土力学地基基础电子教材.docx

1、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

2、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： 应力应变关系强度理论地基的计算 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

3、，在各种自然环境中生成的沉积物。固 :土颗粒 冰2土的组成 气: 气体液 : 孔隙中的水土中颗粒的大小、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、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.粒组一一为了研究方便，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：200 6

4、0 2 0.075 0.005mm漂石 卵石. 水砾石 水砂粒* *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：一一筛析法、比重计法试验成果分析：1颗粒级配累积曲线（半对数坐标）分析曲线平缓 粒径大小悬殊 不均匀 级配良好 刀 曲线陡 粒径大小接近 不均匀 级配良好2不均匀系数（Cu）60%寸，该粒径称为限定粒径 ds010%寸，相应的粒径称为有效粒式中：d60当小于某粒径的土粒质量累计百分数为 d 10当小于某粒径的土粒质量累计百分数为径 di0o3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 3

5、0%寸的粒径用d30表示。C C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。C c=13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。蒙脱石 粘土矿物由两种原子层构成，主要类型 伊利石高岭石粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。二、土中的水和气强结合水结合水（一）土中水弱结合水自由水重力水毛细水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

6、，只有吸热变成蒸汽时才能移动。 物理指标：容度 1.22.4g/cm 3 固体状态冰点-78 C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 0C,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：有流动时，产生动水压力，带走土颗粒；能溶解土中的盐类；浮力作用。 作用：使土中的孔隙增大，压缩性提高，抗

7、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0.0020.5mm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Tf, 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 与大气相通 :压缩性高与大气隔绝 :降低透水性 , 不易压密成份： 一般空气中的成份份：

8、微生物产生的可燃气体 （H 2S甲烷）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：单粒结构土的结构蜂窝结构絮状结构砂层,砾石层粉粒粘粒结合基坑的幵挖，讲解工程事例中如何幵挖不破坏土的结构性，以及基坑幵挖要求. （二）土的构造土的构造一一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、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 4C的纯水的质量之比公式：ds ms 1 sV s m1 w1测定方法：比重瓶法（二） 定义： 公式：土的含水量3 土中水的质量与土

9、粒质量之比，称为含水量匹 100%ms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。意义：测定方法：烘干法。（三） 定义： 公式：土的密度P 土单位体积的质量单位：测定方法：环刀法（四）土的干密度P d，饱和密度p 1 .干密度定义：土单位体积中固体颗粒的质量 公式： d匹Vg/cm 3t/m 3sat和有效密度p（干燥状态）2.饱和密度定义：土孔隙中充满水时的单位体积质量公式： sat mS VV WV3.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:mS Vs WV（五） 定义:重度丫，干

10、重度丫 d饱和重度丫 sat，有效重度丫 重度单位体积的重力公式：丫 =GN单位：kN/m3换算公式： 丫 = p，g（六） 土的孔隙比e,和孔隙率n1.土的孔隙比定义：土中孔隙体积与土粒体积之比。公式： e Vv/Vs （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 n 业100%Ve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： Sr 也100%Vv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

11、度式中：emax土处于最疏松状态时的孔隙比e min 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称为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，包括：缩限、塑限、液限。 缩限W 塑限W 液限W测定方法：塑限：联合 I搓条法I 小 固态 半固态 可塑状态 流动状态液限：锥式液限仪 （碟式少用） 3大三、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：I p值的大小与粘粘含量有关（二） 液性指数I w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：（

12、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、 土的渗透性渗透性一一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 ）u =ki 大（1）天然含水量高（接近或大于 W）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3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：3 l50 收缩性 不

13、均匀性当3在4550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

14、地基的应力计算概述一、 土中的应力土中的应力 自重应力 自重引起的 （恒,活）附加应力 由于建筑物荷载引起的二、 研究意义土中的应力T引起应变T幵裂、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、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、自重应力的计算CZ大小:方向：垂直向下。规律：随深度的增加而增加。 其它方向上： cx cy Ko cz式中：K）土的侧压力系数单位：kPa Fa三、 几种情况下的自重应力计算1.土是由多层土构成

15、的式中：i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、基岩等等于上遇地下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， 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，水时，折线往回收遇不透水层时，有一突跃值。例题2-1 （精讲） 2- 2 基底压力（重点讲解）基底压力 在建筑物基础底面存在的接触应力既是基础作用于地基的力，又是地基反作用于基础的力。（KPa一、基底压力的简化计算式中： G基础自重及基上回填土重的总重（一）偏心荷载下的基底压力 式中：M作用一矩形基底的力矩I

