《土力学与地基基础》武汉高校课件（327内容丰富）

土力学与与地基基基础主讲讲:马虹虹教材材:《《土力学与与基础工工程》主编编:赵明华出版社:武汉理工工大学出出版社目录第一章绪绪论·····································································3第二章土土的物物理性质质与工程程分类·························第三章土土中应应力···························································第四章土土的变变形性质质与地基基沉降计计算·················第五章土土的抗抗剪强度度··················································第六章土土压力力、地基基承载力力和土坡坡稳定···········第七章浅浅基础础设计·······················································171第八章桩桩基础础设计·······················································第一章绪论论一、土土力学、、地基及及基础的的有关概概念1.地基—支撑建筑筑物荷载载、且受受建筑物物荷载影影响的那那一部分分地层称称为地基基。地基基有天然然地基和和人工地地基之分分。2.基础--建筑物向向地基传传递荷载载的下部部结构就就是基础础。基础础有浅基基础和深深基础两两种类型型。3.土—地壳表面面的岩石石经风化化、搬运运、沉积积而形成成的松散散颗粒的的集合体体，在建建筑工程程中，称称为土。。（1）风化作作用：物物理风化化、化学学风化。。（2）土的作作用：基基土;土料;建筑物周周围的介介质或护护层。（3）土的物物理特性性：土与与其它建建筑材料料相比，，除了强强度低，，质地不不均匀之之外，还还有以下下特性：：①三相相组成；；②多孔孔性；③③散体性性；④徐徐变，既既有弹性性变形，，又有塑塑性变形形。多孔性和和散体性性是土的的主要特特性。（4）土的工工程特性性：①强强度低;②压缩性高高;③透水性大大。4.土力学--研究土的的应力、、变形、、强度、、稳定、、渗透等等特性性以及及这些特特性随时时间变化化规律的的一门力力学学科科，称为为土力学学。5地基基础础设计的的两个基基本条件件：(1)要求作用用于地基基的荷载载不超过过地基的的承载能能力，保保证地基基在防止止整体破破坏方面面有足够够的安全全储备（（强度条条件）；；(2)控制基础础沉降使使之不超超过地基基的变形形允许值值，保证证建筑物物不因地地基变形形而损坏坏或者影影响其正正常使用用（变形形条件））。二、本课课程的特特点和学学习要求求1.课程的特特点（1）地基及及基础课课程涉及及工程地地质学、、土力学学、结构构设计和和施工几几个学科科领域，，内容广广泛、综综合性强强；（2）课程理理论性和和实践性性均较强强。2.学习要求求：(1)学习和掌掌握土的的应力、、变形、、强度和和地基计计算等土土力学基基本原理理；(2)学习和掌掌握浅基基础和桩桩基础的的设计方方法；(3)熟悉土的的物理力力学性质质的原位位测试技技术以及及室内土土工试验验方法；；三.本课程的的重要性性1.地基与基基础工程程工期长长，造价价高；2.地基与基础础工程在地地面之下，，属于隐蔽蔽工程。四、土力学学的发展简简况1.十八世纪中中叶以前——感性认识阶阶段；2.十八世纪产产业革命至至二十世纪纪初——半经验分析析阶段；3.二十世纪以以后——理论与实践践相结合的的研究阶段段。第二章土土的物理理性质及分分类2—1概述述土的三相组组成：土是由固体体土颗粒(固相)、水(液相)和气体(气相)所组成的三三相体系。。2-2土的三相组组成及土的的结构一土的固固体颗粒土中的固体体颗粒(简称土粒)的大小和形形状、矿物物成分及其其组成情况况是决定土土的物理力力学性质的的重要因素素。(一)土的颗粒级级配在自然界中中存在的土土，都是由由大小不同同的土粒组组成的。土粒的粒径径由粗到细细逐渐变化化时，土的的性质相应应地发生变变化，例如如土的性质质随着粒径径的变细可可由无粘性性变化到有有粘性。将土中各种种不同粒径径的土粒，，按适当的的粒径范围围，分为若若干粒组，，各个粒组组随着分界界尺寸的不不同而呈现现出一定质质的变化。。划分粒组组的分界尺尺寸称为界限粒粒径。表l-8提供的是一一种常用的的土粒粒组组的划分方方法。表中中根据界限限粒径200、20、2、0．05和0．005mm把土粒分为为六大粒组组：漂石<块石)颗粒、卵石石(碎石)颗粒、圆砾砾(角砾)颗粒、砂粒粒、粉粒及及粘粒。土粒的大小小及其组成成情况，通通常以土中中各个粒组组的相对含含量(各粒组占土土粒总量的的百分分数)来表示，称称为土的颗颗粒级配。。颗粒分析试试验：筛分分法；比重重计法根据颗粒大大小分析试试验成果，，可以绘制制如图1—10所示的颗粒粒级配累积积曲线由曲线的坡坡度可判断断土的均匀匀程度有效粒径；；限定粒径。利用颗粒级级配累积曲曲线可以确确定土粒的的级配指标标，如与的的比值称为为不均匀系系数：又如曲率系系数用下式式表示：不均匀系数数反映大大小不同粒粒组的分布布情况，越越大表示土土粒大小的的分布范围围越大，其其级配越良良好，作为为填方工程程的土料时时，则比较较容易获得得较大的密密实度．