《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》【稀缺資源，路過(guò)別錯(cuò)過(guò)】

土力學(xué)與地基基礎(chǔ) 緒 言 一、 土力學(xué)、地基及基礎(chǔ)的有關(guān)概念 1 土力學(xué) -研究土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用等規(guī)律的一門(mén)力學(xué)分支稱(chēng)為土力學(xué)。 2 地基 支撐建筑物荷載、且受建筑物影響的那一部分地層稱(chēng)為地基。 3 基礎(chǔ) -建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)就是基礎(chǔ) (參看圖 0 1)。 4 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的先決條件： 在設(shè)計(jì)建筑物之前，必須進(jìn)行建筑場(chǎng)地的地基勘察，充分了解、研究地基土 (巖 )層的成因及構(gòu)造、它的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水情況以及是否存在 (或可能發(fā)生 )影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象 (如滑坡、巖溶、地震等 )，從而對(duì)場(chǎng)地件作出正確的評(píng)價(jià)。 企業(yè)的眼睛看當(dāng)今的大學(xué)生 5 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本條件： (1)要求作用于地基的荷載不超過(guò) 地基的承載能力，保證地基在防止整 體破壞方面有足夠的安全儲(chǔ)備； (2)控制基礎(chǔ)沉降使之不超過(guò)地基 的變形允許值，保證建筑物不因地基 變形而損壞或者影響其正常使用。 6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的型式： 7 地基類(lèi)型 8 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的選取原則 9 地基及基礎(chǔ)的重要性 二、本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)要求 1 課程的特點(diǎn)： （ 1）地基及基礎(chǔ)課程涉及工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工幾個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，內(nèi)容廣泛、綜合性強(qiáng)； （ 2）課程理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)。 2學(xué)習(xí)要求： (1)學(xué)習(xí)和掌握土的應(yīng)力、變形，強(qiáng)度和地基計(jì)算等土力學(xué)基本原理； (2)學(xué)習(xí)和掌握淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法； (3)熟悉土的物理力學(xué)性質(zhì)的原位測(cè)試技術(shù)以及室內(nèi)土工試驗(yàn)方法； （ 4）重視工程地質(zhì)基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，了解工程地質(zhì)勘察的程序和方法，注意閱讀和使用工程地質(zhì)勘察資料能力的培養(yǎng)。 第一章 土的物理性質(zhì)及分類(lèi) 1 1 概 述 1土的定義： 土是連續(xù)，堅(jiān)固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過(guò)不同的搬運(yùn)方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。 2 土的三相組成： 土的物質(zhì)成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體。因此，土是由顆粒 (固相 )、水 (液相 )和氣 (氣相 )所組成的三相體系。 1 2 土 的 生 成 一 、地質(zhì)作用的概念 1地球的圈層構(gòu)造： 外圈層：大氣圈、水圈、生物圈； 內(nèi)圈層：地殼、地幔、地核。 構(gòu)成天然地基的物質(zhì)是地殼內(nèi)的巖石和土。地殼的一般厚度為 30一 80km。 2地質(zhì)作用 -導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用。 根據(jù)地質(zhì)作用的能量來(lái)源的不同，可分為內(nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用 (1)內(nèi)力地質(zhì)作用 : 由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能等，引起地殼物質(zhì)成分、內(nèi)部構(gòu)造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質(zhì)作用。