，監(jiān)測控制、反演分析，修改定案；,它的研究方法是以三種相輔相成的基本手段，即數(shù)學(xué)模擬(建立巖土本構(gòu)模型進行數(shù)值分析)、物理模擬(定性的模型試驗，以離心機中的模型進行定量測試和其它物理模擬試驗)和原體觀測(對工程實體或建筑物的性

11、狀進行短期或長期觀測)綜合而成的。我國的地基及基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)，作為巖土工程的一個重要組成部分，已經(jīng)、也必將繼續(xù)遵循現(xiàn)代巖土工程的工作方法和研究方法進行發(fā)展。,,第一章 土的物理性質(zhì)及工程分類 1-1 概 述1土的定義： 土是連續(xù)，堅固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。2 土的三相組成： 土的物質(zhì)成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體。

12、因此，土是由顆粒(固相)、水(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。 1-2 土的生成與特性一、地質(zhì)作用的概念1、地球的圈層構(gòu)造：,外圈層：大氣圈、水圈、生物圈； 內(nèi)圈層：地殼、地幔、地核。 構(gòu)成天然地基的物質(zhì)是地殼內(nèi)的巖石和土。地殼的一厚度為30～80km。2、地質(zhì)作用：導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用。 根據(jù)地質(zhì)作用的能量來源的不同，可分為內(nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用。(1)內(nèi)力地質(zhì)作用

13、：由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能等，引起地殼物質(zhì)成分、內(nèi)部構(gòu)造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質(zhì)作用。如巖漿作用、地殼運動(構(gòu)造運動)和變質(zhì)作用。 1)巖漿作用：存在于地殼以下深處高溫、高壓的復(fù)雜硅酸鹽熔融體(巖漿)，沿著地殼薄弱地帶上升侵入地殼或噴出地表且冷凝后生成為巖漿巖的地質(zhì)作用。 2)地殼運動：地殼的升降運動和水平運動。升降運動表現(xiàn),,為地殼的上拱和下拗，形成大 型的構(gòu)造隆起和拗陷：水平運動表現(xiàn)為地殼

14、巖層的水平移動，使巖層產(chǎn)生各種形態(tài)的褶皺和斷裂．地殼運動的結(jié)果，形成了各種類型的地質(zhì)構(gòu)造和地球表面的基本形態(tài)。 3)變質(zhì)作用：在巖漿活動和地殼運動過程中，原巖(原來生成的各種巖石)在高溫、高壓下及揮發(fā)性物質(zhì)的滲入下，發(fā)生成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造變化的地質(zhì)作用。(2)外力地質(zhì)作用： 由于太陽輻射能和地球重力位能所引起的地質(zhì)作用。它包括氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等的作用。1)風(fēng)化作用：外力(包括大氣、水、生

15、物)對原巖發(fā)生機械破碎和化學(xué)變化的作用。2)沉積巖和土的生成：原巖風(fēng)化產(chǎn)物（碎屑物質(zhì)），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或風(fēng)等,外力作用下，被剝蝕，搬運到大陸低洼處或海洋底部沉積下來，在漫長的地質(zhì)年代里，沉積的物質(zhì)逐漸加厚，在覆蓋壓力和含有碳酸鈣、二氧化硅、氧化鐵等膠結(jié)物的作用下，使起初沉積的松軟碎屑物質(zhì)逐漸壓密、脫水、膠結(jié)、硬化生成新的巖石，稱為沉積巖。未經(jīng)成巖作用所生成的所謂沉積物，也就是通常所說的“土”。3）風(fēng)化、

16、剝蝕、搬運及沉積－外力地質(zhì)作用過程中的風(fēng)化、剝蝕、搬運及沉積，是彼此密切聯(lián)系的。風(fēng)化作用為剝蝕作用創(chuàng)造了條件，而風(fēng)化、剝蝕、搬運又為沉積作用提供了物質(zhì)的來源。剝蝕作用與沉積作 用在一定時間和空間范圍內(nèi)，以某一方面的作用為主導(dǎo)，例如:河流上游地區(qū)以剝蝕為主，下游地區(qū)以沉積為主，山地以剝蝕占優(yōu)勢，平原以沉積占優(yōu)勢。,4）風(fēng)化作用的類型： 風(fēng)化作用根據(jù)其性質(zhì)和影響因素的不同分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化三種類型。 (I)物理風(fēng)化作