曲曲率系数描描写的是累累积曲线的的分布范围围，反映曲曲线的整体体形状。颗粒级配可可在一定程程度上反映映土的某些些性质。(二)土粒的矿物物成分土粒的矿物物成分主要要决定于母母岩的成分分及其所经经受的风化化作用。不不同的矿物物成分对土土的性质有有着不同的的影响，其其中以细粒粒组的矿物物成分尤为为重要。。1、六大粒组组的矿物成成分漂石、卵石石、圆砾等等粗大颗粒粒；砂粒；；粉粒；粘粘粒。2、粘土矿物的的比表面由于粘土矿矿物是很细细小的扁平平颗粒，颗颗粒表面具具有很强的的与水相互互作用的能能力，表面面积愈大，，这种能力力就愈强。。粘土矿物物表面积的的相对大小小可以用单单位体积(或质量)的颗粒总表表面积(称为比表面面)来表示。由于土粒大大小不同而而造成比表表面数值上上的巨大变变化，必然然导致土的的性质的突突变，所以以，土粒大大小对土的的性质起着着重要的作作用。二、土中的的水和气体体(一)土中水在自然条件件下，土中中总是含水水的。土中中水可以处处于液态、、固态或气气态。存在于土中中的液态水水可分为结结合水和自自由水两大大类：1．结合水结合水是指指受电分子子吸引力吸吸附于土粒粒表面的土土中水。这这种电分子子吸引力高高达几千到到几万万个大气压压，使水分分子和土粒粒表面牢固固地粘结在在一起。由于土粒(矿物颗粒)表面一般带带有负电荷荷，围绕土土粒形成电电场，在土土粒电场范范围内的水水分子和水水溶液中的的阳离子(如Na’’、Ca””、A1””等)一起起吸吸附附在在土土粒粒表表面面。。因因为为水水分分子子是是极极性性分分子子(氢原原子子端端显显正正电电荷荷，，氧氧原原子子端端显显负负电电荷荷)，它被被土土粒粒表表面面电电荷荷或或水水溶溶液液中中离离子子电电荷荷的的吸吸引引而而定定向向排排列列(图1——13)。双电电子子层层(1)强结结合合水水强结结合合水水是是指指紧紧靠靠土土粒粒表表面面的的结结合合水水(2)弱结结合合水水弱结结合合水水紧紧靠靠于于强强结结合合水水的的外外围围形形成成一一层层结结合合水水膜膜。。2自由由水水自由由水水是是存存在在于于土土粒粒表表面面电电场场影影响响范范围围以以外外的的水水。。它它的的性性质质和和普普通通水水一一样样，，能能传传递递静静水水压压力力，，冰冰点点为为0℃℃，有有溶溶解解能能力力。。自由由水水按按其其移移动动所所受受作作用用力力的的不不同同，，可可以以分分为为重重力力水水和和毛毛细细水水。。(1)重力力水水重力力水水是是存存在在于于地地下下水水位位以以下下的的透透水水层层中中的的地地下下水水，，它是是在在重重力力或或压压力力差差作作用用下下运运动动的的自自由由水水，，对对土土粒粒有有浮浮力作用。(2)毛细水毛细水是受到到水与空气交交界面处表面面张力作用的的自由水．毛细水水存在于地下下水位以上的的透水土层中中。毛细水按其与地下下水面是否联联系可分为毛毛细悬挂水(与地下水无直直接联系)和毛细上升水水(与地下水相连连)两种。当土孔隙中局局部存在毛细细水时，毛细细水的弯液面面和土粒接触触处的表面引引力反作用于于土粒上，使使土粒之间由由于这种毛细细压力而挤紧紧(图1—14)，土因而具有有微弱的粘聚聚力，称为毛毛细粘聚力。。(二)土中气。。I土中的气体存存在于土孔隙隙中未被水所所占据的部位位。三、土的结结构和构造土的结构是指指由土粒单元元的大小、形形状、相互排排列及其联结结关系等因素素形成的综合合特征。一般般分为单粒结结构、蜂窝结结构和絮状结结构三种基本本类型。在同一土层中中的物质成分分和颗粒大小小等都相近的的各部分之间间的相互关系系的特征称为为土的构造，，土的构造最最主要特征就就是成层性即即层理构造。。土的构造的的另一特征是是土的裂隙性性。2—3土的物理性质质指标（三相相比例指标））上节介绍了土土的组成，特特别是土颗粒粒的粒组和矿矿物成分，是是从本质方面面了解土的性性质的根据。。但是为了对对土的基本物物理性质有所所了解，还需需要对土的三三相——土粒(固相)、土中水(液相)和土中气(气相)的组成情况进进行数量上的的研究。土的三相比例例指标：土粒粒比重、含水水量、密度、、干密度、饱饱和密度、有有效密度、孔孔隙率、孔隙隙比、饱和度度。2—4无粘性土的密密实度无粘性土的密密实度与其工工程性质有着着密切的关系系，呈密实状状态时，强度度较大，可作作为良好的天天然地基，呈呈松散状态时时，则是不良良地基。对于于同一种无粘粘性土，当其其孔隙比小于于某一限度时时，处于密实实状态，随着着孔隙比的增增大，则处于于中密、稍密密直到松散状状态。以下介绍与无无粘性土的最最大和最小孔孔隙比、相对对密实度等有有关密实度的的指标。无粘性土的相相对密实度为为根据值值可把砂土的的密实度状态态划分为下列列三种：密实的中密的松散的砂土的密实度度碎石土的密实实度2—5粘性土的物理理特征一粘性土的界限限含水量粘性土由于其其含水量的不不同，而分别别处于固态、、半固态、可可塑状态及流流动状态粘性土由一种种状态转到另另一种状态的的分界含水量量，叫做界限限含水量。我国目前以联联合法测定液液限和塑限二、粘性土的的塑性指数和和液性指数1、塑性指数是是指液限和塑塑限的差值(省去％符号)，即土处在可可塑状态的含含水量变化范范围。