土質學土力學與基礎工程

1、緒論一、土力學的研究對象土力學是一門研究土的學科，主要解決工程中的土的性質、強度及穩(wěn) 定性問題。在工程建設中，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，土又是地下結構物周圍的介質或環(huán)境。土分布在地殼的表面，其工程性質相差極大。因此，進行工程建設時， 必須結合土的實際工程性質進行設計。土力學研究的對象是分散土，它與巖石、土壤既有聯系又有區(qū)別。土 的主要特征是分散性、復雜性和易變性，其性質將隨外界環(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。巖石主要是巖石力學（或隧道力學）的研究對象。土壤屬農業(yè)學科，是土壤學研究的對象。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。人類對土壤的認識和利用比土要 豐富的多，土壤學的發(fā)展也比土力學要早得多。但應該指出，學科之間都是相互交叉，相互滲透的，巖石力學、土壤 學與土力學是密切聯系的，土力學在發(fā)展過程中，也利用了許多巖石力學 和土壤學的成就。二、土力學的研究內容.基本概念土：是巖石經過物理、化學、生物等風化作用的產物，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：是研究土的物理力學性質、變

3、形及強度規(guī)律，以及土 體穩(wěn)定性的一門科學。土力學是巖土力學的一個分支。巖石力學環(huán)境土力學海洋土力學土力學凍土力學土動力學月球土力學等土力學的研究內容土的物理、力學、物理化學性質;宏觀與微觀結構；土的壓縮性；強度特性；滲透性；動力特性等。為各類土木工程的穩(wěn)定和安全提供科學的對策。三、土力學發(fā)展概況(自學)四、本學科與土木工程專業(yè)的關系在土木工程設計與施工中，將會遇到大量的與土有關的工程技術問 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度 指標及土體的穩(wěn)定性有關；（2）在路基工程中，土作為建筑材料要求用碾壓法將土壓實，

4、以保 證路堤的強度和穩(wěn)定性。因此需要研究土的壓實性，包括土的壓實機理、 壓實方法及壓實指標的評價等。（3）擋土墻設計的主要外荷載-土壓力的取用，需借助于土壓力理論 計算。（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行深人 的研究。（5）軟土地基的加固技術，需要對軟土進行大量的試驗研究和現場 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的原理為基礎的。（7）穩(wěn)定土是比較經濟的基層材料，他是根據土的物理化學性質提 出的一種土質改良措施；道路一般在車輛的重復荷載作用

5、下工作，因此需 要研究土在重復荷載作用下的變形特性。（8）在建筑物、橋梁等工程中，地基與基礎是建筑物的根基，又屬 于地下隱蔽工程，經濟、合理的基礎工程設計需要依靠土力學基本理論的 支持。（9）橋梁、房屋結構的抗震設計，需要研究土的動力特性。由此可見，土力學這門學科與土木工程專業(yè)課的學習和今后的技術工 作有著十分密切的關系。學習這門課程是為了更好地學好專業(yè)課，也是為了今后更好地解決有關土的工程技術問題奠定堅實的基礎。第一章工程地質1.1概述從上面分析可以看出，工程地質與道橋工程的關系極為密切，因為各 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 地質條件直接影響道橋的設計方案

6、、施工與工程投資。因此，首先講一些 有關土質學方面的內容。一、地質作用.內力地質作用：由地球自轉產生的旋轉能引起，如巖漿活動、地 殼運動、變質作用等。.外力地質作用：由太陽輻射能和地球重力位能引起，如風化、剝 蝕、搬運、沉積作用等。二、風化作用.物理風化：由于地表巖石溫度變化產生溫度應力和裂隙水的凍脹 以及鹽類結晶膨脹而使巖石被碎崩解為碎塊或巖屑，其化學成份尚未發(fā)生 變化，這種過程稱為物理風化作用。當氣溫升高時，巖石膨脹產生壓應力，當氣溫降低時，巖石收縮產生 拉應力，二者頻繁交替，使巖石表層產生眾多裂隙最終崩解。另一方面水 凍脹時產生體積膨脹或鹽類結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化的產物。.化學風化作用：在水、大氣以及有機體的化學作用或生物化學作 用下而使巖石的化學成份發(fā)生水化、氧化、還原、碳酸化溶解等過程，稱為化學風化?；瘜W風化作用不僅破壞了巖石的結構，而且使化學成份改變，形成新 的礦物。粘土顆粒便是巖石經化學風化后的產物。.生物風化作用：是指生物活動過程中對巖石產生的破壞作用。如 樹根生長時施加周圍巖石的壓力可超過巖石的強度，使巖石產生裂紋而破 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、 挖隧道等作用產生的土等。三、剝蝕風化后的巖石產物在冰川、風、水和重力作用下，從母巖分離的現象 稱為剝蝕。四、搬運巖石碎塊或巖屑從母

