土力学与基础工程学习报告

土力学与基础工程学习报告工程力学101班张伟学号XXXXXXXXXXXX摘要：本篇学习报告讲述了土力学的基本理论和基础工程的基本原理，主要内容包括土的物理性质及工程分类、土的渗透性与渗流、土中应力和沉降、土的抗剪强度与地基承载力、土压力与土坡稳定性、岩土工程勘察、浅基础、桩基础与其他深基础、地基处理、特殊土地基。关键词：土力学学习报告基础工程土和地基是密不可分的两个个体。地基要如何建造才能既经济实惠又安全可靠,这就要我们了解土了。土是个不简单的东西，它有许多种类，各自的特性有各有差异，即使是同一种土它在不同的条件下他的力学性能也大为不同。《土力学与基础工程》讲了许多内容，通过学习它，我了解到了许多东西。第一章土的物理性质及工程分类土的组成包括三大部分:构成骨架的固体颗粒以及骨架孔隙中的水和气。由于土颗粒的大小和矿物成分差别很大,在固体、液体和气体组成的三相体系中会发生复杂的物理和化学作用，特别是黏土颗粒，它与周围介质相互作用，对黏性土的性质变化具有重要的影响。建筑工程中遇到的地基土，多数属于第四纪沉积物;它是原岩受到风化作用，经剥蚀、搬运、沉积而未结硬的松散沉积物。按其成因类型分为：残积土、坡积土、冲积土、淤积土、冰积土和风积土等。例如：残积土残积土是岩石经物理风化而残留于原地的碎屑堆积物。其成分与母岩相关，由于未经搬运，碎屑物呈棱角状，不均匀，无层理，具有较大的孔隙。土的物理性质指标土的九个物理性质指标（其中有三个基本指标）三个基本指标土的天然密度｛EMBEDEquation.DSMT4|ds:土体单位体积的质量。土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比。土粒相对密度：土的固体颗粒质量与同体积4°C时纯水的质量之比。—纯水在的密度（单位体积的质量），等于1或1。可在实验室采用“比重瓶法”测定。B、反映土单位体积质量（或重力）的指标土的干密度：土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度，并以表示,土的饱和密度：土孔隙中充满水时单位体积质量。一般在1.8〜2.3范围内。土的有效密度（或浮密度）：地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积的水的质量后，即单位土体积中土粒的有效质量。/C、反映土孔隙特征、含水程度的指标土的孔隙比e（用小数表示）：土中孔隙体积与土粒体积之比，称为土的孔隙比e。土的孔隙率n土中孔隙比于总体积的比值（用百分数表示）称为土的孔隙率n。孔隙比和孔隙率都是反映土体密实程度的重要物理指标。一般e<0.6的土是密实的，土的压缩性小;e>1.0的土是疏松的压缩性高。土的饱和度（反映土潮湿程度的物理性质的指标）土中水的体积与空隙体积之比称为土的饱和度，以百分率计。1.3黏性土的物理特性黏性土就是具有可塑状态性质的土，它们在外力的作用下，可塑成任何形状而不长生裂缝，当外力去掉后，仍可以保持原形态不变。黏性土的界限含水量:黏性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。液限（）:土由可塑状态变化到流动状态的界限含水量；土处于可塑状态的最大含水量，稍大即流态；土的界限含水量；塑限（）：土由半固态变为可塑状态的界限含水量；土处于可塑状态的最小含水量，稍小即半固态；缩限（）：土由固态变为半固态的界限含水量；土处于半固态的最小含水量，稍小即为固态。1.4无黏性土主要是指砂土和碎石土，其工程性质与其密实度密切相关。密实度越大，土的强度越大。因此，密实度是反映无黏性土工程性质的主要指标。评判无黏性土的密实度有以下方法：一根据相对密实度Dr（大小位于0~1之间）判别：密实（l$Dr$0.67）；中密（0.67$Dr$0.33）；松散（0.33$Dr$0）。该法适用于透水性好的无黏性土，如纯砂、纯砾。二根据天然孔隙比e判别：e越小，土越密实。一般，eV0.6时属密实，e>1.0时属疏松。该法适用于砂土，但不能考虑矿物成分、级配等对密实度的影响。三根据原位标准贯入试验判别：密N>30）、中密（15WNW30）、稍密（10WNW15）、松散（NW10）原位标准贯入试验：在土层钻孔中，利用重63.5kg的锤击贯入器，根据每贯入30cm所需锤击数来判断土的性质,估算土层强度的一种动力触探试验。