塑性指数的大大小与土中结结合水的含量量有关2、液性指数是指指粘性土的天天然含水量和和塑限的差值值与塑性指数数之比。用液性指数可可表示粘性土土的软硬状态态，见表4-14三、粘性土的的灵敏度和触触变性天然状态下的的粘性土、通通常都具有一一定的结构性性，当受到外外来因素的扰扰动时，土粒粒间的胶结物物质以及土粒粒，离子、水水分子所组成成的平衡体系系受到破坏，，土的强度降降低和压缩性性增大．土的的结构性对强强度的这种影影响，一般用用灵敏度来衡衡量。土的灵灵敏度是以原原状土的强度度与同一土经经重塑(指在含水量不不变条件下使使土的结构彻彻底破坏)后的强度之比比来表示的。。土的触变性饱和粘性土的的结构受到扰扰动，导致强强度降低，但但当扰动停止止后，土的强强度又随时间间而逐渐增长长。粘性土的的这种抗剪强强度随时间恢恢复的胶体化化学性质称为为土的触变性性。2—6土的渗透性土的渗透性一一般是指水流流通过土中孔孔隙难易程度度的性质，或或称透水性。。地下水在土中中的渗透速度度一般可按达达西Darcy)根据实验得到到的直线渗透透定律计算，，其公式如下下(图1—25)：粘性土的达西西定律2—8地基土(岩)的分类地基土(岩)分类的任务是是根据分类用用途和土(岩)的各种性质的的差异将其划划分为一定的的类别。土(岩)的合理分类具具有很大的实实际意义，例例如根据分类类名称可以大大致判断土(岩)的工程特性、、评价土(岩)作为建筑材料料的适宜性以以及结合其他他指标来确定定地基的承载载力等等。阅阅读33-39页内容。第三章土土中应力计算算概述研究地基的应应力和变形，，必须从土的的应力与应变变的基本关系系出发来研究究。当应力很很小时，土的的应力·应变关关系曲曲线就就不是是一根根直线线(图2—1)，亦即即土的的变形形具有有明显显的非非线性性特征征。假设地基土土为均均匀、、连续续、各各向同同性的的半空空间线线性变变形体体。3—1土的自自重应应力一、单单层土土中自自重应应力的的计算算在计算算土中中自重重应力力时，，假设设天然然地面面是一一个无无限大大的水水平面面，因因而在在任意意竖直直面和和水平平面上上均无无剪应应力存存在。。可取取作用用于该该水平平面上上任一一单位位面积积的土土柱体体自重重计算算(图2—2)，即：：地基中中除有有作用用于水水平面面上的的竖向向自重重应力力外，，在竖竖直面面上还还作用用有水水平向向的侧侧向自自重重应应力。。由于于沿任任一水水平面面上均均匀地地无限限分布布，所所以地地基土土在自自重作作用下下只能能产生生竖向向变形形，而而不能能有侧侧向变变形和和剪切切形。。必须指指出，，只有有通过过土粒粒接触触点传传递的的粒间间应力力，才才能使使土粒粒彼此此挤紧紧，从从而引引起土土体的的变形形，而而且粒粒间应应力又又是影影响土土体强强度的的—个重要要因素素，所所以粒粒间应应力又又称为为有效效应力力。因因此，，土中中自重重应力力可定定义为为土自自身有有效重重力在在土体体中引引起的的应力力。土土中竖竖向和和侧向向的自自重应应力一一般均均指有有效自自重应应力。。以后各各章节节中把把常用用的竖竖向有有效自自重应应力，，简称称为自自重应应力。。二、成成层土土中自自重应应力的的计算算地基土土往往往是成成层的的，成成层土土自重重应力力的计计算公公式：：自然界界中的的天然然土层层，一一般形形成至至今已已有很很长的的地质质年代代，它它在自自重作作用下下的变变形早早巳稳稳定。。但对对于近近期沉沉积或或堆积积的土土层，，应考考虑它它在自自应力力作用用下的的变形形。此此外，，地下下水位位的升升降会会引起起土中中自重重应力力的变变化(图2—4)。[例题2—7]某建筑筑场地地的地地质柱柱状图图和土土的有有关指指标列列于例例图2·1中。试试计算算地面面下深度度为2.5m、5m和9m处的自自重应应力，，并绘绘出分分布图图。[解]本例天天然地地面下下第一一层粉粉土厚厚6m，其中地下水水位以上和和以下的厚厚度分别为为3.6m和2.4m，第二层为粉粉质粘土层层。依次计计算2.5m、3.6m、5m、6m、9m各深度处的的土中竖向向自重应力力，计算过过程及自重重应力分布布图一并列列于例图2—1中。3-2基底压力(接触应力)建筑物荷载载通过基础础传递给地地基，在基基础底面与与地基之间间便产生了了接触应力力。它既是是基础作用用于地基的的基底压力力，同时又又是地基反反用于基础础的基底反反力。对于具有一一定刚度以以及尺寸较较小的柱下下单独基础础和墙下条条形基础等等，其基底底压力可近近似地按直直线分布的的图形计算算，即按下下述材料力力学公式进进行简化计计算。一、基底压压力的简化化计算(一)中心荷载下下的基底压压力中心荷载下下的基础，，其所受荷荷载的合力力通过基底底形心。基基底压力假假定为均匀匀分布(图2—5)，此时基底底平均压力力设计值按按下式计算算：(二)偏心荷载下下的基底压压力对于单向偏偏心荷载下下的矩形基基础如图2·6所示。设计计时，通常常基底长边边方向取与与偏心方向向一致，此此时两短边边边缘最大大压力设计计值与最小小压力设计计值按材料料力学短柱柱偏心受压压公式计算算：=矩形基础在在双向偏心心荷载作用用下，如基基底最小压压力，，则则矩形基底底边缘四个个角点处的的压力二、基底附附加压力建筑物建造造前，土中中早巳存在在着自重应应力。