土力学与地基基础.docx

土力学与地基基础.docx

《土力学与地基基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土力学与地基基础.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

土力学与地基基础

《土力学与地基基础》课程

一、规范阅读与解析。

10%

《土工试验方法标准》GB_T50123-1999

《建筑地基基础设计规范》GB_50007-2011

《岩土工程勘察规范》GB50021-2001

《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012

阅读上述行业规范，总结规范主要涉及的内容。

论述土力学与地基基础课程在土木建筑行业中的地位和作用。

所有的工程建设项目，包括高层建筑、高速公路、机场、铁路、桥梁、隧道等，都与它们赖以存在的土体有着密切的关系，在很大程度上取决于土体能否提供足够的承载力，取决于工程结构是否遭受超过允许的沉降和差异变形等，这就要涉及土中应力计算、土的压缩性、土的抗剪强度以及地基极限承载力等土力学基本理论。

在路基工程中，土既是修筑路堤的基本材料，又是支承路堤的地基。

路堤的临界高度和边坡的取值都与土的抗剪强度指标及土体的稳定性有关；为了获得具有一定强度和良好水稳定性的路基，需要采用碾压的施工方法压实填土，而碾压的质量控制方法正是基于对土的击实特性的研究成果；挡土墙涉及的侧向荷载---土压力的取用需借助于土压力理论计算；近年来，我国高速公路大量修建，对路基的沉降与控制提出了很高的要求，而解决沉降问题需要对土的压缩特性进行深入地研究。

在路面工程中，土基的冻胀与翻浆在我国北方地区是非常突出的问题，防治冻害的有效措施以土质学的原理为基础的；稳定土是比较经济的基层材料，它就是根据土的物理化学性质提出的一种土质改良措施，目前深层搅拌水泥土桩在公路的软基处理中得到了广泛应用；道路在车辆的重复荷载作用下工作，因此需要研究土在重复荷载作用下的变形特性；抗震设计更需要研究土的动力特性。

由此可见，土质学与土力学这门课程与土木工程专业课的学习和今后的土木工程技术工作有着非常密切的关系。

对地基的设计、施工、及对建筑的抗震性能具有相当重要的作用。

对土木工程的发展起着举足轻重的作用。

它主要研究土体的地质特性及其在工程活动影响下的应力、变形、强度和稳定性。

随着人口不断密集，人类活动的范围日益狭小，现代工程建设不得不向高（高层建筑）、深（地下工程）、远（高速公路/铁路）的方向发展。

同时通过对不良场地土体的改善进行工程建设，可以充分地利用日益紧缺的土地资源。

因此土质土力学在现代交通、土木工程建设事业中拥有着非常重要的地位。

二、课程大作业。

35%

（1）举例说明土力学中涉及的渗透问题、变形问题和强度问题，论述土体的变形理论、强度理论和渗流理论的联系。

答：

①渗透问题：

当水闸和土坝挡水后，上游的水就会通过坝体或坝基土体的孔隙渗到下游。

变形问题：

水利工程中的水闸或装有装有行车的厂房，如果闸门两侧的闸墩或行车两侧的基础产生过大的不均匀沉降，将不能满足拦洪蓄水的要求，而不均匀沉降往往又会引起土坝裂缝，导致集中渗漏，给工程带来很大危害。

强度问题：

建筑地基的失稳。

②联系：

土体的变形理论、强度理论和渗流理论为三大理论，土体的渗流问题可能会引起强度的问题，而变形问题与强度问题又息息相关，总之，三者相互联系，相互影响。

（2）结合渝西地区红层泥岩边坡风化现象，分析土的形成过程。

说明土的碎散性、三相性、自然变异性的成因，分析论述土的碎散性、三相性、复杂性对土体物理力学性质的影响。

（变形、破坏、渗透）

答：

①土的形成过程分析：

红层泛指外观以红色为主色调的陆相碎屑岩沉积地层。

对于红层泥岩边坡快速风化机理的研究可以分为 2 个方面，一是从红层矿物成分、含量、胶结物成分及微观结构等内因人手研究其快速风化机理，另一则是侧重于外因对红层泥岩边坡快速风化的作用。

渝西地区位于四川盆地边缘，四川盆地红层泥岩快速风化的主要形式为碎粒状、碎片状和碎块状，并间有块状剥落。

风化堆积物坚硬扎手，很少有残积土存在，反映出红层泥岩边坡以物理风化为主。

对风化崩解物进行扫描电镜微观分析，发现堆积物微观图像以颗粒形态为主。

这也是物理风化产物的特征。

目前对影响红层边坡风化的外因的分析，主要集中于温度变化，不可否认。

温度变化影响红层边坡的风化进程．处于地下 l5 —30 m 的恒温带以上的红层坡体，受太阳辐射的影响，坡体中的温度场呈周期性变化，从而导致坡体中热应力的生成．当坡面处于高温状态时，边坡岩体中出现拉、压应力集中；而当地面处于低温状态时，边坡岩体中的热应力均为拉应力。