第二章土的渗透性与渗流土的渗透性，在水头差作用下，水透过土体孔隙的流动现象称为渗透，而土体允许水透过的性能则称为土的渗透性。2.2达西定理早在1856年，法国学者达西根据砂土渗透试验，发现水的渗透速度与试样两端面间的水头差成正比，而与相应的渗透路径成反比。其中：一单位渗水量i—水力梯度或水力坡度，V—渗透速度k—土的渗透系数，是反映土的透水性大小的系数，物理意义为：单位水力梯度i=1时的渗透速度土体的渗透稳定性是指渗流条件下级配较宽的土体内粗颗粒阻止细颗粒流失的能力。第三章土中应力和地基沉降量计算土的自重应力，由土自重引起的应力即为土体的自重应力。计算公式：均质土的自重应力成层土的自重应力 第i层土的天然重度，若土在地下水位线以下则应用有效重度来表示。3.2基底压力，建筑物荷载通过基础传给地基，在基础底面与地基之间产生接触压力，称为基底压力。基底压力即接触应力（作用在地基上的是基底压力，作用在基础上的是基底反力）。柔性基础在垂直荷载作用下基础本身无抵抗弯曲变形的能力，柔性基础接触压力分布与其上部荷载分布情况相同；刚性基础特点：基础本身无变形（无挠曲）基底压力分布图形为非均匀。基底压力计算公式：中心荷载作用下偏心荷载作用下上式中：G——基础自重及回填土自重之和，其中为基础及回填土之平均重度,取20，地下水以下部分应扣除10的浮力；W——基础底面的抵抗矩，对于矩形基础M 作用在基底形心上的力矩值，基底附加压力计算公式：3.3土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。地基土压缩的原因：固体颗粒被压缩，土中水及封闭气体被压缩、水和气体从孔隙中被挤出。压缩系数是评价地基土压缩性高低的重要指标之一。压缩性指标a不是一个常量他的取值与起始压力和压力变化范围（在不大的情况下，用直线的斜率代替变化率）有关，工程上一般用来评定土的压缩性高低。V0.1时，为低压缩性土；0.1VV0.5时,为中压缩性土；$0.5是，为高压缩性土。压缩指数（可以用来确定土的压缩性大小）计算公式： 越大土的压缩性越大<0.2时为低压缩性土；=0.2〜0.4时为中压缩性土；>0.4为高压缩性土。压缩模量（土体在完全侧限条件下，竖向附加应力与相应的应变增量之比）计算公式： （为原始孔隙比）3.4地基最终沉降量计算地基最终沉降量是指地基土在建筑荷载作用下，不断产生压缩，直至压缩稳定时地基表面的沉降量。⑴分层总和法分层总和法假定地基土为直线变形体，在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的范围内（即压缩层），将压缩层厚度内的地基土分层，分别求出各分层的应力,然后用土的应力一应变关系式求出各分层的变形量，再总和起来作为地基的最终沉降量。分层总和法假设：①地基土是均质、各向同性的半无限体；②地基土在外荷载作用下，只产生竖向变形，侧向不发生膨胀变形，故同一土层的压缩性指标可取，a；③采用基底中心点下的附加应力计算地基变形量。基本原理：胡克定律，叠加原理。薄压缩层地基沉降计算公式计算步骤：①根据条件按比例绘制p-e图；②分层，分层原则厚度W0.4b，天然土层分界处，地下水位处；③计算各分层界面的自重应力和附加应力并绘制应力分布图；④确定地基沉降深度，对于一般土取若遇到软土则取；⑤计算每层土的平均自重应力和平均附加应力；⑥计算每层土的变形量，根据计算公式；⑦计算最终沉降量，将沉降深度范围内的各层土的沉降量相加。⑵《建筑地基基础设计规范》方法计算假定条件：a地基土为均质：b压缩性指标，对某一土层是常数，不随深度而改变。重要结论：计算地基土某一层的最终稳定沉降量就归结为求该土层的附加应力面积再除以该土层的压缩模量。计算原理：经过修正后的最终地基沉降量s计算公式：地基沉降计算深度一般通过“变形比”试算确定：若无相邻荷载影响，基础宽度在1〜30m的范围内时，基础中点的地基沉降量若沉降计算深度范围内存在基岩时，可以取至基岩表面。计算步骤：①求基底压力和基底附加压力；②确定沉降计算深度；③沉降计算;④确定沉降经验系数。3.5应力历史对地基沉降的影响⑴天然土层应力历史应力历史：是指土在形成的地质年代中经受应力变化的情况。天然土层划分为三种固结状态。超固结状态:天然土层在地质历史上受到过的固结压力大于目前的上覆压力。正常固结状态：指的是土层在历史上最大固结压力作用下压缩稳定，但沉积后土层厚度无大变化，以后也没有受到过其它荷载的继续作用的情况。