《建筑地基检测培训》PPT课件.ppt

土力学与地基检测,何开明 电话四川省建筑科学研究院,几点体会,土力学的学习要着重下面三方面 1、学习理论 2、积累实践经验 3、数值计算,第1篇 土力学基础知识,第1章 土的工程特性与分类 1.1 土的基本概念 土是地壳岩石经受风化、剥蚀、搬运、沉 积形成的第四纪松散堆积物 。 1.2 土的组成 土在天然状态下呈三相体，即固体颗粒、水和空气。,（一）土粒的矿物成分,原生矿物：在物理风化作用下，土粒保持 与成土原岩相同的矿物成分，如长 石、石英、云母颗粒 次生矿物：在化学风化作用下，由于改变了成土原岩的矿物成分，形成了新矿物，如蒙脱石、伊利石、高岭石等,高岭石,结构单元中硅氧晶体的顶点和铝氧八面体晶片中的原子平面之一共用。该硅氧四面体的所有顶点都朝相同方向，即晶胞的中心。高岭石水稳性好，可塑性低，压缩性低，亲水性差。,蒙脱石,是由两个硅氧晶片夹一个八面体晶片组成。所有四面体的顶点都指向晶胞中心，构成四面体顶点的氧原子也被八面体晶片所共用。蒙脱石中铝离子和硅离子广泛被置换。 蒙脱石可塑性高，压缩性高，强度低，渗透性小，液限可达150%700%，塑性指数可达100650。,伊利石,结构单元是由硅氧晶片水铝石晶片硅氧晶片三层相间构成。其力学性质介于高岭石和蒙脱石之间。,（二）土的颗粒级配,不均匀系数 ： 曲率系数 ：,=,级配良好的土必须同时满足两个条件,u5，Cc=13。,土中水,天然土体中常含有一定数量固态、液态、气态的水。根据吸引力的大小、土中水的形态分为表面结合水和自由水两大类,土的物理性质指标,土的三相图,土的三个实测指标,土粒相对密度 、土的密度和含水量。,土粒相对密度,土的密度,土的含水量,100%,计算指标,比较多，如干密度、饱和密度、有效密度 孔隙比 孔隙度 饱和度等,土的物理特征,无粘性土的密实度 ：,Dr,砂土的密实状态划分为3种,1Dr0.67 密实的 0.67Dr0.33 中密的 0.0.33Dr0 松散的,举例,1、已知土的天然密度和含水量，求干密度？ 2、已知某土样的质量和含水量，求配备成某一含水量时需加多少水？ 3、计算砂的相对密度并判断其密实程度,根据标准贯入试验的锤击数N,碎石土的密实度划分（GB 50007）,碎石土密实度野外鉴别方法（GB 50007）,粘性土的稠度和可塑性,液限、塑限、缩限,在含水量很高时，土呈粘滞液体状态，在这种情况下，它能流动而不能保持特定的形状。土呈流动状态的最低含水量称为液限，液限即为流动状态与可塑状态的界限含水量，也是可塑状态的上限含水量，用符号wL表示,液限可采用碟式液限仪或锥式液限仪测定,塑限,所谓可塑性，是指在一定条件下（指含水量等），因受外力作用其形状发生变化，但不产生裂缝，且当外力移去后，仍能保持既得形状的一种性能。可塑性是粘性土区别于无粘性土的重要特征。土呈可塑状态的最低含水量为土的塑限，它既是可塑状态与半固态的界限含水量，也是半固态的上限含水量，用符号wp表示。,wp,塑限的测定,1、搓条法 2、光电式液、塑限仪，进行液、塑限的联合测定,塑性指数，符号为Ip。,IpwL-wp,液性指数，用符号IL表示,IL,粘性土状态的划分（GB 50007）,粘性土的灵敏度,饱和粘性土结构受到破坏其强度削弱的程度，可用灵敏度St表示。灵敏度是土在体积不变的条件下，原状土强度与扰动土强度之比。,St,根据灵敏度可将饱和粘性土分为3类,低灵敏度土 14,土的渗透性与渗透变形,1856年，法国学者达西（Darcy）首先进行了砂土的渗透试验，试验装置如图1-1-7所示。当过水断面1，2之间存在水头差时，水就会从水头高的断面向水头低的断面流动，1断面和2断面之间的总水头差为h1h2，水流流经的距离为L。 试验结果发现，流过土的横截面积的流量与水力坡度成正比，即,达西定律,qkiA 或,v,ki,达西定律 的适用范围,砂土 不完全适用：密实粘土和粗粒土（如砾石、卵石）,渗透力和渗透变形,渗透力是指流过土体的水流对土体施加的力 渗透变形：土体将要被渗透力携动或带走，即濒临渗透破坏的水力坡度称为临界水力坡度。当实际水力坡度超过临界水力坡度，土体便会产生严重的渗透变形。