16、2W基础底面的抵抗矩 W丄e 偏心距当矩形基础在双向偏心荷载作用下时:、基底附加压力式中： 基础府面标高以上天然土层的加权平均重度，水下取有效重度。天然地下算起的基础埋深。 2- 3 地基附加应力附加应力一一指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力。一、竖向集中力下的地基附加应力（一）布辛奈斯克解（弹性力学 ）（简要介绍公式来源，主要讲解公式的应用和应力系 数查表方法）假定：基底压力是柔性的，地基土层各向同性，均布的线笥变形体，深度与水平方向显 示退延伸。在半空间中任意点 M（x、y、z）其中：U泊松比9-R线与z轴的夹角剪应力略位移：1 P z22 E r312(1 )R式中：E弹

17、性模量（二）等代荷载法： 将上式改写为：z K p；2 对于若干个集中力：式中：ki 第i个集中力应力系数例题2-2 （粗讲）二、矩形荷载和圆形荷载下的地基附加应力（一）均布的矩形荷载（角点法）式中：Kc均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数由M=l/b n=z/b 查得（内插）当计算点不在角点下时，可分部计算1当计算点位于边上 、2边外点外当计算点位于矩形内部3当计算点位于矩形外部例题2-3 精讲（二） 三角形分布的矩形荷载角点1 （小） z KtiPo解点 2 （大） z Kt2Po式中：kti K2附加应力系数（三） 均布的圆形荷载式中：kr附加应力系数三、线荷载和条形荷载下的地基附加应力

18、（一） 线荷载式中：P 竖向线荷载 KN/mBR与z轴的夹角（xoz平面内）（二）均布的条形荷载在直角坐标系中式中：kxz、ksx、ksxz分别为均布条形荷载下相应的三个附加应力系数选取一例题作为对公式的应用进行重点讲解地基中附加应力 z的分布规律：1 z不仅发生在荷载面积之下， 而且分布在荷载面积以外相当大的范围之下， 这就是所谓地基附加应力的扩散分布；2.在离基础府面（地基表面）不同深度 z处各个水平面上，以基底中心点下轴线处的 z为最大，随着距离中轴线愈远愈小；3. 在荷载分布范围内任意点沿垂线的 z值，随深度愈向下愈小。4.地下附加应力的分布的等值线如灯泡形，故也称其为“压力泡”四、非

19、均质和各向异性地基中的附加应力（概念性介绍）（一） 非均质地基：变形量随深度增大（砂土明显）费洛列希建议用半经验公式：式中：丫 一一大于3的集中因素，随E）与卩的变化而异。 结果：发生应力集中现象。（二） 薄交互层地基（各向异性地基）沃乐夫建议考虑 巳氐时，附加应力系数 匕的改变，韦斯脱加特建议考虑微小竖向变形。 结论：产生应力扩散现象（三） 双层地基1 .岩层上覆盖着不厚的可压缩土层 则发生应力集中现象，且岩层埋藏愈浅，应力集中现象愈显著。fE 02 1 1其中泊松比变化不大，即f值取决于E01/ E 02, f值增大，扩散现象明显。第三章 土的压缩性和地基沉降计算3-1 土的压缩性2.上层

20、坚硬，下层软弱的双层地基 则发生应力扩散现象，且随上层厚度的增大而扩散明显。 引入参数 f竺丫一、 基本概念土的压缩性一一土在压力作用下体积缩不的特性称为土的压缩性。 土的固结一一土的压缩随时间而增长的过程。 （粘性土明显）二、 压缩曲线和压缩性指标（重点讲解）（一）压缩试验和压缩曲线1 .压缩试验2.压缩前eoVv Aho Vs压缩后：/ Vs不变A（H。 S）r_eHo （H。 S） A1 eo 1 e 5-e e。H；（12.压缩曲线（e-p曲线）e,即可给出e-p曲线或e-egP曲线不同压力P下的沉降S,按上式算出（二）土的压缩系数和压缩指数1.压缩系数般取 P1=100KPaF2=2

21、00KPa1a1 2 0.1MPa得 a1-2低压缩性评价土的压缩性中压缩性0.1 a1 2 0.5MPa1高压缩性1a1 2 0.5MPa2.压缩指数低压缩性0.2评价土的压缩性中压缩性0.2 0.4高压缩性0.4（二）压缩模量式中：E 土的压缩模量KPaMPa低压缩性15MPa评价土的压缩性：中压缩性4 15MPa高压缩性4MPa（四）土的回弹曲线和再压缩曲线逐级卸压可得e-P曲线，即为回弹曲线再重新逐级加压可得e-p曲线，即再压缩曲线从曲线中可以看出：三、土的变形模量（一）载荷试验承压板：0.250.50m荷载每级软土硬土10 25KPa50KPa观测标准：每小时沉降量 0.06实验结果

