土質(zhì)學(xué)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程

1、緒論一、土力學(xué)的研究對象土力學(xué)是一門研究土的學(xué)科，主要解決工程中的土的性質(zhì)、強(qiáng)度及穩(wěn) 定性問題。在工程建設(shè)中，土往往做為不同對象來研究。如在土層上修建房屋、 橋梁、道路、鐵路時，土是用來支撐上部建筑傳來的荷載，這時土被用作 地基；路堤、土壩等土工構(gòu)筑物，土又成為建筑材料；地鐵、隧道、涵洞 等地下工程，土又是地下結(jié)構(gòu)物周圍的介質(zhì)或環(huán)境。土分布在地殼的表面，其工程性質(zhì)相差極大。因此，進(jìn)行工程建設(shè)時， 必須結(jié)合土的實(shí)際工程性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。土力學(xué)研究的對象是分散土，它與巖石、土壤既有聯(lián)系又有區(qū)別。土 的主要特征是分散性、復(fù)雜性和易變性，其性質(zhì)將隨外界環(huán)境（如溫度、 濕度）的變化而發(fā)生顯著的變化。巖石與土

2、是有差別的，巖石中雖然有孔隙和裂隙，但可近似看成是連 續(xù)介質(zhì)。巖石主要是巖石力學(xué)（或隧道力學(xué)）的研究對象。土壤屬農(nóng)業(yè)學(xué)科，是土壤學(xué)研究的對象。土壤的主要特征是具有肥力， 能夠提供植物生長過程中所需要的養(yǎng)料。人類對土壤的認(rèn)識和利用比土要 豐富的多，土壤學(xué)的發(fā)展也比土力學(xué)要早得多。但應(yīng)該指出，學(xué)科之間都是相互交叉，相互滲透的，巖石力學(xué)、土壤 學(xué)與土力學(xué)是密切聯(lián)系的，土力學(xué)在發(fā)展過程中，也利用了許多巖石力學(xué) 和土壤學(xué)的成就。二、土力學(xué)的研究內(nèi)容.基本概念土：是巖石經(jīng)過物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用的產(chǎn)物，是由礦 物顆粒組成的集合體。土的三相組成：固體顆粒(土粒)水和氣體土力學(xué)：是研究土的物理力學(xué)性質(zhì)、變

3、形及強(qiáng)度規(guī)律，以及土 體穩(wěn)定性的一門科學(xué)。土力學(xué)是巖土力學(xué)的一個分支。巖石力學(xué)環(huán)境土力學(xué)海洋土力學(xué)土力學(xué)凍土力學(xué)土動力學(xué)月球土力學(xué)等土力學(xué)的研究內(nèi)容土的物理、力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì);宏觀與微觀結(jié)構(gòu)；土的壓縮性；強(qiáng)度特性；滲透性；動力特性等。為各類土木工程的穩(wěn)定和安全提供科學(xué)的對策。三、土力學(xué)發(fā)展概況(自學(xué))四、本學(xué)科與土木工程專業(yè)的關(guān)系在土木工程設(shè)計(jì)與施工中，將會遇到大量的與土有關(guān)的工程技術(shù)問 題。在鐵路或道路的路基工程中，土是修筑路堤的基本材料，同時 它又是支承路堤的地基。路堤的臨界高度和邊坡的取值都與土的抗剪強(qiáng)度 指標(biāo)及土體的穩(wěn)定性有關(guān)；（2）在路基工程中，土作為建筑材料要求用碾壓法將土壓實(shí)，

4、以保 證路堤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此需要研究土的壓實(shí)性，包括土的壓實(shí)機(jī)理、 壓實(shí)方法及壓實(shí)指標(biāo)的評價等。（3）擋土墻設(shè)計(jì)的主要外荷載-土壓力的取用，需借助于土壓力理論 計(jì)算。（4）隨著我國高速公路、高速鐵路的大量修建，對路基的沉降計(jì)算 與控制提出了更高的要求，而解決沉降問題需要對土的壓縮特性進(jìn)行深人 的研究。（5）軟土地基的加固技術(shù)，需要對軟土進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和現(xiàn)場 監(jiān)測。（6）在路面工程中，土基的凍脹與翻漿在我國北方地區(qū)是非常突出 的問題，防治凍害的有效措施是以土力學(xué)的原理為基礎(chǔ)的。（7）穩(wěn)定土是比較經(jīng)濟(jì)的基層材料，他是根據(jù)土的物理化學(xué)性質(zhì)提 出的一種土質(zhì)改良措施；道路一般在車輛的重復(fù)荷載作用

