土力学与基础工程

土力学主讲人：陈林靖福州大学土木工程学院岩土工程研究所1绪论土力学是力学的一个分支，是一门研究土的学科，是为了解决工程中有关土的问题。一、土力学的概念土力学：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状的应用科学。二、土力学的研究对象土力学研究对象：与工程建设有关的土。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱。二、土力学的研究对象土的形成：土是由地壳表层的整体岩石经受风化作用后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。二、土力学的研究对象风化作用：物理风化：不改变原来矿物成分化学风化：改变原来矿物成分生物风化：动、植物等对岩体的破坏二、土力学的研究对象土的特点：松散性孔隙性多相性自然变异性二、土力学的研究对象土的两个延伸概念：土具有成层性。物质组成、物理化学状态基本一致，工程性质大体相仿的同一层土称为土层。由若干厚度不等、性质各异、以一定上下层序组在一起的土层集合体称为土体。三、土力学的研究内容土力学不仅研究土体当前的性状，也要分析其性质的形成条件，并结合自然条件和建筑物修建后对土体的影响，分析并预测土体性质的可能变化，提出有关的工程措施，以满足各类工程建筑的要求。四、地基与基础支承基础的土体或岩体称为地基。地基可分为天然地基与人工地基。基础是将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。(上部荷载)P基础地下水位地基基础埋深上部结构地基与基础设计必须满足的基本条件：1、作用在地基上的荷载效应（基底压应力）不得超过地基容许承载力；2、基础沉降不得超过地基变形容许值；3、挡土墙、边坡以及地基基础保证具有足够防失稳破坏的安全储备。五、由土引起的工程问题上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件上海楼房倒塌事件杭州地铁事故杭州地铁事故杭州地铁事故——地面开裂杭州地铁事故——塌陷示意图基础建在一半是软粘土一半是砂卵石的地基上。塔高56.7m。近一个世纪以来，塔已向南倾斜了大约30厘米，斜度达到8度，塔身超过垂直平面5.1米。按南侧每年沉降1.4mm推算，2003或2004年斜塔可能倒塌。比萨斜塔：在斜塔北侧的塔基下码放了数百吨重的铅块，并使用钢丝绳从斜塔的腰部向北侧拽住，还抽走了斜塔北侧的许多淤泥，并在塔基地下打入10根50米长的钢柱。历时10年半的比萨斜塔拯救工作已全部结束。纠偏校斜43．8厘米，除自然因素外，可确保3个世纪内不发生倒塌危险。比萨斜塔治理措施：目前该塔倾斜严重塔顶偏离中心线2.31m。经勘探发现，该塔位于倾斜基岩上，复盖层一边深3.8m，另一边为5.8m。由于在一千余年前建造该塔时，没有采用扩大基础，直接将塔身置于地基上，造成了不均匀沉降，引起塔身倾斜，危及安全。苏州虎丘塔：处理：在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔身，获得成功.。原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，产生不均匀沉降。与土有关的工程问题加拿大特朗斯康谷仓事故：1913年9月装谷物，10月17日装了31822Ｔ谷物时，1小时竖向沉降达30.5cm24小时倾斜26°53ˊ西端下沉7.32m东端上抬1.52m上部钢混筒仓完好无损概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。1911年动工，1913年完工，自重20000T。加拿大特朗斯康谷仓原因：地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了４米。五、由土引起的工程问题变形问题：变形超过限度。稳定问题：受力超过限度，取决于土的强度。六、土力学课程的特点土力学的研究必须注意土的本质特性。土力学的研究必须注意实践性。土力学的研究必须注意工程实用性。土力学是一门偏于计算的学科。2土的性质及工程分类学习要求：了解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物理指标的三相换算。了解地基土的工程分类依据与准确定名。2.1概述土是由固、液、气相组成的三相分散系。固相——包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质；液相——主要是水；气相——主要是空气、水蒸气。思考：不同的土体三相比例是固定不变的吗？同一种土体三相比例的改变是否会对性质产生影响呢？土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如：固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态；固体+液体（气体=0）为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。2.2土的三相组成及土的结构2.2.1土的固体颗粒（固相）2.2.2土中水和气2.2.3土的结构和构造2.2.1土的固体颗粒（固相）土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其所经受的风化作用。成土矿物可分为两大类：原生矿物和次生矿物。原生矿物次生矿物由岩石经物理风化生成的。由原生矿物经化学风化生成的新矿物。颗粒成分与母岩的相同。它的成分与母岩的完全不同。常见的有石英、长石和云母。有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物。颗粒较粗，多呈浑圆形状。颗粒极细，且多呈片状。吸附水的能力弱，无塑性。性质活泼，吸附水能力强，具塑性。岩石物理风化化学风化土原生矿物次生矿物颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。