土木工程专业英语 课件 教学PPT 作者 戴俊 第15单元Word文档下载推荐.docx
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这可以通过考虑一小的三角形单元平衡条件来证明，该三角形以一垂直平面、一水平平面和一45°
斜面为边界。
如果垂直作用于垂直平面的压力是p，则该面上的力是pA，式中A是该平面的面积。
由于在下水平面没有剪应力，水平力pA必须由一个斜面上的力分量来平衡。
因而这一分量也必须是pA。
因为这一平面上的剪应力也是零，因此也必须有垂直力pA，以便该面上的合力与该面垂直。
这一垂直力必须与单元体的下水平面上的垂直力平衡。
由于单元底面的面积也是A，作用于斜面上的压力是p，等于垂直面上的压力。
利用小几何体，可以表示出这种压力通过同一点作用在每个平面上。
这通常表示为帕斯卡原理。
如果水静止（即，当没有水流动时），水中的压力由计算点相对于水面的位置决定。
如斯蒂文所示，充满水容器底部的水压力大小只依赖于水柱高度和水的比重，而与容器形状无关。
每种情况下，容器底部压力为
p=
d,
（1）
式中
为水的比重，d为水面以下深度。
底面上的总垂直力为
dA。
只有在容器仅有垂直面时，这一总垂直力等于容器中水的总重量。
斯蒂文指出，对其它类型容器，底部总力等于
通过考虑水体的平衡，并考虑到容器壁上每一点的压力一定总是与壁面垂直，可以对之做出证明。
容器类似于含有其空隙空间土体。
可以得出结论，如果空隙空间中的水形成连续体，则土中的水满足静力学原理。
在土单元上，法向应力和剪应力都可能作用。
然而，最简单的情况是，各项同性法向应力的情况。
假设作用在各个方向上的应力大小为
。
在土体内部，对通过中心界面的情况，该应力由水孔隙压力和颗粒中的应力传递。
颗粒中的应力部分是作用于颗粒间接触点的集中力产生的，部分是由几乎完全包裹在颗粒周围的水的压力产生的。
可以预料，颗粒骨架的变形几乎完全由接触点上的集中力决定，因为在这些接触点结构只有滑动和转动变形。
水压力使得所有颗粒同等受压。
因此，这一压力作用于断面的整个面积，从总压力中减去p，可得到测量接触压力的量
还可以讨论，当颗粒之间没有接触力时，作用于孔隙水中的压力为p时，这一同样的力也将作用于所有颗粒上，因为颗粒完全被空隙流体包裹着。
这种情况下，变形是压力p引起的颗粒和水的压缩。
晶体和水是非常刚性的材料，具有的弹性模量大，约为钢的1/10。
因此这种情况下的变形是很小的（比如10−6），而且相对于通常在土中观察到的大变形（10−3-10−2）可以忽略不计。
这些因素表明，引入总应力和孔隙压力的差似乎是有意义的，
（2）
量
定义为有效应力。
有效应力是对作用于粒状材料接触点的集中力的度量。
如果p=
，则
=0，那么，这意味着在接触点上没有集中力。
但这不意味着颗粒中的应力是零。
因为在颗粒中总存在一等于周围水压力的应力。
如上所述，基本想法是粒状材料的变形几乎完全由颗粒接触点的集中力的变化所决定。
平均意义上，这些变形用有效应力描述，这一概念是太沙基引入的。
当然，方程
（2）也可写成
（3）
太沙基的有效应力原理通常表述为“总应力等于有效应力加孔隙压力”，但应该注意到，这只适合于法向应力。
剪应力只能通过颗粒骨架传递。
还可以注意到，这一概念的基础是两个假定，即与土总体比较，颗粒是非常刚性的，以及颗粒的接触力很小。
对于正常土，这些假定是合理的，但对于多孔岩石这些假定可能不成立。
对岩石，其压缩性必须考虑，这将导致对公式作小的修正。
为了实现将总应力分解为有效应力和孔隙压力的广义化，应该注意到空隙中的水对剪应力的传递没有贡献，因为孔隙压力大体上是各向同性的。
