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1、土力学与地基基础土力学与地基基础 清华大学出版社清华大学出版社陈熙哲编著。陈熙哲编著。含各类地基处理的案例，实用性强含各类地基处理的案例，实用性强 绪绪 言言 一、一、土力学、地基及基础的有关概念土力学、地基及基础的有关概念 1 1 土力学土力学-研究土的应力、变形、强度和稳定研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。为土力学。2 2 地基地基支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。那一部分地层称为地基。3 3 基础基础-建筑物向地基传递荷载的下部结构就建筑物向地
2、基传递荷载的下部结构就是基础是基础(参看图参看图o1)o1)。4 4 地基基础设计的先决条件：地基基础设计的先决条件：在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘察，充分了解、研究地基土勘察，充分了解、研究地基土(岩岩)层的成因及构造、层的成因及构造、它的物理力学性质、地下水情况以及是否存在它的物理力学性质、地下水情况以及是否存在(或可或可能发生能发生)影响场地稳定性的不良地质现象影响场地稳定性的不良地质现象(如滑坡、如滑坡、岩溶、地震等岩溶、地震等)，从而对场地件作出正确的评价。，从而对场地件作出正确的评价。5 5 地基基础设计的两个基本条件：地基基础设
3、计的两个基本条件：(1)(1)要求作用于地基的荷载不超过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；体破坏方面有足够的安全储备；(2)(2)控制基础沉降使之不超过地基控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑物不因地基的变形允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。变形而损坏或者影响其正常使用。6 6 基础结构的型式：基础结构的型式：7 7 地基类型地基类型 8 8 地基基础设计方案的选取原则地基基础设计方案的选取原则 9 9 地基及基础的重要性地基及基础的重要性 二、本课程的特点和学习要求二、本课程
4、的特点和学习要求 1 1 课程的特点：课程的特点：（1 1）地基及基础课程涉及工程地质学、土）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；泛、综合性强；（2 2）课程理论性和实践性均较强。）课程理论性和实践性均较强。2 2学习要求：学习要求：(1)(1)学习和掌握土的应力、变形，强度和学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等土力学基本原理；地基计算等土力学基本原理；(2)(2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；法；(3)(3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技熟悉土的物理力学性质
5、的原位测试技术以及室内土工试验方法；术以及室内土工试验方法；（4 4）重视工程地质基本知识的学习，了解）重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资料能力的培养。工程地质勘察资料能力的培养。第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 11 11 概概 述述1 1土的定义：土的定义：土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。成的沉积物。2 2 土的三相组成
6、：土的三相组成：土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相固相)、水、水(液相液相)和气和气(气相气相)所组成的三相体系。所组成的三相体系。12 12 土土 的的 生生 成成一一 、地质作用的概念、地质作用的概念1 1地球的圈层构造：地球的圈层构造：外圈层：大气圈、水圈、生物圈；外圈层：大气圈、水圈、生物圈；内圈层：地壳、地幔、地核。内圈层：地壳、地幔、地核。构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一般构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳
7、的一般厚度为厚度为3030一一80km80km。2 2地质作用地质作用-导致地壳成分变化和构造变化的作用。导致地壳成分变化和构造变化的作用。根据地质作用的能量来源的不同，可分为内根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用力地质作用和外力地质作用(1)(1)内力地质作用内力地质作用:由于地球自转产生的旋转能和放射性由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动运动(构造运动构造运动)和变质作用。和
8、变质作用。1)1)岩浆作用岩浆作用-存在于地壳以下深处高温、高压的复杂存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔融体硅酸盐熔融体(岩浆岩浆)，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝后生成为岩浆岩的地质作用。或喷出地表且冷凝后生成为岩浆岩的地质作用。2)2)地壳运动地壳运动-地壳的升降运动和水平运动。升降运动地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现表现为地壳的上拱和下拗，形成大为地壳的上拱和下拗，形成大 型的构造隆起和拗陷：水型的构造隆起和拗陷：水平运动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形平运动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂地壳运
