土力学与地基基础.

《土力学与地基基础》教案贺晓文绪论---土力学及其相关学科§0-1土力学与基础工程一．土力学及基础工程的基本概念1．土力学土力学是从力学与工程的角度研究土的一门学科。即：土力学是利用力学的一般原理，研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性质的应用科学。它主要研究土的应力、变形与强度、稳定性。也研究土——结相互作用的规律，也是工程力学的一个分支。2．基础工程：基础工程学涵盖各种类型建筑物、构筑物的各类基础及地基处理的设计与施工技术，其研究领域非常广泛。基础工程服务于各种类型建筑物与结构物，包括建筑工程、桥梁工程、水工建筑物、港工建筑物、海上平台等各种陆上、水上、水下和地下的结构物。基础工程的研究内容包括浅基础、深基础和桩基础、地基处理、支挡结构物、基坑工程以及现场监测技术、地基与基础的共同作用分析技术等，几乎囊括了所有与土有关的结构工程的设计、计算技术，以及实施设计意图的施工技术和施工组织管理。3.土的定义：土是矿物或岩石碎屑物构成的松软集合体。是岩石经过风化、剥蚀、搬运沉积等过程后，形成的各种松散的沉积物。在建筑工程中称之为“土”。这是土的狭义概念。广义的概念也包括岩石在内。4.建筑物的地基：受建筑物影响的那部分地层称为地基。地基又分为：天然地基、人工地基两类。5.基础：由于土的强度低，压缩性大，故上部结构的荷载不能通过墙、柱直接传递给地基，必须在墙、柱与地基的接触处适当扩大尺寸，作为建筑物的下部结构。从而把建筑物荷载分散后再传给地基。因此，与地基接触的具有较大尺寸的建筑物的下部结构称为基础。6．地基基础必须保证的两个条件：（1）要保证作用在地基上的荷载不超过地基的承载能力，保证地基具有足够的防止整体破坏的安全储备。即：p≤f(pmax≤1.2f)；(2)控制基础沉降，使之不超过地基的允许变形值。保证建筑物不因地基变形而损坏或影响正常使用。二、课程的特点、内容及要求：1．土力学是以土的三相系为研究对象的。2．地基土质条件不依人们的愿望来选择。一旦建筑场地确定，是没有选择余地的，我们必须根据地基的土质条件进行合理的设计、处理、使之满足上部结构对地基的要求。3．地基与基础属于隐蔽工程，对其技术要求高。对其勘察设计及施工要给予充分的重视，因为一旦出问题，很难补救，损失巨大。一般地基基础的工程造价约占土建总造价的20%左右。4．课程内容多，涉及范围广土力学以材力、结力、弹力知识为基础，同时还涉及到一些工程地质学、土质学的知识。因此，给学习本门课程造成一定困难。5．这是一门理论性、实践性均很强的课程。其内容很广，主要介绍土的物理、力学性质、地基的应力计算、沉降计算及固结理论、土的抗剪强度以及土压力理论等内容。三、地基基础的重要性：地基与基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系到建筑物的安危。事实上，并不是每个基础工程设计都是成功的。许多建筑物的工程质量事故是由于地基基础事故造成的。而且，一旦造成事故，很难补救，损失极大。因此，工程技术人员必须对地基基础问题给予足够的重视。以高度的责任感和科学态度，对待工程的地基基础问题。意大利比萨斜塔举世闻名的意大利比萨斜塔是建筑物倾斜的典型实例。不均匀沉降造成的严重倾斜苏州市虎丘塔：建筑物地基滑动———加拿大特朗斯康谷仓1．概述加拿大特朗斯康谷仓平面呈矩形，长59.44m,宽23.47m。高31.0m。容积36368m3。谷仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，共5排65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，厚61cm，基础埋深366m。谷仓于1911年开始施工，1913年秋完工。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后满载总重量的425%。