尽管在流体中，粘性剪应力可能会产生，但其幅值仍然小于孔隙压力几个量级，也小于土中可能出现的剪应力。
由此，式（3）的广义化为
（4）
这常称为有效剪应力原理。
它是土力学的基本原理之一。
符号
，有效应力加撇，表示强调，是通常的做法。
总应力用
表示，不加撇。
尽管方程（4）很简单，似乎微不足道，但在某些出版物中，可以发现不同的表达形式，特别是如下形式的关系
，其中n是孔隙率。
这一公式后面的思想是，孔隙水压力仅作用于孔隙中，因而为了得到颗粒骨架中的应力量度，必须从总应力
中减去量np。
这似乎是有意义的，它甚至可以给出颗粒中平均应力的正确值。
但它忽略了：
土的变形首先不是由每个颗粒的变形决定的，而主要是由颗粒骨架的几何特性改变决定的。
如果人们希望研究应力对颗粒本身性质的影响（如：
光弹性或压电效应），则这一平均的颗粒应力可能是有用的，但对于研究土的变形，则是没有用的。
太沙基的土变形主要由接触力决定的观念只能直接导致有效应力的概念，因为只有我们写着
，当没有接触力时，有效应力才会消失。
为了获得接触力的良好度量，必须认为孔隙压力作用于整个表面。
方程（4）可以写成矩阵符号，为
（5）
为克罗尼克三角形，或单位矩阵。
其定义为
（6）
土中有效应力的计算是土力学的主要问题之一。
因为有效应力决定变形，因此有效应力是重要的。
在下一章，将针对最简单的情况，一维变形情况，图示出确定有效应力的步骤。
在后面的章节，将考虑更一般的情况，包括流动地下水的效应。
第16单元
基础
设计来由地层支撑的所有结构，包括：
建筑物、桥梁、土堤、土石及混凝土坝等，都由两个部分组成。
它们是上部结构和下部结构，下部结构介于上部结构和支撑土层之间。
对土堤和大坝的情况，上部结构与下部结构之间无明显的分界。
基础可以定义为下部结构，而且它与受下部结构和其本身载荷影响的土体或岩石区域邻近。
基础工程师是利用其经验和培训能够提出有关工程系统基础部分设计问题答案的人员。
本文中，基础工程定义为应用土力学与结构力学原理及工程判据（“工艺”），解决界面连接问题的科学和技术。
基础工程师直接关注影响载荷从上部结构转移到土体的结构构件，以便因此产生的土体稳定和估计变形是可容忍的。
由于下部结构的几何和位置设计对土体的响应方式有影响，因此基础工程师对结构设计中必须相当精通。
结构，如从最小的住宅到最高的高层建筑的房屋，及用于转移上部载荷的桥梁基础。
这些载荷来自于柱形构件，应力集中范围从钢的（或许）140MPa到混凝土的10MPa，再到土的支撑能力，这很少超过500kPa，大多数在200到250kPa量级。
如果财力不受限制，几乎各种合理的结构都可以建造，并得到安全支撑。
不幸的是，实际中这种情况极为少见，即便有，也很少，而且基础工程师要在远离理想的条件下进行困难选择。
此外，即使错误可能掩盖，但错误导致的结果是不能掩盖的，而且相当快显现出来，或许是在法规有效期限内就显现出来。
有许多报告的案例，基础缺陷（如：
墙开裂或机械设备破坏）在几年后就显现出来了，还有案例的缺陷在上部结构施工期内或施工刚完成就显现出来了。
由于下部结构处于地表以下，或在上部结构下方，形成难以通达的外形，或许上部结构就位后基础缺陷发展，因此通常做法都是很保守的。
在这些部位，基础的潜在投入回报将比设计值增大1-2%，超过上部结构的资金投入潜在回报。
设计者总是面临这样的问题：
在满足现场天然土不可避免非均质性的同时，什么构成了安全、经济的设计。
当今，这样的问题可能还伴随着要求进行区域改造的土地缺乏，这样的区域过去一直用作卫生填埋场、垃圾场或甚至作为有害废料倾倒场。
然而，另外的复杂因素是，施工行为可能大大改变土的性质，使之不同于基础初始分析/设计的土性质。