17、用：地表巖石由于溫度變化和裂隙中水的凍結(jié)以及鹽類的結(jié)晶而逐漸破碎崩解，但其化學(xué)成分尚未發(fā)生變化，這種過程稱為物理風(fēng)化作用。例如:由于溫度變化引起巖體膨脹所產(chǎn)生的壓應(yīng)力和收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的頻繁交替，遂使巖石表層產(chǎn)生裂縫而崩解。另一方面，巖石中的不同礦物各有其不同的膨脹系數(shù)，所以當(dāng)溫度反復(fù)變化時，巖石內(nèi)部就會產(chǎn)生不均勻的脹縮變形，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，久而久之，堅硬完整的巖石就逐漸崩解成碎塊了。特點：只改變顆粒的大小與形狀，不改變原來的礦物成分

18、。,(2)化學(xué)風(fēng)化作用：地表巖石在水溶液、大氣以及有機體的化學(xué)作用或生物化學(xué)作用下所引起的破壞過程稱為化學(xué)風(fēng)化作用。 它不僅破壞巖石的結(jié)構(gòu)，而且使其化學(xué)成分改變，而形成新的礦物(次生礦物)。化學(xué)風(fēng)化的主要方式有下列幾種：氧化作用、水化作用、水解作用、溶解作用。特點：改變原來的礦物成分，形成新的礦物成分。 (3)生物風(fēng)化作用：它是指在生物活動過程中對巖石產(chǎn)生的破壞作用。 這種作用可以引起巖石的機械破壞，如樹根生長時施加

19、于周圍巖石的壓力可達10～15kg/cm2，穴居地下的蚯蚓；鼠類等的活動，破壞性也很大。此外，在巖石表面的細菌、苔蘚之類分泌出的有機酸溶液能分解巖石的成分，促使巖石破壞。,上述三種風(fēng)化作用，實際上不是孤立進行的。例如:物理風(fēng)化使巖石逐漸破碎，增大了巖石的孔隙率和表面積，為化學(xué)風(fēng)化創(chuàng)造了有利的條件；反過來，化學(xué)風(fēng)化則使所形成的碎屑發(fā)生質(zhì)的變化，顆粒變得更小并使巖石松軟、體積膨脹，從而促進物理風(fēng)化的進行。但在某一地區(qū)的特定自然地理壞境下，通

20、常以一種風(fēng)化作用占主導(dǎo)地位。,二、土的工程特征1、固體顆粒、水、氣體三相集合體；2、透水性；3、變形大（壓縮性大）；4、固結(jié)性；5、具有彈性變形和不可恢復(fù)的殘余變形。,三、礦物與巖石的概念 巖石：一種或多種礦物的集合體。 礦物：地殼中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性質(zhì)、化學(xué)成份和形態(tài)． (一) 造巖礦物 組成巖石的礦物稱為造巖礦物。 礦物按生成條件可分為原生礦物和次生礦

21、物兩大類。 區(qū)分礦物可以礦物的形狀、顏色、光澤、硬度、解理、比重等特征為依據(jù)。 （二）巖石 巖石的主要特征包括礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造三方面。 巖石的結(jié)構(gòu)—巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度、大小和形狀、及其彼此之間的組合方式。 巖石的構(gòu)造--巖石中礦物的排列方式及填充方式。,巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖是按成因劃分的三大巖類，其亞類劃分列于表1-3、表1-4、表1-5。四、地質(zhì)年代的概念

22、 地質(zhì)年代：地殼發(fā)展歷史與地殼運動，沉積環(huán)境及生物演化相對應(yīng)的時代段落。 相對地質(zhì)年代：根據(jù)古生物的演化和巖層形成的順序，所劃分的地質(zhì)年代。 在地質(zhì)學(xué)中，根據(jù)地層對比和古生物學(xué)方法把地質(zhì)相對年代劃分為五大代(太古代、元古代、古生代、中生代和新生代)，每

23、代又分為若干紀(jì)，每紀(jì)又細分為若干世及期。在每一個地質(zhì)年代中，都劃分有相應(yīng)的地層（參見表1-6） 在新生代中最新近的一個紀(jì)稱為第四紀(jì)，由原巖風(fēng)化產(chǎn)物（碎屑物質(zhì)），經(jīng)各種外力地質(zhì)作用(剝蝕、搬運、沉積)形成尚未膠結(jié)硬化的沉積物(層)，通稱,“第四紀(jì)沉積物(層)”或“土”。五、第四紀(jì)沉積物(層) 不同成因類型的第四紀(jì)沉積物，各具有一定的分布規(guī)律和工程地質(zhì)特征，以下分別介紹其中主要的幾種成因類型。 (一)殘積物、坡積物和洪

