土力学与基础工程课程总结.docx

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土力学与基础工程课程总结

昆明理工大学

土力学与基础工程

学习报告

课程基本内容总结

一、土的物理性质及工程分类··························2

二、土的渗透性与渗流···································6

三、土中应力和地基沉降计算·······························9

四、土的抗剪强度与浅基础的地基承载力·······················13

五、土压力与土坡稳定性································17

六、岩土工程······································19

七、浅基础·······································22

八、桩基础及其他深基础····································24

九、地基处理·······································26

十、特殊土地基·······································28

建筑工程中地基处理方法

1.主要的地基类型············································32

2.常见的地基处理方法·······································32

3.施工时的注意事项和施工要点································34

4.结束语··················································34

课程基本内容总结

绪论

土是岩石经过物理、化学、生物等风化作用的产物，是矿物颗粒组成的集合体，多数情况下是由固体颗粒、水和空气组成的三相体。

土力学是运用力学知识和土工测试技术，研究土的物理、力学性质，以及土的变形及其强度变化规律的一门学科。

土力学、地基和基础是本课程介绍的三部分主要内容。

1.土的物理性质及工程分类

1.1土的生成和组成

1.1.1岩石的风化是岩石在自然界各种因素和外力的作用下遭到破碎与分解，产生颗粒变小及化学成分改变的现象。

通常把风化作用分为物理风化、化学风化、生物分化三类。

1.1.2土的组成：

固体颗粒、矿物质、颗粒间孔隙中的水和气体。

1.1.3.土的颗粒级配：

土由不同粒组的土颗粒混合在一起所形成，土的性质主要取决于不同粒组的土粒的相对含量。

土的颗粒级配就是指大小土粒的搭配情况。

1.1.4粒径级配：

工程上为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）用质量百分数来表示。

确定方法筛分法：

适用于粗粒土（0.075mm≤d≤60mm）

比重计法:

适用于细粒土（d＜0.075mm）

表述方法：

粒径级配累积曲线。

1.1.5级配曲线法：

纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比。

横坐标表示土粒的粒径（对数坐标）。

1.1.6筛分法：

用一套孔径不同的筛子（60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075mm），按从上至下筛孔逐渐减小放置。

将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。

1.1.7土中的水土中水的含量明显地影响土的性质（尤其是粘性土）。

结合水：

吸附在土颗粒表面的水。

自由水：

电场引力作用范围之外的水。

1.2土的物理性质指标

1.2.1土的三相体系：

即固态相、液态相与气态相，有时是二相的。

固体部分（土颗粒）一般由矿物质组成，有时含有机质，其构成土的骨架主体，是最稳定、变化最小的部分。

液体部分实际上是化学溶液而不是纯水。

三相之间相互作用，固体相一般居主导地位，而且还不同程度地限制水和气体的作用如不同大小土粒与水相互作用，水可呈不同类型。

1.2.2土的密度ρ（土的天然密度）

定义:

单位体积土的质量。

表达式:

单位:

kg/m3或g/cm3

测定方法：

通常用环刀法（内径61.8±0.15mm，高20+0.016mm，体积为60cm3）。

1.2.3土粒相对密度ds（土粒比重）。

定义:

土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比。

表达式:

。

单位:

无量纲

：

4˚C时纯蒸馏水的密度。

s:

土粒的密度，单位体积土粒的质量。

测定方法：

通常用比重瓶法。

1.2.4土的含水量ω

定义:

土中水的质量与土粒质量之比,用百分数表示

表达式:

测定方法：

通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法

1.2.5表示土中孔隙含量的指标——孔隙比e和孔隙率n

（1）孔隙比：

土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲

表达式:

（2）孔隙率（孔隙度）：

土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示

表达式:

（3）关系:

；

1.3无黏性土的密实度

1.3.1密实度：

单位体积中固体颗粒含量的多少或孔隙含量的多少。

表达式：

1.3.2.emin:

最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比。

1.3.3.emax:

最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比。

1.4黏性土的物理性质

1.4.1粘性土的软硬状态——也称稠度状态。

稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征。

1.4.2粘性土的界限含水量：

同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。

由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。

1.4.3可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征，可塑性的大小用土处在可塑状态时的含水量的变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围越大，土的可塑性越好。

