1、一、绪论 1.1 土力学、地基及基础的概念1. 土：土是连续、坚固的岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积而形成的散粒堆积物。2. 地基：地基是指支撑基础的土体或岩体。 （地基由地层构成，但地层不一定是地基，地基是受土木工程影响的地层）3. 基础：基础是指墙、柱地面下的延伸扩大部分，其作用是将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。 （基础可以分为浅基础和深基础）4. 持力层：持力层是指埋置基础，直接支撑基础的土层。5. 下卧层：下卧层是指卧在持力层下方的土层。 （软弱下卧层的强度远远小于持力层的强度） 。6. 基础工程：地基与基础是建筑物的根本，统称为基础工程。7. 土的工程性质：土的散粒性、渗
2、透性、压缩性、整体强度（连接强度）弱。8. 地基与基础设计必须满足的条件：强度条件（按承载力极限状态设计）：即结构传来的荷载不超过结构的承载能力 ；变形条件：按正pf常使用极限状态设计，即控制基础沉降的范围使之不超过地基变形的允许值 s:二、土的性质及工程分类2.1 概述土的三相组成：土体一般由固相（固体颗粒） 、液相（土中水） 、气相（气体）三部分组成，简称为三相体系。2.2 土的三相组成及土的结构（一）土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。矿物颗粒的成分有两大类：（1）原生矿物：即岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。 （2）次生矿物：系原生矿物经化学风化作用后而形成的新的
3、矿物（如粘土矿物） 。它们的颗粒细小，呈片状，是粘性土固相的主要成分。次生矿物中粘性矿物对土的工程性质影响最大 亲水性。粘土矿物主要包括：高岭石、蒙脱石、伊利石。蒙脱石,它的晶胞是由两层硅氧晶片之间的夹一层铝氢氧晶片所组成称为 2:1 型结构单位层或三层型晶胞。它的亲水性特强工程性质差。伊利石它的工程性质介于蒙脱石与高岭石之间。高岭石，它是由一层硅氧晶片和一层铝氢氧晶片组成的晶胞，属于 1:1 型结构单位层或者两层。它的亲水性、膨胀性和收缩性均小于伊利石，更小于蒙脱石 ，遇水稳定，工程性质好。土粒的大小称为粒度。在工程性质中，粒度不同、矿物成分不同，土的工程性质也就不同。工程上常把大小、性质相
4、近的土粒合并为一组，称为粒组。而划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土粒粒组先粗分为巨粒、粗粒和细粒三个统称，再细分为六个粒组：漂石（块石） 、卵石（碎石） 、砾粒、砂粒、粉粒和黏粒。 土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示，称为土的颗粒级配。土的级配曲线的纵坐标表示小于某土粒的累计质量百分比，横坐标则是用对数值表示土的粒径。由曲线形态可评定土颗粒大小的均匀程度。若曲线平缓则粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。工程中常用不均匀系数 和曲率系数 来反映土颗粒的不均匀程度。uCc603ud23016cd小于某粒径的土粒质量总土质量 10%的粒径，称为有效粒径；
5、10小于某粒径的土粒质量总土质量 30%的粒径，称为中值粒径；3d小于某粒径的土颗粒质量占总质量的 60%的粒径，称限定粒径。60工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断 对于级配连续的土: 5，级配良好； ，级配不良。Cu5Cu 对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状，采用单一指标 难以全面有效地判断土u的级配好坏，需同时满足 5 和 两个条件时，才为级配良好，反之级配13:不良。确定土中各个粒组相对含量的方法称为土的颗粒分析试验 筛分法（对于粒径大于 0.075mm 的粗粒土） 沉降分析法（对于粒径小于 0.075mm 的细粒土）有密度计法和移液管法（二）土中水按存在形式分为液态水、固态水
6、和气态水。固态水又称为内部晶格水或内部结合水，是指存在于土粒矿物晶体格架内部或是参与矿物构造的水；土中的液体水分为结合水和自由水（有重力水和结合水两类） 。结合水是受电分子作用吸附于土粒表面成薄膜状的水。它又可以细分为强结合水和弱结合水（弱结合水的水膜厚度对工程性质影响很大） 。自由水 是存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。自由水按所受作用力的不同可以分为 重力水和毛细水。重力水是存在于地下水位以下、土颗粒电分子引力范围以外的水。毛细水是受到水与空气交界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水层中的自由水。若毛细水上升至地表，会引起土质盐渍化、沼泽化，而且会使地基润湿，强度降低，变形增
