《土力学与地基基础》大学本科教材版课件.ppt

1、 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基传递荷载的下部结构就是基础是基础(参看图参看图o o1)1)。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

2、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

3、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 第一章第一章 土的物理性质及分类土的物理性质及分类 1 11 1 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土是连续，坚固的岩石在风化作用下形

4、成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。生成的沉积物。2 2 土的三相组成：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、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，土是由颗孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒粒(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。1 12 2 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

5、、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

6、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

7、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

8、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、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

9、低洼处或海洋底部外力作用下，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，沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等厚，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，胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐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。压密、脱水、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，也就是通常所说未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的的“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

10、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，而风化、剥蚀、搬运又作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。剥蚀作用与沉积作为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作 用用在一定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，在一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，下游地区以沉积为例如，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，平原以沉积占优势主，山地以剥蚀占优势，平原以沉积占优势 二、矿物与岩石的概念二、

11、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

12、。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

13、。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

14、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

15、、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1 14)4)。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l l5)5)。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

16、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1 16)6)。(二二)冲积物冲积物(Q)(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1 17)7)。2 2山区河谷冲积层山区河谷冲积层在山区，河谷两岸陡

17、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 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、

18、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的相对含量(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，来表示，称为土的颗粒级配。称为土的颗粒级配。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1 11010所示

19、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

20、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。1060ddCu6010230dddCc(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、六大粒组的矿物成分 漂石、卵石、圆砾等粗大颗粒；

21、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，必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性

22、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，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。和土粒表

23、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 强结合水是指紧靠土粒表面的结合水强结合水

24、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位以下的透水层中的地下水，它是在重力或

25、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，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于

26、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)，土因而具有微弱的粘，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。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。一般分为单粒结及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型构、蜂窝结构和絮状结构

27、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。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。maxmaxminreeDee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

28、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10.67rD0.670.33rD0.330rDrD 砂土的密实度砂土的密实度 碎石土的密实度碎石土的密实度 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。plpIww 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液性指数是指

29、粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。值与塑性指数之比。ppllppwwwwIwwI 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，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

30、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。utrqSq 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。vki()vk ii 粘性土的

31、达西定律粘性土的达西定律 2 21 1 概概 述述 czz0cxcyczK0 xyyxzx 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

32、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 。czz 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：1nciiih 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，

33、地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图图2 24)4)。例题例题2 27 7 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2 21 1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、5m5

34、m、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2 21 1中。中。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。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2 25)5)，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：FGpA(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

35、荷载下的矩形基础如图2 26 6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：minmaxppWMlbGFmaxminpp61FGelbl=AdGGmax2()3FGpbkmaxminppyxxyMMFGlbWW12ppyxxyMMFGlbWW 矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压力力 ，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

36、力0minp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，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。定深度处，该处

37、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2 28)8)：000pppd 有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半空间表面上的局部荷载，由此根据弹空间表面上的局部荷载，由此根据弹 性力学求算地性力学求算地基中的附加应力。基中的附加应力。建筑物作用于地基上的荷载，总是分布在一定面积上

38、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，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(2(212c)1

39、2c)计算该点的计算该点的 。z35/25/2222233122/1zpzpzrzr z令令 则上式改写为则上式改写为:5/22312/1Kr z2zpKz 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),2,1(nPi22111nnizii

40、iiipKK Pzz 为均布矩形荷载角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。CK 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(2(220)20)以角点以角点 法求得。图法求得。图2 21212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

41、面积，这样干个矩形面积，这样,0,0点就必然是划分出的各个矩形的公点就必然是划分出的各个矩形的公共角点，然后再按式共角点，然后再按式(2-20)(2-20)计算每个矩形角点下同一深度计算每个矩形角点下同一深度z z处的附加应力，并求其代数和。四种情况的算式分别如处的附加应力，并求其代数和。四种情况的算式分别如下下(a)o(a)o点在荷载面边缘点在荷载面边缘式中式中 ，分别表示相应于面积，分别表示相应于面积I I和和的角点应的角点应力系数。必须指出，查表力系数。必须指出，查表2-22-2时所取用边长时所取用边长 应为任一矩形应为任一矩形荷载面的长度，而荷载面的长度，而 为宽度，以下各种情况相同不

42、再赘述。为宽度，以下各种情况相同不再赘述。(b)o(b)o点在荷载面内点在荷载面内 120()zccKKp21ccKK 和12340()zccccKKKKp(c)o点在荷载面边缘外侧点在荷载面边缘外侧 此时荷载面此时荷载面abcd可看成是由可看成是由I(ofbg)与与(ofah)之差和之差和(oecg)与与(oedh)之差合成的，所以之差合成的，所以 12340()zccccKKKKplb(d)o(d)o点在荷载面角点外侧点在荷载面角点外侧 把荷载面看成由把荷载面看成由I(ohce)I(ohce)、(ogaf(ogaf)两个面积中扣除两个面积中扣除(ohbf)(ohbf)和和(ogde(ogd

43、e)而成的，所以而成的，所以 12340()zccccKKKKp例题例题2-3 2-3 以角点法计算例图以角点法计算例图2-32-3所示矩形基础甲的基底所示矩形基础甲的基底中心点垂线下不同深度处中心点垂线下不同深度处 的地基附加应力的分布，并考的地基附加应力的分布，并考虑两相邻基础乙的影响虑两相邻基础乙的影响(两相邻柱距为两相邻柱距为6m6m，荷载同基础，荷载同基础 甲甲)。解解 (1)(1)计算基础甲的基底平均附加压力标准值如下：计算基础甲的基底平均附加压力标准值如下：基础及其上回填土得总重基础及其上回填土得总重基底平均附加压力设计值基底平均附加压力设计值 基底处的土中自重压力标准值基底处的