如果果基础砌置置在天然地地面上，那那末全部基基底压力就就是新增加加于地基表表面的基底底附加压力力。一般天天然土层在在自重作用用下的变形形早巳结束束，因此只只有基底附附加压力才才能引起地地基的附加加应力和变变形。实际上，一一般浅基础础总是埋置置在天然地地面下一定定深度处，，该处原有有的自重应应力由于开开挖基坑而而卸除。因因此，由建建筑物建造造后的基底底压力中扣扣除基底标标高处原有有的土中自自重应力后后，才是基基底平面处处新增加于于地基的基基底附加压压力，基底底平均附加加压力值按按下式计算算(图2—8)：有了基底附附加压力，，即可把它它作为作用用在弹性半半空间表面面上的局部部荷载，由由此根据弹弹性力力学求算地地基中的附附加应力。。3—3地基附加应应力地基附加应应力是指建建筑物荷重重在土体中中引起的附附加于原有有应力之上上的应力。。其计算方方法一般假假定地基土土是各向同同性的、均均质的线性性变形体，，而且在深深度和水平平方向上都都是无限延延伸的，即即把地基看看成是均质质的线性变变形半空间间，这样就就可以直接接采用弹性性力学中关关于弹性半半空间的理理论解答。。计算地基附附加应力时时，都把基基底压力看看成是柔性性荷载，而而不考虑基基础刚度的的影响。建筑物作用用于地基上上的荷载，，总是分布布在一定面面积上的局局部荷载，，因此理论论上的集中中力实际是是没有的。。但是，根根据弹性力力学的叠加加原理利用用布辛奈斯斯克解答，，可以通过过积分或等等代荷载法法求得各种种局部荷载载下地基中中的附加应应力。(二)等代荷载法法·如果地基中中某点M与局部荷载载的距离比比荷载面尺尺寸大很多多时，就可可以用一个个集中力代代替局部荷荷载，然后后直接应用用式(2—12c)计算该点的的。。令则则上式改写写为:K-集中力作用用下得地基基竖向附加加应力系数数,简称集中应应力系数,按r/z值由表2-1查用。若干个竖竖向集中中力作作用在在地基表表面上，，按叠加加原理则则地面下下深度处处某点的的附加应应力应为为各集中中力单独独作用时时在点所所引起的的附加应应力之和和为均布矩矩形荷载载角点下下的竖向向附加应应力系数数，简称称角点应应力系数数，可按按m及n值由表2—2查得。对于均布布矩形荷荷载附加加应力计计算点不不位于角角点下的的情况，，就可利利用式(2—20)以角点法法求求得。图图2—12中列出计计算点不不位于矩矩形荷载载面角点点下的四四种情况况(在图中0点以下任任意深深度z处)。计算时时，通过过0点把荷载载面分成成若干个个矩形面面积，这这样,0点就必然然是划分分出的各各个矩形形的公共共角点，，然后再再按式(2-20)计算每个个矩形角角点下同同一深度度z处的附加加应力，，并求其其代数和和。四种种情况的的算式分分别如下下(a)o点在荷载载面边缘缘式中，，分别表表示相应应于面积积I和Ⅱ的角点应应力系数数。必须须指出，，查表2-2时所取用用边长应应为任任一矩形形荷载面面的长度度，而为为宽宽度，以以下各种种情况相相同不再再赘述。。(b)o点在荷载载面内(c)o点在荷载载面边缘缘外侧此时荷载载面abcd可看成是是由I(ofbg)与Ⅱ(ofah)之差和Ⅲ(oecg)与Ⅳ(oedh)之差合成成的，所所以(d)o点在荷载载面角点点外侧把荷载面面看成由由I(ohce)、Ⅳ(ogaf)两个面积积中扣除除Ⅱ(ohbf)和Ⅲ(ogde)而成的，，所以[例题2-3]以角点法法计算例例图2-3所示矩形形基础甲甲的基底底中心点点垂线下下不同深深度处的的地地基附加加应力的的分布，，并考虑虑两相邻邻基础乙乙的影响响(两相邻柱柱距为6m，荷载同基基础甲甲)。[解](1)计算基础础甲的基基底平均均附加压压力标准准值如下下：基础及其其上回填填土得总总重基底平均均附加压压力设计计值基底处的的土中自自重压力力标准值值基底平均均压力设设计值(2)计算基础础甲中心心点o下由本点其长宽比l/b＝2.5/2=1.25，取深度z=0、1、2、3、4、5、6、7、8、10m各计算点，相应的z/b=0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5,利用表2－2即可查得地基附加应力系数Kc1。σz的计算列于例表2－3－1根据计算资料绘出σz分布图，见例图2－3(二)三角形分分布的矩矩形荷载载设竖向荷荷载沿矩矩形面积积一边b方向上呈呈三角形形分布(沿另一边边的荷载载分布不不变),荷载的最最大值为为取取荷载载零值边边的角点点1为座标原原点(图2-13)则可将荷荷载面内内某点()处所取微微面积上上的分分布荷载载以集中中力代代替替。角点点1下深度处处的M点由该集集中力引引起的附附加应力力,按式(2—12c)为：在整个矩矩形荷载载面积进进行积分分后得角角点1下任意深深度z处竖向附附加应力力:式中同理，还还可求得得荷载最最大值边边的角点点2下任任意意深深度度z处的的竖竖向向附附加加应应力力为为：：(2——23)和均均为为和和的的函函数数，，可可由由表表2——3查用用。。