9、动的结果，形成了各种类型的态的褶皱和断裂地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。地质构造和地球表面的基本形态。3)3)变质作用变质作用-在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩(原来生成的各种岩石原来生成的各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、结构、构造变化的地质作用。渗入下，发生成分、结构、构造变化的地质作用。(2)(2)外力地质作用：外力地质作用：由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、用。它包括气温变化、
10、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。冰川、风、生物等的作用。1)1)风化作用风化作用-外力外力(包括大气、水、生物包括大气、水、生物)对原岩发生机对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。械破碎和化学变化的作用。2)2)沉积岩和土的生成沉积岩和土的生成-原岩风化产物（碎屑物质），在原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，沉积的物质
11、逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的“土土”。3 3）风化、剥蚀、搬运及沉积）风化、剥蚀、搬运及沉积-外力地质作用过程中的外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，
12、而风化、剥蚀、搬运又为沉用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作 用在一用在一定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，例如定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，例如，河流上游地区以剥蚀为主，下游地区以沉积为主，山，河流上游地区以剥蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原以沉积占优势地以剥蚀占优势，平原以沉积占优势 二、矿物与岩石的概念二、矿物与岩石的概念 岩石岩石-一种或多种矿物的集合体。一种或多种矿物的集合体。矿物矿物-地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具地壳中天然生成的自然元素或化
13、合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态有一定的物理性质、化学成份和形态 (一一)造岩矿物造岩矿物 组成岩石的矿物称为造岩矿物。组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重等特征为依据。比重等特征为依据。（二）岩石（二）岩石 岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的结构岩石的结构岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的
14、组合方式。形状、及其彼此之间的组合方式。岩石的构造岩石的构造-岩石中矿物的排列方式及填充方式。岩石中矿物的排列方式及填充方式。岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类，岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类，其亚类划分列于表其亚类划分列于表1-31-3、表、表1-41-4、表、表1-51-5。三三 地质年代的概念地质年代的概念 地质年代地质年代-地壳发展历史与地壳运动，沉积环境地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物演化相对应的时代段落。及生物演化相对应的时代段落。相对地质年代相对地质年代-根据古生物的演化和岩层形成的根据古生物的演化和岩层形成的顺序，所划分的地质年代。顺序，所划分的地
15、质年代。在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对年代划分为五大代质相对年代划分为五大代(太古代、元古代、古生代、太古代、元古代、古生代、中生代和新生代中生代和新生代)，每代又分为若干纪，每纪又细分为，每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应的地若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应的地层（参见表层（参见表1-61-6）在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩风化产物（碎屑物质），经各种外力地质作用风化产物（碎屑物质），经各种外力地质作用(剥蚀、剥蚀、搬运、沉积搬
16、运、沉积)形成尚未胶结硬化的沉积物形成尚未胶结硬化的沉积物(层层)，通称，通称“第四纪沉积物(层)”或“土”。四 第四纪沉积物(层)不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。(一)残积物、坡积物和洪积物 1残积物残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。2坡积物 坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。3 3洪积物洪积物(Q”)(Q”)由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时