化学风化仅使岩石产生质的变化物理风化仅使岩石产生量的变化原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化土粒的大小及其组成粘土颗粒性质2.2.1土的固体颗粒（固相）土粒的大小称为粒度；大小、性质相近的土粒合并为一组,称为粒组，可划分为：2006020.0750.005mm漂石卵石砾石砂粒粉粒粘粒划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土粒粒组的划分粒组名称粒径范围一般特征漂石、块石颗粒＞200卵石、碎石颗粒200～20透水性很大，无粘性，无毛细水圆砾、角砾颗粒粗中细20～1010～55～2透水性很大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小砂粒粗中细极细2～0.50.5～0.250.25～0.10.1～0.05易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大粉粒粗细0.05～0.010.01～0.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象粘粒＜0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升高度大，但速度较慢粘土细砂粗砂碎石卵石碎石粘土2.2.1土的固体颗粒（固相）试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm沉降分析法:适用于d＜0.075mm摇摆式筛析机筛分法0.075mm沉降分析法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。沉降分析法0.075mmvd126.12.2.1土的固体颗粒（固相）土的颗粒级配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。颗粒分析试验结果，绘制图的粒径级配曲线。用半对数坐标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土重占总土重的百分数，横坐标用对数坐标表示土的粒径。如曲线平缓表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。2.2.1土的固体颗粒（固相）工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度。1060ddCu曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况。6010230dddCc2.2.1土的固体颗粒（固相）•Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞5的土视为级配良好的土。•对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾。1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.411009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545粒径级配累积曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu5,均匀土3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3,级配连续土；Cc3或Cc1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良好的土；如果Cu5或Cc3或Cc1,级配不良的土2.2.2土中水和气土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。水的类型主要作用力结合水物理化学力毛细水表面张力和重力非结合水重力水重力2.2.2土中水和气土中的气体成分与大气相通压缩性高；与大气隔绝降低透水性一般空气中成分；微生物产生可燃气体（H2S）2.2.2土的结构和构造土的结构是指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。单粒结构砂层，砾石层土的结构蜂窝结构粉粒絮状结构粘粒2.2.2土的结构和构造土的构造土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。2.2.2土的结构和构造土的结构和构造的概念区别：土的结构：指的是微观结构，借助于显微镜对实体扫描、放大鉴定到的细节。土的构造：是指整个土层（土体）空间构成上特征的总和，借助肉眼或放大镜鉴别。2.3土的物理性质指标土是三相分散体系；从物理性质上可利用三相在体积上和重量上的比例关系来反映土的干湿程度和松密程度。反映三相关系的指标称为基本物理性质指标。2.3土的物理性质指标可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，称为直接指标；另一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标。2.3土的物理性质指标一、土的三相图（已知的关系）气水土粒msmwmVsVwVVa质量m(mass)体积V(volume)Vv孔隙v(vacancy)气相：air液相：water固相：solid2.3土的物理性质指标二、基本指标3个1、土的密度ρ：单位体积土的质量气水土粒msmwmVsVwVVaVv质量体积awswsVVVmmVm工程中常用重度来表示单位体积土的重力2.3土的物理性质指标测定方法：环刀法环刀法2.3土的物理性质指标2、土的含水量ω土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。气水土粒msmwmVsVwVVaVv质量体积%100%100sssmmmmm2.3土的物理性质指标测定方法：烘干法酒精燃烧法2.3土的物理性质指标3.土粒相对密度ds（土粒比重）土的固体颗粒质量与同体积4℃时纯水的质量之比，称为土粒相对密度（或比重）。ssssmdV