第1章地基土的物理性质及工程分类

土力学与地基基础主讲人：朱小军讲师联系方式：扬州大学建筑科学与工程学院Tel-mail:459388809@本课程的教材全国高等教育自学考试指定教材《土力学与地基基础》人民交通出版社，邵光辉，2007课时：43课时（理论37，实验6）考核方式：平时成绩+考试成绩本课程的主要内容第一章土的物理性质及工程分类第二章土的应力计算第三章土的压缩性及地基沉降计算第四章土的抗剪强度与地基承载力第五章土压力和土坡稳定分析第六章工程地质勘察第七章天然地基上浅基础第八章桩基础第九章地基处理与托换技术绪论1地基与基础的概念2本门课程的知识构架3本学科的发展概况4本课程的学习要求建筑物三部分示意图建筑物1地基与基础的概念上部结构基础地基地基是指承受建筑物基础的这一部分很小的场地，或称受建筑物影响的那一部分土层。而基础是建筑物向地基传递荷载的下部结构。比较1.1、学科与实践地基基础是建筑物的根本，又属于地下隐蔽工程，一旦发生事故难以补救。有时会造成重大经济损失甚至人员伤亡。此外基础工程的费用可占建筑物总造价的10%~30%。建筑工程的实践中出现了很多事故，遇到了很多问题。对这些问题的研究解决以及经验教训的积累就形成了本门课程。让我们从以下工程事故的介绍中对本课程的内容和作用进行初步的了解。

塔身为圆筒形，1-6层为优质大理石砌成，顶部7-8层采用砖和轻石料。1590年伽利略做落体实验，创建了物理学上著名的落体定律。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。目前塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80米，塔顶偏离中心线已达5.27米，倾斜5.50，1990年1月14日被封闭。

1173年9月动工，至1178年建至第四层中部，高度约29米时，因塔身明显倾斜而停工。94年后，于1272年复工，经6年时间，建完第7层，高48米，再次停工中断82年。于1360年再复工，至1370年竣工。全塔共8层，高度为55米。1.建筑物倾斜比萨斜塔苏州虎丘塔

此塔位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1036。全塔7层，高47.5米。平面呈八角形。青砖砌筑。

1980年时，塔身已向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.31米。底层塔身出现不少裂缝。

宝塔倾斜为地基覆盖层相差悬殊等原因造成。3.建筑物墙体开裂持力层土质压缩性相差悬殊或不同类型基础基底压力相差较大，引起不均匀沉降，导致墙体开裂。相邻荷载影响亦可引起附加应力增加，导致地基下沉，墙体开裂。6.建筑物地基滑动加拿大特朗斯康谷仓地基破坏情况。该谷仓建于1911年，1913年秋完工，9月装谷。10月17日发现1小时内竖向沉降达30.5cm，结构物向西倾斜并在24小时内倾倒。谷仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m，仓身倾斜27度。事故原因为谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。7.建筑物地基液化失效地震引起砂土地基液化，丧失地基承载力。（1）日本新泻：1964年，7.5级地震。2本门课程的知识构架本门课程包含土力学基本理论、地基基础设计原理和经验两部分。应注意相互之间的关系

（1）

地基基础

a.

地基与基础的区别：基础：建筑物最底下扩大的这一部分。地基：承受由基础传来荷载的土层（或岩层）。持力层：位于基础底面下的第一层土。下卧层：持力层下的土层。b.地基的分类：按地质情况分：土基、岩基。按设计施工情况分：天然地基：不需处理而直接利用的地基。人工地基：经过人工处理而达到设计要求的地基。（2）土力学a.

土的特点：碎散性、压缩性、固体颗粒间的相对移动性及透水性。连续介质的固体材料。b.

土的用途：作为地基；作为建筑材料（e.g.路基，堤坎）

c.