如巖漿作用、地殼運(yùn)動(dòng) (構(gòu)造運(yùn)動(dòng) )和變質(zhì)作用。 1)巖漿作用 -存在于地殼以下深處高溫、高壓的復(fù)雜硅酸鹽熔融體 (巖漿 )，沿著地殼薄弱地帶上升侵入地殼或噴出地表且冷凝后生成為巖漿巖的地質(zhì)作用。 2)地殼運(yùn)動(dòng) -地殼的升降運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)。升降運(yùn)動(dòng)表現(xiàn) 為地殼的上拱和下拗，形成大 型的構(gòu)造隆起和拗陷：水平運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為地殼巖層的水平移動(dòng)，使巖層產(chǎn)生各種形態(tài)的褶皺和斷裂地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，形成了各種類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造和地球表面的基本形態(tài)。 3)變質(zhì)作用 -在巖漿活動(dòng)和地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，原巖(原來(lái)生成的各種巖石 )在高溫、高壓下及揮發(fā)性物質(zhì)的滲入下，發(fā)生成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造變化的地質(zhì)作用。 (2)外力地質(zhì)作用： 由于太陽(yáng)輻射能和地球重力位能所引起的地質(zhì)作用。它包括氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等的作用。 1)風(fēng)化作用 -外力 (包括大氣、水、生物 )對(duì)原巖發(fā)生機(jī)械破碎和化學(xué)變化的作用。 2)沉積巖和土的生成 -原巖風(fēng)化產(chǎn)物（碎屑物質(zhì)），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或風(fēng)等 外力作用下，被剝蝕，搬運(yùn)到大陸低洼處或海洋底部沉積下來(lái)，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里， 沉積的物質(zhì)逐漸加厚，在覆蓋壓力和含有碳酸鈣、二氧化硅、氧化鐵等膠結(jié)物的作用下， 使起初沉積的松軟碎屑物質(zhì)逐漸壓密、脫水、膠結(jié)、硬化生成新的巖石，稱(chēng)為沉積巖。未經(jīng)成巖作用所生成的所謂沉積物，也就是通常所說(shuō)的 “ 土 ” 。 3）風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)及沉積 -外力地質(zhì)作用過(guò)程中的風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)及沉積，是彼此密切聯(lián)系的。風(fēng)化作用為剝蝕作用創(chuàng)造了條件，而風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)又為沉積作用提供了物質(zhì)的來(lái)源。剝蝕作用與沉積作 用在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，以某一方面的作用為主導(dǎo)，例如，河流上游地區(qū)以剝蝕為主，下游地區(qū)以沉積為主，山地以剝蝕占優(yōu)勢(shì)，平原以沉積占優(yōu)勢(shì) 二、礦物與巖石的概念 巖石 -一種或多種礦物的集合體。 礦物 -地殼中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性質(zhì)、化學(xué)成份和形態(tài) (一 ) 造巖礦物 組成巖石的礦物稱(chēng)為造巖礦物。 礦物按生成條件可分為原生礦物和次生礦物兩大類(lèi)。 區(qū)分礦物可以礦物的形狀、顏色、光澤、硬度、解理、比重等特征為依據(jù)。 （二）巖石 巖石的主要特征包括礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造三方面。 巖石的結(jié)構(gòu) 巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度、大小和形狀、及其彼此之間的組合方式。 巖石的構(gòu)造 -巖石中礦物的排列方式及填充方式。 巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖是按成因劃分的三大巖類(lèi)，其亞類(lèi)劃分列于表 1-3、表 1-4、表 1-5。 三 地質(zhì)年代的概念 地質(zhì)年代 -地殼發(fā)展歷史與地殼運(yùn)動(dòng)，沉積環(huán)境及生物演化相對(duì)應(yīng)的時(shí)代段落。 相對(duì)地質(zhì)年代 -根據(jù)古生物的演化和巖層形成的順序，所劃分的地質(zhì)年代。 