24、積物 1、殘積物殘積物是殘留在原地未被搬運的那一部分原巖風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物，而另一部分則被風(fēng)和降水所帶走。 2、坡積物 坡積物是雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地洗刷剝蝕、順著斜坡向下逐漸移動、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。,,,3、洪積物(Q”) · 由暴雨或大量融雪驟然集聚而成的暫時性山洪急流，具有很大的剝蝕和搬運能力。它沖刷地表，挾帶著大量碎屑物質(zhì)堆積于山谷沖

25、溝出口或山前傾斜平原而形成洪積物(圖1—4)。由相鄰溝谷口的洪積扇組成洪積扇群<圖l—5)。如果逐漸擴大以至連接起來， 則形成洪積沖積平原的地貌單元。洪積物常呈現(xiàn)不規(guī)則交錯的層理構(gòu)造，如具有夾層、尖滅或透鏡體等產(chǎn)狀(圖1—6)。,,(二)沖積物(Q) 沖積物是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質(zhì)剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。,,1、平原河谷沖積物平原河谷除河床外，大多數(shù)都有河漫灘

26、及階地等地貌單元(圖1—7)。 2、山區(qū)河谷沖積層在山區(qū)，河谷兩岸陡削，大多僅有河谷階地(圖1-8)。,(三)其它沉積物 除了上述四種成囚類型的沉積物外，還有海洋沉積物、湖泊沉積物、冰川沉積物及風(fēng)積物等，它們是分別由海洋，湖泊、冰川及風(fēng)等的地質(zhì)作用形成的。,1-3 土的三相組成,一 土的固體顆粒 土中的固體顆粒(簡稱土粒)的大小和形狀、礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。

27、 (一) 土的顆粒級配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒組成的。 土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化，例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細可由無粘性變化到有粘性。 將土中各種不同粒徑的土粒，按適當(dāng)?shù)牧椒秶?，分為若干粒組，各個粒組隨著分界尺寸的不同而呈現(xiàn)出一定質(zhì)的變化。劃分粒組的分界尺寸,稱為界限粒徑。 表l-8提供的是一種常用的土粒粒組的劃分方法。表中根據(jù)界限粒徑200、20、2、0．05和

28、0．005mm把土粒分為六大粒組：漂石<塊石)顆粒、卵石(碎石)顆粒、圓礫(角礫)顆粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量(各粒組占土?？偭康陌俜?jǐn)?shù))來表示，稱為土的顆粒級配。 顆粒分析試驗：篩分法；比重計法 根據(jù)顆粒大小分析試驗成果，可以繪制如圖1—10所示的顆粒級配累積曲線 由曲線的坡度可判斷土的均勻程度 有效粒徑；限定粒徑。,,,,,,利用顆粒級配

29、累積曲線可以確定土粒的級配指標(biāo)，如與的比值稱為不均勻系數(shù)： 又如曲率系數(shù)用下式表示： 不均勻系數(shù) 反映大小不同粒組的分布情況，越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度．曲率系數(shù)描寫的是累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。 顆粒級配可在一定程度上反映

30、土的某些性質(zhì)。,,,,,(二)土粒的礦物成分 土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所經(jīng)受的風(fēng)化作用。不同的礦物成分對土的性質(zhì)有著不同的影響，其中以細粒組的礦物成分尤為重要 。 1、六大粒組的礦物成分 漂石、卵石、圓礫等粗大顆粒；砂粒；粉粒；粘粒。 2、粘土礦物的比表面 由于粘土礦物是很細小的扁平顆粒，顆粒表面具有很強的與水相互作用的能力，表面積愈大，這種能力就愈強。粘土礦物表面積的相對大小可以用

31、單位體積(或質(zhì)量)的顆?？偙砻娣e(稱為比表面)來表示。 由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導(dǎo)致土的性質(zhì)的突變，所以，土粒大小對土的性質(zhì)起著重要的作用。,二、土中的水和氣 (一)土中水 在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。 存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類： 1．結(jié)合水 結(jié)合

32、水是指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達幾千到 幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結(jié)在一起。 由于土粒(礦物顆粒)表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土粒形成電場，在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子(如Na’、Ca”、A1”等)一起吸附在土粒表面。因為水分子是極性分子(氫原子端顯正電荷，氧原子端顯負(fù)電荷)，它被土粒表面電荷或水溶液中離子電荷的吸引而定向排列。 雙電子層,(1)強