17、性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。具有很大的剥蚀和搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物山前倾斜平原而形成洪积物(图图14)14)。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群 图图l5)l5)。如果逐渐如果逐渐扩大以至连接起来，扩大以至连接起来，则形成洪积冲积平原的地貌单元。则形成洪积冲积平原的地貌单元。洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状或透镜体等产状(图图16)16)。(二二)冲积物冲积物(Q
18、)(Q)冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。带形成的沉积物。1 1平原河谷冲积物平原河谷冲积物平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元(图图17)17)。2 2山区河谷冲积层山区河谷冲积层在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地(图图1-8)1-8)。(三三)其它沉积物其它沉积物 除了上述四种成囚类型的沉积物外，还有海洋沉积物除了
19、上述四种成囚类型的沉积物外，还有海洋沉积物(Q”)(Q”)、湖泊沉积物湖泊沉积物(Q)(Q)、冰川沉积物冰川沉积物(Q”)(Q”)及风积物及风积物(Q”)(Q”)等，它们是分别由海洋，等，它们是分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的湖泊、冰川及风等的地质作用形成的 1-3 1-3 土土 的的 组组 成成 一一 土的固体颗粒土的固体颗粒 土中的固体颗粒土中的固体颗粒(简称土粒简称土粒)的大小和形状、矿物的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。要因素。(一一)土的颗粒级配土的颗粒级配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土
20、粒在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。无粘性变化到有粘性。将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。称为界限粒径。表表l-8l-8提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。提供
21、的是一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限粒径表中根据界限粒径200200、2020、2 2、0 00505和和0 0005mm005mm把土把土粒分为六大粒组：漂石粒分为六大粒组：漂石 块石块石)颗粒、卵石颗粒、卵石(碎石碎石)颗粒、颗粒、圆砾圆砾(角砾角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量相对含量(各粒组占土粒总量的百各粒组占土粒总量的百 分数分数)来表示，称为来表示，称为土的颗粒级配。土的颗粒级配。颗粒分析试验：筛分法；比重计法颗粒分析试验：筛分法；比重计法 根据颗粒大小分
22、析试验成果，可以绘制如图根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图110110所示的颗粒级配累积曲线所示的颗粒级配累积曲线 由曲线的坡度可判断土的均匀程度由曲线的坡度可判断土的均匀程度 有效粒径；限定有效粒径；限定粒径。粒径。利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标，如与的比值称为不均匀系数：与的比值称为不均匀系数：又如曲率系数用下式表示：又如曲率系数用下式表示：不均匀系数不均匀系数 反映大小不同粒组的分布情况，越大表反映大小不同粒组的分布情况，越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工
23、程的土料时，则比较容易获得较大的密实度曲率系数描程的土料时，则比较容易获得较大的密实度曲率系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。(二二)土粒的矿物成分土粒的矿物成分 土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要其中以细粒组的矿物成分尤为重要 。1 1、六大粒组的矿物成分、六大粒组的
24、矿物成分 漂石、卵石、圆砾等粗大颗粒；砂粒；粉粒；粘粒。漂石、卵石、圆砾等粗大颗粒；砂粒；粉粒；粘粒。2 2、粘土矿物的比表面粘土矿物的比表面 由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积(或质量或质量)的颗的颗粒总表面积粒总表面积(称为比表面称为比表面)来表示。来表示。由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致
25、土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质起必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质起着重要的作用。着重要的作用。二、土中的水和气二、土中的水和气 (一一)土中水土中水 在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。态、固态或气态。存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：1结合水结合水 结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。这种电分子吸引力高达几千到这种电分子吸引力高达几千到 几万个大气压，使水分子几万个大气压，使水分
