土力学与地基基础-教案1

※绪论一、课程内容介绍1、地基与基础的基本概念及分类地基:受建筑物荷载影响的那部分土层。基础：建筑物向地基传递荷载的下部结构。{天然地基：未经人工处理的地基{地基的分类人工地基：原来的承载力和变形不能满足设计要求时，对地基进行加固处理{浅基础：埋深在1~5米以内的简单一般房屋的基础，例如：筏板基础等{基础的分类深基础：建筑物荷载较大或建筑物下部土层较软弱时，即出埋置的较深，需要采用特殊的基础类型或施工方法。例如：桩基础等2、基础及地基的作用荷载——上部结构——基础——地基二、发展历史三、地基与基础在工程重要性隐蔽工程，质量的好坏及设计的合理性直接关系到整个工程的质量和造价。地基与基础的工程造价占整个的工程造价的25%~50%左右，一些特殊的地基基础甚至更高。历史上及身边的一些著名典型的地基与基础实例：加拿大特朗斯康谷仓，意大利比萨斜塔，上海工业展览馆中央大厅，浙江大学某试验楼。四、课程的特点及学习要求特点：1、研究对象比较复杂多变，这是由地基土的分布及性质本性决定的。2、涉及的内容比较广，包括土力学、结构、施工等多门学科的内容3、研究方法的特殊性在研究的过程中把复杂的土简单话，使得能用弹性力学的方法计算，因为土的复杂多样多采用一些经验参数，并根据理论和实际列出公式和方法。§1、土的物理性质与工程分类1、1、2土的定义及形成土的定义：岩石风化、搬运、沉积所形成的产物。按照土的成因土的分类：残积土：残积土是由岩石风化后，未经搬运而残留于原地的土。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中的剧风化带，向下则逐渐变为半风化的岩石。它的分布主要受地形的控制，在雨水产生地表迳流速度小，风化产物易于保留的地方，残积物就比较厚。在不同的气候条件下、不同的原岩，将产生不同矿物成份、不同物理力学性质的残积土。我国南方花岗岩分布广泛，如深圳地区约占60%的面积，花岗岩残积土的厚度在15－40m之间，是该区城市建筑物基础的主要持力层。坡积土：坡积土是残积土经水流搬运，顺坡移动堆积而成的土。其成份与坡上的残积土基本一致。由于地形的不同，其厚度变化大，新近堆积的坡积土，土质疏松，压缩性较高。洪积土:洪积土是山洪带来的碎屑物质，在山沟的出口处堆积而成的土。山洪流出沟谷后，由于流速骤减，被搬运的粗碎屑物质首先大量堆积下来，离山渐远，洪积物的颗粒随之变细，其分布范围也逐渐扩大。其地貌特征，靠山近处窄而陡，离山较远宽而缓，形如锥体，故称为洪积扇。山洪是周期性发生的，每次的大小不尽相同，堆积下来的物质也不一样，因此，洪积土常呈现不规则交错的层理。由于靠近山地的洪积土的颗粒较粗，地下水位埋藏较深，土的承载力一般较高，常为良好地基；离山较远地段较细的洪积土，土质软弱而承载力较低。冲积土：冲积土是由于河流的流水作用，将碎屑物质搬运堆积在它流经的区域内，随着从上游到下游水动力的不断减弱，搬运物质从粗到细逐渐沉积下来，一般在河流的上游以及出山口,沉积有粗粒的碎石土、砂土,在中游丘陵地带沉积有中粗粒的砂土和粉土,在下游平原三角洲地带，沉积了最细的粘土。冲积土分布广泛,特别是冲积平原是城市发达、人口集中的地带。对于粗粒的碎石土、砂土，是良好的天然地基，但如果作为水工建筑物的地基，由于其透水性好会引起严重的坝下渗漏；而对于压缩性高的粘土，一般都需要处理地基。其他沉积土：例如风积土是由风作为搬运动力，将碎屑物由风力强的地方搬运到风力弱的地方沉积下来的土。风积土生成不受地形的控制，我国的黄土就是典型的风积土。主要分布在沙漠边缘的干旱与半干旱气候带。风积黄土的结构疏松，含水量小，浸水后具有湿陷性。1、3土的组成土是由固体（土颗粒）、液体（水）和气体（空气）三部分组成的，也称为三相体。土的固体颗粒土颗粒土的固体颗粒是由大小不等、形状不同的矿物颗粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架。这些固体相的物质称为"土粒"，是土中最稳定、变化最小的成分。土中的固体颗粒的大小和形状，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。