5、下工作，因此需 要研究土在重復(fù)荷載作用下的變形特性。（8）在建筑物、橋梁等工程中，地基與基礎(chǔ)是建筑物的根基，又屬 于地下隱蔽工程，經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)需要依靠土力學(xué)基本理論的 支持。（9）橋梁、房屋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，需要研究土的動力特性。由此可見，土力學(xué)這門學(xué)科與土木工程專業(yè)課的學(xué)習(xí)和今后的技術(shù)工 作有著十分密切的關(guān)系。學(xué)習(xí)這門課程是為了更好地學(xué)好專業(yè)課，也是為了今后更好地解決有關(guān)土的工程技術(shù)問題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章工程地質(zhì)1.1概述從上面分析可以看出，工程地質(zhì)與道橋工程的關(guān)系極為密切，因?yàn)楦?種道路和橋梁都是建在地球表面上的，都要與土打交道。建筑場地的工程 地質(zhì)條件直接影響道橋的設(shè)計(jì)方案

6、、施工與工程投資。因此，首先講一些 有關(guān)土質(zhì)學(xué)方面的內(nèi)容。一、地質(zhì)作用.內(nèi)力地質(zhì)作用：由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能引起，如巖漿活動、地 殼運(yùn)動、變質(zhì)作用等。.外力地質(zhì)作用：由太陽輻射能和地球重力位能引起，如風(fēng)化、剝 蝕、搬運(yùn)、沉積作用等。二、風(fēng)化作用.物理風(fēng)化：由于地表巖石溫度變化產(chǎn)生溫度應(yīng)力和裂隙水的凍脹 以及鹽類結(jié)晶膨脹而使巖石被碎崩解為碎塊或巖屑，其化學(xué)成份尚未發(fā)生 變化，這種過程稱為物理風(fēng)化作用。當(dāng)氣溫升高時，巖石膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)氣溫降低時，巖石收縮產(chǎn)生 拉應(yīng)力，二者頻繁交替，使巖石表層產(chǎn)生眾多裂隙最終崩解。另一方面水 凍脹時產(chǎn)生體積膨脹或鹽類結(jié)晶膨脹加速了巖石崩解過程。土中的碎石， 礫石

7、、砂等粗顆粒便是巖石物理風(fēng)化的產(chǎn)物。.化學(xué)風(fēng)化作用：在水、大氣以及有機(jī)體的化學(xué)作用或生物化學(xué)作 用下而使巖石的化學(xué)成份發(fā)生水化、氧化、還原、碳酸化溶解等過程，稱為化學(xué)風(fēng)化?；瘜W(xué)風(fēng)化作用不僅破壞了巖石的結(jié)構(gòu)，而且使化學(xué)成份改變，形成新 的礦物。粘土顆粒便是巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后的產(chǎn)物。.生物風(fēng)化作用：是指生物活動過程中對巖石產(chǎn)生的破壞作用。如 樹根生長時施加周圍巖石的壓力可超過巖石的強(qiáng)度，使巖石產(chǎn)生裂紋而破 壞?；顒釉诘乇頊\層的動物如老鼠、蚯蚓等也可使巖石被碎成土。開山、 挖隧道等作用產(chǎn)生的土等。三、剝蝕風(fēng)化后的巖石產(chǎn)物在冰川、風(fēng)、水和重力作用下，從母巖分離的現(xiàn)象 稱為剝蝕。四、搬運(yùn)巖石碎塊或巖屑從母

