土力学与地基基础word讲义

1土力学与地基基础讲义一、土力学、地基与基础的概念1.土力学利用力学原理，研究土的应力变形、强度、稳定和渗透性及其随时间变化规律的科学。2.基础将埋入土层一定深度的建筑物下部承重结构称基础。包括深基础和浅基础。3.地基把土层中附加应力与变形所不能忽略的那部分地层或（岩层）称为地基。4.地基的范围（正常情况下卧层土自然压密状态强度高于持力层。）持力层：埋置基础的土层即位于基础底面第一层土。下卧层：在地基范围内持力层以下的土层。软弱下卧层：强度低于持力层的下卧层。5.基础埋置的土层应埋置在良好的持力层上。二、地基基础设计的基本要求1.地基有足够的强度，在荷载作用下，地基土不发生剪切破坏或失稳。2.不使地基产生过大的沉降或不均匀沉降，保证建筑物正常使用。3.基础结构本身应有足够的强度和刚度，在地基反力作用下不会产生过大强度破坏，并具有改善沉降与不均匀沉降的能力。综上所述：地基种类分人工地基：经过处理而达到设计要求的地基。天然地基：不需处理而直接利用的地基。三、地基与基础在工程中的重要性1.地基基础处理不当，影响建筑物的正常使用与安全，如上部结开裂，倾斜，建筑物倒塌，危及生命与财产安全。例1941年加拿大特朗斯康大谷仓（长60m，宽23m，高31m，重2×105KN）建造在软弱下卧层上，第一次装料就发生整体倒塌。2.地基基础设计要充分掌握地基土的工程性质，从实际出发进行多方案比较。2四、本课程的特点与任务（一）特点知识面广而综合性强，它涉及的学科内容较广泛，如土力学、工程地质学、施工技术及建筑结构等。（二）任务1.掌握地基土的物理性质与土力学的基本知识。2.能阅读与正确理解工程地质勘察报告。3.了解地基处理的各种方法。4.进行一般房屋的地基基础设计。思考题1．地基与基础的概念？2．地基基础设计的基本要求是什么？第一章土的物理性质第一节土的形成一、岩石的风化1．概念地表岩石长期在不同温度、水、大气、生物活动及其他外力作用的影响下，不断破碎，并发生化学变化，这种变化称为岩石的风化。2.岩石的风化种类①物理风化3由于温度变化，岩石胀缩开裂，裂隙中水的冻胀以及盐类物质的结晶而使岩石发生机械破碎作用。②化学风化由于水溶液，大气等因素影响下，引起岩石破碎和成分发生质的变化。③生物风化由于生物活动过程中产生对岩石的机械破碎以及生物新陈代谢分泌排泄物对岩石的化学侵蚀。二、土1.概念就是岩石在长期风化作用下产生大小不同的松散颗粒，经过各种地质作用而形成的沉积物。2.土的种类根据其地质成因的条件不同分为：①残积物：岩石经风化作用而残留在原地的屑碎堆积物。②坡积物：高处的风化物在雨水、雪水或本身的重力作用下搬运后，沉积在较平缓的山坡上的堆积物。③洪积物：在山区或高地由暂时性山洪急流作用而形成的山前堆积物。④冲积物：由河流流水的作用在平原河谷或山区河谷中形成的沉积物。⑤淤积物：在静水或缓慢的水流作用下的沉积物。⑥冰积土：是由冰川或冰水作用形成的沉积物。⑦风积土：是由风力搬运形成的堆积物。第二节土的组成与结构一、土的组成矿物颗粒（固相）—是土的骨架。水（液相）—填充孔隙。空气（气相）—填充孔隙。或土的组成由①三相体系——固相，液相，气相构成②二相体系——孔隙完全被水充满时称饱和土。即固相，液相构成。孔隙完全被气体充满时称干土，即固相，气相构成土。（一）矿物颗粒1.粒组的划分将物理性质接近的土粒归为一组，称粒组。a.依粒径的大小将土粒划分为六大粒组：d200mm为块石（漂石）420d200mm碎石（卵石）2d20mm角砾（圆石）0.075d2mm砂砾0.005d0.075mm粉粒d0.005mm粘粒b.筛分法确定土的名称颗粒分析表颗粒分析级配曲线—反映颗粒组成的均匀程度。不均匀系数1060ddCuCu5表示粒径较均匀、级配不好、曲线较陡、粒径相差较小、土不密实。Cu5表示粒径不均匀、级配良好、曲线平缓、粒径相差较大、土密实。2.土的矿物成分①块石、碎石、角砾等粗大土粒的矿物成分—原生矿物。②砂粒的矿物成分—原生矿物的单矿物颗粒。③粉粒的矿物成分—原生矿物的石英。次生矿物的难溶岩类，CaCO3，MgCO3。④粘土粒的矿物成分—次生矿物（粘土矿物、氧化物与难溶岩类等）及腐殖质。