1.4.4塑性指数：

指液限和塑限的差值（省去%号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用IP表示。

塑性指数是粘性土的最基本、最重要的物理指标，其大小取决于吸附结合水的能力，即与土中粘粒含量有关，粘粒含量越高，塑性指数越高（粘土矿物成分、水溶液）。

1.4.5液性指数：

粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用IL表示。

液性指数表证天然含水量与界限含水量间的相对关系，可塑状态的土的液性指数在0~1之间；液性指数大于1，处于流动状态；液性指数小于0，土处于固态或半固体状态。

1.5土的压实性：

1.5.1土的压实性是指用重复性的冲击动荷载可将土压密的性质。

土的压密程度用干密度来表示，它与土的含水率和击实功关系密切。

1.5.2揭示压实作用下压实功与土的干密度、含水率三者之间的关系和基本规律，从而确定适合工程需要的填土的干密度与相应的含水率，以及为达到相应击实标准所需要的最小压实功。

1.6土的工程分类：

根据有机质的含量把土分成有机土和无机土两大类。

无机土中，再根据土中各粒组的相对含量把土再分为：

巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土。

2.的渗透性与渗流

2.1达西定律：

896年，法国学者达西（Darcy,H.）根据砂土渗透实验（图3-2），发现水的渗透速度与水力坡降成正比，即达西定律：

v—渗透速度；

h—水头差（m）；

L—渗径（m）；

k—土的渗透系数（m/s）。

2.2土的渗透系数

2.2.1在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透，时间t内流出的水量

表达式：

；

2.2.2渗透系数及测定方法

（1）土的渗透系数可用室内渗透试验和现场抽水试验来确定。

（2）室内渗透试验分为：

常水头试验和变水头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘性土。

2.2.3影响渗透系数的因数

（1）土粒大小与级配：

细粒含量愈多，土的渗透性愈小。

（2）土的密实度：

同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。

（3）水的动力粘滞系数：

动力粘滞系数随水温发生明显的变化。

水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。

（4）土中封闭气体含量：

土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。

2.3有效应力原理

2.3.1．方程式：

σ=σ′+μ

式中:

σ为平面上法向总应力,kPa；σ′为平面上有效法向应力,kPa；

μ为孔隙水压力,kPa。

2.3.2.有效应力原理阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力—应变关系上的重大区别,有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系:

当总应力保持不变时,孔隙水压力与有效应力可以相互转化,即:

有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。

2.4二维渗流和流网简介

2.4.1一维渗流，可用达西定律进行渗流计算；而边界复杂围堰、堤坝等工程的渗流问题就不能用一维渗流的公式来求解。

因此引入了多维渗流方程。

（1）二维渗流方程的适用条件：

稳定渗流，即渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间而改变。

（2）二维渗流方程　

①各向异性土

，

；②各向同性的均质土

2.4.2流网定义：

平面稳定渗流基本微分方程的解可以用渗流区平面内两簇相互正交的曲线来表示。

其中一簇为流线，它代表水流的流动路径，另一簇为等势线，在任一条等势线上，各点的测压水位或总水头都在同一水平线上。

工程上把这种等势线簇和流线簇交织成的网格图形。

2.4.3流网特性：

①流线与等势线两两正交。

②对均匀土而言，在流网网格中，网格的长度z与宽度6之比通常取定值，一般取1.0，使方格网成为曲边正方形。

③两相邻等势线间的水头差相等。

④任意两相邻流线间的单位渗流量相等。

相邻流线间的渗流区域称槽，每一流槽的单位渗流量与该流槽的等势线水头差h、渗透系数k有关，与流槽位置无关。

2.4.4.流网的工程应用：

正确绘制流网后，可用其计算各点的水力梯度、渗透速度、渗流区的孔隙水压力，供稳定分析和渗流控制设计之用。

2.5渗透力与渗透稳定性

2.5.1渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的力。

2.5.2渗透变形：

渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形——渗透变形问题（流土，管涌）

2.5.3流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象。

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。

开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏,细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏。

2.5.4管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象。

土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。

管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。

3土中应力和地基沉降量计算

3.1土中自重应力计算

3.1.1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，从而引起土的变形，而粒间应力又是影响土体强度的一个重要因素，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。