8、巖分離后到達(dá)新的平衡位置，稱為搬運(yùn)。搬運(yùn)方式(1)風(fēng);(2)流水;(3)冰川;(4)雪崩;(5)自然起伏地形形成高差，在自重作用下由高處向低處;(6)人工填運(yùn)。2 .伴隨現(xiàn)象(1)磨園;(2)進(jìn)一步的破碎或開裂，這是由于相互碰撞、磨擦或冰凍作用的 結(jié)果;(3)分選現(xiàn)象：在搬運(yùn)過程中，存在著分選現(xiàn)象，同一粒組范圍的 顆粒集聚在同一地區(qū)，大顆粒的巖石碎塊搬運(yùn)距離一般較近，而細(xì)小的碎 粒可被搬運(yùn)到較遠(yuǎn)的地方沉積下來。五、沉積巖石碎塊和巖屑經(jīng)，經(jīng)搬運(yùn)后在某地帶堆積下來，稱為沉積。1.2礦物與巖石一、主要造巖礦物1 .礦物：是地殼中具有一定化學(xué)成份和物理性質(zhì)的自然元素或化合 物，是組成巖石細(xì)胞。目前已發(fā)

9、現(xiàn)的礦物有三千多種，但常見的造巖礦物 僅三十多種。礦物種類原生礦物：由巖漿冷凝而成，如石英、長石、角閃石，輝石、 云母等。次生礦物，由原生礦物風(fēng)化產(chǎn)生，如長石風(fēng)化產(chǎn)生高嶺石、角 閃石風(fēng)化產(chǎn)生綠泥石等。二、巖石1、巖石的類型按成因：巖槳巖(火成巖)：地殼下面融巖漿侵入地殼或噴出地面冷凝結(jié)晶 后而形成的巖石；沉積巖：巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)至低洼處而沉積，在常溫常壓下， 受到壓緊，化學(xué)物的膠結(jié)、再結(jié)晶或硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。沉積巖石分布廣泛，約占地球表面的75%。變質(zhì)巖：在高溫高壓下，或化學(xué)性活潑的物質(zhì)作用下，使原來巖石 的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造甚至礦物成份改變而形成的一種新的巖石，稱為變質(zhì)巖。（2）按堅(jiān)

10、固性：硬質(zhì)巖石：飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度Sb30MPa軟質(zhì)巖石：飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度Sb30MPa（3）按風(fēng)化程度：微風(fēng)化巖石；中等風(fēng)化巖石；強(qiáng)風(fēng)化巖石。2、巖石的性質(zhì)（1）強(qiáng)度大；（2）壓縮性低；（3）透水性差。是良好的天然地基。1.3第四紀(jì)沉積物（層）第四紀(jì)沉積物（土）：地表巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)，沉積下來的年 代不長，未經(jīng)壓緊，并呈松散狀態(tài)的沉積物。建筑場地一般涉及的都是第 四紀(jì)沉積物。第四紀(jì)沉積物分以下幾種類型：一、殘積物：巖石風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物仍殘留在原地未被搬運(yùn)，這種沉積物稱為殘積物，如下圖所示。殘積物在殘積物和基巖之間，通常存在一個風(fēng)化帶。殘積物與強(qiáng)風(fēng)化帶之間 并無明顯區(qū)別，二者的界線

11、實(shí)際上很難區(qū)分。殘積物與風(fēng)化層的主要區(qū)別 在于：殘積物是經(jīng)風(fēng)化剝蝕和水流將細(xì)小的顆粒帶走后殘留下來的較粗顆 粒的堆積物。而風(fēng)化帶雖經(jīng)風(fēng)化，但未經(jīng)剝蝕和搬運(yùn)。殘積物特征：（1）顆粒不可能磨圓或分選，多為棱角狀粗顆粒土；（2）沒有層里構(gòu)造（因沒有經(jīng)過搬運(yùn)和沉積）；（3）其礦物成份與下臥基巖一致，這是鑒定殘積物的主要依據(jù)。（4）孔隙度大，均質(zhì)性差，作為建筑物地基易發(fā)生不均勻沉降。二、坡積物：高處風(fēng)化、剝蝕后的巖石產(chǎn)物，在自重、風(fēng)或流水作用下，順山坡向下移動，最后沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。坡積物特征（1）一般分布在坡腰或坡角下；（2）有不同程度的磨圓或分選現(xiàn)象；（3）土質(zhì)不均勻，厚度變化大，