(三)均布布的的圆圆形形荷荷载载设圆圆形形荷荷载载面面积积的的半半径径为为，，作作用用于于地地基基表表面面上上的的竖竖向向均均布布荷荷载载为为，，如如以以圆圆形形荷荷载载面面的的中中心心点点为为座座标标原原点点o(图2——14)，并并在在荷荷载载面面积积上上取取微微面面积积，，以以集集中中力力代代替替微微面面积积上上的的分分布布荷荷载载，，则则可可运运用用式式(2——12c)以积积分分法法求求得得均均布布圆圆形形荷荷载载中中点点下下任任意意深深度度z处M点的的如如下下，，三、、条条形形荷荷载载下下的的地地基基附附加加应应力力设在在地地基基表表面面上上作作用用有有无无限限长长及及条条形形荷荷载载，，且且荷荷载载沿沿宽度度可可按按任任何何形形式式分分中产生的应力状态属于平面问题。在工程建筑中，当然没有无限长的受荷面积，不过，当荷载面积的长宽比l/b≥10时，计算的地基附加应力值与按时的解相比误差甚少。因此，对于条形基础，如墙基、挡土墙基础、路基、坝基等，常可按平面问题考虑。条形荷载下的地基附加应力为：第四四章章土土的的变变形形性性质质与与地地基基沉沉降降计计算算4－1土的的压压缩缩性性一、、压压缩缩性性的的定定义义及及实实质质1.定义义土在在压压力力作作用用下下体体积积缩缩小小的的特特性性称称为为土土的的压压缩2.实质试验研究表明，在一般压力（100－600kN)作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计，所以把土的压缩看作为土中孔隙体积的减小。此时，土粒调整位置，重行排列，互相挤紧。饱和土压缩时，随着孔隙体积的减少土中孔隙水则被排出。

计算算地地基基沉沉降降量量时时，，必必须须取取得得土土的的压压缩缩性性指指标标，，在在一一般般工工程程中中，，常常用用不不允允许许土土样样产产生生侧侧向向变变形形(侧限限条条件件)的室室内内压压缩缩试试验验来来测测定定土土的的压压缩缩性性指指标标。。二、、室室内内压压缩缩试试验验及及压压缩缩性性指指标标(一)压缩缩试试验验和和压压缩缩曲曲线线为求求土土样样压压缩缩稳稳定定后后的只要要压缩曲线可按两种方式绘制，一种是采用普通直角座标绘制的曲线[图2-6(a)]在常规试验中，一般按50、100，200，300，400kPa五级加荷，另一种的横座标则取的常用对数取值，即采用半对数直角座标纸绘制成曲线[图2-26(6)]，试验时以·较小的压力开始，采取小增量多级加荷，并加到较大的荷载(例如1000kPa)为止.(二)土的的压压缩缩系系数数和和压压缩缩指指数数压缩缩性性不不同同的的土土，，其其曲曲线线的的形形状状是是不不一一样样的的。。曲曲线线愈愈陡陡，，说说明明随随着着压压力力的的增增加加，，土土孔孔隙隙比比的的减减小小愈愈显显著著，，因因而而土土的的压压缩缩土的压压缩缩性性可可用用图图中中割割线线的的斜斜率率表表示示设设割割线线与与横横座座标标的的夹夹角角为为，，则则，为了便于于应用和和比较，，通常采采用压力力间隔由由增增加加到时时所所得的压压缩系数数来来评定定土的压压缩性。。(三)压缩模量量(侧限压缩缩模量)根据曲曲线，可可以求算算另一个个压缩性亦称侧限压缩模量，以便与一般材料在无侧限条件下简单拉伸或压缩时的弹性模量相区别。三、室外外现场测测试及压压缩性指指标土的压缩缩性指标标，除从从室内压压缩试验验测定外外，还可可以通过过现场原原位测试试取得。。例如可可以通过过载荷试试验或旁旁压试验验所测得得的地基基沉降(或土的的变形形)与压力力之间间近似似的比比例关关系，，从而而利用用地基基沉降降的弹弹性力力学公公式来来反算算土的的变形形模量量。(一)以载荷荷试验验测定定土的的变形形模量量1.载荷试试验地基土土载荷荷试验验是工工程地地质勘勘察工工作中中的一一项原原位测测试。。试验验前先先在现现场试试坑中中竖立立载载荷荷架，，使施施加的的荷载载通过过承压压板(或称压压板)传到地地层中中去，，以便便测试试岩、、土的的力学学性质质，包包括测测定地地基变变形横横量，，地基基承载载力以以及研研究土土的湿湿陷性性质等等。图2-31所示两两种千千斤顶顶型式式的载载荷架架，其其构造造一般般由加加荷稳稳压装装置，，反力力装置置及观观测装装置三三部分分组成成。根据各各级荷荷载及及其相相应的的(相对)稳定沉沉降的的观测测数值值，即即可采采用适适当的的比例例尺绘绘制荷荷载p与稳定定沉降降s的关系系曲线线(曲线)，必要要时还还可绘绘制各各级荷荷载下下的沉沉降与与时间间的关关系曲曲线(曲线)。其中曲曲线的的开始始部分分往往往接近近于直直线，，与直直线段段终点点对应应的荷荷载称称为地地基的的比例例界限限荷载载，相相当于于地基基的临临塑荷荷载。。一般般地基基承载载力设设计值值取接接近于于或稍稍超过过此比比例界界限值值。2.变形模模量通常将将地基基的变变形按按直线线变形形阶段段，以以弹性性力学学公式式，即即按下下式来来反求求地基基土的的变形形模量量，其其计算算公式式如下下：3.变形模模量与与压缩缩模量量的关关系如前所述，，土的变形形模量是土土体在无侧侧限条件下下的应力与与应变的比比值；而土土的压缩模模量则是土土体在完全全侧限条件件下的应力力与应变的的比值。与与两两者在理论论上是完全全可以互换换算的。从侧向不允允许膨胀的的压缩试验验土样中取取一微单元元体进行分分析，可得得与与两两者者具有如下下关系(二)以旁压试验验测定土的的旁压模量量1.旁压试验2.