3.1.2均质土自重应力计算：

在深度z处平面上，土体因自身重力产生的竖向应力scz（称竖向自重应力）等于单位面积上土柱体的重力G，如图所示。

在深度z处土的自重应力为：

3.1.3成层土自重应力计算地基土通常为成层土。

当地基为成层土体时，设各土层的厚度为hi，重度为gi，则在深度z处土的自重应力计算公式为：

3.1.4土中水平自重应力计算：

假定在自重作用下，没有侧向变形和剪切变形。

根据弹性力学理论和土体侧限条件，则水平自重应力scx，scy有：

3.2基底压力（接触应力）计算

3.2.1基础底面传递给地基表面的压力称为基底压力。

3.2.2影响基底接触压力大小和分布的因素：

（1）地基土种类（土性）。

（2）基础埋深。

（3）荷载大小及分布情况。

（4）地基与基础的相对刚度。

（5）基础平面形状、尺寸大小。

3.2.3基底附加压力：

基础通常是埋置在天然地面下一定深度的，这个深度就是基础埋置深度。

由于天然土层在自重作用下的变形已经完成，故只有超出基底处原有自重应力的那部分应力才使地基产生附加变形。

3.3土中附加应力计算

3.3.1土中的附加应力是由建筑物荷载所引起的应力增量，（即指建筑物荷重

在土体中引起的附加于原有应力之上的应力）。

假设地基土是均匀、连续、

各向同性的半无限空间线形弹性体，一般采用将基底附加压力当作作用在

弹性半无限体表面上的局部荷载，用弹性理论求解的方法计算。

3.3.2竖向集中力作用土中附加应力计算。

在均匀的、各向同性的半无限弹性体表面作用一竖向集中力P时，半无限体内任意点M的应力可由布辛奈斯克解计算，如下图所示。

3.3.3均布矩形荷载作用土中附加应力计算

在地基表面作用一分布于矩形面积（l×b）上的均布荷载p，计算矩形面积

中点下深度z处M点的竖向应力sz值，可从下式解得：

微面积dxdy上的微集中力p0dxdy，基底角点O下z深度处所引起的附加

应力为

3.3.4圆形面积均布荷载作用

为了计算圆形面积上作用均布荷载p时土中任一点M（r,z）的竖向正应力，可采用原点设在圆心O的极坐标，由公式在圆面积范围内积分求得：

圆心下土的附加应力计算公式

3.3土的压缩性

3.3.1定义：

土在压力作用下，体积缩小的现象称为土的压缩性。

3.3.2土体产生体积缩小的原因：

（1）固体颗粒的压缩；

（2）孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解；

　　（3）孔隙水和孔隙气体的排出。

3.3.3

3.5地基最终沉降量计算

3.5.1地基最终沉降量的计算方法主要有以下几种方法：

（1）分层总和法。

地基的最终沉降量，通常采用分层总和法进行计算，即在地基沉降计算深度范围内划分为若干层，计算各分层的压缩量，然后求其总和。

（2）规范。

《建筑地基基础设计规范》所推荐的地基最终沉降量计算方法是另一种形式的分层总和法。

它也采用侧限条件的压缩性指标，并运用了平均附加应力系数计算；还规定了地基沉降计算深度的标准以及提出了地基的沉降计算经验系数，使得计算成果接近于实测值。

（3）理论公式计算法：

降计算经验系数

3.6地基变形与时间的关系

3.6.1固结：

在荷载作用下，土体中产生超静孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土体中水被排出，土体孔隙比减小；超静孔隙水压力逐步消散，土体中有效应力逐步增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结

3.6.2一维固结又称单向固结。

土体在荷载作用下土中水的渗流和土体的变形仅发生在一个方向的固结问题。

严格的一维固结问题只发生在室内有侧限的固结试验中，实际工程中并不存在。

然而，当土层厚度比较均匀，其压缩土层厚度相对于均布外荷作用面较小时，可近似为一维固结问题。

3.6.3一维固结理论

基本假设：

（1）.土层是均质、各向同性和完全饱和的；

（2）土的压缩完全是由于孔隙体积的减少，土粒和水是不可压缩的；

（3）水的渗流和土层的压缩仅在竖向发生；

（4）水的渗流遵从达西定律；

（5）渗透系数k和压缩系数a保持不变。

（6）外荷载一次瞬时施加。

4土的抗剪强度与浅基础的地基承载力

4.1土的抗剪强度理论

4.1.1土的抗剪强度：

抗剪强度：

土体抵抗剪切破坏的极限能力。

破坏准则：

土体达到破坏状态时的应力组合称为破坏准则.