8、巖分離后到達新的平衡位置，稱為搬運。搬運方式(1)風;(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。2 .伴隨現象(1)磨園;(2)進一步的破碎或開裂，這是由于相互碰撞、磨擦或冰凍作用的 結果;(3)分選現象：在搬運過程中，存在著分選現象，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距離一般較近，而細小的碎 ?？杀话徇\到較遠的地方沉積下來。五、沉積巖石碎塊和巖屑經，經搬運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成份和物理性質的自然元素或化合 物，是組成巖石細胞。目前已發(fā)

9、現的礦物有三千多種，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，由原生礦物風化產生，如長石風化產生高嶺石、角 閃石風化產生綠泥石等。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晶 后而形成的巖石；沉積巖：巖石經風化、剝蝕、搬運至低洼處而沉積，在常溫常壓下， 受到壓緊，化學物的膠結、再結晶或硬結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%。變質巖：在高溫高壓下，或化學性活潑的物質作用下，使原來巖石 的結構、構造甚至礦物成份改變而形成的一種新的巖石，稱為變質巖。（2）按堅

10、固性：硬質巖石：飽和單軸極限抗壓強度Sb30MPa軟質巖石：飽和單軸極限抗壓強度Sb30MPa（3）按風化程度：微風化巖石；中等風化巖石；強風化巖石。2、巖石的性質（1）強度大；（2）壓縮性低；（3）透水性差。是良好的天然地基。1.3第四紀沉積物（層）第四紀沉積物（土）：地表巖石經風化、剝蝕、搬運，沉積下來的年 代不長，未經壓緊，并呈松散狀態(tài)的沉積物。建筑場地一般涉及的都是第 四紀沉積物。第四紀沉積物分以下幾種類型：一、殘積物：巖石風化剝蝕后的產物仍殘留在原地未被搬運，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，通常存在一個風化帶。殘積物與強風化帶之間 并無明顯區(qū)別，二者的界線

11、實際上很難區(qū)分。殘積物與風化層的主要區(qū)別 在于：殘積物是經風化剝蝕和水流將細小的顆粒帶走后殘留下來的較粗顆 粒的堆積物。而風化帶雖經風化，但未經剝蝕和搬運。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）沒有層里構造（因沒有經過搬運和沉積）；（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。（4）孔隙度大，均質性差，作為建筑物地基易發(fā)生不均勻沉降。二、坡積物：高處風化、剝蝕后的巖石產物，在自重、風或流水作用下，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象；（3）土質不均勻，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，具有極強的搬運 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）具有磨圓分選現象，離山越遠，顆粒越細；（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 質也不一樣。因此，洪積物常呈不規(guī)則的交替層理構造，并且有夾層

13、，尖 夾等產狀。（4）作為建筑物的地基，一般認為是較理想的。尤其離山前較近的 洪積物，具有較高的強度，是良好的天然地基。離山較遠的地區(qū)，洪積物 顆粒較細，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\的大量細小顆粒 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、粉質粘土和粉土為主。這些物質經過河流的長途搬運后，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 緩傾斜的層理構造，其強度較高，在砂層中常有波浪作用留下的痕跡。淺海沉積物：主要由細顆粒砂土，粘性土和淤泥組成，具有層 理構造，含水量大，強度低，壓縮性大。陸坡和深海沉積物：主要是