26、子和土粒表面牢固地粘结在一起。和土粒表面牢固地粘结在一起。由于土粒由于土粒(矿物颗粒矿物颗粒)表面一般带有负电荷，围绕土粒表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子子(如如Na、Ca”、A1”等等)一起吸附在土粒表面。因为水分一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子子是极性分子(氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷)，它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列(图图113)。双电子层双电子层 (1)强结合水强结合水 强
27、结合水是指紧靠土粒表面的结合水强结合水是指紧靠土粒表面的结合水 (2)弱结合水弱结合水 弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。2自由水自由水 自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0，有，有溶解能力。溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。和毛细水。(1)重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水层中的地下水，重力水是存在于地下水
28、位以下的透水层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。力作用。(2)毛细水毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细由水毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水与地下水无直接联系无直接联系)和毛细上升水和毛细上升水(与地下水相连与地下水相连)两种。两种。当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水
29、的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由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于这种毛细压力而挤紧(图图114)，土因而具有微弱的，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。粘聚力，称为毛细粘聚力。(二二)土中气土中气 。I 土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。三三、土的结构和构造、土的结构和构造 土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和
30、絮状结构三种基本类型蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造，土的构造最部分之间的相互关系的特征称为土的构造，土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征是土的裂隙性。是土的裂隙性。14 土的三相比例指标土的三相比例指标 上节介绍了土的上节介绍了土的组成，特别是土颗粒组成，特别是土颗粒的粒组和矿物成分，的粒组和矿物成分，是从本质方面了解土是从本质方面了解土的性质的根据。但是的性质的根据。但是为了对土的基本物理为了对土的
31、基本物理性质有所了解，还需性质有所了解，还需要对土的三相要对土的三相土土粒粒(固相固相)、土中水、土中水(液相液相)和土中气和土中气(气气相相)的组成情况进行的组成情况进行数量上的研究。数量上的研究。土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。15 15 无粘性土的密实度无粘性土的密实度 无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地
32、基，呈松散状态时，则是不良地基。对于天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。对于同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、稍密直到松散状态。稍密直到松散状态。以下介绍与无粘性土的最大和最小孔隙比、相以下介绍与无粘性土的最大和最小孔隙比、相对密实度等有关密实度的指标。对密实度等有关密实度的指标。无粘性土的相对密实度为无粘性土的相对密实度为根据根据 值可把砂土的密实度状态划分为下列三种：值可把砂土的密实度状态划分为下列三种：密实的密实的 中密的中密的 松散的松散的 砂土的
33、密实度砂土的密实度 碎石土的密实度碎石土的密实度 16 16 粘性土的物理特征粘性土的物理特征 一一 粘性土的界限含水量粘性土的界限含水量 粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态态、半固态、可塑状态及流动状态 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，叫做界限含水量。水量，叫做界限含水量。我国目前以联合法测定液限和塑限我国目前以联合法测定液限和塑限 二、粘性土的塑性指数和液性指数二、粘性土的塑性指数和液性指数 1 1、塑性指数是指液限和塑限的差值、塑性指数是指液限和塑限的差值(省去符号省
34、去符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。即土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数的大小与土中结合水的含量有关塑性指数的大小与土中结合水的含量有关 2、液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。与塑性指数之比。用液性指数可表示粘性土的软硬状态，见表用液性指数可表示粘性土的软硬状态，见表4-14 三、粘性土的灵敏度和触变性三、粘性土的灵敏度和触变性 天然状态下的粘性土、通常都具有一定的结构性，当天然状态下的粘性土、通常都具有一定的结构性，当受到外来因素的扰动时，土粒间的胶结物质以及土粒，离受到外来因素的扰动时，土粒间的胶结物质以及土粒