33、結(jié)合水 強結(jié)合水是指緊靠土粒表面的結(jié)合水。 (2)弱結(jié)合水 弱結(jié)合水緊靠于強結(jié)合水的外圍形成一層結(jié)合水膜。 2自由水 自由水是存在于土粒表面電場影響范圍以外的水。它的性質(zhì)和普通水一樣，能傳遞靜水壓力，冰點為0℃，有溶解能力。 自由水按其移動所受作用力的不同，可以分為重力水和毛細水。 (1)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水層中的地下水，

34、 它是在重力或壓力差作用下運動的自由水，對土粒有浮力作用。,(2)毛細水 毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細水存在于地下水位以上的透水土層中。毛細水按其與地下水面是否聯(lián)系可分為毛細懸掛水(與地下水無直接聯(lián)系)和毛細上升水(與地下水相連)兩種。 當(dāng)土孔隙中局部存在毛細水時，毛細水的彎液面和土粒接觸處的表面引力反作用于土粒上，使土粒之間由于這種毛細壓力而擠緊(圖1—14)，土因而具有

35、微弱的粘聚力，稱為毛細粘聚力。,(二)土中氣 。 土中的氣體存在于土孔隙中未被水所占據(jù)的部位。 三 、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特征。一般分為單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)三種基本類型。,1、單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。全部由砂粒及更粗土粒組成的土都具有單粒結(jié)構(gòu)。因其顆粒較大，土粒間的分子吸引力相對很小，所以顆粒

36、間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)分為疏松的、緊密的。 呈緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土，由于其土粒排列緊密，在動、靜荷載作用下都不會產(chǎn)生較大的沉降，所以強度較大，壓縮性較小，是較為良好的天然地基。 具有疏松單粒結(jié)構(gòu)的土，其骨架是不穩(wěn)定的，當(dāng)受到震動及其他外力作用時，土粒易于發(fā)生移動，土中孔隙劇烈減少，引起土的很大變形，因此，這種土層如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。,,土的單粒結(jié)構(gòu),

37、土的蜂窩結(jié)構(gòu),土的絮狀結(jié)構(gòu),土的構(gòu)造：在同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征稱。 土的構(gòu)造最主要特征就是成層性即層理構(gòu)造。土的構(gòu)造的另一特征是土的裂隙性。,1—4 土的物理性質(zhì)指標(biāo),上節(jié)介紹了土的組成，特別是土顆粒的粒組和礦物成分，是從本質(zhì)方面了解土的性質(zhì)的根據(jù)。但是為了對土的基本物理性質(zhì)有所了解，還需要對土的三相—土粒(固相)、土中水(液相)和土中氣(氣相)的組成情況進行數(shù)量上的研究。

38、 土的三相比例指標(biāo)：土粒比重、含水量、密度、干密度、飽和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、飽和度。 土的三相草圖（見下圖）。一、土的物理性質(zhì)指標(biāo)的定義,,,,土粒比重在數(shù)值上就等于土粒密度，但前者無因次。土粒比重決定于土的礦物成分，它的數(shù)值一般為2.6～2.8；有機質(zhì)土為2.4～2.5；泥炭土為1.5～1.8。同一種類的土，其比重變化幅度很小。 土粒比重測定方法：比重瓶法測定。,1、土粒比重(土粒相對密度)

39、,土粒質(zhì)量與同體積的4℃時純水的質(zhì)量之比，稱為土粒比重(無量綱)，即：,含水量w是標(biāo)志土的濕度的一個重要物理指標(biāo)。天然土層的含水量變化范圍很大，它與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。土的含水量測定方法：用“烘干法”測定。先稱小塊原狀土樣的濕土質(zhì)量，然后置于烘箱內(nèi)，維持100～105℃烘至恒重，再稱于土質(zhì)量，濕、干土質(zhì)量之差與干土質(zhì)量的比值，就是土的含水量。,2、土的含水量,,,,,,,天然狀態(tài)下土的密度變化范圍較大。一般

40、粘性土p=1.8～2.0g／cm3；砂土ρ=1.6～2.0g/cm3；腐殖土ρ=1.5～1.7g/cm3 。土的密度測定方法：“環(huán)刀法”測定，用一個圓環(huán)刀（刀刃向下）放在削平的原狀土樣面上，徐徐削去環(huán)刀外圍的土，邊削邊壓，使保持天然狀態(tài)的土洋壓滿環(huán)刀內(nèi)，稱得環(huán)刀內(nèi)土樣質(zhì)量，求得它與環(huán)刀容積之比值即為其密度。以上三個指標(biāo)為土的最基本指標(biāo)。,3、天然密度：天然狀態(tài)下，土單位體積的質(zhì)量，單位為g/cm³或t/m³，即：

