1、土力学地基基础电子教材绪论一、土力学、地基与基础的概念：1地基 位于建筑物基础的下方，支承建筑物荷载的那部分地层。 土地球表面的大块岩石经风化、 搬运、沉积而形成的松散堆积物， 称为土 2. 土力学 ： 土力学利用力学的一般原理，研究土的应力、应变、强度、稳定和渗透 等特性及其随时间变化规律的学科，称为土力学。3基础： 基础建筑物的一部分，位于地面以下，承受上部结构传来的荷载，形状 是扩大的那部分下部结构，称为基础。4地基与基础设计的原则 ： 安全、经济综合考虑地基、基础和上部结构三者之间的相互关系。1要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基。在防止整体破 坏方面有足够的安全储备。
2、（安全系数）2控制基础沉降使之不超过允许值，保证建筑物不因地基沉降而损坏或者影 响其正常使用。二、本课程的特点和学习要求：土力学的基本原理： 应力应变关系强度理论地基的计算 如遇相关课程的内容，本课程只是引用，而重点是要求理解其意义及应用条 件， 切不可把注意力放在相关课程公式的推导上。3.本课程的学习要求： 运用基本原理，具体问题具体分析。因此，最重要的是 理论联系实际，提高分析问题解决问题的能力。结合实验了解土力学常规参数的 获取方法。三、本学科的发展概况（简要介绍）第一章 土的物理性质及分类1.土力学的研究对象：土 土土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不 同的搬运
3、方式，在各种自然环境中生成的沉积物。固 :土颗粒 冰2土的组成 气: 气体液 : 孔隙中的水土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系反映出土的不同性质，如干湿、 轻重、松紧、软硬等。这就是土的物理性质。土的生成 （简要介绍 ）一、地质作用的概念 （简单介绍 ）二、矿物与岩石的概念（简单介绍）三、 地质年代的概念（简单介绍）四、 第四纪沉积物（简单介绍） 1-1 土的组成及其结构与构造、土的固体颗粒（重点讲解）（一）土的颗粒级配1.土颗粒的大小直接决定土的性质2.粒径颗粒直径大小3.粒组一一为了研究方便，将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归 并为若干组别即称为粒组。粒组的划分：200 60
4、 2漂石* I * 卵尹 砾石 砂粒 十“ 粉粒 粘粒4.颗粒级配土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来 表示，称为土的颗粒级配。颗粒级配的测定方法：一一筛析法、比重计法试验成果分析：1颗粒级配累积曲线（半对数坐标）曲线平缓 粒径大小悬殊 不均匀 级配良好分析曲线陡 粒径大小接近 不均匀 级配良好2不均匀系数（Cu）60%寸，该粒径称为限定10%寸，相应的粒径称为式中：d60当小于某粒径的土粒质量累计百分数为粒径d60。d io当小于某粒径的土粒质量累计百分数为有效粒径dio。3曲率系数（CC）式中：d3o当小于某粒径的土粒质量累计百分数为 30%寸的粒径用d3o表示。C c曲率
5、系数，它描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形 状。C c=13时 级配良好（二）土粒的矿物成分（简要介绍）漂石、卵石、砾石等粗大土粒的矿物成分以原生矿物为主。 （与每岩相同）砂粒的矿物成分大多为母岩中的单矿物颗粒。如石英等。粉粒的矿物成分以粘土矿物为主。蒙脱石 粘土矿物由两种原子层构成，主要类型 伊利石高岭石粘土矿物的特点：细小、亲水性强，吸水膨胀，脱水收缩。结合水一）土中水强结合水弱结合水自由水重力水毛细水、土中的水和气1. 结合水指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。（1）强结合水 指紧靠土粒表面的结合水。特征：没有溶解盐类的能力， 不传递静水压力， 只有吸热变成蒸汽时才能移动。