土力学的研究对象：研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。土的本构关系：即土的应力——应变——强度——时间四变量之间的内在联系。（3）地基设计中，必须满足的两个技术条件：1、地基的变形条件：（沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜）保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。s[s]

2、地基的强度条件：要求作用于地基的荷载不超过地基的承载力，保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。pf

（4）基础设计中，必须满足的两个技术条件：

基础应当具有足够的强度和耐久性。

3本学科的发展概况

地基及基础既是一项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学。穷本溯源，世界文化古国的远古先民，在史前的建筑活动中，就已创造了自己的地基基础工艺，我国西安半坡新村新石器时代遗址的考古发掘，都发现有土台和石础。举世文明的长城、大运河、蜿蜒万里，如不处理好有关岩土问题，哪能穿越各种地质条件的广阔地区，而被誉为亘古奇观。

作为本学科理论基础的土力学的发端，始于18世纪兴起了工业革命的欧洲。1773年，法国的库伦（Coulomb）根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式，提出了计算挡土墙土压力理论。90余年后，英国的朗肯（Rankine,1869）又从另一途径提出了挡土墙土压力理论。法国的布辛奈斯克（Boussinesq,1885）求得了弹性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解答。1922年，瑞典人费伦纽斯（Fellenius）,土坡稳定分析法。这些古老的理论和方法，直到今天，仍不失其理论和实用的价值。1925年，美国的太沙基(Terzaghi)发表了《土力学》专著，接着，于1929年又发表了《工程地质学》。这些比较系统完整的科学著作的出现，带动了各国学者对本学科各方面的探索。时至今日，土建、水利、桥隧、道路、港口、海洋等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性，已融为一个自成体系的新专业——“岩土工程”（GeotechnicalEngineering）。4本课程的特点和学习要求

本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，所以内容广泛、综合性强。作为实验性学科应注意理论的假设和应用范围；注意理论联系实际。学习本课程后，应掌握如下内容：常见土的土性及识别；土的力学指标的含义及分析；土的常规力学指标的实验方法；常见基础设计方法及构造要求；常见地基问题的处理方法；地质勘察报告的阅读和使用。土是由岩石经历风化作用生成的沉积物。风化作用生物作用化学作用风化作用：量变质变土残积土运积土（风成、水成、冰川）1.1土的三相组成及结构构造土的三组成土是由固相、液相和气相组成的三相体系。土的固相，即土粒，构成土体的骨架。结合水毛细水重力水自由水强结合水弱结合水土中的液相指土中孔隙存在的水。土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。土中的气相指土中孔隙中充填的气体。土中的气体若与大气相通，则对土的力学性质影响不大；若与大气隔绝，使土的压缩性提高，透水性减小。固体颗粒-粒径级配粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分

数来表示

分析方法：筛分法：适用于粗粒土孔径大小不同的筛子

水分法：适用于细粒土常采用比重计法表述方法:

粒径级配累积曲线土粒的个体特征土粒的大小称为粒度，用粒径表示。介于一定粒度范围内的土粒，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土的粒组巨粒：>60mm粗粒：0.075~60mm细粒：≤0.075mm用土中各个粒组的相对含量来表示土粒的大小及组成，称颗粒级配。土按颗粒级配的分类《岩土工程勘察规范》中的分类法：粒径＞2mm的质量超过50%的称为碎石土粒径＞2mm的质量小于50％而＞0.075mm的质量超过50%的称为砂土粒径＞0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土粒组统称粒组名称粒径d范围（mm）分析方法主要特征巨粒漂石（块石）粒d>200直接测定透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒60<d≤200粗粒砾粒粗砾20<d≤60筛

分

法透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。细砾2<d≤20砂粒粗砂0.5<d≤2中砂0.25<d≤0.5细砂0.075<d≤0.25细粒粉粒0.005<d≤0.075静水沉降原理透水性小，压缩性中等，毛细上升高度大，微粘性。粘粒d≤0.005透水性极弱，压缩性变化大，具粘性和可塑性。土粒粒组的划分土的集合体特征土的结构是土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构单粒结构：d>0.075mm蜂窝结构：d=0.005~0.075mm絮状结构：d<0.005mm分散结构：d<0.005mm紧密疏松二、土的液相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，可分为结合水，毛细水，重力水。

水的类型主要作用力

结合水物理化学力

非结合水毛细水

表面张力重力重力水

重力特点:

1.土颗粒表面带有一定的电荷，由于静电作用力，形成双电层，双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄。