土颗粒的形状、大小组成影响土的力学性质土的颗粒级配自然界中的土粒，大小悬殊、性质各异，直径变化幅度很大，从数米的漂石到万分之几毫米的粘粒，随着颗粒的减小，由无粘性变为有粘性，渗透性也由大变小。为了研究土中各种大小土粒的相对含量及其与土的工程地质性质的关系，就有必要将工程地质性质相似的土粒归并成组，按其粒径的大小分为若干组别，这种组别称粒组。工程上常以土中各个粒组的相对含量即各粒组占土粒总重的百分数表示土中颗粒的组成情况，这种相对含量称为颗粒级配。土粒粒组的划分粒组名称粒径范围（mm）漂石或块石颗粒>200卵石或碎石颗粒200-20圆砾或角砾颗粒粗中细20-10

10-5

5-2砂粒粗中细2-0.5

0.5-0.25

0.25-0.10.1-0.075粉粒粗细0.075-0.010.01-0.005粘粒<0.005

对于粒径大于0.075mm的粗粒组可用筛分法测定，粒径小于0.075mm的粉粒和粘粒难以筛分，一般可以根据土粒在水中下沉时的速度与粒径的理论关系，用比重计或移液管法测得颗粒级配。筛析法介绍：土样在风干、分散以后取一定量的土样倒入一套按孔径大小排列的标准筛，经充分振摇后，分别称出留在各个筛子及底盘上的土的质量，，求出各个粒组的相对含量百分数，根据实验结果在半对数坐标纸上，以纵坐标表示小于某粒径颗粒含量占总土量的百分数，横坐标表示颗粒直径，绘出颗粒级配曲线图。从曲线的陡缓大致可以判断土的均匀程度，曲线越陡表示粒径范围小，土粒均匀，相反曲线越平缓，粒径范围广，土粒不均匀。在工程中我们常用不均匀系数Cu来表示土的不均匀程度，—小于某粒径颗粒含量占总土重的60%时的粒径，也叫限定粒径。—小于某粒径颗粒含量占总土重的10%时的粒径，也称为有效粒径。Cu〈5，级配不良Cu〉5，级配良好。颗粒级配曲线越平缓，不均匀系数越大，颗粒分布范围越广，越不均匀，其级配就越好，颗粒级配曲线越陡，不均匀系数越小，颗粒分布范围越小，颗粒越均匀，级配越差。二、土中水液态水：结合水，自由水结合水：实验表明，极细的土粒表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，由于水分子是极性分子，即一端为正电荷，另一端显负电荷，在土粒电场范围内的水分子和阳离子一起吸附在土粒表面而定向排列形成一层薄的水膜，这层水就称为结合水。根据电荷作用的大小分为强结合水，弱结合水。自由水：远离土粒，水分子自由移动的能力越来越强，到只受重力影响，可自由流动的水称为自由水，自由水传递静水压力。分为重力水、毛细水。土粒、结合水、自由水示意图三、土中气体土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。在粗粒的沉积物中常见到与大气相通的空气，它对土的力学性质影响不大。在细粒土中则常存在与大气隔绝的封闭气泡，使土在外力作用下弹性变形增加，透水性减小。对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物的分解作用，在土中蓄积了某种可燃气体（如硫化氢、甲烷等），使土层在自重作用下长期得不到压密，而形成高压缩性土层。四、土的结构1、单粒结构无粘性土2、蜂窝结构粉粒3、絮状结构粘粒五、土的构造1、层状结构2、分部结构3、裂隙结构1、4土的物理性质比例指标一、三相图自然界中的土体结构组成十分复杂，为了分析问题方便，将其看成是三相，简化成一般的物理模型进行分析。土的三相，即土粒为固相；土中的水为液相；土中的气为气相。表示土的三相组成部分质量、体积之间的比例关系的指标，称为土的三相比例指标。-土粒质量-土中水质量m-土的总质量-土粒体积-土中水体积-土中气体积-土中空隙体积V-土的总体积二、土的三个基本物理指标（土工实验指标）1、土的天然密度ρ与比重γ：天然状态下单位体积的土的质量。γ=2、土粒比重：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，一般用ds表示，无量纲。ρs－土粒密度（g/cm3）；ρw1－纯水在4℃时的密度（单位体积的质量），等于1g实际上，土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.6－2.8；有机质土为2.4－2.5。