粘土矿物高岭土—膨胀性、可塑性小。伊利土—膨胀性、可塑性极大。蒙脱土—性质介于两者之间，接近蒙脱土。(二)土中水（1）固态水：指土中的水在温度低于0℃时结成的冰冻土。（2）气态水：指土中出现的水蒸气，如地窑打开后蒸气。（3）液态水：包括化学结合水：矿物颗粒的一部分。表面结合水：强结合水：内层（固定层）吸力大。弱结合水：外层（扩散层）吸力小。自由水：在结合水膜以外有两种：重力水：存在地下水位以下；毛细水：存在地下水位以上。5（三）土中气体：存在于土孔隙中未被水所占据的部位。二、土的结构、构造1.结构指土体中土粒的排列与连接。（1）单粒结构：由砂粒等较粗土粒组成，有疏松状态和密实状态。（2）蜂窝结构：由粉粒串联而成。（3）绒絮结构：由粘粒集合体串联而成。2.结构性土当土的天然结构被破坏后，土的压缩性增大而强度降低，故对具有海绵结构的土称结构性土。结构性的强弱用灵敏度衡量：st——天然结构破坏前后抗压强度比1st≤2不灵敏；2st≤4中灵敏；4st≤8高灵敏；st＞8极灵敏灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低越多。3.构造在同一层中其结构不同部分相互排列的特征称为土的构造。最大特征是成层性，即具有层理构造。另一特征是土的裂隙性。对工程不利。第三节土的三项比例指标一、土的三相图土的三相图表示气体、水、颗粒间的数量关系，并可计算各项物理指标。6二、土的基本物理指标1．土的重力密度γ与质量密度ρ①重力密度γ：在天然状态时单位体积的重力称重度γ。3mm/kVVWVWWV②质量密度ρ：土在天然状态时单位体积的质量称密度ρ。3mm/kgVm③重度γ与密度ρ关系为：gVmgVW即土的重度γ为密度ρ与重力加速度g的乘积。2．土粒的相对密度Gs土粒质量ms与同体积的4ºC时水的质量ρw之比称土粒比重。wswsswsswsssVWgVgWVmG/3.土的天然含水量w土中水的质量和土粒的质量之比称为含水量。用百分数表示。%100%100//%100swsws综上所述，γ，ds，w都由实验室测定，属基本物理指标。三、土的其他物理指标1．饱和土的重力密度γsat土中孔隙vv全被水充满时，单位体积的重力称饱和土重度。3m/kNVVWwvssat2．干土的重力密度γd土中无水时，单位体积的重力称干土重度。3m/kNVWsd3．水下土的重力密度γˊ在地下水位以下的土，由于受到水的浮力作用，使土的重力减轻。土受到的浮力即等于同体积的水重力v·γw，水下土单位体积的重力称为水下土的重力密度，简称有效重度。γˊ=γsat—γw（KN/m3）7综上所述：γsatγγˊγd4．土的孔隙率n土中孔隙体积与土的总体积之比称孔隙率，百分数表示%100VVnv5．土的孔隙比e土中孔隙体积与土粒体积之比称孔隙比SvVVee0.6的土是密实的低压缩性土。e1的土是疏松的高压缩性土。n、e均反映土的密实程度。6．土的饱和度Sr土中水的体积和孔隙体积之比称饱和度%100vwrVVS如Sr=100％，土孔隙全部充水，土为完全饱和状态。Sr=0，土为完全干燥状态。Sr反映土的潮湿程度。四、基本指标与其他指标的关系：假定土粒体积vs=1，则eedwssat111wdewsedwwsd11edws11%1001een第四节土的物理性质一、无粘性土的密实度1.种类指具有单粒结构的碎石土与砂土，天然状态下具有不同程度的密实8度。工程上用密实度来评定无粘性土的地基承载力。2.密实度的鉴别方法：(1)碎石土的密实度可根据重型圆锥动力触探垂击数N63..5和野外鉴别方法划分为密实、中密、稍密、松散四种状态。(2)砂土的密实度，《规范》用标准贯入试验锤击数N（即N63..5）确定砂土的密实度。N≤10松散；10N≤15稍密；15N≤30中密;N30密实。二、粘性土的物理特征粘性土的主要成分是粘粒，土粒间存在粘聚力而使土具有粘性。（一）界限含水量1．含义：粘性土由某一状态转入另一种状态时的分界含水量称为界限含水量。缩限n塑限p液限L固态半固态可塑状态流动状态含水量（%）2．缩限wn：土由半固态转为固态的界限含水量称为ws.3．