渗透变形包括流土和管涌。产生渗透变形的临界水力坡度可由渗透试验或计算确定。,土的压缩性及地基沉降计算,压缩的原因：土粒的压缩、孔隙中水的压缩以及孔隙中水和气体被挤出。研究表明，在一般的工程荷载作用下，土粒和孔隙中水的压缩量与土总的压缩量相比很微小，可以忽略不计。因此，目前在研究土的压缩性时，均假定土的压缩主要是上述第3项原因引起的，即土在压力作用下，土粒重新排列，相互挤拢，孔隙中的水和气体被挤出，从而使土的孔隙体积减小。,压缩试验与压缩性指标,土样压缩示意,侧限压缩量公式,S=(e1-e2)/(1+e1)h,土的压缩曲线,压缩系数,ep曲线上任一点的斜率可用下式表示：,a,负号表示随着压力p的增加，e逐渐减少,当压力变化不大时，可近似地用直线（割线段M1M2）代替该段压缩曲线， 则该直线的斜率a称为土的压缩系数，用下式表示,压缩系数公式,atan,a的因次为p的倒数，常用kPa-1或MPa-1表示,常以p1=100kPa至p2200kPa时的压缩系数a1-2作为土的压缩性的判断指标,a1-20.1 Mpa-1 低压缩性土 0.1MPa-1a120.5 MPa-1 中压缩性土 a120.5 MPa-1 高压缩性土,土的压缩模量Es,土的压缩模量Es定义为：在侧限条件下土的竖向附加应力z与相应竖向应变z之比，即：,Es,Es,可根据对应于a12的Es大致评定土的压缩性,Es15 MPa 低压缩性土 15 MPaEs4 MPa 中压缩性土 Es4 MPa 高压缩性上,回弹与再压缩曲线,地基最终沉降量计算,1、分层总和法 3条基本假定： 地基土层在荷载作用下只产生竖向压缩，而无侧向膨胀； 按基础中心点下的附加应力计算土层的压缩量； 基础的平均沉降量，是由基底下地基变形计算深度范围内，土的压缩量总和而成。 2、 建筑地基基础设计规范GB 500072002推荐的方法 ，其实质也是分层总和法 。它也采用室内试验的压缩性指标，运用平均附加应力系数将分层厚度扩大到自然土层厚度，并引入沉降计算经验系数，对计算结果进行修正,举个例子,大面积荷载下地基土层的压缩量计算 S=h=P/Esh,应力历史对土压缩性的影响,固结压力是指使土体产生固结或压缩的应力。前期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，用pc表示。前期固结压力与现有自重应力的比值（pc / p1）称为超固结比（OCR）。,依据超固结比（OCR）分类,pcp1，称为正常固结土，是指目前土层的自重应力就是该地层在历史上所受过的前期固结压力，即土层是逐渐沉积到现在地面高度，并在其自重作用下已经达固结稳定状并在其自重作用下已经达固结稳定状态，即OCRl,依据超固结比（OCR）分类,pcp1，称为超固结土，是指土层在历史上所受过的前期固结压力大于目前土层的自重应力，即土层历史上曾有过相当厚的沉积物，并在土的自重应力作用下已达固结稳定状态，后来由于流水或冰川等作用而被冲蚀到现在的地面高度。其OCR1，且OCR越大表示超固结作用越大,依据超固结比（OCR）分类,pcp1，称为欠固结土，是指土层在自重应力作用下尚未完成固结，土层的实际固结压力还小于现有自重应力，即新沉积的土层或人工填士在自重应力的作用下还未达到固结稳定状态，而固结完成后的地表将低于现在的地面，即OCR1,沉积土按受压历史的分类,土的抗剪强度与地基承载力,库仑定律 法国科学家CA库仑（Coulomb）在1776年对土体进行了一系列的试验，提出土体的抗剪强度在应力变化不大的范围内，可表示为滑动面上法向应力的线性函数。即,tan,c+,tan,抗剪强度与法向压应力之间的关系,无粘性土的抗剪强度仅由内摩擦力组成 粘性土的抗剪强度由内摩擦力和粘聚力两个部分组成。,内摩擦力,内摩擦力一是来自于剪切面上颗粒与颗粒粗糙面产生的滑动摩擦阻力，二是来自于颗粒之间嵌入和联锁作用产生的咬合摩擦阻力。滑动摩擦阻力的大小与作用于粒间的有效法向应力成正比。滑动摩擦角的大小与颗粒的矿物成分有关。咬合摩擦阻力的大小与粒间有效法向应力有密切关系。当土体发生剪切时，相互咬合的颗粒要发生相对移动，必须首先向上抬起，才能跨越相邻颗粒而移动。