2.密度较大，粘滞度高，流动性差，冰点低，比热较大，介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。(一)结合水结合水强结合水:排列致密、定向性强密度>1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的的特性温度高于100°C时可蒸发弱结合水:位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性（二）非结合水

定义:

在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。(1)毛细水特点:1.毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。

2.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)和毛细水上升水与地下水相连两种。3.毛细水是受毛细管作用控制的水，毛管直径愈细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r有以下关系：

hc=15/r

当r=0.1μm时，hc=150mm，这与砂土(粒径为0.5~lmm)

中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为0.1μm，按上式计算毛细上升高度将达150m。4.

毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同，它与水头高度非常hc成正比。负号表示拉力。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域内为拉力。颗粒骨架承受水的反作用力，因此自由水位以下。上骨架受浮托力，减小颗粒间的压力。自由水位以上，毛细区域内，颗粒间受压力，毛细压力呈倒三角形分布。弯液面处最大，自由水面处为零。（2）重力水特点:重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。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。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。毛细压力增加了土粒间的联结，所以散粒状的砂土，当含有少量水分时具有假粘聚力，但是当土饱和时，这种联结作用即告消失。因此，由于毛细力而呈现的粘性是暂时性的。（3）固态水特点:1.水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。

2.固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。

3.温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地下水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是一例。（三）土的气相分类:

1.吸附于土颗粒表面的气体

2.溶解于水中的气体

3.四周为颗粒和水所封闭的气体以及自由气体特点:

通常认为自由气体与大气连通，对土的性质无大影响。密闭气体的体积与压力有关，压力增加，则体积缩小，压力减小，则体积胀大。因此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同时还可阻塞土中的渗流通道，减小上的渗透性。

土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑后的强度之比

土的触变性：粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质饱和粘性土的灵敏度：低灵敏中灵敏高灵敏qu,q’u—原状、重塑试样的无侧限抗压强度物理风化仅使岩石产生量的变化岩石物理分化化学分化土化学风化仅使岩石产生质的变化粘土颗粒性质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原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分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。颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。原生矿物次生矿物土粒的大小及其组成总结1.2土的三相比例指标土的三相组成各部分的质量和体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变，可用土的三相比例关系指标表示。包括土粒比重Gs、含水量w、密度r、孔隙比e、孔隙率n和饱和度Sr；基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验土粒比重试验土的含水量试验例题1试证明如下各式：（2）（1）（3）（4）证明:(1)(2)(3)(4)例题2试证明：土体处在饱和状态时，含水量与干容重之间存在着如下关系：证明: 因为土处于饱和状态且

例题3一击实试验：击实筒体积1000cm3，测得湿土质量为1.95kg，取一质量为17.48g的湿土，烘干后质量为15.03g，计算含水量和干重度。解：天然重度含水量例题4一体积为50cm3的土样，湿土质量0.09kg，烘干后质量为0.068kg，土粒相对密度，求其孔隙比，若将土样压缩，使其干密度达到1.61t/m3，土样孔隙比将减少多少？解：孔隙比减小值土样的天然密度土样的含水量一、粘性土的三种状态1、固态或半固态------土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合水。强结合水的性质接近于固态，土表现为固态或半固态。2、可塑状态--------含水量增加，被吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水，弱结合水不能传递静水压力，不能自由流动，但受力时可以变形，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为可塑状态。3、流动状态-------当含水量继续增加，土中除结合水外，已有相当数量的水处于电场引力影响范围以外，成为自内水。这时土粒之间被自由水所隔开，土体不能原受任何剪应力，而呈流动状态。可见，从物理概念分析，土的稠度实际上是反应土中水的形态。土的特征含水量-----土从某种状态进入另外一种状态的分界含水量。液性界限(WL)简称液限-----土从塑性状态转变为液性状态时的含水量。塑性界限(WP)简称塑限------土从半固体状态转变为塑性状态时的含水量。界限含水量均采用重塑土测定。液性指数：状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液限指数IL≦00<IL≦0.250.25<IL≦0.750.75<IL≦1.0IL>1.0IL是反映粘性土软硬状态的指标。流动状态;可塑状态;固态。粘粒含量少，不具塑性、呈单粒结构。物理状态主要取决于土的密实度。介于0~1之间最大孔隙比（漏斗法）和最小孔隙比（振击法）1.4无粘性土的密实度土的密实性压实是指采用人工或机械以夯、碾、振动等方式，对土施加夯压能量，使土颗粒原有结构破坏，重新排列压实致密。击实试验和击实曲线击实试验分轻型和重型两种。(根据粒径选择)击实曲线压实度或压实系数：无粘性土的密实度