6、 物理指标：容度 cm3 固体状态冰点-78 C砂土吸 度占土粒质量 1%、粘土 17%。 特点：极大的粘滞度，弹性和抗剪强度。（2）弱结合水指紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。 介绍如何对粘性土的塑性产 生影响。特征：不能传递静水压力， 但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜转移。2自由水 指存在于土粒表面电场影响范围以外的水。 特点：能传递静水压力，冰点为 0 C ，有溶解能力。（1）重力水 存在于地下水位以下的透水土层中的地下水。特点：有流动时，产生动水压力，带走土颗粒；能溶解土中的盐类；浮力作用。 作用：使土中的孔隙增大，压缩性提高，抗剪强度降低。（2）毛细水 受水与空气界面的表
7、面张力作用而存在于孔隙中的自由水，一般存在于地下 水位以上的透水层中。机理：当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面与土粒接触处的表面 引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土因而 具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。存在范围：直径的孔隙中，结合工程事例讲解防潮层的作用。3.冰当温度降至零度以下，水结成冰，土即为冻土。冻胀性的危害：当Tf, 土体下陷，即融陷现象，使承载力下降，道路翻浆（二）土中气（简要介绍）十中的气体 与大气相通：压缩性高与大气隔绝：降低透水性，不易压密成份 一般空气中的成份份： 微生物产生的可燃气体 （H 2S甲烷）三、土中的结构和构造（一）土的结构土的结构
8、一一指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的 综合特征。分类：单粒结构 砂层,砾石层土的结构蜂窝结构 粉粒絮状结构 粘粒结合基坑的幵挖，讲解工程事例中如何幵挖不破坏土的结构性，以及基坑幵 挖要求.（二）土的构造土的构造指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系 的特征。 1-2 土的物理性质指标一、指标的定义（一） 土粒比重（土粒相对密度） ds定义：土粒质量与同体积 4C的纯水的质量之比 公式： ds匹 J/s ml w1测定方法：比重瓶法（二） 定义： 公式：土的含水量3土中水的质量与土粒质量之比，称为含水量mw 100%ms表示湿度的物理指标，与土的种类，意义：
9、等有关。测定方法：烘干法。（三）土的密度p埋藏条件及其所处的自然地理环境定义：土单位体积的质量 公式：msVV单位： g/cm 3 t/m3测定方法：环刀法（四）土的干密度P d，饱和密度p sat和有效密度p1干密度 定义：土单位体积中固体颗粒的质量（干燥状态） 公式:2.饱和密度定义：土孔隙中充满水时的单位体积质量公式：ms Vv wsatV3.有效密度（浮密度）定义：在地下水位以下，单体土体积中土粒的质量扣除用体积水的质量后, 即为单位土体积中土粒的有效质量。公式： ms Vs WV（五）重度丫，干重度丫 d饱和重度丫 sat，有效重度丫定义：重度单位体积的重力公式：丫 =GN单位：kN
10、/m3换算公式： 丫 = p，g（六）土的孔隙比e,和孔隙率n1. 土的孔隙比 定义：土中孔隙体积与土粒体积之比 意义：用来评价天然土层的密实程度2.土的孔隙率公式:e Vv/vs（用小数表示）定义：土中孔隙所占体积与总体积之比公式n 也 100% Ve与n的关系:（七）土的饱和度Sr定义：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比公式： Sr Vw 100%意义：是评价土的潮湿程度的指标二、指标的换算（选取几个典型的公式推导，建立指标之间相互联系的概念） 1-3 土的物理状态指标、无粘性土的相对密实度式中：emax土处于最疏松状态时的孔隙比 e min 土被振击后最密实状态下的孔隙比e 天然孔隙
11、比意义：评价土的密实程度二、粘性土的稠度及界限含水量界限含水量 粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量，称为界 限含水量。包括：缩限、塑限、液限。缩限W 塑限W 液限WL测定方法：塑限：联合测定仪 搓条法小 固态十半固态 可塑状态、流动状态 ，、大液限：锥式液限仪 （碟式少用） 宀大三、粘性土的塑性指数和液性指数（一） 塑性指数Ip 用百分数表示，但省去 %意义：I p值的大小与粘粘含量有关（二） 液性指数lw意义：表示粘性土软硬程度的物理指标四、粘性土的灵敏度和触变性（一）灵敏度（S）意义：（二）触变性触变性粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为触变性。 1-3 土的渗透性一、