同一种类的土，其比重变化幅度很小。土粒比重可在试验室内用比重瓶测定。将置于比重瓶内的土样在105-110℃下烘干后冷却至室温用精密天平测其质量，用排水法测得土粒体积，并求得同体积4℃由于比重变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。土的名称砂土粉土粘性土粉质粘土粘土土粒比重2.65－2.692.70－2.712.72－2.732.74－2.763、天然含水量：土中水的质量与土粒质量之比，一般用w表示，以百分数计。含水量w是反映土的湿度的一个重要物理指标。天然状态下土层的含水量称天然含水量，其变化范围很大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40%；坚硬的粘性土的含水量约小于30%，而饱和状态的软粘性土（如淤泥），则可达60%或更大。一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。土的含水量一般用"烘干法"测定。先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘干箱内维持100-105℃烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值，就是土的含水量。这三个物理性质指标可以从试验中直接得到，所以又叫土工试验指标。在衡量土的一些工程性质的时候，这三个指标有时并不能很直观的说明，例如土的密实程度与孔隙的大小有关，而从这三个指标并不能直观的看出来，因此我们就需要用其他的一些物理指标来说明。而这些其他的物理性质指标是可以由前面的三个物理性质指标推倒出来的，因此我们称这三个物理性质指标为基本物理性质指标。三、换算指标1、土的孔隙比e：是土中孔隙体积与土粒体积之比，孔隙比用小数表示。天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密度程度。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土，e>1.0的土是疏松的高压缩性土。2、孔隙率n：土中孔隙所占体积与总体积之比，空隙率用百分数表示。一般粘性土的孔隙率为30～60%，无粘性土为25～45%。3、土的饱和度Sr:土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。饱和度可以反映土的干湿程度，砂土根据饱和度Sr的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态，其划分标准见下表：砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr（%）Sr≤5050<Sr≤80Sr>804、土的干密度ρd（γd干重度）：单位土体积内土颗粒的质量。=工程中常用土的干密度作为评定土体紧密程度的指标，以控制填土的工程质量。5、土的饱和密度ρsat（γsat干重度）：土体中孔隙被水充满时单位体积的质量。=6、水下土的密度（有效密度）ρ‘（有效重度γ’）：处于水面以下的土，由于受到水的浮力作用，单位土体积内土颗粒的有效质量称为土的有效密度。以上就是土的其他六个物理性质指标，这些这些其他的物理性质指标由实验测定比较难，但是他们可以由前面的三个物理性质指标推倒出来的，因此我们称这前面三个物理性质r、ds、w指标称为基本物理性质指标。四、用三个基本物理性质指标换算其他六个指标。假设：土中土颗粒的体积Vs=1已知土的三个基本物理性质指标γ，w，ds根据：重力WW根据：Ws根据因为假设由此我们就可以得到土的三相图，根据土的三相图，我们来计算一下其他的六个物理性质指标。=====-1=1、5无粘性土的一般工程性质无粘性土的密实度指的是碎石土和砂土的疏密程度。密实的无粘性土由于压缩性小，抗剪强度高，承载力大，可作为建筑物的良好地基。