41、,4、土的孔隙比 和孔隙率（1）土的孔隙比：土中孔隙體積與土體積之比，孔隙比用小數(shù)表示。即：天然狀態(tài)下土的孔隙比稱為天然孔隙比，它是一個重要的物理性指標(biāo)，可以用來評價天然土層的密實程度。一般 1.0的土是疏松的高壓縮性土。（2）土的孔隙率：土中孔隙所占體積與總體積之比，用以百分?jǐn)?shù)表示，即：一般粘性土的孔隙率為30～60%，無粘性土為25～45%。,5、土的飽和度土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，稱為土的飽和度

42、，以百分率計，即： 砂土根據(jù)飽和度的指標(biāo)值分為稍濕、很濕與飽和三種濕度狀態(tài)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見下表。 完全飽和時，土的飽和度等于100％。,,6、土的干密度 土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量，稱為土的干密度，即： 在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。7、土的飽和密度 土孔隙中充滿水時，單位體積質(zhì)量，即 土的天然密度、干密度、飽和密度數(shù)值上

43、的比較？,,,8、土的重度（四個） 在實際應(yīng)用中，經(jīng)常采用土的容重，即土的重力密度，其數(shù)值上等于相應(yīng)土密度與重力加速度的乘積，分為四個：天然容重γ：干容重γd：飽和容重γsat：有效容重γˊ： γˊ＝ γsat－ γW 式中:g為重力加速度，各指標(biāo)的單位kN/m3。注（1）土的有效容重（浮重度）：在地下水位以下，單位體積所受的重力再扣除浮力。 （2）天然容重γ、飽和容重γsat、有效容重γˊ用于計算土的自重應(yīng)力。,,

44、綜上所述：土的物理性質(zhì)指標(biāo)：土的密度、土粒比重、土的含水量（以上三個指標(biāo)為土的最基本指標(biāo)）、土的孔隙比、土的孔隙率、土的飽和度、土的干密度、土的飽和密度，一共八個，其中前三個由試驗測定，其余五個可以通過三相草圖換算求得。,二、指標(biāo)的換算,利用三相圖進行各指標(biāo)間關(guān)系的推導(dǎo)：令 則:,,,,,推導(dǎo)舉例：,1—5 無粘性土的密實度,無粘性土的密實度與其工程性質(zhì)有著密切的關(guān)系，呈密實狀態(tài)時，強度較大，可作為良好的天然地基，呈

45、松散狀態(tài)時，則是不良地基。對于同一種無粘性土，當(dāng)其孔隙比小于某一限度時，處于密實狀態(tài)，隨著孔隙比的增大，則處于中密、稍密直到松散狀態(tài)。 以下介紹與無粘性土的最大和最小孔隙比、相對密實度等有關(guān)密實度的指標(biāo)。 1、無粘性土的相對密實度為:,,根據(jù) 值可把砂土的密實度狀態(tài)劃分為下列三種： 密實的

46、 中密的 松散的,,,,,2、以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N評價砂土的密實度,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備見教材第255頁。,3、以野外鑒別的方法評價碎石的密實度,1—6 粘性土的物理特征,一 粘性土的界限含水量 粘性土由于其含水量的不同，而分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動狀態(tài) 粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫做界限含水量。,1、液

47、限、塑限、縮限含水量 ： A、 液限 :液態(tài)與塑態(tài)的分界含水量。 測定方法：錐式液限儀（圖1-22所示）,B、塑限：土由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量。,測定方法：“搓條法”測定。 缺點：主要是由于采用手工操作，受人為因素的影響較大，因而成果不穩(wěn)定。近年來許多單位都在探索一些新方法，以便取代搓條法，如以“聯(lián)合法”測定液限和塑限。,二、粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù) 1、塑性指數(shù)是指液限和塑限的差值(省

48、去％符號)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。,,,塑性指數(shù)的大小與土中結(jié)合水的含量有關(guān) 2、液性指數(shù)是指粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。,,用液性指數(shù)可表示粘性土的軟硬狀態(tài)，見表4-14,塑性指數(shù)的影響因素,影響因素：與土的顆粒組成，土粒的礦物成分以及土中水的離子成分和濃度等因素有關(guān)。（解釋）從土的顆粒來說，土粒越細、且細顆粒（粘粒）的含量越高，則其比表面和可能的結(jié)合水含量愈高，因而塑性指數(shù)也隨之增大；