但是，仅靠气温变化产生的热应力并不足以使红层快速风化崩解。

根据野外观察及原位监测试验，红层泥岩边坡的快速风化主要发生在表层约 10 cm 的范围内。

此范围内风化裂隙密布，许多裂隙已全部贯通 ；挖开已快速风化的表层，岩体中虽有少量风化裂隙。

但基本仍处于新鲜状态．这说明，虽然红层坡体处于不断风化的进程中，但快速的物理风化发生在表层约 10 cm范围内。

根据红层泥岩边坡风化的原位监测结果，边坡在高温多雨的夏季风化很快，说明水对红层泥岩边坡风化起了很大的作用，水在岩石风化中所起的作用，除溶解、水化、氧化和碳酸化外。

还有一个重要作用就是急剧的降温作用。

它可以使表层处于高温状态的红层泥岩表面在很短的时间内降至接近于温度较低的水温。

因红层岩体均为热的不良导体，导热性差，所以其内部仍基本保持原来的高温状态。

从而在岩体内外部产生很高的温差，导致热应力的产生．这种热应力远大于因气温周期性变化产生的热应力。

②成因分析：

土是地壳表层母岩经受强烈风化（包括物理的、化学的和生物的）的产物，是各种矿物颗粒（土粒）的集合体。

在自然界，土的形成过程是十分复杂的，可概括为风化、脱落、搬运和堆积四个过程，在这四个过程中土的完整性会大大折减，因而会有碎散性。

 土是一种松散的颗粒堆积物，它由固相、液相、气相三部分组成。

固相主要是土粒，有时还有粒间胶结物和有机质，它们构成土的骨架；液相部分为水及其溶解物；气相部分为空气和其他气体。

由于土具有各向异性、结构性以及时空变异性的特点，所以形成了土的自然变异性。

③影响：

土的碎散性说明了土存在孔隙，而水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动就会出现水的渗透。

土的三相性说明了土中含有水，而土在压力作用下体积变小的性能为土的压缩性，最主要的原因就是孔隙中水和气体向外排出，土的孔隙体积减小。

黏性土都是松散颗粒的集合体，它们的破坏或表现为土粒之间联结的破坏，或表现为粒与粒之间产生的相对位移；对于某一种土来说，其抗剪强度随剪切面上所受发向应力而变，它不仅与土粒大小、形状、级配、矿物成分、土体密度和含水率等因素有关，这些都是属于土的复杂性。