35、，离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，土的强度降低和子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，土的强度降低和压缩性增大土的结构性对强度的这种影响，一般用灵敏压缩性增大土的结构性对强度的这种影响，一般用灵敏度来衡量。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑度来衡量。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑(指在含水量不变条件下使土的结构彻底破坏指在含水量不变条件下使土的结构彻底破坏)后的强度之后的强度之比来表示的。比来表示的。土的触变性土的触变性 饱和粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰饱和粘性土的结构受到扰动，导致强度降低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐增长。粘性土的这种动停止后，土
36、的强度又随时间而逐渐增长。粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。17 17 土的渗透性土的渗透性 土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质，或称透水性。程度的性质，或称透水性。地下水在土中的渗透速度一般可按达西地下水在土中的渗透速度一般可按达西Darcy)Darcy)根据实验得到的直线渗透定律计算，其公根据实验得到的直线渗透定律计算，其公式如下式如下(图图125)125)：粘性土的达西定律粘性土的达西定律18 18 地基土地基土(岩岩)的分类的分类 地基土地基土(岩岩)分类的任务
37、是根据分类用途和土分类的任务是根据分类用途和土(岩岩)的各种性质的差异将其划分为一定的类别。的各种性质的差异将其划分为一定的类别。土土(岩岩)的合理分类具有很大的实际意义，例的合理分类具有很大的实际意义，例如根据分类名称可以大致判断土如根据分类名称可以大致判断土(岩岩)的工程特性、的工程特性、评价土评价土(岩岩)作为建筑材料的适宜性以及结合其他作为建筑材料的适宜性以及结合其他指标来确定地基的承载力等等。阅读指标来确定地基的承载力等等。阅读33-3933-39页内容。页内容。第二章第二章 地基的应力和变形地基的应力和变形 研究地基的应力和研究地基的应力和变形，必须从土的应变形，必须从土的应力与应
38、变的基本关系力与应变的基本关系出发来研究。当应力出发来研究。当应力很小时，土的应力很小时，土的应力应变关系曲线就不是应变关系曲线就不是一根直线一根直线(图图21)21)，亦即土的变形具有明亦即土的变形具有明显的非线性特征。显的非线性特征。21 21 概概 述述 22 22 土中自重应力土中自重应力 在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和无限大的水平面，因而在任意竖直面和 水平面上水平面上均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重计算面积的土柱体自重计算(图图
39、22)22)，即：，即：地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自在竖直面上还作用有水平向的侧向自 重应力。由重应力。由于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖自重作用下只能产生竖 向变形，而不能有侧向变向变形，而不能有侧向变形和剪切形。形和剪切形。必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力又是影响土体强度
40、的又是影响土体强度的个重要因素，所以粒间应力又称为个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。指有效自重应力。以后各章节中把常用的竖向有效自重应力以后各章节中把常用的竖向有效自重应力 ，简称为自重应力，并改用符号简称为自重应力，并改用符号 表示表示 。地基土往往是成层的，成层土自重应力的计算公式：地基土往往是成层的，成层土自重应力的计算公式：自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地自然界中的
41、天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自应力作用下的变形。沉积或堆积的土层，应考虑它在自应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图图24)24)。例题例题27 27 某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标列于例图列于例图2121中。试计算地面中。试计算地面下深度为下深度为2.5m2.5m、5m5m和和9m9m处的自重应力，并绘出分布图。处的自重应力，并绘出分布图。解解 本例天
42、然地面下第一层粉土厚本例天然地面下第一层粉土厚6m6m，其中地下其中地下水位以上和以下的厚度分别为水位以上和以下的厚度分别为3.6 m3.6 m和和2.4m2.4m，第二层为第二层为粉质粘土层。依次计算粉质粘土层。依次计算2.5m2.5m、3.6m3.6m、5m5m、6m6m、9m9m各深度各深度处的土中竖向自重应力，计算过程及自重应力分布图一处的土中竖向自重应力，计算过程及自重应力分布图一并列于例图并列于例图2121中。中。2-32-3基底压力基底压力(接触应力接触应力)建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间便产生了接触应力。它既是基础作面与