7、大。在寒冷地区还会促使土的冻胀，地下室会过分潮湿，故在工程中要注意防潮、防冻。（三）土中气体存在于空隙中未被水占据的部分。封闭气体对土的工程性质影响较大。土的结构是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征排、列形式以及它们之间的连接特征，而构造是指土层的层理、裂隙和大空隙等宏观特征，亦称为宏观结构。土的结构和构造对土的性质影响很大，一般分为单粒结构、蜂窝结构及絮凝结构三种基本类型。单粒结构无粘性土特有的结构，形成原因为颗粒大、靠自重、引力小，单粒结构可以是疏松的，可以是紧密的。紧密状单粒结构的土是较为良好的天然地基。疏松单粒结构的土如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。联结结构粘性土特有的结构，形
8、成原因是颗粒小、靠联合、引力大、有连结。类型有蜂窝结构（粉粒 0.075 0.005）和絮凝结构（粘粒:0.075） 。絮凝沉积形成的土在结构上是极不稳定的，随着溶液性质的改变或震荡后可重新分散。土的构造最主要的特征就是层理性，即层理构造。2.3 土的物理性质指标土的九个物理性质指标（其中有三个基本指标）A、三个基本指标土的天然密度 ：土体单位体积的质量。sdmv土的含水量 w：土中水的质量与土粒质量之比。10%wsm土粒相对密度：土的固体颗粒质量与同体积 4C 时纯水的质量之比。1sswdv纯水在 的密度（单位体积的质量） ，等于 1 或 1 。wl04C3/gcm3/t可在实验室采用“比重
9、瓶法”测定。sdB、反映土单位体积质量（或重力）的指标土的干密度 ：土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度，d并以 表示， d sdmv土的饱和密度 ： 土孔隙中充满水时单位体积质量。一般在 1.82.3 范围w内。 土的有效密度（或浮密度） ：地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积的水的质量后，即单位土体积中土粒的有效质量。 swmVC、反映土孔隙特征、含水程度的指标土的孔隙比 e（用小数表示） ：土中孔隙体积与土粒体积之比，称为土的孔隙比 e 。 vSVe土的孔隙率 n：土中孔隙比于总体积的比值（用百分数表示）称为土的孔隙率 n 。 10%wveV孔隙比和孔隙率都是反映土体密
10、实程度的重要物理指标。一般 e0.6 的土是密实的，土的压缩性小;e1.0 的土是疏松的压缩性高。土的饱和度 （反映土潮湿程度的物理性质的指标）rS土中水的体积与空隙体积之比称为土的饱和度，以百分率计。 10%wrvs2.4 无黏性土的密实度判断无黏性土的密实度最简单的方法是用空隙比 e 表示，但是由于颗粒的形状和级配对土的孔隙比有着很大的影响，所以，工程中常用相对密实度表示。maxinreD根据 （ 一般以百分数表示）的值可以把砂土的密实状态分为三种：rD密实10.67r中密.3rD松散r还可以通过采用标准贯入实验的锤击数来评价砂类土的密实度，根据 N 可将砂土分为松散、稍密、中密与密实四种
11、密实度。如果是碎石可以根据野外鉴别方法划分为密实、中密、稍密、松散四种密实度状态。2.5 黏性土的物理特性黏性土的概念黏性土就是具有可塑状态性质的土，它们在外力的作用下，可塑成任何形状而不长生裂缝，当外力去掉后，仍可以保持原形态不变。黏性土的界限含水量：黏性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。液 限 ( ）： 土 由 可 塑 状 态 变 化 到 流 动 状 态 的 界 限 含 水 量 ； 土 处 于 可 塑lw状 态 的 最 大 含 水 量 ， 稍 大 即 流 态 ； 土的界限含水量；塑 限 ( )： 土 由 半 固 态 变 为 可 塑 状 态 的 界 限 含 水 量 ；
12、土 处 于 可 塑 状 态 的P最 小 含 水 量 ， 稍 小 即 半 固 态 ；缩 限 ( )： 土 由 固 态 变 为 半 固 态 的 界 限 含 水 量 ； 土 处 于 半 固 态 的 最 小 含Sw水 量 ， 稍 小 即 为 固 态 。缩 限 塑 限 液 限 含 水 量固 态 半 固 态 可 塑 状 态 流 动 状 态 我 国 目 前 采 用 锥 式 液 限 仪 来 测 定 黏 性 土 的 液 限 ， 塑 限 多 用 “搓 条 法 ”测定 。 黏 性 土 的 塑 性 指 数 和 液 性 指 标 数塑 性 指 数 ： 液 限 与 塑 限 之 差 值 。习惯上用不带%的百分数表示。取小数P
13、I点后一位，第二位四舍五入。塑性指数常作为工程上对黏性土进行分类的依据。PlpIw液限指数 ：表征土的天然含水量与分界含水量之间的相对关系的指标。表LI示黏性土的软硬程度，一般用小数表示。黏性土根据液性指数可划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种软硬状态。ppLlPwII黏性土的灵敏度和触变性灵敏度即土的结构性，当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高，工程上常用灵敏度来衡量黏性土结构性对强度的影响。根据灵敏度可将饱和黏性土分为低灵敏度、中等灵敏度和高灵敏度三类。土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在基础工程设施中必须注意保护基槽，尽量减