1913年9月起往谷仓装谷物，仔细地装载，使谷物均匀分布、10月当谷仓装了31822m3谷物时，发现1小时内垂直沉降达30.5cm。结构物向西倾斜，并在24小时间谷仓倾倒，倾斜度离垂线达26o53，。谷仓西端下沉732m，东端上抬1.52m。§0–2岩土工程及其相关学科一．岩土工程的定义：岩土工程一词译自GeoteClinipe或GeotechnicalEngineering，早期曾译为“土工学”，后译为“岩土工程”，这比前者的涵义更为广泛和确切。自1979年12月，我国《岩土工程学报》创刊以来的20多年来，岩土工程的学科术语已为我国工程技术界所普遍接受，成为技术交流的通用术语，并已有一些以岩土工程命名的标准、规范颁布，如《岩土工程勘察规范》等，岩土工程学科已被确认为土木工程学科的一个重要分支学科。中华人民共和国国家标准《岩土工程基本术语标准》（GB/T50279-98）的颁布使岩土工程一词成为法定的术语。在《岩土工程基本术语标准》中将岩土工程定义为“土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术”，这是高度概括的一种提法。综合各家思想，岩土工程可定义为：岩土工程就是根据工程地质、土力学及岩体力学理论、观点与方法，为了整治、利用和改造岩土体，使其为实现某项工程目的服务而进行的系统工作。即：岩土工程学科是以岩体、土体的利用，改造与整治问题为研究对象的科技领域。可以概括为三个层次：1．岩土工程是以土力学与基础工程、岩石力学与工程为基础，并和工程地质学密切结合的综合性学科。由于岩土工程涉及土和岩石两种性质不同的材料，解决土和岩石的工程问题不仅需要应用数学和力学，而且还需要运用地质学的知识，因此岩土工程并不是一门单一的学科，任何单一学科都不足以覆盖岩土工程丰富的内涵。2．岩土工程以岩石和土的利用、整治或改造作为研究内容。有许多学科都以土或岩石作为其研究对象，例如，地质学、土壤学等，其研究内容各不相同；岩土工程研究土和岩石并不是从地学或农业的角度，而是从工学的角度，以工程为目的研究岩石和土的工程性质。当岩土的工程性质或岩上环境不能满足工程要求时，就需要采取工程措施对岩土进行整治和改造，不仅涉及对岩土性质的认识，而且需要研究如何采用有效的、经济的方法实现工程目的。3．岩土工程服务于各类主体工程的勘察、设计与施工的全过程，是这些主体工程的组成部分。二．岩土工程的发展岩土工程学是土木工程的重要分支，是一门涵盖工程地质、土力学、岩石力学、基础工程和地下工程的综合性学科，是在20世纪发展并不断成熟起来的。1925年太沙基出版了第一部经典著作《土力学》，被公认为是近代土力学的开端。第二次世界大战以后，许多国家都致力于振兴经济，大规模的工程建设实践推动了土力学的进步，岩石力学也相应地在这个时期形成与发展。因而，推动了以土力学和岩石力学为基础理论的基础工程和地下工程的设计理论与施工技术的发展。1948年英国《岩土工程》杂志创刊及以后1974年美国土木工程师协会的《土力学与基础工程》杂志更名为《岩土工程》杂志，被视为岩土工程学科逐步得到工程界和学术界公认的标志。在新中国成立以来的50多年中，我国岩土工程建设事业从小到大，得到了迅速的发展，在现代化建设中发挥了重要作用，取得了许多重大的技术成果。特别在1979年创刊了《岩土工程学报》和1982年相继创刊《岩石力学与工程学报》以来的20多年中，我国岩土力学与工程界的学术水平和技术成就更为举世所瞩目，在国际交流中获得了同行的普遍赞誉。三．岩土工程及相关学科岩土工程的基本学科包括土力学与基础工程学、岩石力学与工程以及工程地质学等。土力学又分为不同的分支，从不同的研究角度，形成不同的分支。有的以土的类型划分；有的以研究方法划分；有的以土的特性划分。近20年，在土力学领域中，形成了土动力学、计算土力学、实验土力学、非饱和土力学、冻土力学以及随机土力学等分支学科。基础工程学涵盖各种类型建筑物、构筑物的各类基础及地基处理的设计与施工技术，其研究领域非常广泛。