这些因素使得基础设计的量化变得非常主观和困难，以至于两家设计公司可能提出性能同等满足要求但完全不同的设计。
成本将可能成为优选出设计的判别指标。
例如：
这一问题及非常不同的答案将取决于以下要素。
1.满足要求的、容许的沉降是什么？
将或应该花多少额外费用来减少估算的沉降，如减少30-15mm？
2.客户是否已经愿意批准适当的土勘察方案？
土钻孔表明了哪些种类的土体变化？
补充钻孔将改进基础建议吗？
3.建筑物通过使用下列基础形式可以由土层支撑吗？
a）扩展基础——最小费用。
b）筏板基础——费用居中。
c）桩或沉箱基础——费用为扩展基础的几倍。
4.就共同安全而言，基础破坏的结果是什么？
如果基础性能不足，导致法律诉讼的可能性有多大？
5.对基础而言，可用经费足够吗？
没有听说过，单独在基础上花费很多，结果使得工程经济上不可行的情况。
从基础费用能够承担的角度，放弃一些场地可能是必须的。
6.当地施工力量的能力怎样？
如果没有人能够建造，或如果设计十分异样，合同商在投标书中包含了很多的“不确定性”，则设计精细的基础几乎是没有意义的，
7.基础工程师的工程能力是什么？
虽然这些因素排在后面，但在经济设计中，它不是不重要的。
很明显，正像其它职业（律师，医生等）和行业（如：
木匠，电工和油漆工）一样，工程师们具有的能力水平是不同的。
如果因为费用的削减（实际上暗含接受了较高的风险）引起基础破坏，客户将趋于失去对削减带来暂时性经济利益的正确评价。
在这一点上，由于面临严重的损失和/或法律诉讼，客户可能在工程各牵涉方中处于最差的精神状态。
因而，我们应该记住，绝对的美元经济可能不会产生良好的基础工程。
基础工程师必须看到整个系统，建筑目的，可能服务寿命内的载荷，结构类型，土体剖面，施工方法，与客户/业主需要一致的，而不过多降低环境的设计要求的建筑成本。
这必须通过考虑公众和业主容许的风险水平所决定的安全因素来决定。
考虑到这几个方面的不确定性，接下来的对基础工程牵涉人员的风险和责任保险是很花钱的。
在试图减少这些成本以及得到来自几个工程公司的设计（即：
“一致性”设计）的过程中，将进行积极的讨论（而且这种做法已经被几个部门所采用），让基础工程师将他们的设计提交给由有资历工程师组成的委员会，进行同行评价。
第17单元
决定静力桩承载力的土性质
对于静力桩（和群桩）的承载力分析，需要土的内摩擦角ф和粘结力c。
由于有的设计者使用不排水（总的）应力参数，立刻引起了争议，而其他设计者——特别是近期——使用了有效应力值。
对于波动方程分析法，需要使用变形的弹性恢复值（地震，Q）和阻尼常数。
侧向桩分析法要求使用路基反应的侧向模量ks或侧向应力应变模量Es。
对后面的这两个参数，使用环境决定是侧向值重要，还是水平值重要。
土的性质可以在实验室用“未扰动”试件进行三轴试验确定。
对于先成孔，后安装的桩，这样确定的土参数是相当满意的，但对于打入桩，却有很大误差。
对于打入桩，由于桩附近的土经历了很大的改变，含水量改变，以及通常的密度增加（或颗粒压实），实验室三轴试验参数不是很可靠。
由于这些变化的高度不确定性，在当前的实验室试验中，还没有方法有信心地复制土体。
因而，如果采用实验室试验，那么试验最好是在原位的“未扰动”试样上进行，而后利用经验将试验获得的数据外推，求得设计参数。
因此，虽然有更多采用CPT（静力触探试验）法或PMT（旁压试验）法（剪切板试验用得不多）以获得现场参数的动作，但SPT（标准贯入实验）法得到了广泛应用。
无粘性材料（砂，多碎石沙，淤泥砂等）中，大多数桩设计都以SPT法的N值为基础。
粘性地层中的桩设计通常以无侧限抗压强度qu试验（携便式贯入度仪，压力试验仪，实验室剪切板，手持式携便大小的称为扭剪仪的剪切强度试验仪）为基础，试验主要在来自SPT法的受到高度扰动的试件上进行。