43、地基之间便产生了接触应力。它既是基础作用于地基的基底压力，同时又是地基反用于基础用于地基的基底压力，同时又是地基反用于基础的基底反力。的基底反力。对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，即按下述材料力学公式进直线分布的图形计算，即按下述材料力学公式进行简化计算。行简化计算。一、基底压力的简化计算一、基底压力的简化计算 (一一)中心荷载下的基底压力中心荷载下的基底压力 中心荷载下的基础，其所受荷载的合力通过基底形中心荷载下的基础，其所受荷载的合力通过基底形心
44、。基底压力假定为均匀分布心。基底压力假定为均匀分布(图图25)25)，此时基底平均，此时基底平均压力设计值按下式计算：压力设计值按下式计算：(二二)偏心荷载下的基底压力偏心荷载下的基底压力 对于单向偏心荷载下的矩形基础如图对于单向偏心荷载下的矩形基础如图2626所示。设计所示。设计时，通常基底长边方向取与偏心方向一致，此时两短边边时，通常基底长边方向取与偏心方向一致，此时两短边边缘最大压力设计值与最小压力设计值按材料力学短柱偏心缘最大压力设计值与最小压力设计值按材料力学短柱偏心受压公式计算：受压公式计算：=矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压力矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压力
45、 ，则矩形基底边缘四个角点处的压力，则矩形基底边缘四个角点处的压力二、基底附加压力二、基底附加压力 建筑物建造前，土中早巳存在着自重应力。如建筑物建造前，土中早巳存在着自重应力。如果基础砌置在天然地面上，那末全部基底压力就是新增果基础砌置在天然地面上，那末全部基底压力就是新增加于地基表面的基底附加压力。一般天然土层在自重作加于地基表面的基底附加压力。一般天然土层在自重作用下的变形早巳结束，因此只有基底附加压力才能引起用下的变形早巳结束，因此只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。地基的附加应力和变形。实际上，一般浅基础总是埋置在天然地面下一实际上，一般浅基础总是埋置在天然地面下一定深度处
46、，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。定深度处，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。因此，由建筑物建造后的基底压力中扣除基底标高处原因此，由建筑物建造后的基底压力中扣除基底标高处原有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力，基底平均附加压力值按下式计算基底附加压力，基底平均附加压力值按下式计算(图图228)8)：有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半空有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半空间表面上的局部荷载，由此根据弹间表面上的局部荷载，由此根据弹 性力学求算地基中性力学求算地基中的附加应力。的附加应力。24 24
47、 地基附加应力地基附加应力 地基附加应力是指建筑物荷重在土体中引起地基附加应力是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。其计算方法一般的附加于原有应力之上的应力。其计算方法一般假定地基土是各向同性的、均质的线性变形体，假定地基土是各向同性的、均质的线性变形体，而且在深度和水平方向上都是无限延伸的，即把而且在深度和水平方向上都是无限延伸的，即把地基看成是均质的线性变形半空间，这样就可以地基看成是均质的线性变形半空间，这样就可以直接采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答。直接采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答。计算地基附加应力时，都把基底压力看成是计算地基附加应力时，都把基底压力看
48、成是柔性荷载，而不考虑基础刚度的影响。柔性荷载，而不考虑基础刚度的影响。建筑物作用于地基上的荷载，总是分布在一定面积上建筑物作用于地基上的荷载，总是分布在一定面积上的局部荷载，因此理论上的集中力实际是没有的。但是，的局部荷载，因此理论上的集中力实际是没有的。但是，根据弹性力学的叠加原理利用布辛奈斯克解答，可以通过根据弹性力学的叠加原理利用布辛奈斯克解答，可以通过积分或等代荷载法求得各种局部荷载下地基中的附加应力。积分或等代荷载法求得各种局部荷载下地基中的附加应力。(二二)等代荷载法等代荷载法 如果地基中某点如果地基中某点M M与局部荷载的距离比荷载面尺寸大与局部荷载的距离比荷载面尺寸大很多时，
49、就可以用一个集中力代替局部荷载，然后直接应很多时，就可以用一个集中力代替局部荷载，然后直接应用式用式(212c)(212c)计算该点的计算该点的 。令令 则上式改写为则上式改写为:K-K-集中力作用下得地基竖向附加应力系数集中力作用下得地基竖向附加应力系数,简称集中简称集中应力系数应力系数,按按r/zr/z值由表值由表2-12-1查用。查用。若干个竖向集中力若干个竖向集中力 作用在地基作用在地基表面上，按叠加原理则地面下深度处某点的附加应力应为表面上，按叠加原理则地面下深度处某点的附加应力应为各集中力单独作用时在点所引起的附加应力之和各集中力单独作用时在点所引起的附加应力之和 为均布矩形荷载角
50、点下的竖向附加应力系数，简称为均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数，简称角点应力系数，可按角点应力系数，可按m及及n值由表值由表22查得。查得。对于均布矩形荷载附加应力计算点不位于角点下的对于均布矩形荷载附加应力计算点不位于角点下的情况，就可利用式情况，就可利用式(220)(220)以角点以角点 法求得。图法求得。图212212中列中列出计算点不位于矩形荷载面角点下的四种情况出计算点不位于矩形荷载面角点下的四种情况(在图中在图中0 0点点以下任意以下任意 深度深度z z处处)。计算时，通过。计算时，通过0 0点把荷载面分成若点把荷载面分成若干个矩形面积，这样干个矩形面积，这样,0,0点就必然是