旁压模量4—2地基的最终终沉降量一、按分层层总和法计计算地基的最终终沉降量，，通常采用用分层总和和法进行计计算，即在在地基沉降降计算深度度范围内划划分为若干干分层计算算各分层的的压缩量，，然后求其其总和，计计算时应先先按基础荷荷载、基础础形状和尺尺寸，以及及土的有关关指标求得得土中应力力的分布(包括基底附附加压力，，地基中的的自重应力力和附加应应力)。计算地基最最终沉降量量的分层总总和法，通通常假定地地基土压缩缩时不允许许侧向变形形(膨胀)，即采用侧侧限条件下下的压缩性性指标，为为了弥补这这样得到的的沉降量偏偏小的缺陷陷，通常取取基底中心心点下的附附加应力进进行计算。。1、薄压缩土土层的沉降降计算当基础底面面以下可压压缩土层较较薄且其下下为不可压压缩的岩层层时，—般当可压缩缩土层厚度度H小于基底宽宽度b的1／2时，由于基基底摩阻力力和岩层层层面摩阻力力对可压缩缩土层的限限制作用，，土层压缩缩时只出现现很少的侧侧向变形，，因而认为它它与压缩仪仪中土样的的受力和变变形条件很很相近，地地基的最终终沉降量S(mm)就可直接利利用下式计计算:式中H——薄可压缩土土层的厚度度，m，——根据薄土层层顶面处和和底面处自自重应力(即初始压力力））的平均值值从土的压压缩曲线上上查得的相相应的孔隙隙比；——根据薄土层层的顶面处处和底面处处自重应力力平平均均值与附加加应力平均均值(即压力增量量，，此处近似似等于基底底平均附加加压力)之和(即总压应力力)，从土的压压缩曲线上上得到的相相应的孔隙隙比。实际上，大大多数地基基的可压缩缩土层较厚厚而且是成成层的。下下面讨论较较厚且成层层可压缩土土层的沉降降计算。2、较厚且成成层可压缩缩土层的沉沉降计算方方法与步骤骤（1）按比例尺尺绘制地基基土层剖面面图和基础础剖面图；；（2）地基土的的分层。分分层厚度一一般取0.4b,此外,成层土的界界面和地下下水面是当当然的分层层面；（3）地基竖向向自重应力力的计算。。分别计算算基底处、、土层层面面处及地下下水位面处处的自重应应力，并画画在基础中中心线的左左侧；（4）计算基础础底面中心心点下各分分层界面处处的附加应应力，并画在基基础中心线线的右侧；；（5）计算地基基各分层自自重应力平平均值（））;自重应力平平均值与附附加应力平平均值之和和（））；（6）由土的压缩缩曲线分别别依；；（7）确定地基基沉降计算算深度（地地基压缩层层深度）。。所谓地基基沉降计算算深度是指指自基础底底面向下需需要计算压压缩变形所所到达的深深度，亦称称地基压缩缩层深度。。该深度以以下土层的的压缩变形形值小到可可以忽略不不计。地基基沉降计算算深度的下下限，一般般取地基附附加应力等等于自重应应力的20%处，即:处，在该深深度以下如如有高压缩缩性土，则则应继续向向下计算至至处处。（8）计算地基基各分层的的沉降量：：（9）计算地基基最终沉降降量：二、按规范范方法计算算《建筑地基基基础设计规规范》所推荐的地地基最终沉沉降量计算算方法是另另一种形式式的分层总总和法。它它也采用侧侧限条件的的压缩性指指标，并运运用了平均均附加应力力系数计算算，还规定定了地基沉沉降计算深深度的标准准以及提出出了地基的的沉降计算算经验系数数，使得计计算成果接接近于实测测值。1、第i层压缩量的的计算对于下图所所示的第i层，其压缩缩变形量为为:2、地基沉降计计算深度规范规定：：按上式所确确定的沉降降计算深度度下若有软软弱土层时时，尚应向向下继续计计算.当无相邻荷荷载影响，，基础宽度度在l-50m范围内时，，基础中点点的地基沉沉降计算深深度，也可可按下列简简化公式计计算：3、规范推荐的的地基最终终沉降量的的计算公式式如下：式中S’—按分层总和和法计算的的地基沉降降量：─沉降汁算经经验系数，，根据地区区沉降观测测资料及经经验确定，，也可采用用表4—4的数值，表表中为为深度范范围围内土的压压缩模量当当量值：：表4-5为均布的矩矩形荷载角角点下的地地基平均竖竖向附加应应力系数，，借助于该该表可以运运用角点法法计算地基基中任意点点的平均竖竖向附加应应力系数α值．4—4地基变形与与时间的关关系一、饱和土土的有效应应力原理饱和土中任任意点的总总应力σ，总是等于于有效应力力σ’与(超静)孔隙水压力力u之和；或土土中任意点点的有效应应力σ’，总是等于于总应力σ，减去孔隙隙水压力u.二、饱和土土的渗透固固结一般认为当当土中孔隙隙体积的80％以上为水水充满时，，土中虽有有少量气体体存在，但但大都是封封闭气体，，就可视为为饱和土。。如前所述，，饱和土在在压力作用用下，孔隙隙中的一些些自由水将将随时间而而逐渐被排排出，同时时孔隙体积积也随着缩缩小，这个个过程称为为饱和土的的渗透固结结或主固结结。只要土中孔孔隙水压力力还存在，，就意味着着土的渗透透固结变形形尚未完成成。换句话话说，饱和和土的固结结就是孔隙隙水压力的的消散和有有效应力相相应增长的的过程。三、太沙基基一维固结结理论为求饱和土土层在渗透透固结过程程中任意时时间的变形形，通常采采用太沙基基(K.Terzaghi，1925)提出的一维维固结理论论进行计算算。其适用用条件为荷荷载面积远远大于压缩缩土层的厚厚度，地基基中孔隙水水主要沿竖竖向渗流。。对于堤坝坝及其地基基，孔隙水水主要沿二二个方向渗渗流，属于于二维固结结问题，对对于高层房房屋地基，，则应考虑虑三维固结结问题。下图所示的的是一维固固结的情况况之一，其其中厚度为为H的饱和粘性性土层的顶顶面是透水水的、而其其底面则不不透水。