塑限wp：土由可塑状态转为半固态——塑性下限含水。4．液限wL：流动状态转为可动状态即塑性上限含水量。5．可塑状态：土粒在外力作用下可塑成各种形状而不发生裂缝，在外力除去后仍可保持原状。土粒在外力作用下可相互滑动而不破坏土粒间的联系，土呈可塑状态。6．固态：土中仅含强结合水时。7．流动状态：土粒间为自由水分开。8．半固态：当弱结合水减少，主要含强结合水时。（二）粘性土的塑性指数和液性指数1.塑性指数：表示土的可塑性范围。PLP2.液性指数：判别粘性土的软硬程度称稠度。PPPLPLII（三）粘聚力是土抗剪强度组成部分，分三种状态。原始粘聚力：土粒间分子引力——可以恢复。固化粘聚力：土粒间化学胶结作用——不恢复。毛细粘聚力：孔隙中毛细水压力——值很小可略去。（四）液限与塑限的测定9液限——锥式液限仪。塑限——滚搓法。第五节粉土的特征一、粉土塑性指数Ip≤10及粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50％的低压缩性土。二、特性1．Ip≤10的土中，80％以上的粒组是粉粒与极细砂粒，塑限试验不适用、呈假塑性，液限试验亦不适用。2．土的力学性能指标在与塑性指数关系的散点图上Ip=10处有明显转折。1．Ip=7～10液化占40％以上。2．Ip10的土中难以压实，不宜石灰加固，沉桩较难。第六节地基土的工程分类建筑地基的土可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等。一、岩石1.岩石的坚硬程度分坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。2.建筑地基的岩石按风化程度分类风化程度分未风化、微风化中风化强风化、全风化3．岩体完整程度分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。二、碎石土粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％的土。依粒组含水量及颗粒形状分块石，碎石，角砾。三、砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50％及粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50％的土。依粒组含量分砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。四、粉土Ip≤10及粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50％。五、粘性土Ip＞10的土为粘性土。1.分类：无粘性土、一般粘性土、新近沉积的粘性土。Ip＞17粘土按Ip分类10＜Ip≤17粉质粘土102.淤泥和淤泥质土①淤泥：e≥1.5的粘性土②淤泥质土：1≤e1.5的土③特点：强度低、压缩性高、透水性差、压实所需时间很长。3.红粘土e较、ω较高、土体仍处于硬塑或坚硬状态，具有较高的强度和较低的缩性。六、人工填土是指由于人类活动而堆填的土按组成和成因可分素填土杂填土冲填土整章小结一、土的分类：土是岩石经长期风化作用及地质作用形成的沉积物1．按沉积物的成因分：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土、风积土等。2．工程分类：按沉积物的粒组含量及特征分：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土等。二、土的组成：矿物颗粒（固相）六大粒组：三相体系水（液相）液态水、固态水、气态水空气（气相）存在于土孔隙中未被水占据的部位二相体系饱和土矿物颗粒（孔隙全充满水）水干土矿物颗粒（孔隙被气充满）11气体三、土的结构——是指土粒的排列与连结种类单粒结构：砂粒等较粗土粒组成蜂窝结构、绒絮结构——海绵结构第二章土的力学性质1．土中应力分自重应力——由土的自身重力作用而产生的压力附加应力——由建筑物荷载作用后产生的应力，在附加应力的作用下，地