土力学地基基础电子教材.docx

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土力学地基基础电子教材

绪论

一、土力学、地基与基础的概念：

1．地基——位于建筑物基础的下方，支承建筑物荷载的那部分地层。

土——地球表面的大块岩石经风化、搬运、沉积而形成的松散堆积物，称为土。

2.土力学：

土力学——利用力学的一般原理，研究土的应力、应变、强度、稳定和渗透等特性及其随时间变化规律的学科，称为土力学。

3．基础：

基础——建筑物的一部分，位于地面以下，承受上部结构传来的荷载，形状是扩大的那部分下部结构，称为基础。

4．地基与基础设计的原则：

安全、经济综合考虑地基、基础和上部结构三者之间的相互关系。

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。

（安全系数）

2．控制基础沉降使之不超过允许值，保证建筑物不因地基沉降而损坏或者影响其正常使用。

二、本课程的特点和学习要求：

土力学的基本原理：

①应力——应变关系②强度理论③地基的计算

如遇相关课程的内容，本课程只是引用，而重点是要求理解其意义及应用条件，切不可把注意力放在相关课程公式的推导上。

3.本课程的学习要求：

运用基本原理，具体问题具体分析。

因此，最重要的是理论联系实际，提高分析问题解决问题的能力。

结合实验了解土力学常规参数的获取方法。

三、本学科的发展概况（简要介绍）

第一章土的物理性质及分类

1.土力学的研究对象：

土

土——土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。

2．土的组成

土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、轻重、松紧、软硬等。

这就是土的物理性质。

＊土的生成（简要介绍）

一、地质作用的概念（简单介绍）

二、矿物与岩石的概念（简单介绍）

三、地质年代的概念（简单介绍）

四、第四纪沉积物（简单介绍）

§1-1土的组成及其结构与构造

一、土的固体颗粒（重点讲解）

（一）土的颗粒级配

1．土颗粒的大小直接决定土的性质

2．粒径——颗粒直径大小

3．粒组——为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别即称为粒组。

粒组的划分：

2006020.0750.005mm

漂石卵石砾石砂粒粉粒粘粒

4．颗粒级配——土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。

颗粒级配的测定方法：

——筛析法、比重计法

试验成果分析：

①颗粒级配累积曲线（半对数坐标）

分析

②不均匀系数（Cu）

式中：

d60——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为限定粒径d60。

d10——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。

③曲率系数（Cc）

式中：

d30——当小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。

Cc——曲率系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。

Cc=1~3时级配良好

（二）土粒的矿物成分（简要介绍）

漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。

（与每岩相同）

砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。

如石英等。

粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。

粘土矿物由两种原子层构成，主要类型

粘土矿物的特点：

细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。

二、土中的水和气

（一）土中水

1.结合水

——指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。

（1）强结合水

——指紧靠土粒表面的结合水。

特征：

没有溶解盐类的能力，不传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。

物理指标：

容度1.2~2.4g/cm3固体状态

冰点-78℃

砂土吸度占土粒质量1%、粘土17%。

特点：

极大的粘滞度，弹性和抗剪强度。

（2）弱结合水

——指紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。

介绍如何对粘性土的塑性产生影响。

特征：

不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜转移。

2．自由水

——指存在于土粒表面电场影响范围以外的水。

特点：

能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。

（1）重力水

——存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。

特点：

①有流动时，产生动水压力，带走土颗粒；

②能溶解土中的盐类；③浮力作用。

作用：

使土中的孔隙增大，压缩性提高，抗剪强度降低。

（2）毛细水

受水与空气界面的表面张力作用而存在于孔隙中的自由水，一般存在于地下水位以上的透水层中。

机理：

当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面与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，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。