假假使该土层层在自重作作用下的固固结已经完完成，只是是由于透水水面上一次次施加的连连续均布荷荷载才引起起土层的固固结。一维固结理理论的基本本假设如下下：1.土是均质、、各向同性性和完全饱饱和的；2.土粒和孔隙隙水都是不不可压缩的的；3.土中附加应应力沿水平平面是无限限均匀分布布的，因此此土层的压压缩和土中中水的渗流流都是一维维的；4.土中水的渗渗流服从于于达西定律律；5.在渗透固结结中，土的的渗透系数数和压缩系系数都是不不变的常数数；6．外荷是一一次骤然施施加的．（二）一维维固结微分分方程在饱和土层层顶面下z深度处的一一个微单元元体。根据据固结渗流流的连续条条件，该微微单元体在在某时间的的水量变化化应等于同同一时间该该微单元体体中孔隙体体积的变化化率，可得得:上式即饱和和土的一维维固结微分分方程，其其中称称为土的竖竖向固结系系数。根据上图所所示的初始始条件(开始固结时时的附加应应力分布情情况)和边界条件件(可压缩土层层顶底面的的排水条件件),采用分离变变量法可求求得上式的的特解如下下：——竖向固结时时间因数，，，，其其中为为竖向固结结系数，t为时间（年年），H为压缩土层层最远的排排水距离，，当土层为为单面(上面或下面面)排水时，H取土层厚度度，双面排排水时，水水由土层中中心分别向向上下两方方向排出，，此时H应取土层厚厚度之半。。三）固结度度计算有了孔隙水水压力u随时间t和深度z变化的函数数解，即可可求得地基基在任一时时间的固结结沉降。此此时，通常常需要用到到地基的固固结度(或固结百分分数)U这个指标，，其定义如如下或对于竖向排排水情况，，由于固结结沉降与有有效应力成成正比，所所以某一时时刻有效应应力图面积积和最终有有效应力图图面积之比比值，称为为竖向排水水的平均固固结度，，其可可推导为（4-53）为了便于实实际应用，，可以按公公式(4—53)绘制出如下下图所示的的关关系曲线(1)。对于双面面排水情况况，也可利利用图2-51中的曲线(1)进行计算，，此时，H取压缩土层层厚度之半半。另外，，对于单面面排水的两两种三角形形分布起始始孔隙水压压力图，则则用下图中中的关系曲曲线(2)和(3)计算。第五章土土的抗剪强强度主要内容：：1.土体的抗剪剪强度及其其规律；2.土体抗剪强强度的来源源及影响因因素；3.土体抗剪强强度的测定定方法。概述述土的抗剪强强度是指土体抵抵抗剪切破破坏的极限限能力，是是土的重要要力学性质质之一。工程中地基基承载力、、挡土墙土土压力、土土坡稳定等等问题都与与土的抗剪剪强度直接接相关。建筑物地基基在外荷载载作用下将将产生剪应应力和剪切切变形，土土体具有抵抵抗这种剪剪应力的能能力，并随随剪应力的的增加而增增大，当这这种剪应力力达到某一一极限值时时，土就要要发生剪切切破坏，这这个极限值值就是土的的抗剪强度度。如果土土体内某一一部分的剪剪应力达到到土的抗剪剪强度，在在该部分就就开始出现现剪切破坏坏，随着荷荷载的增加加，剪切破破坏的范围围逐渐扩大大，最终在在土体中形形成连续的的滑动面，，地基发生生整体剪切切破坏而丧丧失稳定性性。5—1库伦公式和和莫尔—库伦强度理理论一、库伦公公式1776年库伦根据据砂土的试试验，将土土的抗剪强强度表达为为滑动面上上法向总应应力的函数数，即：以后又提出出了适合粘粘性土的更更普遍的形形式：长期的试验验研究指出出，土的抗抗剪强度不不仅与土的的性质有关关，还与试试验时的排排水条件、、剪切切速率、应应力状态和和应力历史史等许多因因素有关，，其中最重重要的是试试验时的排排水条件。。根据太沙基基的有效应应力概念，，土体内的的剪应力仅仅能由土的的骨架承担担，因此，，土的抗剪剪强度应表表示为剪切切破坏面上上法向有效效应力的函函数，库伦伦公式应修修改为：二、、土土体体的的抗抗剪剪强强度度指指标标及及其其来来源源1.土体体的的抗抗剪剪强强度度指指标标粘聚聚力力———c内摩摩擦擦角角———Φ2.来源源内摩摩擦擦角角来来源源于于：：①①土土颗颗粒粒之之间间的的表表面面摩摩擦擦力力；；②大大小小土土颗颗粒粒互互相相镶镶嵌嵌产产生生的的咬咬合合力力。。粘聚聚力力来来源源于于：：①土颗颗粒粒之之间间的的电电分分子子吸吸引引力力；；②土中中天天然然胶胶结结物物质质对对土土粒粒的的胶胶结结作作用用。。3.抗剪剪强强度度的的影影响响因因素素①土土的的物物理理化化学学性性质质的的影影响响（（土土的的矿矿物物成成分分、、颗颗粒粒形形状状与与级级配配；；土土的的原原始始密密度度；；土土的的含含水水量量；；土土的的结结构构等等））；；②孔隙隙水水压压力力的的影影响响（（工工程程上上，，根根据据实实际际地地质质情情况况和和孔孔隙隙水水压压力力消消散散的的程程度度，，采采用用不不同同的的排排水水方方法法测测定定土土的的抗抗剪剪强强度度））三、、土土的的极极限限平平衡衡理理论论（（莫莫尔尔—库伦伦强强度度理理论论））1910年，，莫莫尔尔(Mohr)提出出材材料料的的破破坏坏是是剪剪切切破破坏坏，，当当任任一一平平面面上上的的剪剪应应力力等等于于材材料料的的抗抗剪剪强强度度时时该该点点就就发发生生破破坏坏，，并并提提出出在在破破坏坏面面上上的的剪剪应应力力，，是是该该面面上上法法向向应应力力的的函函数数，，即即：：土的的强强度度破破坏坏通通常常是是指指剪剪切切破破坏坏，当土土体体中中任任意意一一点点在在某某一一平平面面上上的的剪剪应应力力达达到到土土的的抗抗剪剪强强度度时时，，该该点点即即处处于于极限限平平衡衡状状态态；达到到极极限限平平衡衡状状态态时时，，土土体体的的应应力力与与抗抗剪剪强强度度指指标标之之间间的的关关系系，，称称为为土的的极极限限平平衡衡条条件件．