4.1.2库仑定律和极限平衡条件

（1）．库仑定律：

在一般的荷载范围内，土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系，即

，式中

分别为土的粘聚力和内摩擦角。

（2）．极限平衡条件：

当土中某点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，该点就发生剪切破坏，并处于极限平衡状态。

极限平衡状态时该点各种应力的相互关系，称为土的极限平衡条件。

4.2土的抗剪强度试验

4.2.1直接剪切试验；试验优缺点和适用范围.

直接剪切试验是测定土的抗剪强度指标常用的一种试验方法。

它的优点是具有仪器设备简单、操作方便等。

直剪试验适用于二、三级建筑的可塑状态粘性土与饱和度不大于0.5的粉土。

它的缺点主要包括：

（1）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；

（2）剪切面上剪应力分布不均匀；

（3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；

（4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。

4.2.2三轴压缩试验；

优点：

（1）可严格控制排水条件；

（2）可量测孔隙水压力；（3）破裂面在最软弱处。

缺点：

（1）σ2=σ3，轴对称；

（2）实验比较复杂。

4.2.3无侧限抗压强度试验；

试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。

试样破坏时的轴向压力以qu表示，称为无侧限抗压强度。

对于饱和软粘土，可以认为φ=0，此时其抗剪强度线与σ轴平行，且有cu=qu/2。

所以，可用无侧限抗压试验测定饱和软粘土的强度。

4.2.4十字板剪切试验。

十字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位测试方法，这种试验方法适合于在现场测定饱和软粘土的原位不排水抗剪强度。

十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字板剪力仪。

试验时，先将十字板压入土中至测试的深度，然后由地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土体剪切破坏（破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面）。

4.2.5饱和粘性土剪切试验方法的选择

根据排水条件，室内抗剪强度试验有以下三种方法：

1．不固结不排水剪（或称快剪）这种试验方法在全部剪切试验过程中都不让土样排水固结。

2．固结不排水剪（或称固结快剪）在周围压力（或法向压力）作用下使土样完全固结，而在土样的剪切至破坏的过程中不（或来不及）排水。

3．固结排水剪（或称慢剪）隙水充分排出，始终保持u=0。

在实际工程中，要根据地基土的实际受力情况和排水条件选用合适的试验方法。

如果施工周期缩短，结构荷载增长速率较快，因此验算施工结束时的地基短期承载力时，采用不排水剪，以保证工程的安全。

对于施工周期较长，结构荷载增长速率较慢的工程，宜根据建筑物的荷载及预压荷载作用下地基的固结程度，采用固结不排水剪。

4.3孔隙压力系数：

肯普顿（Skempton）根据三轴试验结果，提出了在复杂应力状态下的孔隙压力表达式为：

式中：

A、B分别为不同应力条件下的孔隙压力系数。

a、等向应力△σ3作用下的孔隙压力△u3和孔隙压力系数B

4.4饱和黏性土的抗剪强度

b、固结不排水抗剪强度

a、不固结不排水抗剪强度

c、固结排水抗剪强度

d、三种不同排水条件下的抗剪强度关系

4.5竖向荷载作用下地基破坏形式

（1）整体破坏一般发生在砂类土荷较硬的土层中且基础埋深较浅；

（2）局部破坏一般发生在地基为一般粘性土或中密砂土，基础埋深较浅时，或地基为砂性土或粘性土，基础埋深较大时；

（3）当地基为松砂、饱和软粘土时常常发生冲剪破坏。

4.6地基临塑荷载和临界荷载

（1）地基的临塑荷载：

是在外荷载作用下，地基中刚开始产生塑性变形时的基础底面压力。

（2）临界荷载：

在外荷载作用下，地基中塑性变形区最大深度限制在基础宽度的四分之一（或三分之一）时相应的基底应力。

（3）临塑荷载、临界荷载及极限荷载分别对应地基受荷与变形的不同阶段，临塑荷载对应于地基变形的第一阶段的结束点即刚刚出现塑性变形的情况；临界荷载与其定义有关，常用的P1/4公式是对应于塑性开展区深度为基础宽度的1/4时的荷载大小；极限荷载则是地基完全进入塑性变形阶段的荷载。