在地質(zhì)學(xué)中，根據(jù)地層對(duì)比和古生物學(xué)方法把地質(zhì)相對(duì)年代劃分為五大代 (太古代、元古代、古生代、中生代和新生代 )，每代又分為若干紀(jì)，每紀(jì)又細(xì)分為若干世及期。在每一個(gè)地質(zhì)年代中，都劃分有相應(yīng)的地層（參見(jiàn)表 1-6） 在新生代中最新近的一個(gè)紀(jì)稱(chēng)為第四紀(jì)，由原巖風(fēng)化產(chǎn)物（碎屑物質(zhì)），經(jīng)各種外力地質(zhì)作用 (剝蝕、搬運(yùn)、沉積 )形成尚未膠結(jié)硬化的沉積物 (層 )，通稱(chēng) “第四紀(jì)沉積物 (層 )”或 “ 土 ” 。 四 第四紀(jì)沉積物 (層 ) 不同成因類(lèi)型的第四紀(jì)沉積物，各具有一定的分布規(guī)律和工程地質(zhì)特征，以下分別介紹其中主要的幾種成因類(lèi)型。 (一 )殘積物、坡積物和洪積物 1殘積物 殘積物是殘留在原地未被搬運(yùn)的那 一部分原巖風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物，而 另一部分則被風(fēng)和降水所帶走。 2坡積物 坡積物是雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地洗刷剝蝕、順著斜坡向下逐漸移動(dòng)、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。 3洪積物 (Q”) 由暴雨或大量融雪驟然集聚而成的暫時(shí)性山洪急流，具有很大的剝蝕和搬運(yùn)能力。 它沖刷地表，挾帶著大量碎屑物質(zhì)堆積于山谷沖溝出口或山前傾斜平原而形成洪積物 (圖 1 4)。 由相鄰溝谷口的洪積扇組成洪積扇群 圖 l 5)。如果逐漸擴(kuò)大以至連接起來(lái)， 則形成洪積沖積平原的地貌單元。 洪積物常呈現(xiàn)不規(guī)則交錯(cuò)的層理構(gòu)造，如具有夾層、尖滅或透鏡體等產(chǎn)狀 (圖 1 6)。 (二 )沖積物 (Q) 沖積物是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質(zhì)剝蝕后搬運(yùn)、沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。 1平原河谷沖積物 平原河谷除河床外，大多數(shù)都有河漫灘及階地等地貌單元(圖 1 7)。 2山區(qū)河谷沖積層 在山區(qū)，河谷兩岸陡削，大多僅有河谷階地 (圖 1-8)。 (三 )其它沉積物 除了上述四種成囚類(lèi)型的沉積物外，還有海洋沉積物(Q”)、 湖泊沉積物 (Q)、 冰川沉積物 (Q”)及風(fēng)積物 (Q”)等，它們是分別由海洋，湖泊、冰川及風(fēng)等的地質(zhì)作用形成的 1-3 土 的 組 成 一 土的固體顆粒 土中的固體顆粒 (簡(jiǎn)稱(chēng)土粒 )的大小和形狀、礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。 (一 ) 土的顆粒級(jí)配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒組成的。 土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時(shí)，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化，例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細(xì)可由無(wú)粘性變化到有粘性。 將土中各種不同粒徑的土粒，按適當(dāng)?shù)牧椒秶譃槿舾闪＝M，各個(gè)粒組隨著分界尺寸的不同而呈現(xiàn)出一定質(zhì)的變化。劃分粒組的分界尺寸 稱(chēng)為界限粒徑。 表 l-8提供的是一種常用的土粒粒組的劃分方法。表中根據(jù)界限粒徑 200、 20、 2、 0 05和 0 005mm把土粒分為六大粒組：漂石 塊石 )顆粒、卵石 (碎石 )顆粒、圓礫 (角礫 )顆粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個(gè)粒組的相對(duì)含量 (各粒組占土粒總量的百 分?jǐn)?shù) )來(lái)表示，稱(chēng)為土的顆粒級(jí)配。 顆粒分析試驗(yàn)：篩分法；比重計(jì)法 根據(jù)顆粒大小分析試驗(yàn)成果，可以繪制如圖 1 10所示的顆粒級(jí)配累積曲線 由曲線的坡度可判斷土的均勻程度 有效粒徑；限定 粒徑。 利用顆粒級(jí)配累積曲線可以確定土粒的級(jí)配指標(biāo)，如與的比值稱(chēng)為不均勻系數(shù)： 又如曲率系數(shù)用下式表示： 不均勻系數(shù) 反映大小不同粒組的分布情況，越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度曲率系數(shù)描寫(xiě)的是累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。 顆粒級(jí)配可在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。 