土粒之间的有效法向应力越大，土粒要上移就越困难，因而土的抗剪强度随剪切面上的有效法向应力增加而增加。,粘聚力,粘聚力来自抵抗颗粒间相互滑动的力，它与粘性土颗粒之间的胶结作用，结合水膜以及水分子的引力作用有关。粘聚力的大小则与土的种类、密实度、含水量、结构等因素有密切关系。因此，它是构成粘性土抗剪强度的重要组成部分,土的内摩擦角和粘聚力c,土的内摩擦角和粘聚力c是构成土的抗剪强度的基本要素。因此，准确测定和合理选用c，值对保证建筑工程的安全使用和获得合理的工程造价具有十分重要的意义。但是c，值的测定受到很多因素的影响，如试验时的排水条件、剪切速率、加荷方式、仪器类型和操作方法不同，得到的试验结果不同，并且不能完全体现土体真正的内摩擦角和粘聚力。库仑定律中的c，也是对某一特定的具体条件而言。因此，要根据工程的具体条件，例如地基土是排水条件还是不排水条件，是短期稳定性问题还是长期稳定性问题，选择适当的试验方法，确定土的强度指标，尽可能使由试验测得的c，值能反映土体的真实情况。,土的极限平衡条件,如果土体的抗剪强度曲线和土中某点的应力圆已知，则可根据两者在同一坐标图上的关系来确定该点所处的应力状态（图1-1-19），以判断土体是否达到破坏。 莫尔圆位于抗剪强度曲线之下，表示该点任一平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度，即f，因此不会发生剪切破坏。 莫尔圆与抗剪强度曲线相切，表示切点A所代表的平面上剪应力达到了土的抗剪强度，即f，该点处于极限平衡状态，此时的莫尔圆称为极限应力圆。,土的极限平衡条件,莫尔圆与抗剪强度曲线相割，表示该点某些平面上的剪应力已大于土的抗剪强度，即f，土体已被剪破。实际上这种应力状态不可能存在，因为在此之前，该点早已沿某一平面剪破了，剪应力不可能超过土的抗剪强度。,土的极限平衡条件,根据极限应力圆与抗剪强度曲线相切于一点的几何关系，可建立粘性土和无粘性土的极限平衡条件。土中一点的极限平衡条件，是指当该点处于极限平衡状态时，其应力与抗剪强度的关系。对于粘性土，由下图中几何关系可知,sin,经整理得：,sin,改写上式：,1（1sin）,3（1+sin）+2ccos,1,举例,1、地基中某点大主应力=450kPa，小主应力=100kPa，,内摩擦角30度，粘聚力c=10kPa，问该点是否会被剪坏？ 解法一：比较角度 解法二：比较力（大、小主应力）,坡顶土体的自立高度,由粘性土主动土压力公式=0 推知： Z0=2c/(ka) 主动土压力系数：Ka=tan(45-/2)tan(45-/2),利用三角函数公式则有 :,1,3tan2,+2ctan,又有,3,1tan2,2ctan,抗剪强度指标的选择,粘性土的抗剪强度指标，由于受剪切时的条件、应力历史等因素的影响，在选择抗剪强度指标时，要考虑地基或土体的排水条件，加荷前土体的固结情况，加荷速度的快慢等现场工程条件。例如，在饱和粘性土地基上用较快速度修建建筑物，可采用三轴仪不固结不排水剪或直剪仪快剪试验的强度指标cu，即u0，以总应力法分析饱和粘性土的短期稳定性。对建成多年的建筑物地基，由于地基土体本身已得到充分固结，需要考虑在其上快速加高，或对于突然来临的非常荷载，如地震荷载，当地基土体透水性和排水条件不佳时，则可采用固结不排水剪或固结慢剪的强度指标。一般认为，由三轴固结不排水试验确定有效应力强度指标和宜用于分析地基的长期稳定性。,有效应力法与总应力法,有效应力法概念明确，能够反映抗剪强度的本质，抗剪强度随有效应力而变化。但用有效应力法必须采用三轴仪来测定土体中的孔隙水压力，因此一些中小工程受限。 总应力法由于试验方法（如可采用直剪仪测抗剪强度）和分析方法比较简单，对于中、小型工程可以从三种不同的排水条件的试验方法中，选出最能反映现场条件的一种方法来测定抗剪强度。,地基的临塑荷载和塑性荷载,Zmax,从上式可知，塑性变形区最大开展深度zmax随 基底压力增加而增大。使地基刚要出现而还未 出现塑性变形区（即zmax0时的荷载称为临塑荷载，用pcr表示,若zmaxb/4或b/3，即塑性区最大开展深度限制在基础宽度l/4或1/3时，此时相应的界限荷载称为塑性荷载或。