12、在斜坡上厚度較薄，而在山坡下部 較厚;（4）由于一般堆積在傾斜的山坡上，常易發(fā)生滑動；在這類地基上 修建建筑物易產(chǎn)生滑坡。三、洪積物 由于暴雨或融雪形成的臨時性洪水，具有極強(qiáng)的搬運(yùn) 能力，將攜帶大量泥砂和石塊，最后堆積在山谷的出口或山前平原而形成 的沉積物。洪積物的堆積面積大小不一，從幾平方米到數(shù)十平方公里，在許多大 山與平原交界處，各條溝的洪積物不斷發(fā)展，相連成片可形成洪積平原。洪積物特征 ：（1）具有磨圓分選現(xiàn)象，離山越遠(yuǎn)，顆粒越細(xì)；（2）分布范圍多為扇形，如下圖所示；（3）由于山洪是周期性發(fā)生的，每次大小不盡相同，堆積下來的物 質(zhì)也不一樣。因此，洪積物常呈不規(guī)則的交替層理構(gòu)造，并且有夾層

13、，尖 夾等產(chǎn)狀。（4）作為建筑物的地基，一般認(rèn)為是較理想的。尤其離山前較近的 洪積物，具有較高的強(qiáng)度，是良好的天然地基。離山較遠(yuǎn)的地區(qū)，洪積物 顆粒較細(xì)，成分均勻，地下水位較深，也屬于良好的地基。但有時在上述 兩地段的中間地帶，常因地下水溢出地表而形成沼澤地，作為地基時應(yīng)慎重。四、沖擊物：是河流流水將兩岸巖石及上部覆蓋物剝蝕后，搬運(yùn)沉 積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。沖擊物在地表分布很廣，主要類型有1、平原河谷沖擊物（見下圖）（1）河床沉積物；（2）河慢灘沉積物；（3）河流階地沉積物;（4）古河道沉積物。2、山區(qū)河谷沖擊物：山區(qū)河流速度大，多為漂石、卵石與圓礫，厚 度一般 1015m3、山前

14、平原沖擊物：山前平原沖擊物具有分帶性，近山一帶為粗粒 物質(zhì)組成，向平原低地逐漸變?yōu)樯巴梁驼惩痢?、三角洲沉積物：在河流入?；蛉牒谔帲徇\(yùn)的大量細(xì)小顆粒 土沉積下來，形成面積寬廣，厚度較大（百米以上）的三角洲沉積物，一 般以砂、粉質(zhì)粘土和粉土為主。這些物質(zhì)經(jīng)過河流的長途搬運(yùn)后，一般具 有良好的分選性和顆粒磨圓度，斜層理也較發(fā)育。在三角洲地帶，地下水 位很高，水系密布，該區(qū)域內(nèi)沉積物形成飽和砂土及軟粘土，承載能力很低，壓縮性很高，作為建筑物地基應(yīng)特別慎重。五、海相沉積物海洋按海水深度不同劃分為四個區(qū)域，濱海地區(qū)是指漲潮時淹沒、落 潮時落出的地帶;淺海地區(qū)稱為大陸架，水深0200m,寬度100200km； 陸坡地區(qū)水深2001000m，寬度200300km；當(dāng)水深超過1000m時， 為深海地區(qū)。不同地區(qū)的沉積物不同。濱海沉積物：主要由卵石、圓礫和砂等組成，具有基本水平或 緩傾斜的層理構(gòu)造，其強(qiáng)度較高，在砂層中常有波浪作用留下的痕跡。淺海沉積物：主要由細(xì)顆粒砂土，粘性土和淤泥組成，具有層 理構(gòu)造，含水量大，強(qiáng)度低，壓縮性大。陸坡和深海沉積物：主要是