定义：指单位体积中固体颗粒的含量。特点：1.土颗粒含量多，土就密实；

2.土颗粒含量少，土就疏松。相对密度：反映无粘性土的密实状态假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu=1.0。这种砂最密实时的排列见图a。这时的孔隙比e=0.35，如果砂粒的比重G=2.65，则最密时的干密度：第二种砂同样是理想的圆球。但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，即不均匀系数Cu>=1.0,如图b。显然，这种砂最密时的孔隙比e<0.35。就是说这两种砂若都具有同样的孔隙比e=0.35时,对于第一种砂，已处于最密实的状态，而对于第二种砂则不是最密实。密实度判别标准：疏松中密密实

虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对砂土很难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。《规范》用标准贯入试验的锤击数来划分砂土的密实度。砂土的密实度表中N=N´，N´为实测值。（4）碎石土的密实度

碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击入其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和稍密三种。

(5)碎石土密实度野外鉴别方法（见下表）：1.5土的渗透性水透过土体孔隙的现象成为渗透土具有被水透过的性能称为土的渗透性水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响

土的渗透性：一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质。达西定律V---水在土中的渗透速度，cm/s,单位时间内流过一单位土截面的水量i---水力梯度，K---土的渗透系数，cm/s砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。用于粘土的达西定律表示曲线b在i轴上的截距对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度渗透系数的测定渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多，但就其原理来讲，可分为常水头试验和变水头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘性土。渗流力及流砂与管涌现象

水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力作用，这个力与水流方向相反，反之，水流也必然有反作用力作用在土颗粒上，称水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力为渗透力或动水力。渗流力求解土体左端A-A截面上总水压力土体左端B-B截面上总水压力土骨架对水流的阻力－设单位土体积的土粒对水流的阻力为J´，则总阻力为J´LA现考虑假想水柱隔离体的平衡条件，渗流力是一种体积力，量纲与相同。渗流力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致。渗透对工程的影响向上的渗流力克服了向下的重力时，土体应要发生浮起或受到破坏。流砂现象水流方向水流方向流砂现象临界水力梯度使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度。流土流砂现象的防治减小或消除水头差－井点降水；增长渗流路径－打板桩；增加覆重以平衡渗流力－压重；土层加固处理－注浆法减小渗透系数管涌管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。几何条件：粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，Cu一般大于10；水力条件：水力梯度能够带动细颗粒；措施必须针对上述的两个条件；管涌发生的条件

岩石的工程分类坚硬程度风化程度硬质岩石软质岩石微风化中等风化强风化1.6地基岩土的工程分类岩石坚硬程度分类类别强度（MPa）代表性岩石硬质岩石≥30花岗岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、硅质砾岩、花岗片麻岩、石英岩等软质岩石＜30页岩、粘土岩、绿泥石片岩、云母片岩等岩石风化程度的划分风化程度坚硬程度划分硬质岩石软质岩石风化特征微风化

岩质新鲜,表面有风化迹象，锤击声清脆，并感觉锤有弹跳，裂隙少，岩块大于50cm，用镐很难挖掘，岩芯呈圆柱状。

岩石的结构、构造清楚。岩体层理清晰。裂隙较发育，岩块为20～50cm，裂隙中有风化物质填充。锤击沿片理或页理裂开。用镐较难挖掘。岩芯分裂，但可拼成圆柱状。中等风化

岩石的结构、构造清楚。岩体层理清晰。锤击声脆，微有弹跳感。裂隙较发育，岩块为20～50cm，用镐难挖掘。岩芯分裂，但可拼成