49、從礦物成 分來說，粘土礦物可能具有的結(jié)合水量大（其中尤以蒙脫石類為最大），因而塑性指數(shù)也大；從土中水的離子成分和濃度來說，當(dāng)水中高價陽離子的濃度增加時，土粒表面吸附的反離子層 的厚度變薄，結(jié)合水含量相應(yīng)減少，塑性指數(shù)也??；反之隨著反離子層中的低價陽離子的增加，塑性指數(shù)變大。,3、粘性土軟硬程度的劃分,三、粘性土的靈敏度和觸變性 天然狀態(tài)下的粘性土、通常都具有一定的結(jié)構(gòu)性，當(dāng)受到外來因素的擾動時，土粒間的膠結(jié)物質(zhì)以及土粒，離子、

50、水分子所組成的平衡體系受到破壞，土的強度降低和壓縮性增大．土的結(jié)構(gòu)性對強度的這種影響，一般用靈敏度來衡量。 土的靈敏度：是以原狀土的強度與同一土經(jīng)重塑(指在含水量不變條件下使土的結(jié)構(gòu)徹底破壞)后的強度之比來表示的。,,土的觸變性：飽和粘性土的結(jié)構(gòu)受到擾動，導(dǎo)致強度降低，但當(dāng)擾動停止后，土的強度又隨時間而逐漸增長。粘性土的這種抗剪強度隨時間恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)稱為土的觸變性。,1—7 土的滲透性,土的滲透性是指水流通過土中孔隙難易程

51、度的性質(zhì)，或稱透水性。 地下水的補給與排泄條件，以及在土中的滲透速度與土的滲透性有關(guān)。在計算地基沉降的速率和地下水涌水量時都需要土的滲透性指標(biāo)。 一、地下水的運動形式：層流:水流線相互平行的水流。 地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透時屬層流運動。紊流：水流線互相交錯的水流。 地下水在巖石的裂隙或空洞中流動時，速度較大， 會有紊流發(fā)生。,,,二、達西定律,1、砂土達西定律 地下水在土中的滲透速度一般可

52、按達西Darcy)根據(jù)實驗得到的直線滲透定律計算，其公式如下(圖1—25)：,2、粘性土的達西定律,,實驗證明：在砂士中水的流動符合于達西定律（圖1-26中a線）；而在粘性土中只有當(dāng)水力梯度超過所謂起始梯度后才開始發(fā)生滲流。如圖1-26中b線所示，當(dāng)水力梯度i不大時，滲透速度v為零，只有當(dāng)i＞i1（起始梯度）時，水才開始在粘性土中滲透（v≠0）。在滲透速度v與水力梯度i的關(guān)系曲線上有1和2二個特征點。點1相應(yīng)于起始梯度i，在點1與點2

53、之間滲透速度與水力梯度成曲線關(guān)系，達到點2（相應(yīng)梯度為i2）后轉(zhuǎn)為直線 （圖中直線2-3），它與橫坐標(biāo)相交于點i‘。為了簡化計算，如采用該直線在橫坐標(biāo)上的截距i’作為計算起始梯度，則用于粘性土的達西定律見前述。,三、滲流力、流砂、管涌,1、滲流力：地下水在滲流過程中受到土骨架的阻力，相應(yīng)地，水對土骨架的反作用力，稱為滲流力，以GD表示。它是一種體積力，所以單位為 kN／m3。（P34

54、）,,2、流砂：在地基土中產(chǎn)生自下而上的滲流力時，當(dāng)動水力等于或大于土的有效重度時土體被水沖起。 臨界水頭梯度 Icr=r,/rw 當(dāng)I小于icr 時不發(fā)生流砂。防治流砂的主要措施：（1）減少或消除基坑內(nèi)外地下水的水頭差； 例如采取先在基坑范圍外以井點降低地下水位后開挖，或在不排水基坑內(nèi)以抓斗等工具進行水下挖土等施工方法；,（2）增長滲流路徑； 例如沿坑壁打入深度超過坑底的板樁，其

55、長度足以使受保護土體內(nèi)的水力梯度小于臨危梯度；（3）在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力（此法多用于閘壩下游處）。3、管涌水流將土體孔隙中細粒土帶走，破壞土的結(jié)構(gòu)這種作用為管涌。 管涌的結(jié)果，形成地下土洞，土洞由小擴大，導(dǎo)致地面塌陷。,1—8 地基土(巖)的分類,地基土(巖)分類的任務(wù)是根據(jù)分類用途和土(巖)的各種性質(zhì)的差異將其劃分為一定的類別。 土(巖)的合理分類具有很大的實際意義，

