东南大学基础工程讲稿

1东南大学远程教育基础工程第一章主讲教师童小东2本课程的教材高等学校推荐教材地基及基础（第三版）华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学编，中国建筑工业出版社，19983本课程的主要内容第1章绪论；第2章土的物理性质及分类；第3章地基的应力和沉降；第4章土的抗剪强度；第5章土压力、地基承载力和土坡稳定性；第6章地基勘察；第7章浅基础常规设计；第8章桩基础；第9章软弱土地基处理4第1章绪论一、地基及基础的概念二、本学科的发展概况三、本课程的特点和学习要求5一、地基及基础的概念建筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。受建筑物影响的那一部分地层称为地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。建筑物上部结构基础地基6基础上部结构地基建筑物三部分示意图7建筑物的上部结构、基础和地基三部分，功能不同，研究方法各异，但它们又是建筑物的有机组成部分，缺一不可、彼此联系、相互制约。所以，科学的、理想的方法是将三部分统一起来进行设计计算。依目前的理论水平，还很难做到这一点。尽管如此，我们在处理地基基础问题时，头脑里一定要有地基-基础-上部结构相互作用的整体概念，尽可能全面地加以考虑。8建筑物的地基和基础是建筑物的根本，它们一旦出现问题，建筑物的安全和正常使用必然受到影响。建筑物的事故，绝大多数都与地基和基础有关。组成地层的土或岩石是自然界的产物。建筑物建造在地层上面，所以建筑物场地的工程地质条件是决定地基基础设计和施工的先决条件。9研究土体的应力、变形、强度、渗流及稳定性的一门力学分支学科称为土力学。土力学是本课程的理论基础。土力学所要研究的两大基本问题是土体的变形和强度。10※地基基础设计必须满足的基本条件建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化，所以地基基础的设计必须满足：a.作用于地基的荷载不超过地基的承载能力（地基土的强度问题）；b.控制基础沉降使之不超过允许值（地基土的变形问题）。11基础浅基础深基础地基天然地基人工地基12二、本学科发展概况作为工程技术，基础工程是一项古老的工艺。如前所述，只要建造建筑物，注定离不开地基和基础，因此，作为一项工程技术，基础工程的历史源远流长。但人们只能依赖于实践经验的不断积累和能工巧匠的技艺更新来发展这项技术，囿于当时生产力发展水平，基础工程还未能提炼成为系统的科学理论。13作为应用科学，基础工程又是一门年轻的学科。作为本学科理论基础的土力学的发展历史可以划分为古典土力学和现代土力学两个阶段。14土力学古典土力学现代土力学一个原理两个理论一个模型三个理论四个分支(1923~1960)(1963~?)15在土建、水利、桥隧、道路、港口等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性，已发展融合成为一个自成体系的专业——“岩土工程”。它的研究方法是由三种基本手段（数学模拟、物理模拟和原位观测）综合而成。所谓岩土工程，即为土力学、工程地质学、水文地质学和岩体力学的结合。16三、本课程的特点和学习要求1.特点：本课程涉及水文地质学、工程地质学、土力学等几个学科领域，内容广泛、综合性强。2.学习要求：牢固掌握土力学中的基本概念和基本原理，做到能够应用这些基本概念和基本原理，结合有关建筑结构理论和施工知识，分析和解决地基基础问题。17童小东南京东南大学土木工程学院P.C.：210096Tel：[phone](O)，3791829(O)，025-3794969(H)E-mail：[e-mail]18东南大学远程教育基础工程第二章主讲教师童小东19第2章土的物理性质及分类第1节概述第2节土的组成第3节土的三相比例指标第4节无粘性土的密实度第5节粘性土的物理特征第6节土的渗透性第7节地基土（岩）的分类20第1节概述※土是岩石风化的产物。风化作用物理作用：岩石产生量的变化化学作用生物作用岩石产生质的变化21※土是三相体。土液相（水）气相（气）固相（土颗粒）土残积土运积土风成沉积土水成沉积土冰川沉积土22※饱和土中的孔隙均被水所充填，所以饱和土为二相体。23第2节土的组成一、土的固相（一）土的颗粒级配※按土颗粒粒径（d）大小将土颗粒分组，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。巨粒：60mm粗粒：0.075~60mm细粒：≤0.075mm土的粒组24※土颗粒的大小及其组成情况，通常以土中土颗粒各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。※土的颗粒级配可由土的颗粒大小分析试验（简称颗分试验）测定。筛析法密度计法d0.075mm移液管法d0.075mm颗分试验25根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径，用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示）。颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的均匀程度。曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。26※几个特殊粒径：d10,d30,d60小于某粒径的土颗粒质量累积百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。与之类似可以得到d30和d60（限定粒径）。※土颗粒的级配指标：不均匀系数Cu=d60/d10曲率系数Cc=(d30)2/(d60×d10)27Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大，表示土颗粒大小的分布范围越大，其级配良好。Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。在一般情况下，Cu5，均粒土，为级配不良10，级配良好28Cu≥5Cc=1~3级配良好砾类土或砂类土单独用Cu来确定土的级配情况是不够的，需同时参考Cc。29（二）土粒的矿物成分矿物成分对土的性质有着重要影响，其中以细粒组的矿物成分最为重要。原生矿物：包括石英、长石和云母等。为岩石物理风化的产物，化学性质稳定或较为稳定。次生矿物：为原生矿物化学风化的产物。土颗粒的矿物成分原生矿物次生矿物30次生矿物主要是粘土矿物。由于晶片结合的情况不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物，主要有蒙脱石、伊里石和高岭石。