,塑性荷载,土的工程分类,地基规范将地基土（岩）划分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土六大类。,砂土的分类（GB 50007）,粉土 的特性,粉土是塑性指数Ip小于或等于10，粒径大于0.075 mm的颗粒的质量分数小于50的土。粉土的性质介于砂土或粘性土之间。粉土中其粒径为0.050.005mm的粉粒占绝大多数，水与土粒之间的作用明显地不同于粘性土和砂，主要表现粉粒的特征。粉土常显示出一些粘聚力或粒间引力和吸附力。粉土一般不是很好的地基材料，它难以压实，太湿时在压实时易成“橡皮土”。,粘性土,粘性土是塑性指数Ip大于10的土。地基规范按塑性指数将粘性土进一步划分为： 粘土 Ip17 粉质粘土 10 Ip17 塑性指数中的液限由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm时测定而得,膨胀土,“具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土”（自膨胀土地区建筑技术规范）,膨胀土的初判方法(共8条),多分布在二级或二级以上阶地、山前丘陵和盆地边缘；地形平缓，无明显自然陡坎； 常见浅层滑坡、地裂，新开挖的路堑、边坡、基槽易发生坍塌；裂缝发育，方向不规则，常有光滑面和擦痕，裂缝中常充填灰白、灰绿色粘土；平时坚硬，遇水软化，自然条件下呈坚硬或硬塑状态；自由膨胀率一般大于40%；未经处理的建筑物成群破坏，低层较多层严重，刚性结构较柔性结构严重；建筑物开裂多发生在旱季，裂缝宽度随季节变化。简易试验：土块置于电炉上加热会发出啪啪响声及闪光，干燥土块放入水中可见迅速崩解。,红粘土,红粘土是指在湿热气候下碳酸盐系出露区的岩石，经长期的成土化学风化作用（又称红土化作用）而形成的高塑性粘土。红粘土分为原生红粘土和次生红粘土。颜色为棕红或褐黄，覆盖于碳酸盐岩系之上，其液限大于或等于50%的高塑性粘土，称为原生红粘土。原生红粘土经搬运、沉积后仍保留其基本特性，且其液限大于45%的粘土称为次生红粘土,冻土分类,按现行规范，冻土分为多年冻土和季节性冻土。多年冻土是指含有固态水，且冻结状态持续二年或二年以上的土。季节性冻土是指地表层冬季冻结、夏季全部融化的土。依据此定义，甘孜州的绝大部分地区（除部分常年积雪山坡外）属季节性冻土。,季节性冻土区房屋的主要病害,季节性冻土区房屋的主要病害是由土的冻胀融沉引起的不均匀升降破坏，严重者倾斜甚至倒塌。,现有的防冻技术处理措施,地基基础措施 结构措施,第2章 室 内 土 工 试 验,土工室内试验很多，本节只介绍和土的工程性质较为密切的直接剪切试验、无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验和渗透试验四种,直接剪切试验,对同一种土至少取4个重度和含水量相同的试样，使其在不同的作用下剪坏，做出f关系曲线，当变化不大时，f关系近似于直线，此即抗剪强度曲线，从图中可得c，值。,直剪试验的缺点,由于剪切面是被人为限定在上、下两个剪切盒之间的平面，因而试验时土样的剪切破坏面并非是最薄弱的面。 剪切时上、下盒错开，受剪切面积逐渐减小，而在计算抗剪强度时仍按原土样横截面积计算。 剪破面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象。 试验时不能严格控制排水条件和量测孔隙水压力值。,无侧限抗压强度试验,无侧限抗压强度试验实际上是三轴剪切试验的一种特殊情况，试样仍为正圆柱体，试验时只对试样施加轴向压力1，不施加围压，即30的不排水剪切试验。当试样剪破时，轴向压力1以qu表示，即表示试样在试验过程中，在侧向不受限制可以任意变形，因此qu称为无侧限抗压强度。由于30，所以只能求得一个过坐标原点的极限应力圆,无侧限抗压强度试验仪,试验结果计算,f cu,cu土的不排水抗剪强度 qu无侧限抗压强度,三轴试验,渗透试验,1、渗透试验用于测定试样的渗透系数。