《土力學與地基基礎》【稀缺資源，路過別錯過】

土力學與地基基礎 緒 言 一、 土力學、地基及基礎的有關概念 1 土力學 -研究土的應力、變形、強度和穩(wěn)定以及土與結構物相互作用等規(guī)律的一門力學分支稱為土力學。 2 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。 3 基礎 -建筑物向地基傳遞荷載的下部結構就是基礎 (參看圖 0 1)。 4 地基基礎設計的先決條件： 在設計建筑物之前，必須進行建筑場地的地基勘察，充分了解、研究地基土 (巖 )層的成因及構造、它的物理力學性質、地下水情況以及是否存在 (或可能發(fā)生 )影響場地穩(wěn)定性的不良地質現(xiàn)象 (如滑坡、巖溶、地震等 )，從而對場地件作出正確的評價。 企業(yè)的眼睛看當今的大學生 5 地基基礎設計的兩個基本條件： (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 變形而損壞或者影響其正常使用。 6 基礎結構的型式： 7 地基類型 8 地基基礎設計方案的選取原則 9 地基及基礎的重要性 二、本課程的特點和學習要求 1 課程的特點： （ 1）地基及基礎課程涉及工程地質學、土力學、結構設計和施工幾個學科領域，內容廣泛、綜合性強； （ 2）課程理論性和實踐性均較強。 2學習要求： (1)學習和掌握土的應力、變形，強度和地基計算等土力學基本原理； (2)學習和掌握淺基礎和樁基礎的設計方法； (3)熟悉土的物理力學性質的原位測試技術以及室內土工試驗方法； （ 4）重視工程地質基本知識的學習，了解工程地質勘察的程序和方法，注意閱讀和使用工程地質勘察資料能力的培養(yǎng)。 第一章 土的物理性質及分類 1 1 概 述 1土的定義： 土是連續(xù)，堅固的巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經過不同的搬運方式，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以及氣體。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 一 、地質作用的概念 1地球的圈層構造： 外圈層：大氣圈、水圈、生物圈； 內圈層：地殼、地幔、地核。 構成天然地基的物質是地殼內的巖石和土。地殼的一般厚度為 30一 80km。 2地質作用 -導致地殼成分變化和構造變化的作用。 根據(jù)地質作用的能量來源的不同，可分為內力地質作用和外力地質作用 (1)內力地質作用 : 由于地球自轉產生的旋轉能和放射性元素蛻變產生的熱能等，引起地殼物質成分、內部構造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質作用。如巖漿作用、地殼運動 (構造運動 )和變質作用。 1)巖漿作用 -存在于地殼以下深處高溫、高壓的復雜硅酸鹽熔融體 (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 型的構造隆起和拗陷：水平運動表現(xiàn)為地殼巖層的水平移動，使巖層產生各種形態(tài)的褶皺和斷裂地殼運動的結果，形成了各種類型的地質構造和地球表面的基本形態(tài)。 3)變質作用 -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)性物質的滲入下，發(fā)生成分、結構、構造變化的地質作用。 (2)外力地質作用： 由于太陽輻射能和地球重力位能所引起的地質作用。它包括氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風、生物等的作用。 1)風化作用 -外力 (包括大氣、水、生物 )對原巖發(fā)生機械破碎和化學變化的作用。 2)沉積巖和土的生成 -原巖風化產物（碎屑物質），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或風等 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，在漫長的地質年代里， 沉積的物質逐漸加厚，在覆蓋壓力和含有碳酸鈣、二氧化硅、氧化鐵等膠結物的作用下， 使起初沉積的松軟碎屑物質逐漸壓密、脫水、膠結、硬化生成新的巖石，稱為沉積巖。未經成巖作用所生成的所謂沉積物，也就是通常所說的 “ 土 ” 。 3）風化、剝蝕、搬運及沉積 -外力地質作用過程中的風化、剝蝕、搬運及沉積，是彼此密切聯(lián)系的。風化作用為剝蝕作用創(chuàng)造了條件，而風化、剝蝕、搬運又為沉積作用提供了物質的來源。剝蝕作用與沉積作 用在一定時間和空間范圍內，以某一方面的作用為主導，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 二、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、化學成份和形態(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、結構和構造三方面。 巖石的結構 巖石中礦物顆粒的結晶程度、大小和形狀、及其彼此之間的組合方式。 巖石的構造 -巖石中礦物的排列方式及填充方式。 巖漿巖、沉積巖、變質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。 三 地質年代的概念 地質年代 -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的時代段落。 相對地質年代 -根據(jù)古生物的演化和巖層形成的順序，所劃分的地質年代。 在地質學中，根據(jù)地層對比和古生物學方法把地質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 )，每代又分為若干紀，每紀又細分為若干世及期。在每一個地質年代中，都劃分有相應的地層（參見表 1-6） 在新生代中最新近的一個紀稱為第四紀，由原巖風化產物（碎屑物質），經各種外力地質作用 (剝蝕、搬運、沉積 )形成尚未膠結硬化的沉積物 (層 )，通稱 “第四紀沉積物 (層 )”或 “ 土 ” 。 四 第四紀沉積物 (層 ) 不同成因類型的第四紀沉積物，各具有一定的分布規(guī)律和工程地質特征，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 一部分原巖風化剝蝕后的產物，而 另一部分則被風和降水所帶走。 2坡積物 坡積物是雨雪水流的地質作用將高處巖石風化產物緩慢地洗刷剝蝕、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堆積于山谷沖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)則交錯的層理構造，如具有夾層、尖滅或透鏡體等產狀 (圖 1 6)。 (二 )沖積物 (Q) 沖積物是河流流水的地質作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質剝蝕后搬運、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(Q”)、 湖泊沉積物 (Q)、 冰川沉積物 (Q”)及風積物 (Q”)等，它們是分別由海洋，湖泊、冰川及風等的地質作用形成的 1-3 土 的 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性質的重要因素。 (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，土的性質相應地發(fā)生變化，例如土的性質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?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 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?分數(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。 利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標，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土的某些性質。 1060ddCu 6010230dddC c (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受的風化作用。不同的礦物成分對土的性質有著不同的影響，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單位體積 (或質量 )的顆粒總表面積 (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，必然導致土的性質的突變，所以，土粒大小對土的性質起著重要的作用。 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)水可分為結合水和自由水兩大類： 1結合水 結合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在一起。 由于土粒 (礦物顆粒 )表面一般帶有負電荷，圍繞土粒形成電場，在土粒電場范圍內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(圖 1 13)。 雙電子層 (1)強結合水 強結合水是指緊靠土粒表面的結合水 (2)弱結合水 弱結合水緊靠于強結合水的外圍形成一層結合水膜。 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， 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)，土因而具有微弱的粘聚力，稱為毛細粘聚力。 (二 )土中氣 。 I 土中的氣體存在于土孔隙中未被水所占據(jù)的部位。 三 、土的結構和構造 土的結構是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結關系等因素形成的綜合特征。一般分為單粒結構、蜂窩結構和絮狀結構三種基本類型 。 在同一土層中的物質成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關系的特征稱為土的構造，土的構造最主要特征就是成層性即層理構造。土的構造的另一特征是土的裂隙性。 1 4 土的三相比例指標 上節(jié)介紹了土的組成，特別是土顆粒的粒組和礦物成分，是從本質方面了解土的性質的根據(jù)。但是為了對土的基本物理性質有所了解，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。 土的三相比例指標：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。 1 5 無粘性土的密實度 無粘性土的密實度與其工程性質有著密切的關系，呈密實狀態(tài)時，強度較大，可作為良好的天然地基，呈松散狀態(tài)時，則是不良地基。對于同一種無粘性土，當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、相對密實度等有關密實度的指標。 無粘性土的相對密實度為 m a xm a x m i nreeDee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 中密的 松散的 1 0 . 6 7rD0 . 6 7 0 . 3 3rD0 . 3 3 0rDrD 砂土的密實度 碎石土的密實度 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)轉到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫做界限含水量。 我國目前以聯(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 (省去符號 )，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。 p l pI w w 塑性指數(shù)的大小與土中結合水的含量有關 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。 ppll p pw w w wIw w I 用液性指數(shù)可表示粘性土的軟硬狀態(tài)，見表 4-14 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構性，當受到外來因素的擾動時，土粒間的膠結物質以及土粒，離子、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構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重塑(指在含水量不變條件下使土的結構徹底破壞 )后的強度之比來表示的。 utrqSq 土的觸變性 飽和粘性土的結構受到擾動，導致強度降低，但當擾動停止后，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的膠體化學性質稱為土的觸變性。 1 7 土的滲透性 土的滲透性一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質，或稱透水性。 地下水在土中的滲透速度一般可按達西 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)： v k i()v k i i 粘性土的達西定律 1 8 地基土 (巖 )的分類 地基土 (巖 )分類的任務是根據(jù)分類用途和土(巖 )的各種性質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，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合其他指標來確定地基的承載力等等。閱讀 33-39頁內容。 第二章 地基的應力和變形 研究地基的應力和變形，必須從土的應力與應變的基本關系出發(fā)來研究。當應力很小時，土的應力 應變關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 2 2 土中自重應力 在計算土中自重應力時，假設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力外，在豎直面上還作用有水平向的側向自 重應力。由于沿任一水平面上均勻地無限分布，所以地基土在自重作