12、土的渗透性渗透性一一指水流通过土中孔隙难易程度的性质。 意义：渗透性好坏影响地下水的补给、排泄条件。二、 渗透定律（达西定律 Darcy ）u =kicm/scm/sH1 H2式中： u 水在土中的渗透速度k 土的渗透系数i 水力梯度三、渗透系数的测定 1- 4 土（岩）的工程分类一、 岩石的工程分类（一） 按坚硬程度分类（二） 按成因分类（三） 按风化程度分类（四） 按软化系数分类二、 碎石类土定义：粒径2mm勺颗粘含量超过全重的 50%三、 砂类土定义：粒径2mm勺颗粒含量不超过全重的 50%粒径 的颗粒超过全重的 50%分类：四、 粉 土定义：粒径 的颗粒含量不超过全重的 50%塑性指数
13、I p的土分类： 砂质粉土 0.005mm 10%粘质粉土 0.005mm 10%五、 粘性土 定义：指塑性指数 I P10 的土。（一） 按沉积年代分类（二） 按塑性指数分类六、 特殊土（一） 软土指沿海的滨海相、三角洲相、平原、山区的沼泽相等主要由细粒土组成 的孔隙比大（1）天然含水量高（接近或大于 WL）压缩性高和强度低的 土层。（二） 人工填土由人类活动而堆填的土（三） 湿陷性土（黄土）指土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。 评价：按P=200kPa时的湿陷量3表示。（四） 红粘土指碳酸盐岩系出露的岩石， 经“红土化作用”形成并覆盖于基岩上的棕 红色高塑性粘土。特
14、征：3 l50 收缩性不均匀性当3在4550之间时称为次生红粘土（五） 膨胀土 指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物组成的粘性土。特征：含蒙托石、伊里石 吸水膨胀、失水收缩（六） 风化岩和残积土 风化岩指岩石在风化营力等作用下， 使其结构、 成分、性质等产生不同程度变异的岩石。残积土岩石完全风化后未经搬运的残积物。 特点：不均匀性 易产生不均匀沉降。（七） 冻土 多年冻土指土的温度等于或低于零度，含有固态水且这种状态在自然界连续保持三年或三年以上的土。特点：冻胀、融陷（八）混合土 由级配不连续的粘粒、粉粒、砾粒和巨粒组组成。（九）盐渍土指易溶盐含量 %，且具有吸湿、松胀等特性的土。分类：七、细粒土按
15、塑性图分类 第二章 地基的应力计算 概述一、 土中的应力土中的应力 自重应力 自重引起的 （恒,活 ）土中的应力 附加应力 由于建筑物荷载引起的二、 研究意义土中的应力T引起应变T幵裂、歪斜、破坏所以研究土中的应力、沉降、 对于保证建筑物的正常使用、安全、经济具有很大的意义。三、研究方法实用简化方法：1土为均质的线性变形体。2地基是均匀、连续各向同性的半元限体。 2-1 土中自重应力一、 自重应力的定义 由土体自身重力引起的应力称为自重应力。二、 自重应力的计算大小： cz z方向：垂直向下。规律：随深度的增加而增加。 其它方向上： ex cy Ko cz式中：Ko 土的侧压力系数单位：kPa
16、 Pa三、 几种情况下的自重应力计算1.土是由多层土构成的式中：i第i层土的无然重度，水下取有效重度。2.不透水层（隔水层） 例如：坚硬的粘土层、基岩等在不透水层中存在水的浮力，作用在不透水层层面及层面以下的土的自重应 力，等于上覆土和水的总重。四、 自重应力分布图沿深度用一定比例的浅段表示自重应力的大小，即自重应力分布图为一折线 图，遇地下水时，折线往回收遇不透水层时，有一突跃值。例题2-1 （精讲） 2- 2 基底压力（重点讲解）基底压力 在建筑物基础底面存在的接触应力既是基础作用于地基的力，又是地基反作用于基础的力。（KPa）一、基底压力的简化计算式中： G基础自重及基上回填土重的总重（
17、一）偏心荷载下的基底压力 式中：M作用一矩形基底的力矩2W基础底面的抵抗矩 W丄e 偏心距当矩形基础在双向偏心荷载作用下时:二、基底附加压力式中：o 基础府面标高以上天然土层的加权平均重度，水下取有效重度。 d 天然地下算起的基础埋深。 2- 3 地基附加应力附加应力一一指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力-、竖向集中力下的地基附加应力（一）布辛奈斯克解（弹性力学 ）（简要介绍公式来源，主要讲解公式的应用和应力系数查表方法）假定：基底压力是柔性的，地基土层各向同性，均布的线笥变形体，深度与水 平方向显示退延伸。在半空间中任意点M（x、y、z）其中：u泊松比9R线与z轴的夹角剪应力