欠固结状态：土层逐渐沉积到现在地面，但没有达到固结稳定状态。3.6地基变形与时间的关系饱和粘土在压力作用下，孔隙水将随时间的迁延而逐渐被排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一过程称为饱和土的渗透固结。渗透固结所需时间的长短与土的渗透性和土层厚度有关，土的渗透性愈小、土层愈厚，孔隙水被挤出所需的时间就愈长。固结：饱和粘性土的压缩随时间而不断增长的过程。饱和土的渗透固结也就是孔隙水压力逐渐消散和有效应力相应增长的过程。孔隙水压力：作用在孔隙水中的压力，也称为超静水压力。有效应力：土粒承受和传递的压力，即颗粒间的接触应力。太沙基一维固结理论假设：土中水的渗流只沿竖向发生，而且渗流服从达西定律，土的渗透系数k为常数。相对土的孔隙，土颗粒和土中水都是不可压缩的，因此，土的变形仅是孔隙体积压缩的结果压缩定律。土是完全饱和的，土的体积压缩量同土的孔隙中排出的水量相等，而且压缩变形速率取决于途中水的渗流速率。固结度：地基在荷载作用下，历经的时间t的固结沉降量与其最终沉降量的比值。地基固结过程中任意时刻的沉降量计算步骤：①计算地基附加应力沿深度的分布；②计算地基最终沉降量；③计算土层的竖向固结系数和时间因数；④求解地基固结过程中某一时刻t的沉降量，或者沉降量达到已知数值所需要的时间.用到的公式有：第四章土的抗剪强度与浅基础的地基承载力土的抗剪强度理论土的抗剪强度：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。砂土抗剪强度的表达式粘性土抗剪强度的表达式土的有效应力强度的表达式 （黏性土）（无黏性土）莫尔一库伦强度理论当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，将该点即濒于破坏的临界状态称为“极限平衡状态”。表征该状态下各种应力之间的关系称为“极限平衡条件”。M点莫尔应力圆整体位于抗剪强度包线的下方，莫尔应力圆与抗剪强度线相离,表明该点在任何平面上的剪应力均小于土所能发挥的抗剪强度，因而，该点未被剪破。M点莫尔应力圆与抗剪强度包线相切，说明在切点所代表的平面上，剪应力恰好等于土的抗点破坏面的抗剪强度，该点就处于极限平衡状态，莫尔应力圆亦称极限应力圆。由图中切点的位置还可确定M点的破坏面的方向。M点莫尔应力圆与抗剪强度包线相割，M点早已破坏。实际上圆所代表的应力状态是不可能存在的，因为M点破环后，应力已超出弹性范畴。莫尔-库仑强度理论在极限平衡条件下某破坏截面的最大和最小应力：对于黏性土而言：对于无黏性土而言： 其破坏面与大主应力作用面间的夹角土的抗剪强度试验土的剪切强度指标是通过土的抗剪强度试验测定的，不同的抗剪强度指标可以用不同的抗剪强度试验来获得。土的抗剪强度试验按照试验进行场所，可分为室内试验和现场试验两大类。室内试验常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验；现场试验仅介绍十字板剪切试验。4.3孔隙压力系数孔隙压力的计算系数，式中A,B——孔隙压力系数。孔隙压力系数B的在各向应力增量相等条件下的孔隙压力系数。计算公式为：式中——试样在周围压力增量下产生的孔隙压力增量，kPa；孔隙压力系数A为偏应力增量作用下的孔隙压力系数，计算公式为：式中——试样在主应力差（）下即剪切是产生的孔隙压力，kPa。4.4饱和黏性土的抗剪强度不固结不排水抗剪强度；固结不排水抗剪强度；固结排水抗剪强度；抗剪强度指标的选择。第五章土压力与土坡稳定性5.1挡土墙是指防止土体坍塌的构筑物。5.2挡土墙的土压力指挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。土压力的类型：⑴主动土压力：当挡土墙向离开土体的方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为主动土压力。产生的条件：①位移方向（负位移）或绕墙踵逆时针转动；②应力状态土体达到极限（主动）平衡状态。⑵被动土压力：当挡土墙在外力作用下，向土体的方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力。产生的条件：①位移方向（正位移）或绕墙踵顺时针转动；②应力状态土体达到极限（被动）平衡状态。⑶静止土压力：当挡土墙静止不动时，墙后土体处于弹性平衡状态时，作用在墙背上的土压力就叫做静止土压力。