但如处于疏松状态，尤其是细砂和粉砂，其承载力就有可能很低，因为疏松的单粒结构是不稳定的，在外力作用下很容易产生变形，且强度也低，很难作天然地基。如它位于地下水位以下，在动荷载作用下还有可能由于超静水压力的产生而发生液化。例如我国海城1975.2.4的7.3级地震，震中区以西25-60km的下辽河平原，发生强烈砂土液化，大面积喷砂冒水，许多道路、桥梁、工业设施、民用建筑遭受破坏。1976.7.28唐山的7.8级地震，也引起大区域的砂土液化。因此，凡工程中遇到无粘性土时，首先要注意的就是它的密实度。密实度的评价方法有三种：1、室内测试孔隙比确定相对密实度的方法：表1-32、利用标准贯入试验等原位测试方法：表1-43、野外观测方法：表1-51、6粘性土的一般物理性质粘性土的颗粒比较小，比表面积大，受到孔隙中水的影响较大，含水量小的时候，土体就比较硬，含水量大的时候则比较软，甚至可以达到流动状态，因此粘性土的含水量是影响粘性土的工程性质的重要指标。粘性土由于含水量的不同，分为固态、可塑状态和流动状态，也叫粘性土的稠度状态。各稠度状态间的临界含水量称界限含水量。wswpwl固态半固态可塑状态流动状态w土由半固态到可塑状态的界限含水量称为塑限，用wp表示，实验室用"搓条法"测定。即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为3mm，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限wp值。搓好的泥条锥式液限仪土由可塑状态到流动状态的界限含水量称为液限，用wL表示，我国采用锥式液限仪来测定。其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水量就是液限wL值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。塑性指数液限与塑限的差称为塑性指数，去除百分号表示，用符号IP表示，表示土的可塑性范围。与粘粒含量有关，，粘粒含量越高，土中结合水含量越高，塑性指数就越大。IP≤10的土为粉土，IP〉10为粘性土。液性指数土的天然含水量与塑限的差值除以塑性指数，用符号IL表示。IL〈0，即，w<wp，土处于坚硬状态，IL〉1，即，w〉wl，土处于流动状态，因此根据土的液性指数的大小，我们把黏土的软硬状态分为，坚硬0硬塑0.25可塑0.75软塑1流塑粘性土的灵敏度和触变性粘性土具有结构性，絮状结构，当它的天然结构被破坏了以后，粘性土的强度降低，压缩性增加，因此粘性土具有结构性，反映粘性土结构性强弱的指标称为灵敏度，用St表示。——原状土的强度——与原状土具有相同含水量、重度等，结构被破坏的重塑土强度。根据灵敏度的大小粘性土分为：高灵敏度中灵敏度低灵敏度土的灵敏度越高，结构性越强，扰动后土的强度降低越多，因此在，施工的时候要特别注意灵敏度高的土压迫尽量保护好基槽，使土的结构不受扰动，以免降低地基的承载力。受扰动的粘性土在静置一段时间以后由于土粒中的电荷和水分子之间的作用力又会形成新的平衡状态。土的强度又逐渐增长，这种性质称为土的触变性。1、6土的工程分类按土的主要组成颗粒的大小以及工程性质对地基土进行分类，可分为：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。一、岩石颗粒间牢固连接，呈整体或具体有节理裂隙的岩体，可安岩石的坚硬程度分类，见表1-8，也可按岩石的完整程度分类，见表1-9，当缺乏试验资料的时候还可通过现场观察法（野外鉴别法）来确定，见表1-10，1-11。二、碎石土碎石土是指颗粒直径大于2MM的颗粒超过全重的50%的土，它按照颗粒的形状及粒组的含量分为漂石（块石）、卵石（碎石）、圆砾（角砾）。见表1-12。三、砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，的土，按粒组分为：砾砂、粗砂、中砂、细砂、和粉砂，见表1-13。四、粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%，塑性指数Ip≤10的土，其工程性质介于砂土和粘性土之间。