基础工程服务于各种类型建筑物与结构物，包括建筑工程、桥梁工程、水工建筑物、港工建筑物、海上平台等各种陆上、水上、水下和地下的结构物。以土作为材料的工程和以土作为结构物环境的工程，如堤坝、土中隧道等的设计与施工方法，也是土力学与基础工程基本原理的具体应用基础工程的研究内容包括浅基础、深基础和桩基础、地基处理、支挡结构物、基坑工程以及现场监测技术、地基与基础的共同作用分析技术等，几乎囊括了所有与土有关的结构工程的设计、计算技术，以及实施设计意图的施工技术和施工组织管理。四．岩土工程在经济建设与社会发展中的作用：现代的经济建设和社会发展离不开对岩土的整治、利用和改造。岩土工程是建设工程成败的关键，为社会可持续发展提供必要的保证。由岩层和土层所构成的广袤大地是工程建设的基地，是建筑物的地基，是地下建筑的环境，为土工构筑物提供填筑材料，因此岩层和土层的构造与工程性质直接影响工程建设的质量与造价，对岩土条件认识的偏差可能会导致巨大的损失或事故。人类在与大自然斗争的历史长河中，从正、反两个方面学会了认识岩土、利用岩土和改造岩土的本领，也逐步懂得了岩土工程的作用与重要性，在工程实践的推动下，对岩土工程的研究和应用日益发展。1959年法国67m高的马尔帕塞薄拱坝因坝基失稳而毁于一旦，死亡380人。4年后，意大利265m高的瓦昂拱坝上游托克山左岸发生大规模的滑坡，滑坡体从大坝附近的上游扩展长达1800m，并横跨峡谷滑移300－400m，估计有2－3亿立方米的岩块滑入水库，冲到对岸形成100－150m高的岩堆，致使库水漫过坝顶，冲毁了下游的朗格罗尼镇，死亡约2500人，但大坝却未遭破坏。这两起震惊世界的特大灾害给人们敲响了警钟，在岩石工程中必须重视岩石力学。1975年8月，淮河板桥石漫滩水库因老化而垮坝决口，狂泻的大水夺走了万余条猝不及防的性命。垮坝的重大事故提醒人们，必须重视对岩土工程结构物生命周期与老化规律的研究。1985年6月12日凌晨，在长江西陵峡上段，兵书宝剑峡出口处发生总体积为2×107m3的新摊滑坡。新滩古镇滑入长江，古镇全部被毁。由于自1968年以来对该滑坡进行了深入的研究与地表位移的长期监测，在滑坡发生以前及时发出临滑警报，由于紧急疏散人员而全镇1371人无一伤亡。这一大灾无人员伤亡的事例说明只要重视岩土工程工作，加强监测和预报，地质灾害是可以预测、预报，可以减少损失的。1995年12月，武汉市整体爆破一幢18层的高层建筑。该建住高度65．5m，采用336根锤击沉管扩底灌注桩，桩长17．5m，桩端进入中密粉细砂持力层l－4m。爆破拆除的原因是该高层建筑结构到顶后3个月内产生很大的倾斜，顶部水平位移达2884mm，倾斜超过5％，且发展速度很快，如不及时拆除，有整体倾覆的危险。这一桩基失稳的事故告诉人们采用桩基础并不是万无一失的，应当重视桩基础安全度的研究。1996年9月，海口市经受12级飓风袭击，伴有400mm以上的大暴雨，在滨海大道旁的某商住小区内，一座停工中的体积达30000m3的巨型地下室突然窜出地面5－6m，整体倾斜，犹如平地出现一艘水泥船，停泊在两幢高楼的中间。虽然经过降水、牵引、归位等工程措施处理，但因地下室两端高差仍有900mm无法扶正，且顶板和外墙均已开裂，不能继续利用而报废。这一典型的倾覆失稳的事故再次告诫人们，粘性土中的巨大浮力不容忽视。1998年长江全流域特大洪水时，万里长江堤防经受了严峻的考验，一些地方的大堤垮塌，大堤地基发生严重管涌，洪水淹没了大片土地，人民生命财产遭受巨大的威胁。仅湖北省沿江段就查出4974处险情，其中重点险情540处中，有320处属地基险情；溃口性险情34处中，除3处是涵闸险情外，其余都是地基和堤身的险情。可见，长江防洪工程的重点在岩土工程。上述事故实例说明，岩土工程方面的事故具有突发性、灾害性和全局性的特点，不仅使工程全军覆没，而且常殃及四邻，危害环境。为了防止工程事故的产生，在重要工程的各个阶段都应十分重视岩土工程的勘察、设计、施工和检测。