存在范围：

直径0.002~0.5mm的孔隙中，结合工程事例讲解防潮层的作用。

3．冰

当温度降至零度以下，水结成冰，土即为冻土。

冻胀性的危害：

当T↑，土体下陷，即融陷现象，使承载力下降，道路翻浆。

（二）土中气（简要介绍）

土中的气体

成份：

三、土中的结构和构造

（一）土的结构

土的结构——指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。

分类：

土的结构

结合基坑的开挖，讲解工程事例中如何开挖不破坏土的结构性，以及基坑开挖要求．

（二）土的构造

土的构造——指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征。

§1-2土的物理性质指标

一、指标的定义

（一）土粒比重（土粒相对密度）ds

定义：

土粒质量与同体积4℃的纯水的质量之比

公式：

测定方法：

比重瓶法

（二）土的含水量ω

定义：

土中水的质量与土粒质量之比，称为含水量

公式：

意义：

表示湿度的物理指标，与土的种类，埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。

测定方法：

烘干法。

（三）土的密度ρ

定义：

土单位体积的质量

公式：

单位：

g/cm3t/m3

测定方法：

环刀法

（四）土的干密度ρd，饱和密度ρsat和有效密度ρ′

1．干密度

定义：

土单位体积中固体颗粒的质量（干燥状态）

公式：

2．饱和密度

定义：

土孔隙中充满水时的单位体积质量

公式：

3．有效密度（浮密度）

定义：

在地下水位以下，单体土体积中土粒的质量扣除用体积水的质量后，即为单位土体积中土粒的有效质量。

公式：

（五）重度γ，干重度γd饱和重度γsat，有效重度γ′

定义：

重度——单位体积的重力

公式：

γ=G/V

单位：

kN/m3

换算公式：

γ=ρ·g

（六）土的孔隙比e，和孔隙率n

1．土的孔隙比

定义：

土中孔隙体积与土粒体积之比。

公式：

（用小数表示）

意义：

用来评价天然土层的密实程度

2．土的孔隙率

定义：

土中孔隙所占体积与总体积之比。

公式

e与n的关系：

（七）土的饱和度Sr

定义：

土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比

公式：

意义：

是评价土的潮湿程度的指标

二、指标的换算（选取几个典型的公式推导，建立指标之间相互联系的概念）

§1-3土的物理状态指标

一、无粘性土的相对密实度

式中：

emax——土处于最疏松状态时的孔隙比

emin——土被振击后最密实状态下的孔隙比

e——天然孔隙比

意义：

评价土的密实程度

二、粘性土的稠度及界限含水量

界限含水量——粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量，称为界限含水量。

包括：

缩限、塑限、液限。

测定方法：

塑限：

联合测定仪搓条法

液限：

锥式液限仪（碟式少用）

三、粘性土的塑性指数和液性指数

（一）塑性指数IP

用百分数表示，但省去%

意义：

IP值的大小与粘粘含量有关

（二）液性指数Iw

意义：

表示粘性土软硬程度的物理指标

四、粘性土的灵敏度和触变性

（一）灵敏度（St）

意义：

（二）触变性

触变性——粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为触变性。

§1-3土的渗透性

一、土的渗透性

渗透性——指水流通过土中孔隙难易程度的性质。

意义：

渗透性好坏影响地下水的补给、排泄条件。

二、渗透定律（达西定律Darcy）

υ=ki

式中：

υ——水在土中的渗透速度cm/s

k——土的渗透系数cm/s

i——水力梯度

三、渗透系数的测定

§1-４土（岩）的工程分类

一、岩石的工程分类

（一）按坚硬程度分类

（二）按成因分类

（三）按风化程度分类

（四）按软化系数分类

二、碎石类土

定义：

粒径>2mm的颗粘含量超过全重的50%。

三、砂类土

定义：

粒径>2mm的颗粒含量不超过全重的50%

粒径>0.075mm的颗粒超过全重的50%

分类：

四、粉　土

定义：

粒径>0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%，塑性指数IP≤的土

分类：

五、粘性土

定义：

指塑性指数IP>10的土。

（一）按沉积年代分类

（二）按塑性指数分类

六、特殊土

（一）软土

——指沿海的滨海相、三角洲相、平原、山区的沼泽相等主要由细粒土组成的孔隙比大（>1）天然含水量高（接近或大于WL）压缩性高和强度低的土层。

（二）人工填土

——由人类活动而堆填的土

（三）湿陷性土（黄土）

——指土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。

评价：

按P=200kPa时的湿陷量δ表示。

（四）红粘土

——指碳酸盐岩系出露的岩石，经“红土化作用”形成并覆盖于基岩上的棕红色高塑性粘土。

特征：

ωL>50收缩性不均匀性

当ω在45~50之间时称为次生红粘土

（五）膨胀土

——指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物组成的粘性土。

特征：

含蒙托石、伊里石吸水膨胀、失水收缩

（六）风化岩和残积土

风化岩——指岩石在风化营力等作用下，使其结构、成分、性质等产生不同程度变异的岩石。

残积土——岩石完全风化后未经搬运的残积物。

特点：

不均匀性易产生不均匀沉降。

（七）冻土

多年冻土——指土的温度等于或低于零度，含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。

特点：

冻胀、融陷

（八）混合土

——由级配不连续的粘粒、粉粒、砾粒和巨粒组组成。

（九）盐渍土

——指易溶盐含量>0.5%，且具有吸湿、松胀等特性的土。

分类：

七、细粒土按塑性图分类

第二章地基的应力计算

概　　述

一、土中的应力

土中的应力

二、研究意义

土中的应力→引起应变→开裂、歪斜、破坏所以研究土中的应力、沉降、对于保证建筑物的正常使用、安全、经济具有很大的意义。

三、研究方法

实用简化方法：

①土为均质的线性变形体。

②地基是均匀、连续各向同性的半元限体。

§2-１土中自重应力

一、自重应力的定义

——由土体自身重力引起的应力称为自重应力。

二、自重应力的计算

大小：

方向：

垂直向下。

规律：

随深度的增加而增加。

其它方向上：

式中：

K0——土的侧压力系数

单位：

kPaPa

三、几种情况下的自重应力计算

1.土是由多层土构成的

式中：

——第i层土的无然重度，水下取有效重度。

2.不透水层（隔水层）

例如：

坚硬的粘土层、基岩等

在不透水层中存在水的浮力，作用在不透水层层面及层面以下的土的自重应力，等于上覆土和水的总重。

四、自重应力分布图

沿深度用一定比例的浅段表示自重应力的大小，即自重应力分布图为一折线图，遇地下水时，折线往