五、粘性土塑性指数Ip〉10的土，按塑性指数的大小可分为粘土和粉质粘土。粘土粉质粘土六、人工填土人类活动堆填而成的土，其成分杂乱、不均匀。按照其组成的成分和方法，可以分为：素填土、压实填土、杂填土、冲填土。例题1、已知某土样的筛析法结果如下表，判断该土的名称：筛孔孔经（mm）201510520.50.25底盘总重留筛土重（g）51015202510105100占全重的百分含量(%)51015202510105100大于某筛孔径土重百分比（%）5153050758595100大于2mm的颗粒含量为75%，所以为碎石土，大于20mm的颗粒含量为2%小于50%，所以改土为圆砾（角砾）。例题2已知某土样的三个基本物理指标为w=50%、γ=14KN/m3，ds=2.0，wL=80%，wP=20%，求土的其他六个物理性质指标，并判断该土的名称。解、==53.3%===87.7%====9.3kn/m3===14.7kn/m3=-1==14.7-10=4.7kn/m3§2、地基中的应力计算{{自重应力：由土的自身重力引起的。σcz土中应力附加应力：建筑荷载引起的，引起地基变形的主要原因。σz2、1土的自重应力计算自重应力是指由土体本身的有效重量产生的应力，在建筑物建造之前就存在，并且在通常情况下土体在自重的影响下已经完成这不分荷载所引起的变形。一、土中自重应力的计算假定：1、地面是无限延伸的水平面，是个半无限弹性体。2、在任意深度Z处的水平面上，各点的自重应力相等，且均匀分布。3、在任何竖直面和水平面上均无剪应力存在。单层土任意同一深度处均匀分布，并且与深度成斜直线关系。多层土z=h1z=h1+h2z=h1+h2+h3z=h1+h2+h3+h4z=h1+h2+h3+h4+………..+hn3、地下水位面对自重应力的影响地下水位面以下的土由于受到水的浮力作用，以至在竖直方向上的应力小于自身的重力，这时在竖直方向上的合力称为有效自重应力。计算时需采用有效重度进行计算。z=h1z=h1+h2z=h1+h2+h3z=h1+h2+h3+h44、不透水层的影响地下水位面下，当存在岩石等坚硬的土层，不透水的时候，不透水层下面的土中没有了地下水，因此，在不透水层面以下的部分土层不受水的浮力作用，因此在计算时用天然重度计算。在不透水层面处自重应力发生突变。z上=h1+h2+h3+h4z下=h1+h2+h3+h4总结：在同一土层内，自重应力与深度程直线关系，在不同土层中，自重应力与深度层折线关系，并随着深度的增加而增加。地下水位面以下的土层要用土的有效应力进行计算。不透水层面处，自重应力有突变，变化的大小为不透水层面以上地下水的产生的自重应力。例:如图，某地基土的剖面，在天然地面下3.6米处，出现地下水位面，天然地面下9米处有不透水层。求各层面处的自重应力，并画出自重应力分布图。z=3.6mz=6mz=9m上z=9m下z=13m2.2基底压力计算一、基底压力的分布规律建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间产生了应力，基础作用于地基的称为基底压力，地基作用于基础的称为基底反力。1、绝对柔性基础基底压力的分布和荷载的分布相同，沉降中间大，两边小。2、刚性基础基底压力分布两边大，中间小，各点的沉降相等。实际状态的基础，是介于两者之间的，基底压力呈马鞍形分布，随着基底压力的增加基底压力呈抛物线型，此时基础两边的土有部分发生破坏，随着基底压力的继续增加，基底压力呈钟形分布，此时基础地面的地基已经大不分发生了破坏，因此我们在进行基础设计的时候尽量把基础设计成的基底压力呈马鞍形分布的状态。在计算的时候为了方便计算，把基底压力简化成巨型分布，巨型的面积与马鞍型相等。二基底压力的计算1、轴心受压基础F——上部结构传递到基础顶面上的荷载。G——基础及上覆土的重力，rG——基础及上覆土的平均重度，一般取20KN/m3,地下水位面一下取10KN/m3,A——基础的底面积。——室内外地面到基础底面的平均距离。2、偏心受压基础基础底面存在弯距的情况。NGd——基础底面以上所有竖向荷载之和。MGd——基础底面以上所有弯距之和。W——基础底面的