56、例如根據(jù)分類名稱可以大致判斷土(巖)的工程特性、評價土(巖)作為建筑材料的適宜性以及結(jié)合其他指標(biāo)來確定地基的承載力等。閱讀58-65頁內(nèi)容。 根據(jù)（GB50007-2002)地基土分為:巖石、碎石類土、砂類土、粉土、粘性土、人工填土。,1、巖石,巖石（基巖）是指顆粒間牢固聯(lián)結(jié)， 是整體或具有節(jié)理、裂隙的巖體。分類：根據(jù)堅硬程度 ； 根據(jù)風(fēng)化程度的劃分； 根據(jù)巖石完整程度劃分

57、。,2、碎石類土,碎石類土是粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％的土。碎石類土根據(jù)粒組含量及顆粒形狀分為漂石或塊石、卵石或碎石、圓礫或角礫，其分類標(biāo)準(zhǔn) ，見表2-4。,3、砂類土,砂類土是指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50％、粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重50％的土。砂類土按粒組含量分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂，其分類標(biāo)準(zhǔn)見表2-5。,4、粉土,粉土是指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50％、塑性指數(shù)小于

58、或等于10的土。,5、粘性土,粘性土是指塑性指數(shù)大于10的土。粘性土按塑性指數(shù)Ip的指標(biāo)值分為粘土和粉質(zhì)粘土。分類標(biāo)準(zhǔn)： 塑性指數(shù)大于17時，為粘土；塑性指數(shù)小于等于17大于10時，為粉質(zhì)粘土。,6、人工填土,人工填土是指由人類活動而堆填的土。分類:素填土、壓實填土、雜填土 、沖填土等。其他特殊土：淤泥和淤泥質(zhì)土； 紅粘土和次生紅粘土。,第二章 地基的應(yīng)力和變形,研究地基的應(yīng)力和變形，必須從土的

59、應(yīng)力與應(yīng)變的基本關(guān)系出發(fā)來研究。當(dāng)應(yīng)力很小時，土的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線就不是一根直線(圖2—1)，亦即土的變形具有明顯的非線性特征。,2—1 概 述,土中應(yīng)力,1、土的自重應(yīng)力：由土體本身自重引起的應(yīng)力。（常駐應(yīng)力）2、地基附加應(yīng)力是指建筑物荷重在土體中引起的附加于原有應(yīng)力之上的應(yīng)力。3、基本假設(shè)：土體為連續(xù)均勻各向同性直線變形體。4、應(yīng)力計算依據(jù)：以彈性理論為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析方法。,2—2 土中自重應(yīng)力,一、基本公式

60、 在計算土中自重應(yīng)力時，假設(shè)天然地面是一個無限大的水平面。因而在任意豎直面和 水平面上均無剪應(yīng)力存在?？扇∽饔糜谠撍矫嫔先我粏挝幻娣e的土柱體自重計算(圖2—2)，即： 地基中除有作用于水平面上的豎向自重應(yīng)力外，在豎直面上還作用有水平向的側(cè)向自 重應(yīng)力。由于沿任一水平面上均勻地?zé)o限分布，所以地基土在自重作用下只能產(chǎn)生豎向變形，而不能有側(cè)向變形和剪切形。,,,,注意：只有通過土粒接觸點傳遞的粒間應(yīng)力，才

61、能使土粒彼此擠緊，從而引起土體的變形，而且粒間應(yīng)力又是影響土體強度的—個重要因素，所以粒間應(yīng)力又稱為有效應(yīng)力。因此，土中自重應(yīng)力可定義為土自身有效重力在土體中引起的應(yīng)力。土中豎向和側(cè)向的自重應(yīng)力一般均指有效自重應(yīng)力。 以后各章節(jié)中把常用的豎向有效自重應(yīng)力 ，簡稱為自重應(yīng)力，并改用符號 表示 。,,,自重應(yīng)力的分布,二、成層土自重應(yīng)力的計算公式：,,地下水位以下取浮重度 自然界中的天然土層，一般形成至今

62、已有很長的地質(zhì)年代，它在自重作用下的變形早巳穩(wěn)定。但對于近期沉積或堆積的土層，應(yīng)考慮它在自應(yīng)力作用下的變形。此外，地下水位的升降會引起土中自重應(yīng)力的變化(圖2—4)。,[例題2—7] 某建筑場地的地質(zhì)柱狀圖和土的有關(guān)指標(biāo)列于例圖2·1中。試計算地面下深度為2.5m、5m和9m處的自重應(yīng)力，并繪出分布圖。 [解] 本例天然地面下第一層粉土厚6m，其中地下水位以上和以下的厚度分別為3.6 m和2.4m，第二層為粉質(zhì)