（3）何为假黏聚力？

非饱和土中，为什么毛细压力会导致“假黏聚力”？

答：

①当无黏性土被水完全浸没或完全干燥时，弯液面消失，毛细压力变为零，这种黏聚力也就不存在。

因而把这种黏聚力成为假黏聚力。

②在非饱和区的湿土中，空隙中的水仅存在于土粒接触点周围，彼此是不连续的。

由T2πrcosα+uπr²=0知，弯液面下面的孔隙水产生了小于大气压力的负压，这种负压称为负孔隙水压力或孔隙水吸力。

负孔隙水压力引起土粒互相靠拢的结合力，该力称为毛细压力，毛细压力的存在，增加了土粒间错动的摩擦阻力。

这种摩擦阻力犹如给无粘性土以某些黏聚力，以致在潮湿的砂土中能开外一定高度的直立坑壁。

当无黏性土被水完全浸没或完全干燥时，弯液面消失，毛细压力变为零，这种黏聚力也就不存在。

（4）谈谈你对粘性土、非粘性土物理力学性质区别的认识。

答：

工程上应根据塑性指数分为粉质粘土和粘土，塑性指数大于10，且小于等于17的土，应定名为粉质粘土，塑性指数大于17的土应定名为粘土。

粘性土是具有粒间连结的细粒土。

颗粒细，孔隙小而多，透水性弱，具膨胀、收缩特性，力学性质随含水量大小而变化。

一般按粘粒（粒径小于0．005毫米）含量多少分为三类：

（1）粘土，粘粒含量大于30%；

（2）亚粘土（亦称“粉质粘土”），粘粒含量在10%～30%之间；（3）亚砂土，牯粒含量3%～10%。

按塑性指数划分：

（1）粘土，塑性指数大于17；

（2）亚牯土，塑性指数为10～17；（3）轻亚粘土（亦称亚砂土），塑性指数为3～10。

常作为建筑物地基或用作堤坝、路堤填土材料。

以粒径小于 0.074毫米的土粒为主体所组成具有塑性的细粒土。

又称塑性土。

次生粘土矿物对塑性的形成起主导作用。

粘性土随含水率大小可处于液体、塑体、固体等稠度状态，各稠度状态间的含水率界限称稠度界限。

液限和塑限是塑体稠度的上、下限。

粘性土处于塑体状态时，具有在外力作用下可塑成任意形状而不破坏其整体性，外力去除后能保持所得形状的塑性性质。

塑性的大小可通过液限与塑限之差，即塑性指数定量表示。

塑性指数愈大，塑性愈强。

塑性指数曾是粘性土分类的主要依据，据这种指数分为粘土、亚粘土、亚砂土。

粘土是粘性土的典型代表，具强塑性、吸水性、膨胀性、收缩性、吸附性、冻胀性、烧结性、耐火性等特殊性质。

作为建筑物地基，粘性土的承载力取决于它的天然稠度状态。

粘性土是烧制砖瓦的材料，也是重要矿产。

粘性土的地质成因多种多样，在地壳上广为分布，约占沉积岩土的50%以上。

粘性土与非粘性土的区别：

①砂土的孔隙比为0.4~0.8；粘土的孔隙比为0.6~1.5或2.0；粘土若含有大量有机质，孔隙比可达到4或5。

 ②砂粒的平均相对密度为2.65；粘粒的相对密度介于2.67~2.74之间，平均相对密度为2.70。

 ③一般粘土的湿密度为1.7~2.0g/cm³；砂土的湿密度为1.6~2.0g/cm³。

 ④砂土的组成颗粒较粗，其结构以单粒结构为主，天然条件下砂土可处于从疏松到密实的不同状态，孔隙比的变动范围大致在0.33~1.0之间。

试验表明，一般粗粒砂土多处于密实状态，而细粒砂特别是含片状云母颗粒的砂则多处于疏松状态。

砂土的密实状态与其工程性质有着密切的关系。

呈密实状态时，结构稳定，强度大，压缩变形小，是良好的天然地基；反之，呈疏松状态时，特别是饱和的细砂，结构常处于不稳定状态，对工程建设不利。

 ⑤砂土的密实状态在一定程度上可以用其孔隙比来反映。

但砂土的孔隙比受颗粒的形状及级配影响较大。

即使两种砂土具有相同的孔隙比，但它们在自然界的存在状态也不一定相同。

故孔隙比不能表明某一砂土的松密。

工程上常用砂土的相对密度Dr=（emax-e0）/（emax-emin）； ⑥无黏性土的最大和最小干密度可直接由试验测定。

⑦黏性土的稠度是指黏性土在某一含水率下对外力引起的变形或破坏的抵抗能力，其实质是土粒间的联结强弱或土粒相对移动的难易程度。

⑧黏性土的含水率发生变化时，它的稠度亦随之而改变，这是一个复杂的物理化学过程，其实质是与黏粒周围吸着水膜的厚度变化有直接关系。

当土的含水率很大时，土粒被自由水隔开，粒间联结能力消失，土可在自重作用下流动，呈现流动状态；当水分减少到多数土粒为弱吸着水隔开时，土粒在外力作用下相互错动时而颗粒间的联结能力并不丧失，土处于可塑态，此时土被认为具有可塑性。

⑨黏性土由某一状态过渡到另一状态的分界含水率称为黏性土的界限含水率，可塑态与流动状态的界限含水率叫液限，用ωL表示；可塑态与半固态的界限含水率叫塑限，用ωp表示；半固态与固态的界限含水率叫缩限，用ωs表示。

 ⑩可塑性是区分黏性土和砂土的重要特征之一。

黏性土可塑性大小，是以土处在可塑状态的界限含水率变化范围来衡量的。

这个范围就是液限和塑限的差值，称为塑性指数（Ip），即 Ip=（ωL-ωp）*100 

（5）推证“有效应力原理”。

答：

 推证：

设饱和土体内某一研究平面（如水平面）的总面积为A，其中粒间接触面积之和为As,则该平面内由孔隙水所占的面积为Aw=A-As。

若由外荷和/或自重压力在该研究平面上所引起的法向总应力为σ，那么它必将由该面上的孔隙水和粒间接触面共同来分担，即该面上的总法相力等于孔隙水所承担的力和粒间所承担的力之和，于是可以写成：

σA=Ns+（A-As）u 或 σ=Ns/A+（1-As/A）u            （2-26）          

把σ’=Ns/A代入（2-26）可得：

  σ=σ’+