分为常水头渗透试验和变水头渗透试验。其中，常水头渗透试验适用于粗颗粒土（如砂土），变水头渗透试验适用于细颗粒土（粘土和粉土）。 2、常水头渗透试验中的常水头是靠调节供水管止水夹，使进入圆筒的水量多于溢出的水量，溢水孔始终有水溢出，从而保持圆筒内水位不变，即试样处于常水头下渗透。 3、变水头渗透试验前要将试样饱和。可用抽气或直接用变水头饱和。重新变化水位高度试验56次，其结果在误差范围内即可。,（常水头）渗透系数计算,kT-水温为T度时的渗透系数 Q-时间t秒内的渗出水量 L-两测压管中心间距离 A-试样的断面积 H-平均水位差 t-时间,第2篇 地 基 基 础 检 测,地基与基础概念,地基基础工程设计原则,1、基底压力小于或等于地基的容许承载力。 2、地基计算变形量小于建筑物容许变形值。 地基变形特征有沉降量、倾斜、沉降差、相对弯曲和局部倾斜等。 3、水平力作用时应满足稳定要求,地基承载力,地基承受荷载的能力称为地基的承载力。通常区分为两种承载力，一种称为极限承载力，它是指地基即将丧失稳定性时的承载力。另一种称为容许承载力，它是指地基稳定有足够的安全度并且变形控制在建筑物容许范围内时的承载力。影响地基极限承载力的因素很多，除地基土的性质外，还与基础的埋置深度、宽度、形状有关,几类常用地基处理方法,地基处理基本概念 ：,。天然地基是否需要进行地基处理取决于地基能否满足建（构）筑物对地基的要求（包括稳定、变形和渗流三个方面的要求）。 在土木工程建设中经常遇到的软弱土和不良土主要包括：软粘土、杂填土、冲填土、饱和粉细沙、湿陷性黄土、泥炭土、膨胀土、多年冻土、盐渍土、岩溶、山洞、 山区地基以及垃圾掩埋土地基等。,建筑物主要存在的地基问题,1. 地基承载力和稳定性问题 在建（构）筑物荷载（包括静力荷载和动力荷载）作用下，地基承载力不能满足要求时，地基会产生局部或整体剪切破坏，影响建（构）筑物正常使用，甚至引起建（构）筑物破坏。边坡稳定也可归属这一类地基问题。,建筑物主要存在的地基问题,2. 沉降、水平位移及不均匀沉降问题 在荷载（包括静力荷载和动力荷载）作用下，地基产生变形。当建（构）筑物沉降、或水平位移或不均匀沉降超过相应的允许值时，将会影响建（构）筑物的正常使用，甚至可能引起破坏。建（构）筑物沉降量较大时，不均匀沉降往往也比较大。不均匀沉降对建（构）筑物的危害较大。湿陷性黄土遇水发生剧烈的变形，膨胀土遇水膨胀、失水等也可包括在这一类地基问题中。,建筑物主要存在的地基问题,3 .渗流问题 地基的渗流量或水力比降超过允许值时，会发生较大水量损失，或因潜蚀和管涌使地基失稳而致建（构）筑物破坏造成工程事故。 因原始地基不能满足承载力和变形（包括渗透）要求才需进行处理。处理后的地基必须经过质量检验合格后才能进行基础施工,换填垫层法,1适用范围：浅层软弱地基及不均匀地基。 2层材料：砂石、粉质粘土、灰土、粉煤灰、矿渣、其它工业废料、土工合成材料。 3施工：分层碾压（平碾、振碾），每层虚铺厚度200300mm。对粉质粘土、灰土、粉煤灰等还要控制最优含水量。 4质量检验：压实系数必须满足要求；载荷试验,水泥粉煤灰碎石桩法（CFG,1适用范围：粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。 2要选择合适的桩端持力层。 3根据现场条件选择施工工艺： 长螺旋钻孔灌注桩：适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中密以上的砂土；长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注桩：适用于粘性土、粉土、砂土，以及对噪声或泥浆污染严格的场地；振动成管灌注桩：适用于粉土、粘性土和素填土地基。 4混合料要进行配合比试验。并满足塌落度。 5混合料的泵送量应与拔管速度相匹配。 6质量检测 在桩身强度满足试验荷载条件并在施工结束28天后进行复合地基载荷试验,强夯法和强夯置换法,适用范围：强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的