44、土中自重压力标准值 基底平均压力设计值基底平均压力设计值20 5 4 1.5600GGAdkN 19406001275 4FGpkPaA018 1.527cdkPa012727100cppkPa(2)(2)计算基础甲中心点计算基础甲中心点o o下由本基础荷载引起的下由本基础荷载引起的,基底中心基底中心点点o o可看成是四个相等小矩形荷载可看成是四个相等小矩形荷载（oabcoabc）的公共角）的公共角点其长宽比点其长宽比l/bl/b2.5/2=1.252.5/2=1.25，取深度，取深度z=0z=0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、10m10m各计算点，相应的各计

45、算点，相应的z/b=0z/b=0、0.50.5、1 1、1.51.5、2 2、2.52.5、3 3、3.53.5、4 4、5,5,利用表利用表2 22 2即可查得地基附加应即可查得地基附加应力系数力系数Kc1Kc1。z z的计算列于例表的计算列于例表2 23 31 1根据计算资料绘根据计算资料绘出出z z分布图，见例图分布图，见例图2 23 3(二二)三角形分布的矩形荷载三角形分布的矩形荷载 设竖向荷载沿矩形面积一边设竖向荷载沿矩形面积一边b b方向上呈三角形分布方向上呈三角形分布(沿沿另一边的荷载分布不变另一边的荷载分布不变),),荷载的最大值为荷载的最大值为 取荷载零值取荷载零值边的角点边

46、的角点1 1为座标原点为座标原点(图图2-13)2-13)则可将荷载面内某点则可将荷载面内某点()()处所取微面积处所取微面积 上的分布荷载以集中力上的分布荷载以集中力 代替。角点代替。角点1 1下深度处的下深度处的M M点由该集中力引起的附加应点由该集中力引起的附加应力力 ,按式按式(2(212c)12c)为：为：在整个矩形荷载面积进行积分后得角点在整个矩形荷载面积进行积分后得角点1 1下任意深度下任意深度z z处竖处竖向附加应力向附加应力 :式中式中 0pyx,dydx,dxdypbx0zd30222 5/232()zp xzddxdyb xyz10ztK p21222221211tmnn

47、Kmnnmnz同理，还可求得荷载最大值边的角点同理，还可求得荷载最大值边的角点2下任意深度下任意深度z处的竖处的竖向附加应力为向附加应力为 ：(223)和和 均为均为 和和 的函数，可由表的函数，可由表23查用。查用。1200()tztcK pKKp1tK2tK/ml b/nz bz(三三)均布的圆形荷载均布的圆形荷载 设圆形荷载面积的半径为，作用于地基表面上的竖向设圆形荷载面积的半径为，作用于地基表面上的竖向均布荷载为均布荷载为 ，如以圆形荷载面的中心点为座标原点，如以圆形荷载面的中心点为座标原点o(图图214)，并在荷载面积上取微面积，并在荷载面积上取微面积 ，以，以集中力代替微面积上的分

48、布荷载，则可运用式集中力代替微面积上的分布荷载，则可运用式(212c)以以积分法求得均布圆形荷载中点下任意深度积分法求得均布圆形荷载中点下任意深度z处处M点的点的 如如下，下，0pdrrddAz02330022 5/222 3/200 0312()()rzzAp zrd drzdprzrz 003/2220111(1)/rpK pzr三、条形荷载下的地基附加应力三、条形荷载下的地基附加应力设在地基表面上作用有无限长及条形荷载，且荷载沿设在地基表面上作用有无限长及条形荷载，且荷载沿宽度可按任何形式分布，但沿长度方向则不变，此时地基宽度可按任何形式分布，但沿长度方向则不变，此时地基中产生的应力状态

49、属于平面问题。在工程建筑中，当然没中产生的应力状态属于平面问题。在工程建筑中，当然没有无限长的受荷面积，不过，当荷载面积的长宽比有无限长的受荷面积，不过，当荷载面积的长宽比l/b10时，计算的地基附加应力值与按时，计算的地基附加应力值与按 时的解相比误差时的解相比误差甚少。因此，对于条形基础，如墙基、挡土墙基础、路基、甚少。因此，对于条形基础，如墙基、挡土墙基础、路基、坝基等，常可按平面问题考虑。条形荷载下的地基附加应坝基等，常可按平面问题考虑。条形荷载下的地基附加应力为：力为：bl2200222244411 212arctanarctan2244116zszmnmpnnK pmmnmm220

50、0222244411 212arctanarctan2244116xsxmnmpnnK pmmnmm20022223244116sxzpm nKpnmmxzzx 计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，在计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，在一般工程中，常用不允许土样产生侧向变形一般工程中，常用不允许土样产生侧向变形(侧限条件侧限条件)的的室内压缩试验来测定土的压缩性指标室内压缩试验来测定土的压缩性指标。二、压缩曲线和压缩性指标二、压缩曲线和压缩性指标 (一一)压缩试验和压缩曲线压缩试验和压缩曲线 为求土样压缩稳定后的孔隙比，利用受压前后土粒体为求土样压缩稳定后的孔隙比，利用受压前后土