14、少对土结构的扰动。触变性：指黏性土扰动后的抗剪强度随时间自行恢复的能力（属于胶体化学性质） ，这种性质主要表现在某些软粘土扰动后，结构虽然破坏，强度降低，但土的强度随时间又会逐渐增长，这是因为土体中土颗粒，离子和水分子体系随时间而逐渐趋于新的平衡状态的缘故。2.6 土的渗透及渗流渗流的概念：土孔隙中的自由水在重力作用下，只要有水头差，就会发生动。水透过土孔隙流动的现象，称为渗流或渗透，而土被水流透过的性质，称为土的渗流。层流渗透定律：一般土的空隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此，多数情况下其流动状态属于层流，即相邻两个水分子的运动的轨迹相互平衡而不是混流。达西定律： QHqkAitL
15、vi其中： 单位渗水量qi水力梯度或水力坡度，,12hiLV渗透速度k土的渗透系数，是反映土的透水性大小的系数，物理意义为：单位水力梯度 i=1 时的渗透速度少数黏土服从修正的达西定律： ；碎土等服从哲才定律。bvki渗透系数常用的水的渗透系数的测定方法，室内有常水头法和变水头法，室内测定的渗透系数用 表示：k现场抽水试验中测定的渗透系数：21ln/rqkh动力水及渗流破坏动水力：水流作用在单位体积中土颗粒上的力。也叫渗流力动水力的公式： GwDTi临界水头梯度： GwcrDTi/1satcrwi几种形式的渗透破坏： 流砂：地下水自下向上渗透时,渗透产生的动水压力大于土体的有效重力,土颗粒之间
16、的有效应力等于零,土颗粒悬浮在水中,随水一起流动的现象。管涌 ：当地下流动的水力坡度很大时，水流由层流变为紊流，此时渗透力将土体粗粒孔隙中充填的细粒土带走，最终导致土体内部形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象就叫做管涌。潜蚀 在自然条件下发生的渗透破坏，分为机械和化学潜蚀，机械潜蚀指渗流的机械力将细粒土冲走而形成洞穴：化学潜蚀是指水流溶解了土中的易溶盐和胶结物使土变得松散，细粒土被冲走而形成洞穴。后果：形成土洞，不断扩大，导致地表塌陷，使建筑物破坏。2.7 土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的现象。2.8 地基土的分类A、岩石（颗粒间
17、牢固联结，呈整体或具有解理裂隙的岩体）B、碎石土（指粒径大于 2mm 的颗粒含量超过 50%的土，根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石、块石、卵石、圆砾和角砾，碎石土的密实度可按锤击数分为松散、稍密、中密、密实）C、砂土（指粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重的 50%而粒径大于 0.075mm的颗粒超过全重 50%的土。可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂）D、粉土（指粒径大于 0.075mm 的颗粒含量不超过全重的 50%，且塑性指数小于或等于 10 的土，其性质介于黏性土和砂土之间）分为砂质粉（粒径小于0.005mm 的颗粒含量不超过全重的 10%）和粘质粉土（粒径小于 0.005mm 的颗
18、粒含量超过全重的 10%）粉土的密实度与天然那孔隙比有关。 ， 0.9 0.75.9,e e 一 般 时 ， 为 稍 密 ， 强 度 稍 低 ， 属 软 弱 地 基 ；为 中 密 ； 75, 为 密 实 ， 其 强 度 高 ， 属 于 良 好 的 天 然 地 基E 、黏性土（指塑性指数大于 10 的土）其分类，按黏性土的状态可以分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑；按沉积年代可以分为：老黏土、一般黏土、新近沉积黏土。F、人工填土（是指由于人类活动而堆填形成的各类土）可以分为素填土、杂填土、充填土。G、特殊土特殊类土有软土、红黏土、膨胀土、黄土、多年冻土和盐渍土，他们的工程性质特殊，所以在工程建筑中
19、要特别的注意。三、土中应力计算3.1 土的自重应力概念：由土自重引起的应力即为土体的自重应力。计算公式：均质土的自重应力 cz成层土的自重应力 1231ncz ihh 注意： 第 i 层土的天然重度，若土在地下水位线以下则应用有效重度来表示。i绘制土的自重应力曲线的步骤：建立标准坐标系；确定特征点的编号地面、土层界面、地下水位面、不透水层面;计算各点的竖向自重应力，应用公式进行计算;按比例绘出各点自重应力的位置；用直线连接各点；校核：注意地下水位处，不透水层处。3.2 基底压力概念：建筑物荷载通过基础传给地基，在基础底面与地基之间产生接触压力，称为基底压力。基底压力即接触应力（作用在地基上的是
20、基底压力，作用在基础上的是基底反力） 。柔性基础在垂直荷载作用下基础本身无抵抗弯曲变形的能力，柔性基础接触压力分布与其上部荷载分布情况相同；刚性基础特点：基础本身无变形（无挠曲）基底压力分布图形为非均匀。基底压力计算公式： 中心荷载作用下 FGPA偏心荷载作用下 maxin 61MeWl上式中：G基础自重及回填土自重之和， 其中 为基础及回填土GdG之平均重度，取 20 ，地下水以下部分应扣除 10 的浮力;3/KNm3/KNW基础底面的抵抗矩，对于矩形基础 26blM作用在基底形心上的力矩值 ， MFe基底附加压力计算公式: ocdopp3.3 地基附加应力（由建筑物荷载引起的应力增量相对于自重应力而言的）单个竖向集中力下的地基附加应力：3352cs2zFZR2Fz其中 称为集中力作用下的地基竖向应力系数 5231rz