产生的条件：①位移为零；②土体处于弹性平衡状态，当墙后土体具备以上两个条件时，作用在墙上的侧向压力。所谓主动土压力极限平衡状态是由位移方向和侧向应力不断减小所致。侧向应力逐渐减小是因为摩擦力在逐渐增大。<<5.4朗肯土压力理论，朗肯理论基于土单元体的应力极限平衡条件来建立，采用的假定是墙背竖直光滑，填土面为水平，其计算结果偏于保守。5.5库仑土压力理论基于滑动块体的静力平衡条件来建立，采用的假定是破坏面为平面。但当墙背与填土的摩擦角较大时，在土体中产生的滑动面往往是一个曲面，会产生较大的误差。5.6朗肯理论与库伦理论比较：基本假定：前者假定挡墙光滑、直立、填土面水平；后者假定填土为散体（c=0）。基本方法：前者应用半空间中应力状态和极限平衡理论；后者按墙后滑动土楔体的静力平衡条件导出计算公式。结果比较：朗肯理论忽略了墙背与填土之间的摩擦影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小；库伦理论假定破坏面为一平面，而实际上为曲面。实践证明，计算的主动土压力误差不大，而被动土压力误差较大。5.7挡土墙有重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙。对于重力式挡土墙的构造涉及了墙背倾斜形式的选用、挡土墙剖面的拟定、排水设施、沉降缝和伸缩缝。第六章岩土工程勘察6.1岩土工程勘察的任务和内容：岩土工程勘察等级，不同的建筑场地地质条件不同，存在的工程地质问题也各异，因此建筑物所采取的地基基础设计方案也可能不同。岩土工程勘察的分级根据岩土工程的安全等级、场地的复杂程度和地基的复杂程度来划分。不同等级的岩土工程勘察因其复杂和难易程度不同，对勘察测试工作、分析计算评价工作、施工监测控制工作等级等的规模、工作量、工作深度与质量也相应有不同的要求。岩土工程的重要性等级根据破坏后果分为一级、二级和三级；场地复杂程度根据其复杂的程度分为一级、二级和三级；地基复杂程度根据复杂的程度分为一级、二级和三级；岩土工程勘察的等级综合了以上三个方面进行了划分。勘察的内容，首先进行可行性研究勘察：收集分析所在地的工程地质资料；进行现场调查，了解场地的地层结构和其他基本情况：对工程地质条件复杂，工程资料不符合要求的，可根据具体情况，进行工程地质测绘及必要的勘察工作。然后进行初步勘察，整理初勘应得的资料，完成所需的主要工作内容。如查明地质构造，对不良地质现象查明原因等一系列工作。另外对勘探线、点布置的要求要落实。最后，进行详细勘察。整理资料，完成所需的主要工作内容，如查明建筑范围各岩石的资料，对一级建筑物和部分二级建筑物提供地基变形计算参数，预测建筑物的变形，查明一些埋藏物等。6.2岩土工程勘察的方法工程地质测绘和调查勘察与取样，勘察的方法包括掘探、钻探、触探和物探4大类。其中钻探的方法根据钻进方式不同分为回转钻进、冲击钻进、锤击钻进、振动钻进、冲洗钻进。取样是岩土工程勘察中经常性的工作，是定量评价岩土工程条件和岩土工程问题必不可少的工作。取样包括岩土样和水样，取样工作贯穿于整个岩土工程勘察工作的始终，甚至工程运行和检测阶段都要进行岩试样成水样的采取。6.3岩土工程勘察报告，在岩土工程勘察过程中，通过收集、调查、勘察、室内试样和原位测试，获得了大量的原始资料，对这些资料还应该进行整理、检查、分析、归纳和综合，最后以勘察报告书及有关图表形式，形成完整的岩土工程勘察报告。第七章浅基础7.1地基基础设计原则：为了保证建筑物的安全与正常使用，根据建筑物的安全等级和长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计和计算应该满足：①在防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度；②控制地基的变形，使之不超过建筑物的地基变形允许值；③基础的材料、形式、尺寸和构造应能适应上部结构，符合使用要求。7.2浅基础的类型，按照不同的要求把浅基础分成了不同的类型。按照基础刚度来分类，可以把浅基础分为无筋基础、钢筋砼扩展基础；按照基础结构形式来分类，可以把浅基础分为单独基础、条形基础、十字交叉基础、筏形基础、箱形基础、壳体基础；按照基础材料来分类，可以把浅基础分为砌基础、石材及石材砌体基础、混凝土和毛石混凝土基础、灰土和三合土基础、钢筋砼基础。7.3基础埋置深度的确定，基础的埋置是指基础底面至地面的垂直距离，简称基础埋深。