然而，CPT法在粘性地层（和粉砂和粉淤泥砂）中得到较多应用，因为进行过这些试验的人相信，可以获得更好的设计参数。
SPT法的N值应该调整到标准能量——或N70或N55，这取决于可用的数据库和实用程序。
打入沙土中的桩总是引起桩附近（如：
3~5倍桩径）土的重塑。
此刻，产生不排水土强度参数，如果土的饱和度S低或渗透系数k相对大，那么这些参数可能接近重塑排水参数。
然而，一般地，在所有设计载荷施加时，出现很大的时间滞后（几月到几年）。
在这一时间段，过多的孔隙压力消散，排水参数存在。
因此，似乎重塑（或残余）土参数更好地描述土的特性。
软粘土中的桩承载力随时间增加而增加；
重新达到的最大强度出现在1到3月后。
这种承载力的增加大致可以解释为，桩体积位移产生高空隙压力，高孔隙压力引起更快速排水和紧靠桩的土固结。
有观点认为，管或类似桩的替换体积产生很大的粘性土的侧向压缩，导致或许50mm至200mm的区域趋于高度固结，这使得桩的有效直径比实际值增大5~7%。
桩“有效”直径的增加带来桩承载能力的相应增加。
一段时间以来，也观察到了侧向压缩区的固结导致含水量的减少。
桩“有效”直径的增加在很刚性土或超固结粘土中可能处于边缘（或不存在）。
事实上，这些粘土中的体积位移可能在一段时间后引起桩承载力降低，因为蠕变减少初始体积位移引起的侧向压力。
特文纳斯和奥蒂报告了沙土中桩的承载力随时间增加而增加，而且大约一个月后出现主要承载力增长。
这种强度的增加不可能归因于过多孔隙压力的耗散，而可能是由于引起颗粒间和颗粒与桩之间粘结力的化学物质（主要是碳酸盐）的成熟过程。
打桩残余应力的耗散也可能引起桩承载力的增加；
然而，这值得怀疑，因为现代的打桩方法在桩周围（至少）6mm到8mm范围产生粘性的半流体状态。
石灰质沙土中，桩打入后的承载力可能大大小于传统设计方法得到的设计值。
这种土层（特别是，如果碳酸盐含量大于50%）含水时在应力作用下快速恶化。
由于碳酸盐成份是生物沉积过程（贝壳及类似产物）的副产品，恶化更可能沿着海岸线和礁岛出现。
不幸的是，除了对碳酸盐含量（%）的性能试验之外，没有进行更多的试验来量化设计。
穆尔夫（及许多的文献）指出，某些设计者简单将表面摩擦fs限制15~30kPa之间的某个值，将点破坏强度qo限制在4000~6000kPa范围，而且随碳酸盐含量的增加，设计取小值。
桩方面的文献中，有很多矛盾的结论，这些结论来自于载荷试验测试结果的正确与不正确解释以及自然出现的土体异常。
因此，统计关系是特别有用的，但仅限于数据的统计。
很多桩方面的文献（特别是早期的出版物）不能提供足够的数据，因而读者不能得出任何一种结论。
虽然大部分统计关系的出版物感觉到引述的案例越多，结果越好（或读者对结果的信心越足），但并不建议将这些早期的数据包含在统计关系中。
在先钻孔后打入桩的情况下，土状态早期保持现存条件（排水或固结不排水）。
在湿混凝土（即：
新拌混凝土）和土界面上可能出现粘结力降低。
但当由于水泥水化，桩周围土颗粒变成桩身的一部分时，桩直径略有增加，这将部分抵消湿混凝土与土之间表面粘结力的降低。
土体膨胀进入空隙引起的Ko损失可能部分抵消湿混凝土发展的侧压力，湿混凝土具有比土高的密度。
总之，对于桩的设计，除钻孔桩外，我们没有很好的手段来获得土的性能。
对各种打入桩的情况，我们必须估计土的性能。
在大多数情况下，如果设计与实测载荷（来自载荷试验）参数间存在合理关系，这则是令人高兴的吻合。
第18单元
桩
桩是由木材、混凝土、和/或钢材制成的构建单元，用于将地面载荷传至下层土体。
载荷可能沿桩身垂直面分布，也可能是通过桩端直接将载荷施加到下部土层。