22、： S-P曲线变形模量：E。 （1 2）P1BS1式中：3承压板系数Si比例界限Pi对应的沉降量或 S=0.02b （粘） or S i=0.010.015（低压缩性土）；Eo 变形模量，KPa MPa（ modulus of deformation ）（二）变形模量与压缩模量的关系Eo 1 Es1关系:2 21 -1 3 - 2 地基的最终沉降量（重点）、按分层总和法计算（一）步骤：将基底以下土分为若干薄层， 分层厚h1 0.4b （b为基底宽度）或取1m天然土层面及地下水位而因土质有变化，应作为分层的界面。按弹性理论计算基底中心点下每一分层处土的自重应力X cz和附加应力X z，并给出自重

23、应力和附加应力曲线（左右）求地基沉降计算深度X z按X zn/ X czn R1. 正常固结土 （ A类土）Pc=Pi欠固结土 （ C类土）PcVPPi目前土的自重应力 P i二丫 hPc 天然土层在历史上所经受过最大的固结压力2 .先期固结压力Pc的确定1936年卡萨格兰德（Casagrande）提出作图法.在e-logp曲线上曲率半径最小点 A处作水平线，切线步骤 J作上术两线的平分线，交直线段延长线于 B点B点所对立的有效应力就是 Pc（二） 由原始压缩曲线确定土的压缩性指标1对于正常固结的土样：首先确定原始压缩曲线-确定b点，Pi=Pc e=e o步骤 _确定c点，e=0.42e。作b

24、c即为原始压缩曲线2.确定压缩指数Cc （即原始压缩曲线的斜率）* 地基最终沉降计算问题综述 （概念性介绍）一、 分导总和法共同假设的用意实际地基土：成层性，非均质性理论上无法解决假设：均质、线性变形半空间目的：运用弹性理论的计算方法减小误差的方法，把土划分为若干个薄层二、 各分层总和法的特点及应用1 .单向压缩分层总和法 P 67公式2-52适用于大面积荷载下的薄压缩层地基（对坚实地基结果偏大，软弱地基，结果编）2.规范法引用乙和 s，与实际结果比较接近。适用范围极广。3采用固结理论方法的分层总和法 P 92 2-84 、 88、 90、91、92考虑前期固结压力的影响，使计算公式中各参数更

25、接近实际情况。适用于形成地基土 层条件较复杂的情况。三、地基沉降计算深度问题探讨这实际上是一个计算精度的问题分层总和法采用应力比确定压缩层厚度，而规范法采用应变比确定压缩层厚度，目前， 都在使用，人工智能应变比比应力更精确。或直接采用 乙二Zn/16来确定乙，可免去基础宽度的影响， 乙二b（2.5-0.4lnb）。 3 -4 地基沉降与时间的关系有效应力土中控制其压缩和抗剪强度的应力称为有效应力。一、 饱和土中的有效应力（一）有效应力原理太沙基提出 u式中：有效应力a总应力u 饱和土的孔隙压力，即 uw毕肖普认为：a = a -u a-x（u a-u w）式中：Ua孔隙气压力U w孔隙水压力x

26、 与土的饱和度有关的参数（一） 按有效应力原理计算土中的自重应力渗透固结时土中一点的孔隙压力与有效应力的增长物理模型，在盛满水的容器中装上 多孔活塞和弹簧结论：在有效应力原理控制下，土中孔隙压力消散和有效应力相应增长的过程，在这 个过程的任一时刻都必须满足a =a +U固结度： u（t） 用下式表达二、 太沙基一准固结理论（一） 基本假设1 土是均质的，各向同性和完全饱和的2土粒和孔隙小都是不可压缩的3土中附加应力没水平面是无限均匀分布的， （故土的压缩和水的渗流都是一维的）4土中水渗流服从达西定律（ v=kJ ）5.在渗透固结中，土的渗透系数 k和压缩系数a都是不变的常数。6外荷是一次骤然施

27、加的。（二） 一维固结微分方程式中：CV土的竖向固结系数带入边界条件后得特解：式中：Tv竖向固结时间因数，Tv马H2 H 压缩层土层最远的排水距离（三）固结度计算 固结度 u Set Sc （定义式）式中：Set 地基在某一时刻土的固结沉降Se地基最终的固结沉降 对于单向固结情况，U可用下式表示： 当u30% 可取第一项例题3-2 讲解公式的应用第四章 土的抗剪强度与地基承载力概述 土的抗剪强度一一指土体抵抗剪切破坏的极限能力 研究意义，研究抗剪强度是研究破坏式失稳的基础。（重点）4-1 土的抗剪强度与极限平衡条件一、 库伦公式式中：C土的粘聚力，Kpaa 剪切滑动面上的流向总应力， Kpa土的