63、粘土層。依次計算2.5m、3.6m、5m、6m、9m各深度處的土中豎向自重應(yīng)力，計算過程及自重應(yīng)力分布圖一并列于例圖2—1中。,2-3基底壓力(接觸應(yīng)力),基底壓力：建筑物荷載通過基礎(chǔ)傳遞給地基的壓力。在基礎(chǔ)底面與地基之間便產(chǎn)生了接觸應(yīng)力。它既是基礎(chǔ)作用于地基的基底壓力，同時又是地基反用于基礎(chǔ)的基底反力。 基底壓力分布影響因素：與基礎(chǔ)的大小和剛度、作用于基礎(chǔ)上荷載的大小和分布、地基土的力學(xué)性質(zhì)以及基礎(chǔ)的埋深等許多因素有關(guān)。

64、 對于具有一定剛度以及尺寸較小的柱下單獨基礎(chǔ)和墻下條形基礎(chǔ)等，其基底壓力可近似地按直線分布的圖形計算，即按下述材料力學(xué)公式進行簡化計算。,一、基底壓力的簡化計算 (一)中心荷載下的基底壓力 中心荷載下的基礎(chǔ)，其所受荷載的合力通過基底形心?；讐毫俣榫鶆蚍植?圖2—5)，此時基底平均壓力設(shè)計值按下式計算：,,(二)偏心荷載下的基底壓力 1、計算公式： 對于單向偏心荷載下的矩形基礎(chǔ)如圖2·6所示。設(shè)

65、計時，通?；组L邊方向取與偏心方向一致，此時兩短邊邊緣最大壓力設(shè)計值與最小壓力設(shè)計值按材料力學(xué)短柱偏心受壓公式計算：,,,,,,,=,,2、基底壓力分布,當(dāng)e＜L／6時，基底壓力分布圖呈梯形［圖2-6（a）］；當(dāng)e=L／6時，則呈三角形［圖2-6（b）］；當(dāng)e＞L／6時，按式（2-7）計算結(jié)果，距偏心荷載較遠的基底邊緣反力為負(fù)值，即Pmin＜0［如圖2-6（c）中虛線所示］。由于基底與地基之間不能承受拉力，此時基底與地基局部脫開，而

66、使基底壓力重新分布。因此，根據(jù)偏心荷載應(yīng)與基底反力相平衡的條件，荷載合力F＋G應(yīng)通過三角形反力分布圖的形心［見圖2-6（C）中實線所示分布圖形］，由此可得基底邊緣的最大壓力Pmax為：,,,,3、矩形基礎(chǔ)在雙向偏心荷載作用下 如果基底最小壓力 ，則矩形基底邊緣四個角點處的壓力,,,二、基底附加壓力 建筑物建造前，土中早巳存在著自重應(yīng)力。如果基礎(chǔ)砌置在天然地面上，那末全部基底壓力就是新增加于地基表面的基底附加

67、壓力。一般天然土層在自重作用下的變形早巳結(jié)束，因此只有基底附加壓力才能引起地基的附加應(yīng)力和變形。 實際上，一般淺基礎(chǔ)總是埋置在天然地面下一定深度處，該處原有的自重應(yīng)力由于開挖基坑而卸除。因此，由建筑物建造后的基底壓力中扣除基底標(biāo)高處原有的土中自重應(yīng)力后，才是基底平面處新增加于地基的基底附加壓力，基底平均附加壓力值按下式計算(圖2—8)：,,有了基底附加壓力，即可把它作為作用在彈性半空間表面上的局部荷載，由此根據(jù)彈性力學(xué)求算地基中的

68、附加應(yīng)力。,2—4 地基附加應(yīng)力,地基附加應(yīng)力是指建筑物荷重在土體中引起的附加于原有應(yīng)力之上的應(yīng)力。其計算方法一般假定地基土是各向同性的、均質(zhì)的線性變形體，而且在深度和水平方向上都是無限延伸的，即把地基看成是均質(zhì)的線性變形半空間，這樣就可以直接采用彈性力學(xué)中關(guān)于彈性半空間的理論解答。 計算地基附加應(yīng)力時，都把基底壓力看成是柔性荷載，而不考慮基礎(chǔ)剛度的影響。,一、豎向集中力下的地基附加應(yīng)力,（－）布辛奈斯克解,應(yīng)力與位移,在