清华大学《土力学与地基基础》

土力学与地基基础主讲:马虹教材:《土力学与基础工程》主编:赵明华出版社:武汉理工大学出版社目录第一章绪论····················································3第二章土的物理性质与工程分类···················第三章土中应力·············································第四章土的变形性质与地基沉降计算·············第五章土的抗剪强度······································第六章土压力、地基承载力和土坡稳定·········第七章浅基础设计··········································171第八章桩基础设计··········································第一章绪论一、土力学、地基及基础的有关概念1.地基—支撑建筑物荷载、且受建筑物荷载影响的那一部分地层称为地基。地基有天然地基和人工地基之分。2.基础--建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础。基础有浅基础和深基础两种类型。3.土—地壳表面的岩石经风化、搬运、沉积而形成的松散颗粒的集合体，在建筑工程中，称为土。（1）风化作用：物理风化、化学风化。（2）土的作用：基土;土料;建筑物周围的介质或护层。（3）土的物理特性：土与其它建筑材料相比，除了强度低，质地不均匀之外，还有以下特性：①三相组成；②多孔性；③散体性；④徐变，既有弹性变形，又有塑性变形。多孔性和散体性是土的主要特性。（4）土的工程特性：①强度低;②压缩性高;③透水性大。4.土力学--研究土的应力、变形、强度、稳定、渗透等特性以及这些特性随时间变化规律的一门力学学科，称为土力学。5地基基础设计的两个基本条件：(1)要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备（强度条件）；(2)控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用（变形条件）。二、本课程的特点和学习要求1.课程的特点（1）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；（2）课程理论性和实践性均较强。2.学习要求：(1)学习和掌握土的应力、变形、强度和地基计算等土力学基本原理；(2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；(3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内土工试验方法；三.本课程的重要性1.地基与基础工程工期长，造价高；2.地基与基础工程在地面之下，属于隐蔽工程。四、土力学的发展简况1.十八世纪中叶以前——感性认识阶段；2.十八世纪产业革命至二十世纪初——半经验分析阶段；3.二十世纪以后——理论与实践相结合的研究阶段。第二章土的物理性质及分类2—1概述土的三相组成：土是由固体土颗粒(固相)、水(液相)和气体(气相)所组成的三相体系。2-2土的三相组成及土的结构一土的固体颗粒土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。(一)土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。表l-8提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限粒径200、20、2、0．05和0．005mm把土粒分为六大粒组：漂石块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。土粒的大小及其组成情况，通常以土中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。颗粒分析试验：筛分法；比重计法根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图1—10所示的颗粒级配累积曲线由曲线的坡度可判断土的均匀程度有效粒径；限定粒径。利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如与的比值称为不均匀系数：又如曲率系数用下式表示：不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况，越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度．曲率系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。1060ddCu6010230dddCc(二)土粒的矿物成分土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。1、六大粒组的矿物成分漂石、卵石、圆砾等粗大颗粒；砂粒；粉粒；粘粒。2、粘土矿物的比表面由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积(或质量)的颗粒总表面积(称为比表面)来表示。由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质起着重要的作用。二、土中的水和气体(一)土中水在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：1．结合水结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。由于土粒(矿物颗粒)表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子(如Na’、Ca”、A1”等)一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子(氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷)，它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列(图1—13)。双电子层(1)强结合水强结合水是指紧靠土粒表面的结合水(2)弱结合水弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。2自由水自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。(1)重力水重力水是存在于地下水位以下的透水层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。(2)毛细水毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水．毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细上升水(与地下水相连)两种。当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧(图1—14)，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。(二)土中气。I土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。三、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。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造，土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征是土的裂隙性。2—3土的物理性质指标（三相比例指标）上节介绍了土的组成，特别是土颗粒的粒组和矿物成分，是从本质方面了解土的性质的根据。但是为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相——土粒(固相)、土中水(液相)和土中气(气相)的组成情况进行数量上的研究。土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。2—4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，强度较大，可作为良好的天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。对于同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、稍密直到松散状态。以下介绍与无粘性土的最大和最小孔隙比、相对密实度等有关密实度的指标。无粘性土的相对密实度为maxmaxminreeDee根据值可把砂土的密实度状态划分为下列三种：密实的中密的松散的10.67rD0.670.33rD0.330rDrD砂土的密实度碎石土的密实度2—5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，而分别处于固态、半固态、可塑状态及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，叫做界限含水量。我国目前以联合法测定液限和塑限二、粘性土的塑性指数和液性指数1、塑性指数是指液限和塑限的差值(省去％符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。plpIww塑性指数的大小与土中结合水的含量有关2、液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。ppllpp用液性指数可表示粘性土的软硬状态，见表4-14三、粘性土的灵敏度和触变性天然状态下的粘性土、通常都具有一定的结构性，当受到外来因素的扰动时，土粒间的胶结物质以及土粒，离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，土的强度降低和压缩性增大．土的结构性对强度的这种影响，一般用灵敏度来衡量。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑(指在含水量不变条件下使土的结构彻底破坏)后的强度之比来表示的。'utrqSq土的触变性饱和粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐增长。粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。2—6土的渗透性土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质，或称透水性。地下水在土中的渗透速度一般可按达西Darcy)根据实验得到的直线渗透定律计算，其公式如下(图1—25)：vki'()vkii粘性土的达西定律2—8地基土(岩)的分类地基土(岩)分类的任务是根据分类用途和土(岩)的各种性质的差异将其划分为一定的类别。土(岩)的合理分类具有很大的实际意义，例如根据分类名称可以大致判断土(岩)的工程特性、评价土(岩)作为建筑材料的适宜性以及结合其他指标来确定地基的承载力等等。阅读33-39页内容。第三章土中应力计算概述研究地基的应力和变形，必须从土的应力与应变的基本关系出发来研究。当应力很小时，土的应力·应变关系曲线就不是一根直线(图2—1)，亦即土的变形具有明显的非线性特征。假设地基土为均匀、连续、各向同性的半空间线性变形体。3—1土的自重应力一、单层土中自重应力的计算在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重计算(图2—2)，即：地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖向变形，而不能有侧向变形和剪切形。czz0cxcyczK0xyyxzx必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力又是影响土体强度的—个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。以后各章节中把常用的竖向有效自重应力，简称为自重应力。cz二、成层土中自重应力的计算地基土往往是成层的，成层土自重应力的计算公式：1nciiih自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图2—4)。[例题2—7]某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标列于例图2·1中。试计算地面下深度为2.5m、5m和9m处的自重应力，并绘出分布图。[解]本例天然地面下第一层粉土厚6m，其中地下水位以上和以下的厚度分别为3.6m和2.4m，第二层为粉质粘土层。依次计算2.5m、3.6m、5m、6m、9m各深度处的土中竖向自重应力，计算过程及自重应力分布图一并