18、略位移： 1P刍2（1 ）丄2 E R3 R式中：E弹性模量（二）等代荷载法：将上式改写为：z K %2对于若干个集中力：式中：ki第i个集中力应力系数例题2-2 （粗讲）二、矩形荷载和圆形荷载下的地基附加应力（一）均布的矩形荷载（角点法）式中：Kc均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数由M=l/b n=z/b 查得（内插）当计算点不在角点下时，可分部计算1当计算点位于边上2边外点外当计算点位于矩形内部3当计算点位于矩形外部例题2-3 精讲（二） 三角形分布的矩形荷载角点1 （小） z KtiPo解点2 （大） z Kt2Po式中：kti K2附加应力系数（三） 均布的圆形荷载式中：kr附加应力
19、系数三、线荷载和条形荷载下的地基附加应力（一） 线荷载式中：P 竖向线荷载 KN/mBR与z轴的夹角（xoz平面内）（二）均布的条形荷载在直角坐标系中式中：kxz、ksx、ksxz分别为均布条形荷载下相应的三个附加应力系数选取一例题作为对公式的应用进行重点讲解地基中附加应力z的分布规律：1 z不仅发生在荷载面积之下，而且分布在荷载面积以外相当大的范围之下，这就是所谓地基附加应力的扩散分布；2.在离基础府面（地基表面）不同深度 z处各个水平面上，以基底中心点下轴线处的z为最大，随着距离中轴线愈远愈小；3. 在荷载分布范围内任意点沿垂线的 z值，随深度愈向下愈小。4. 地下附加应力的分布的等值线如
20、灯泡形，故也称其为“压力泡” 。四、非均质和各向异性地基中的附加应力（概念性介绍）（一） 非均质地基：变形量随深度增大（砂土明显）费洛列希建议用半经验公式：式中：丫一一大于3的集中因素，随E0与口的变化而异。结果：发生应力集中现象。（二） 薄交互层地基（各向异性地基）沃乐夫建议考虑EohEov时，附加应力系数Ks的改变，韦斯脱加特建议考虑微小 竖向变形。结论：产生应力扩散现象（三）双层地基1.岩层上覆盖着不厚的可压缩土层则发生应力集中现象，且岩层埋藏愈浅，应力集中现象愈显着。2.上层坚硬，下层软弱的双层地基引入参数E01 1E02 1则发生应力扩散现象，且随上层厚度的增大而扩散明显。其中泊松比
21、变化不大，即f值取决于 已/ E 02，f值增大，扩散现象明显。第三章 土的压缩性和地基沉降计算3-1 土的压缩性一、基本概念土的压缩性土在压力作用下体积缩不的特性称为土的压缩性。 土的固结一一土的压缩随时间而增长的过程。 （粘性土明显）1、压缩曲线和压缩性指标（重点讲解）（一）压缩试验和压缩曲线1 .压缩试验2.压缩前Vv Ah o Vs eoVs Vs压缩后：Vs A(Ho S)1 e/ VS不变-Ho (Ho S) A1 eo 1 ee eo (1Hoe。）2.压缩曲线（e-p曲线）不同压力P下的沉降S,按上式算出e,即可给出e-p曲线或e-egP曲线（二）土的压缩系数和压缩指数1压缩系
22、数般取 P1=100KPaF2=200KPa1a1 2 0.1MPa得 a1-2低压缩性评价土的压缩性中压缩性0.1 a1 2 0.5MPa1高压缩性1a1 2 0.5MPa2.压缩指数低压缩性0.2评价土的压缩性中压缩性0.2 0.4高压缩性0.4（二）压缩模量式中：E. 土的压缩模量KPaMPa低压缩性15MPa评价土的压缩性：中压缩性4 15MPa高压缩性4MPa（四）土的回弹曲线和再压缩曲线逐级卸压可得e-P曲线，即为回弹曲线再重新逐级加压可得e-p曲线，即再压缩曲线从曲线中可以看出：三、土的变形模量（一）载荷试验 承压板： 荷载 8级软土每级硬土10 25KPa50KPa观测标准：每
23、小时沉降量 实验结果： S-P曲线变形模量：Eo （1 2）-P1BSi式中：3承压板系数S比例界限Pl对应的沉降量或 Si=（粘） or S i=（低压缩性土）；E0 变形模量， KPa MPa（ modulus of deformation ）（二）变形模量与压缩模量的关系、 2 2关系： Eo 1 Es2 21 -1 3 - 2 地基的最终沉降量（重点）、按分层总和法计算（一）步骤：将基底以下土分为若干薄层， 分层厚h1R1.正常固结土 （ A类土）R=R- 欠固结土 （ C类土）Pc30% 可取第一项例题3 - 2 讲解公式的应用第四章 土的抗剪强度与地基承载力概述土的抗剪强度一一指土体抵抗剪切破坏的极限能力研究意义，研究抗剪强度是