选择基础埋深也就是选择合理的持力层。7.4地基承载力是地基所具有的承受荷载的能力。在保证地基稳定的前提下，使变形不超过允许值的地基承载能力。确定方法主要有：①根据土的抗剪强度指标通过理论公式计算，并结合工程经验确定；②按静荷载试验方法确定；③根据原位测试、室内试验成果并结合工程实践经验等综合确定和根据邻近场地条件相似的建筑物经验确定。7.5基础底面尺寸确定①按地基承载力确定基地尺寸中心荷载作用下基底尺寸的确定中心荷载作用下的基础要求基底平均压力不超过持力层土的承载力特征值。基础底面积的公式：偏心荷载作用下基地尺寸的确定7.6软弱下卧层的验算，软弱下卧层是指在持力层下，成层土地基的受力层范围内，承载力显著低于持力层的土层。要求传递到软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力，即：矩形基础条形基础第八章桩基础及其他深基础8.1桩基础的类型：按不同的分类标准可以分为不同的桩，按承载性状分类可以把桩基础分为摩擦刑桩、端承型桩；按桩身材料分类可以把桩基础分为木桩、素混凝土桩、钢筋砼桩、钢桩、组合材料桩；按成桩方法分类可以把桩基础分为非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩；按桩径大小分类可以把桩基础分为小直径桩、中等直径桩、大直径桩；按桩的施工方法分类可以把桩基础分为预制桩、灌注桩。8.2竖向荷载作用下单桩的工作性状桩的荷载传递机理单桩的破坏模式，单桩达到破坏时所表现出来的特征，取决于桩身强度、土层性状和构造、桩底沉渣厚度等因素。主要有桩身材料屈服、持力层土整体剪切破坏、刺入剪切破坏、沿桩身侧面纯剪切破坏、在拔力作用下沿桩身侧面的纯剪切破坏。单桩竖向承载力的确定，桩基的破坏一是桩身结构强度破坏，二是地基土的破坏。因此，桩的承载能力要从桩身结构强度和地基土承载力两个方面去确定。8.3群桩竖向承载力群桩竖向承载力计算桩基沉降计算，桩中心距不大于6倍桩径的桩基。桩基础内任意点的最终沉降量，可用角点法按下世计算：单排桩、单桩、桩中心距大于6倍桩径的疏桩基础承台底地基土不分担荷载的桩基承台底地基土分担荷载的复合桩基8.4桩的设计和计算，确定桩数：当桩的类型、基本尺寸和单桩承载力特征值确定后，可根据上部结构情况带入公式确定。桩的平面布置：桩基中的各桩的中心距主要取决于群桩效应、承台分担荷载的作用及承台用料等。第九章地基处理9.1地基处理方法分类:地基处理的方法很多种:按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按土性对象可分为砂性土处理和黏性处理，饱和土处理和非饱和处理；9.2换填垫层法:换填垫层法是挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，分层回填强度高，压缩性第，性能稳定且无腐蚀性的砂、素土、灰土、工业废渣等材料，并夯实密实，形成垫层的地基处理方法。9.3预压法:预压法是在建筑物建筑前，对天然地基或对已设排水体的地基施加预压荷载，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，同时可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性的地基处理方法。9.4强夯法和强夯置换法：强夯法用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，一般均能取得较好的效果。对于软土地基，一般来说处理效果不显著。强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。9.5振冲法：振动水冲法简称振冲法，砂土地基通过加水振动可以使之迷失，振冲法就是利用这个原理发展起来的地基加固方法，后来又被用于黏性土层中设置振冲置换碎石桩。9.6挤密法：砂石桩法是指米用振动、冲击或水冲等方式在地基中成孔，再将碎石、砂或砂石挤压入孔中形成砂石所构成的密实桩体，并和桩周土组成复合地基的地基处理方法。9.7化学加固法：化学加固法是将一定的化学材料（无机或有机材料）配成浆液，用各种机具将化学液灌入地基土中，使与地基土发生化学变化，胶凝或固化成新的坚硬物质，以增加地基强度，降低地层渗透性，降低地基土压缩的一项地基处理技术。9.8水泥粉煤灰碎石桩法：水泥粉