1060ddCu 6010230dddC c (二 )土粒的礦物成分 土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所經(jīng)受的風(fēng)化作用。不同的礦物成分對(duì)土的性質(zhì)有著不同的影響，其中以細(xì)粒組的礦物成分尤為重要 。 1、六大粒組的礦物成分 漂石、卵石、圓礫等粗大顆粒；砂粒；粉粒；粘粒。 2、 粘土礦物的比表面 由于粘土礦物是很細(xì)小的扁平顆粒，顆粒表面具有很強(qiáng)的與水相互作用的能力，表面積愈大，這種能力就愈強(qiáng)。粘土礦物表面積的相對(duì)大小可以用單位體積 (或質(zhì)量 )的顆?？偙砻娣e (稱(chēng)為比表面 )來(lái)表示。 由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導(dǎo)致土的性質(zhì)的突變，所以，土粒大小對(duì)土的性質(zhì)起著重要的作用。 二、土中的水和氣 (一 )土中水 在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。 存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類(lèi)： 1結(jié)合水 結(jié)合水是指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達(dá)幾千到 幾萬(wàn)個(gè)大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結(jié)在一起。 由于土粒 (礦物顆粒 )表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土粒形成電場(chǎng)，在土粒電場(chǎng)范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽(yáng)離子 (如 Na、 Ca”、 A1”等 )一起吸附在土粒表面。因?yàn)樗肿邮菢O性分子 (氫原子端顯正電荷，氧原子端顯負(fù)電荷 )， 它被土粒表面電荷或水溶液中離子電荷的吸引而定向排列(圖 1 13)。 雙電子層 (1)強(qiáng)結(jié)合水 強(qiáng)結(jié)合水是指緊靠土粒表面的結(jié)合水 (2)弱結(jié)合水 弱結(jié)合水緊靠于強(qiáng)結(jié)合水的外圍形成一層結(jié)合水膜。 2自由水 自由水是存在于土粒表面電場(chǎng)影響范圍以外的水。它的性質(zhì)和普通水一樣，能傳遞靜水壓力，冰點(diǎn)為 0 ，有溶解能力。 自由水按其移動(dòng)所受作用力的不同，可以分為重力水和毛細(xì)水。 (1)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水層中的地下水， 它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮 力作用。 (2)毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自 由水毛細(xì)水存在于地下水位以上的透水土層中。毛細(xì) 水按其與地下水面是否聯(lián)系可分為毛細(xì)懸掛水 (與地下水無(wú)直接聯(lián)系 )和毛細(xì)上升水 (與地下水相連 )兩種。 當(dāng)土孔隙中局部存在毛細(xì)水時(shí)，毛細(xì)水的彎液面和土粒接觸處的表面引力反作用于土粒上，使土粒之間由于這種毛細(xì)壓力而擠緊 (圖 1 14)，土因而具有微弱的粘聚力，稱(chēng)為毛細(xì)粘聚力。 (二 )土中氣 。 I 土中的氣體存在于土孔隙中未被水所占據(jù)的部位。 三 、土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 土的結(jié)構(gòu)是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系等因素形成的綜合特征。一般分為單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)三種基本類(lèi)型 。 在同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等都相近的各部分之間的相互關(guān)系的特征稱(chēng)為土的構(gòu)造，土的構(gòu)造最主要特征就是成層性即層理構(gòu)造。土的構(gòu)造的另一特征是土的裂隙性。 1 4 土的三相比例指標(biāo) 上節(jié)介紹了土的組成，特別是土顆粒的粒組和礦物成分，是從本質(zhì)方面了解土的性質(zhì)的根據(jù)。但是為了對(duì)土的基本物理性質(zhì)有所了解，還需要對(duì)土的三相 土粒(固相 )、土中水 (液相 )和土中氣 (氣相 )的組成情況進(jìn)行數(shù)量上的研究。 土的三相比例指標(biāo)：土粒比重、含水量、密度、干密度、飽和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、飽和度。 1 5 無(wú)粘性土的密實(shí)度 無(wú)粘性土的密實(shí)度與其工程性質(zhì)有著密切的關(guān)系，呈密實(shí)狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度較大，可作為良好的天然地基，呈松散狀態(tài)時(shí)，則是不良地基。