利用摩擦桩，使载荷沿垂直线方向分布，通过点桩或端承桩将载荷直接施加给土层。
桩的划分只是为了方便，因为端承载和侧面摩擦是共同作用的，除非桩穿过极软土层，进入坚固底层。
一般地，桩用作：
（1）将上部载荷，包括垂直载荷和水平载荷传至或传过土层。
（2）抵抗上升或翻转力，针对基底筏板处于地下水以下或承受翻转的支撑塔架。
（3）通过桩体积替代和桩打入时振动的共同作用，压实松散、无粘性地层。
（4）当扩展基础或筏板基础处于边际土上，或下卧有高度可压缩地层时，控制沉降。
（5）增加机械基础下的土体刚度，控制震动幅度和系统的自然频率。
（6）作为桥台或桥墩下方的附加安全因素，特别是，存在潜在冲刷问题时。
（7）在海岸工程中，通过水体传递水上载荷至下卧土层，这针对部分掩埋桩受垂直（曲屈）及侧向载荷的情况
桩有时也用来控制土体移动（如：
滑坡）。
读者应该注意到，电线杆和许多户外标志杆可以认为是部分掩埋的受侧向力的桩。
尽管很高的情况下，要求研究曲屈问题，但垂直载荷不是主要的。
桩基础费用比扩展基础费用高，而且可能也比筏板基础费用高。
各种情况下，在确定现场可能关心深度范围土性质时，应该给予特别的小心，以便所需要的桩基础得到精确确定，而且，如果这样，则无需列出多余的数量和长度。
决定采用筏板基础还是桩基础，特别是类型（钢、混凝土、等）更为经济的基础时，应该完成成本分析。
在使用桩基础来控制边际土场地的沉降情况下，应该小心，同时使用现有地层和桩，以便减少桩的数量。
桩可通过方法插入土层：
（1）在桩顶端用打桩锤进行稳定重复撞击，将桩打入地层。
这种方法产生严重噪音和振动，可能得不到当地法规或环境机构的允许，而且，当然还可能会损坏邻近设施。
（2）通过置于桩顶端的振动装置将桩打入地层。
这是一种相对安静的方法，而且打桩振动可能不会超标。
这种方法更适合于地粘性地层。
（3）静压桩。
对于短的刚性构件，这一方法更适用。
（4）先钻孔，再将装插入其中，或更为通常的是用混凝土充填钻孔，混凝土一旦硬化，即形成桩。
在确定桩基础时，需要根据上部结构的载荷，桩材料的许用应力（规范值）和现场土的性质，计算要求的桩截面和长度。
这样做的目的是，可以由基础承包商订购所需桩的数量和长度。
动力学公式，桩承载试验，或两者的结合在现场用于确定设计和布设的桩是否足够。
一般地，认为承载试验是确定桩实际承载力的最可靠方法。
桩承载能力的确定是很困难的。
需要用到大量的各种方程，而且几乎没有两个计算方法能得到相同的计算承载力。
一直使用特定方程的机构趋向于坚持其结果，特别是如果已经建立了成功的数据库时。
在设计条件下，人们可以利用几个方程，通过所要求的经验系数适当调整（或估计），来计算桩的承载力，以及观察计算承载力。
我们应该注意到，虽然所有桩承载力方程都是对一根简单桩而言的，但实际中几乎没有只使用单根桩，而是两根或三根（或更多）成组使用。
我们还应该进一步注意到，设计中使用的土性质来自初始的土勘察方案，和服务中基础的土层性质——可能有小的或很大的差别，差别的程度取决于桩的布置和成组桩的数量。
第19单元
浅基础的承载力
浅基础的设计必须保证基础满足安全、可靠、功能效应和经济等基本要素。
特别，最重要的是，要求有足够的深度，允许沉降量，抗破坏的安全性。
基础足够深度的要求集中在环境影响方面，环境对基础性能产生不利效应。
相对于冰冻深度和季节性土体积改变的深度，基础必须足够深，以预防这些变化引起的过量位移。
基础必须足够深，以排除腐蚀的可能性及持力土层受水流和风流的破坏。
相对于邻近建筑物——已有的或预计的，基础的布设必须足够充分，以最大减少施工作业相互破坏的可能性，或附加载荷传至持力土层。
可接受沉降的要求关系到在设计结构中所有基础的总沉降和沉降差。