硅氧四面体硅氧晶片铝氢氧八面体铝氢氧晶片的基本单元粘土矿物结构31蒙脱石：亲水性强（吸水膨胀、脱水收缩）伊里石：亲水性中等高岭石：亲水性差32二、土的液相土中水结合水自由水强结合水弱结合水重力水毛细水※土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。33三、土的气相土孔隙中未被水所占据的部位由气体充填。土中的气体若与大气相通，则对土的力学性质影响不大;若与大气隔绝，使土的压缩性提高，透水性减小。34四、土的结构和构造土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构絮状结构：d0.005mm（粘粒在海水中）蜂窝结构：d=0.005~0.075mm（粉粒）单粒结构：d0.075mm分散结构：d0.005mm（粘粒在淡水中）紧密疏松35第3节土的三相比例指标※土的三相比例指标定量反映了土的三相的组成情况，有助于理解土的基本物理性质。土液相（水）气相（气）固相（土颗粒）※土是三相体。36为了对土的基本物理性质有所了解，需要对土的三相的组成情况进行定量研究。表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标，包括土粒比重ds、含水量w、密度ρ、孔隙比e、孔隙率n和饱和度Sr。※土粒比重ds：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。在数值上等于土粒密度，但无量纲。在试验室用“比重瓶法”测定，一般土粒比重的变化幅度不大。37※土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比。在试验室一般用“烘干法”测定。一般来说，同一类土，当含水量增大时，其强度就降低。土的密度干密度饱和密度有效密度干重度饱和重度有效重度※土的密度ρ：土单位体积的质量。在试验室一般用“环刀法”测定。38※土的孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比。可以用来评价天然土层的密实程度。※土的孔隙率n：土中孔隙体积与土体总体积之比。※土的饱和度Sr：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。39第4节无粘性土的密实度※无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系。呈密实状态时，为良好地基；呈疏松状态时，为不良地基。※无粘性土的最小孔隙比emin：处于最紧密状态的孔隙比。在试验室可用“振击法”测定。※无粘性土的最大孔隙比emax：处于最疏松状态的孔隙比。在试验室可用“漏斗法”或“量筒法”测定。40无粘性土的相对密实度Dr：无粘性土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。Dr=(emax-e)/(emax-emin)相对密实度的值介于0~1之间，值越大，表示越密实。41第5节粘性土的物理特征一、粘性土的界限含水量同一种粘性土随着含水量的不同，可分别处于固态、半固态、可塑状态和流动状态。粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称为界限含水量。0固态半固态可塑状态流动状态缩限ws塑限wp液限wlw42液限仪锥式液限仪碟式液限仪塑限：搓条法液限塑限液限：液塑限联合测定仪横坐标：土样含水量纵坐标：圆锥入土深度43二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数Ip为液限和塑限的差值，表示土处于可塑状态的含水量变化范围。塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素(土的颗粒组成，土的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等)。液性指数Il为粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值。44液性指数可以表示粘性土所处的软硬状态。液性指数的值越大，表示土质越软。三、粘性土的灵敏度和触变性土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土的结构被彻底破坏）后的强度之比。土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多。施工中要尽量减少对土结构的扰动。45土的触变性：粘性土的结构遭到破坏，其强度就会降低，但随着时间发展土体的强度会逐渐恢复，这种胶体化学性质称为土的触变性。46第6节土的渗透性土的渗透性：水流通过土中孔隙难易程度的土体性质。达西定律：土中渗流速度v与水力梯度i之间呈线性比例关系（比例常数k称为渗透系数）。公式表示为：v=ki在砂性土中水的流动满足达西定律。47在粘性土中只有当水头梯度超过起始梯度（临界梯度，梯度阈值）才开始发生渗流。48第7节地基土（岩）的分类一、岩石的工程分类（一）岩石按坚硬程度分类1.硬质岩石（qu≥30MPa）2.软质岩石（qu30MPa）（二）岩石的风化程度1.微风化2.中等风化3.强风化49二、土的工程分类一般土粗粒土细粒土砾类土：2~60mm砂类土：0.075~2mm粉土：0.075mm粘土：0.075mm巨粒土：60mm特殊土：软土、黄土、膨胀土等工程用土50※土按有机质含量（Wu）的分类土无机土：Wu5%有机质土：10%≥Wu≥5%泥炭质土：60%≥Wu10%泥炭：Wu60%注：有机质含量Wu按烧失量试验确定。【引自中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）】51※软土：指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用下形成的软弱土。物理力学特性软土的天然孔隙比大：e1天然含水量高：w≥wl压缩系数高渗透系数小抗剪强度低灵敏度高52淤泥：e≥1.5淤泥质土：1.5e≥1.0软土53三、细粒土按塑性图分类※粗、细粒组的分界粒径：0.075mm。土粗粒土：按颗粒大小及级配分类细粒土：按塑性图分类土的塑性指数虽然是划分细粒土的良好指标，但是塑性指数反映的只是一个相对的含水量范围，具有相同的塑性指数，液、塑限却可能完全不同，土性也可能很不相同。54细粒土的科学合理的分类，应综合考虑塑性指数和液限（或塑限）。0IpwlⅢⅠMLMHCHCL40Ⅰ:Ip=0.63(wl-20)Ⅱ:Ip=10Ⅲ:wl=40%Ⅱ55有机质土可在相应的土类代号之后缀以代号O，如CHO，MHO等。《土的分类标准》：1.粗粒土（试样中粗粒组质量≥总质量的50%）；2.细粒土（试样中细粒组质量≥总质量的50%）；3.含粗粒的细粒土（试样中粗粒组质量为总质量的25~50%）。56※关于几个问题的讨论1.“含水量”的名称