《土力学与地基基础》

土力学与地基基础主讲:刘增荣教授教材:“地基及基础”主编:华南理工大学等院校出版社:中国建筑工业出版社绪言一、土力学、地基及基础的有关概念1土力学--研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。2地基—支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。3基础--建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础(参看图o—1)。4地基基础设计的先决条件：在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘察，充分了解、研究地基土(岩)层的成因及构造、它的物理力学性质、地下水情况以及是否存在(或可能发生)影响场地稳定性的不良地质现象(如滑坡、岩溶、地震等)，从而对场地件作出正确的评价。5地基基础设计的两个基本条件：(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；(2)控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。6基础结构的型式：7地基类型8地基基础设计方案的选取原则9地基及基础的重要性二、本课程的特点和学习要求1课程的特点：（1）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；（2）课程理论性和实践性均较强。2学习要求：(1)学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等土力学基本原理；(2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；(3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内土工试验方法；（4）重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资料能力的培养。第一章土的物理性质及分类1—1概述1土的定义：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，在各种自然环境中生成的沉积物。2土的三相组成：土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。1—2土的生成一、地质作用的概念1地球的圈层构造：外圈层：大气圈、水圈、生物圈；内圈层：地壳、地幔、地核。构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一般厚度为30一80km。2地质作用--导致地壳成分变化和构造变化的作用。根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用(1)内力地质作用:由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。1)岩浆作用--存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔融体(岩浆)，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝后生成为岩浆岩的地质作用。2)地壳运动--地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现为地壳的上拱和下拗，形成大型的构造隆起和拗陷：水平运动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂．地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。3)变质作用--在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩(原来生成的各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、结构、构造变化的地质作用。(2)外力地质作用：由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。1)风化作用--外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。2)沉积岩和土的生成--原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的“土”。3）风化、剥蚀、搬运及沉积--外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作用在一定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，例如，河流上游地区以剥蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原以沉积占优势．二、矿物与岩石的概念岩石--一种或多种矿物的集合体。矿物--地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态．(一)造岩矿物组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重等特征为依据。（二）岩石岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的结构—岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的组合方式。岩石的构造--岩石中矿物的排列方式及填充方式。岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类，其亚类划分列于表1-3、表1-4、表1-5。三地质年代的概念地质年代--地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物演化相对应的时代段落。相对地质年代--根据古生物的演化和岩层形成的顺序，所划分的地质年代。在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对年代划分为五大代(太古代、元古代、古生代、中生代和新生代)，每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应的地层（参见表1-6）在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩风化产物（碎屑物质），经各种外力地质作用(剥蚀、搬运、沉积)形成尚未胶结硬化的沉积物(层)，通称“第四纪沉积物(层)”或“土”。四第四纪沉积物(层)不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。(一)残积物、坡积物和洪积物1．残积物残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。2．坡积物坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。3．洪积物(Q”)·由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物(图1—4)。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群图l—5)。如果逐渐扩大以至连接起来，则形成洪积冲积平原的地貌单元。洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状(图1—6)。(二)冲积物(Q)冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。1平原河谷冲积物平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元(图1—7)。2．山区河谷冲积层在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地(图1-8)。(三)其它沉积物除了上述四种成囚类型的沉积物外，还有海洋沉积物(Q”)、湖泊沉积物(Q‘)、冰川沉积物(Q”)及风积物(Q”‘)等，它们是分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的．1-3土的组成一土的固体颗粒·土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。(一)土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。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，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。表l-8提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限粒径200、20、2、0．05和0．005mm把土粒分为六大粒组：漂石块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总量的百分数)来表示，称为土的颗粒级配。颗粒分析试验：筛分法；比重计法根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图1—10所示的颗粒级配累积曲线由曲线的坡度可判断土的均匀程度有效粒径；限定粒径。利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如与的比值称为不均匀系数：又如曲率系数用下式表示：不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况，越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度．曲率系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。1060ddCu6010230dddCc(二)土粒的矿物成分土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。1、六大粒组的矿物成分漂石、卵石、圆砾等粗大颗粒；砂粒；粉粒；粘粒。2、粘土矿物的比表面由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积(或质量)的颗粒总表面积(称为比表面)来表示。由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质起着重要的作用。二、土中的水和气(一)土中水在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：1．结合水结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。由于土粒(矿物颗粒)表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子(如Na’、Ca”、A1”等)一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子(氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷)，它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列(图1—13)。双电子层(1)强结合水强结合水是指紧靠土粒表面的结合水(2)弱结合水弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。2自由水自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。(1)重力水重力水是存在于地下水位以下的透水层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。(2)毛细水毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水．毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系)和毛细上升水(与地下水相连)两种。当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和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(图1—14)，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。(二)土中气。I土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。三、土的结构和构造土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造，土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征是土的裂隙性。1—4土的三相比例指标上节介绍了土的组成，特别是土颗粒的粒组和矿物成分，是从本质方面了解土的性质的根据。但是为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相——土粒(固相)、土中水(液相)和土中气(气相)的组成情况进行数量上的研究。土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。1—5无粘性土的密实度无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。对于同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、稍密直到松散状态。以下介绍与无粘性土的最大和最小孔隙比、相对密实度等有关密实度的指标。无粘性土的相对密实度为maxmaxminreeDee根据值可把砂