1、土土中中某某点点的的应应力力状状态态下面面仅仅研研究究平平面面问问题题，，在在土土体体中中取取一一微微单单元元体体[下图图(a)]，取微微棱棱柱柱体体abc为隔隔离离体体[下图图(b)]，将各各力力分分别别在在水水平平和和垂垂直直方方向向投投影影，，根根据据静静力力平平衡衡条条件件可可得得：：联立立求求解解以以上上方方程程得得mn平面面上上的的应应力力为为：：由材材料料力力学学可可知知，，以以上上与与之之间间的的关关系系也也可可以以用用莫莫尔尔应应力力圆圆表表示示[上图图(c)]，这样样，，莫莫尔尔圆圆就就可可以以表表示示土土体体中中一一点点的的应应力力状状态态，，莫莫尔尔圆圆圆圆周周上上各各点点的的坐坐标标就就表表示示该该点点在在相相应应平平面面上上的的正正应应力力和和剪剪应应力力。。2、土土的的极极限限平平衡衡条条件件为了了建建立立土土的的极极限限平平衡衡条条件件，，可可将将抗抗剪剪强强度度线线与与莫莫尔尔应应力力圆圆画画在在同同一一坐坐标标系系里里。。它它们们之之间间的的关关系系有有以以下下三三种种情情况况：：①整整个个莫莫尔尔圆圆位位于于抗抗剪剪强强度度线线的的下下方方，，说说明明该该点点在在任任何何平平面面上上的的剪剪应应力力都都小小于于土土所所能能发发挥挥的的抗抗剪剪强强度度，，因因此此不不会会发发生生剪剪切切破破坏坏；；②抗抗剪剪强强度度线线是是莫莫尔尔圆圆的的一一条条割割线线，，说说明明该该点点某某些些平平面面上上的的剪剪应应力力已已超超过过了了土土的的抗抗剪剪强强度度，，实实际际上上这这种种情情况况是是不不可可能能存存在在的的；；③莫莫尔尔圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线相相切切，，切切点点为为A，说明明在在A点所所代代表表的的平平面面上上，，剪剪应应力力正正好好等等于于抗抗剪剪强强度度，，该该点点就就处处于于极极限限平平衡衡状状态态。。和抗抗剪剪强强度度线线相相切切的的园园称称为为极极限限应应力力圆圆。。根根据据极极限限应应力力圆圆与与抗抗剪剪强强度度线线之之间间的的几几何何关关系系，，可可建建立立以以下下极极限限平平衡衡条条件件：：0zK0zap三种状态时的莫尔圆5－2抗剪剪强强度度的的测测定定方方法法抗剪剪强强度度的的试试验验方方法法有有多多种种，，在在实实验验室室内内常常用用的的有有直直接接剪剪切切试试验验，，三三轴轴压压缩缩试试验验和和无无侧侧限限抗抗压压强强度度试试验验，，在在现现场场原原位位测测试试的的有有十十字字板板剪剪切切试试验验，，大大型型直直接接剪剪切切试试验验等等。。本本节节着着重重直直接接剪剪切切试试验验方方法法。。1.试验验仪仪器器：：直剪剪仪仪直接接剪剪切切仪仪分分为为应应变变控控制制式式和和应应力力控控制制式式两两种种.对同同一一种种土土至至少少取取4个试样样，，分分别别在在不不同同垂垂直直压压力力下下剪剪切切破破坏坏，，一一般般可可取取垂直直压压力力为为100、200、300、400kPa.2.试验验结结果果垂直直压压力力σ～百百分分表表读读数数～～剪剪应应力力τ，将将试试验验结结果果绘绘制制成成抗抗剪剪强强度度τf和垂垂直直压压力力σ之间间关关系系线线。。试验验结结果果表表明明：：对于于粘粘性性土土基基本本上上呈呈与与y轴有有一一截截距距的的直线线，，该该直直线线与与横横轴轴的的夹夹角角为为内内摩摩擦擦角角φ，在在纵纵轴轴上上的的截截距距为为粘粘聚聚力力c；对于于无无粘粘性性土土，，之之间间关关系系则则是是通通过过原原点点的的一一条条直直线线。。3.直剪剪试试验验的的优优缺缺点点优点点：：是是最最早早的的，，也也是是最最简简单单的的测测定定土土体体抗抗剪剪强强度度的的方方法法，，结结果果能能满满足足一一般般工工程程的的需需要要。。缺点点：：P103第六六章章土土压压力力、、地地基基承承载载力力和和土土坡坡稳稳定定6——1概述述一、、几几个个概概念念1挡土土墙墙--防止止土土体体坍坍塌塌的的构构筑筑物物。。其其种种类类有有：：支支撑撑建建筑筑物物周周围围填填土土的的挡挡土土墙墙，，地地下下室室侧侧墙墙，，桥桥台台以以及及贮贮藏藏粒粒状状材材料料的的挡挡墙墙等等。。2土压压力力--挡土土墙墙后后的的填填土土因因自自重重或或外外荷荷载载作作用用对对墙墙背背产产生生的的侧侧向向压压力力。。土土压压力力随随挡挡土土墙墙可可能能位位移移的的方方向向分分为为主主动动土土压压力力、、被被动动土土压压力力和和静静止止土土压压力力。。3地基基承承载载力力--地基基承承受受建建筑筑物物荷荷载载的的能能力力。。4土坡坡—有一一定定倾倾角角的的天天然然土土坡坡和和人人工工土土坡坡。。由由于于某某些些外外界界不不利利因因素素，，土土坡坡可可能能发发生生局局部部土土体体滑滑动动而而失失去去稳稳定定性性，，土土坡坡的的坍坍塌塌常常造造成成严严重重的的工工程程事事故故，，并并危危及及人