必须对沉降差进行限制，以至不引起结构扭曲和上部结构的过量倾斜，沉降差通常也受上部结构适用性要求的限制；
起重机轨道和许多机械都有允许倾斜的限制。
由于总沉降不可避免地会诱发沉降差，因此对总沉降必须限制，即便在明显均匀的土层条件下也是如此。
总沉降的限制通常也基于通向邻近建筑物、给水与排水的联系等这样的因素考虑。
抗破坏安全性的要求集中于两种设计中可能关心的主要破坏：
基础的结构破坏和持力土层承载力的伤失。
如果基础本身设计不当，不能支撑所受到的应力，则可能出现基础的结构破坏。
比例不当或基础配筋不足的基础或筏板可能在受拉、受压、受剪破坏，像其它钢筋混凝土结构构件那样。
浇筑不当或配筋不足的钢筋混凝土桩可能在运输和打入中破坏；
也可能因为受过大的侧向载荷（设计时未考虑）而破坏。
自由直立的钢或木桩可能向其他立柱一样发生曲屈，特别是如果桩受到轴力和弯矩时。
所有基础必须具有抵抗这种破坏的传统安全性。
本节主要致力于土的承载破坏问题的讨论。
考虑最简单情况的浅基础（图19.1a）受到垂直静力或瞬态载荷Q。
如果记录到载荷Q增加时，基础的垂直位移w。
将可以获得形状类似于应力应变曲线的载荷—沉降曲线）（图19.1b）。
一般地，这一曲线的形状取决于基础的尺寸和形状、持力土的构成和特性、加载率、以及加载的频率等。
通常，曲线将表明基础能够支撑的极限载荷Q0。
这一极限载荷可能是峰值载荷，如图11.1b中曲线1和2所示，也可能是达到最终的定常穿透速率时的载荷，如曲线3所示。
基础常面积上的平均压力吨/英尺2或公斤/厘米2，相当于极限载荷Q0，称为极限压力，而且用q0表示。
定义为
q0=Q0/A
（1）
所有基础的建设应保证具有承受破坏载荷的一定安全性。
安全或允许压力qa定义为
qa=q0/Fs
（2）
式中Fs为安全系数，载荷Qa=Q0/Fs称为允许载荷。
破坏模式
从对受载荷基础的性能观察知，当支撑基础的土剪切破坏时，基础出现承载力伤失。
文献中三种基础下的主要剪切破坏模式在文献中一直被描述为：
总体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切破坏。
总体剪切破坏的特点，是存在确切的破坏形式，具有由基础一边达到地表的连续面（图19.2a）。
在应力控制条件下——这是大部分基础的使用（和或许破坏）条件，破坏是突然的和灾难性的。
除非结构预防基础旋转，否则破坏将伴随基础大量的倾斜。
在应变控制条件下（例如：
当载荷由千斤顶传递时，出现这样的情况），观察到破坏后，产生基础移动所需要的载荷明显减小（图19.2a）。
虽然最终土的垮塌只发生在一边，但在基础两边加载的大部分过程中，可以记录到邻近土膨胀的趋势。
与上述描述的破坏模式相比，冲切破坏的特点是，破坏形态不容易观察到（图19.2c）。
随载荷的增加，基础的垂直位移伴随着基础底面附近土的压缩。
基础周围的垂直剪切，可能使得基础连续深入。
受载面外的土保持相对不动，并且在基础四周不存在土的移动。
基础的垂直和水平位移平衡得到保持。
除了垂直方向基础的小移动外，将没有明显坍塌和大的倾斜。
为了维持垂直方向基础的移动，需要增加垂直方向的载荷。
最后，局部剪切的特点是，破坏形态明显，但仅限于基础底面（图19.2b）。
这种破坏形态由一个楔形体和滑动面构成，滑动面从基础边缘开始，这与总体剪切破坏的情况相同。
在基础四周，土的膨胀趋势明显。
然而，基础下方垂直压缩很大，而且滑动面在土体中某处终止。
只有在基础出现很大的垂直位移（比如：
达到基础宽或直径的1/2）以后，滑移面才可能在地
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