4.7浅基础的地基极限承载力

（1）地基的容许承载力：

指有足够的安全度保证地基稳定而且建筑物基础的沉降量不超过容许值的承载力（即所对应的最大基底压力）。

（2）地基的极限承载力：

也称极限荷载，指地基土体中的塑性变形区充分发展并形成连续贯通的滑动面时，地基所能承受的最大荷载。

影响其大小的因素：

土的抗剪强度指标、土的粘聚力、土的重度、基础埋深、基础宽度。

（3）浅基础地基极限承载力的计算方法有：

普朗德尔极限承载力理论、太沙基承载力理论、魏锡克极限承载力理论。

5土压力与土坡稳定性

5.1挡土墙的土压力

5.1.1土压力：

挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力土压力的大小和分布规律不仅与挡土墙的高度、填土的性质有关还与挡土墙的刚度及其位移的方向与大小密切相关。

5.1.2土压力的类型

（1）静止土压力：

挡土墙为刚性，不动时土处于弹性平衡状态，不产生位移和变形，此时作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力。

（2）主动土压力：

挡土墙背离填土方向转动或移动时，随着位移量的逐渐增加，墙后土体受到的土压力逐渐减小，当墙后填土达到极限平衡状态时，土压力降为最小值，这时作用在挡土墙上的土压力成为主动土压力。

（3）被动土压力：

挡土墙向填土方向转动或移动时，随着位移量的逐渐增加，墙后土体受到挤压而引起土压力逐渐增大，当墙后填土达到极限平衡状态时，土压力增大为最大值，这时作用在挡土墙上的土压力成为被动土压力。

5.2朗肯土压力理论

5.2.1该理论认为当墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态.因此,可以根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立有关土压力的计算公式.

基本假定：

①挡土墙后填土表面水平②挡土墙墙背竖直光滑③挡土墙为刚性体

5.2.2朗肯主动土压力的计算

墙移动使墙后土体达到极限平衡状态：

.σx=σxmin=σa；

σz保持不变；

滑裂面与大主应力作用面间的夹角为：

极限平衡条件:

式中：

称为朗肯主动土压力系数。

5.2.3朗肯被动土压力的计算

墙移动使墙后土体达到极限平衡状态：

􀂾

σx=σxmax=σp；􀂾

σz保持不变；

滑裂面与大主应力作用面间的夹角为：

􀁄

极限平衡条件:

式中：

称为朗肯被动土压力系数。

5.3库仑土压力理论

5.3.1库仑土压力根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，从楔体的静力平衡条件得出的土压力理论。

基本假定：

①墙后填土为无粘性土。

②挡土墙是刚性体；③墙面粗糙

5.3.2主动土压力

（1）假定条件：

①挡土墙后填土是无粘性土;②滑动破坏面为平面,设为BC，过墙踵;

③墙前移，滑动土体ABC为刚塑性体下滑。

（2）被动土压力

假定条件：

①挡土墙后填土是无粘性土;②滑动破坏面为平面,设为BC，过墙踵;

③墙推向墙后土体，滑动土体ABC为刚塑性体上移。

5.4挡土墙的设计

5.4.1挡土墙的类型:

（1）重力式挡土墙

（2）悬臂式挡土墙（3）扶壁式挡土墙

5.4.2挡土墙的计算:

设计方法：

先假定截面尺寸，然后验算稳定性及强度，若不满足要求，再修改设计。

计算内容：

（1）稳定性验算，包括抗倾覆和抗滑动验算；

（2）地基承载力验算；（3）墙身强度验算。

5.5土坡的稳定性分析

（1）滑坡的根本原因：

边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度。

（2）滑坡的具体原因：

滑面上的剪应力增加：

如填土作用使边坡的坡高增加、渗流作用使下滑力产生渗透力、降雨使土体饱和，容重增加、地震作用等；滑面上的抗剪强度减小：

如浸水作用使土体软化、含