對(duì)于同一種無(wú)粘性土，當(dāng)其孔隙比小于某一限度時(shí)，處于密實(shí)狀態(tài)，隨著孔隙比的增大，則處于中密、稍密直到松散狀態(tài)。 以下介紹與無(wú)粘性土的最大和最小孔隙比、相對(duì)密實(shí)度等有關(guān)密實(shí)度的指標(biāo)。 無(wú)粘性土的相對(duì)密實(shí)度為 m a xm a x m i nreeDee根據(jù) 值可把砂土的密實(shí)度狀態(tài)劃分為下列三種： 密實(shí)的 中密的 松散的 1 0 . 6 7rD0 . 6 7 0 . 3 3rD0 . 3 3 0rDrD 砂土的密實(shí)度 碎石土的密實(shí)度 1 6 粘性土的物理特征 一 粘性土的界限含水量 粘性土由于其含水量的不同，而分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動(dòng)狀態(tài) 粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫做界限含水量。 我國(guó)目前以聯(lián)合法測(cè)定液限和塑限 二、粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù) 1、塑性指數(shù)是指液限和塑限的差值 (省去符號(hào) )，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。 p l pI w w 塑性指數(shù)的大小與土中結(jié)合水的含量有關(guān) 2、 液性指數(shù)是指粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。 ppll p pw w w wIw w I 用液性指數(shù)可表示粘性土的軟硬狀態(tài)，見(jiàn)表 4-14 三、粘性土的靈敏度和觸變性 天然狀態(tài)下的粘性土、通常都具有一定的結(jié)構(gòu)性，當(dāng)受到外來(lái)因素的擾動(dòng)時(shí)，土粒間的膠結(jié)物質(zhì)以及土粒，離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞，土的強(qiáng)度降低和壓縮性增大土的結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的這種影響，一般用靈敏度來(lái)衡量。土的靈敏度是以原狀土的強(qiáng)度與同一土經(jīng)重塑(指在含水量不變條件下使土的結(jié)構(gòu)徹底破壞 )后的強(qiáng)度之比來(lái)表示的。 utrqSq 土的觸變性 飽和粘性土的結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，但當(dāng)擾動(dòng)停止后，土的強(qiáng)度又隨時(shí)間而逐漸增長(zhǎng)。粘性土的這種抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間恢復(fù)的膠體化學(xué)性質(zhì)稱(chēng)為土的觸變性。 1 7 土的滲透性 土的滲透性一般是指水流通過(guò)土中孔隙難易程度的性質(zhì)，或稱(chēng)透水性。 地下水在土中的滲透速度一般可按達(dá)西 Darcy)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的直線滲透定律計(jì)算，其公式如下(圖 1 25)： v k i()v k i i 粘性土的達(dá)西定律 1 8 地基土 (巖 )的分類(lèi) 地基土 (巖 )分類(lèi)的任務(wù)是根據(jù)分類(lèi)用途和土(巖 )的各種性質(zhì)的差異將其劃分為一定的類(lèi)別。 土 (巖 )的合理分類(lèi)具有很大的實(shí)際意義，例如根據(jù)分類(lèi)名稱(chēng)可以大致判斷土 (巖 )的工程特性、評(píng)價(jià)土 (巖 )作為建筑材料的適宜性以及結(jié)合其他指標(biāo)來(lái)確定地基的承載力等等。閱讀 33-39頁(yè)內(nèi)容。 第二章 地基的應(yīng)力和變形 研究地基的應(yīng)力和變形，必須從土的應(yīng)力與應(yīng)變的基本關(guān)系出發(fā)來(lái)研究。當(dāng)應(yīng)力很小時(shí)，土的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線就不是一根直線 (圖 2 1)，亦即土的變形具有明顯的非線性特征。 2 1 概 述 2 2 土中自重應(yīng)力 在計(jì)算土中自重應(yīng)力時(shí)，假設(shè)天然地面是一個(gè)無(wú)限大的水平面，因而在任意豎直面和 水平面上均無(wú)剪應(yīng)力存在。可取作用于該水平面上任一單位面積的土柱體自重計(jì)算 (圖 2 2)，即： 地基中除有作用于水平面上的豎向自重應(yīng)力外，在豎直面上還作用有水平向的側(cè)向自 重應(yīng)力。由于沿任一水平面上均勻地?zé)o限分布，所以地基土在自重作