土力学与基础工程知识点总结.doc

昆明理工大学土力学与基础工程学习报告、 学生姓名 指导教师 学 院专业名称 班级 学号 2011年5月25日 1.土力学与基础工程综述1.1土的物理性质及工程分类1.1.1本章概述本章介绍了土的生成和演变、土的物质组成、水土系统的相互作用、土的结构以及土的物理性质和土的分类等内容1.1.2本章知识点（1）土的生成和组成 地球表面的整体岩石在阳光、大气、水和生物等因素影响下发生风化作用，使得岩石崩解、破碎，经流水、风、冰川等动力作用，形成形状各异、大小不一的颗粒。其中包括物理风化、化学风化、生物风化。 土的组成包括土的固体颗粒、土的矿物成分、土中的水、土中的气体。土的粒径级配直接影响土的性质，要确定各粒组的相对含量，常用方法有筛分法和沉降法。（2）土的物理性质指标 主要有测定土的密度、土粒相对密度和含水量的实测指标；通过计算求得的土的干密度、饱和密度、有效密度、孔隙比、孔隙率、饱和度的换算指标；三相指标的换算。（3）无黏性土的密实度 根据砂土的相对密实度可以反应砂土密实的程度。还有一些如按标准贯入击数、重型圆锥动力触探数、超重型圆锥动力触探数划分方法。（4）黏性土的物理性质 黏性土的物理性质包括节界含水量、塑性指标和液性指数、灵敏度和触变性。（5）土的压实性 土的压实性的研究包括现场填筑试验和室内击实试验两种方法。（6）土的工程分类 依据土颗粒组成及其特征、土的塑性指标及土中有机质的含量三类指标可以将土进行分类。对于建筑地基基础设计的规范可以把土简单的分为碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土。另外，首先由美国萨格兰德提出的塑性图分类法也成为了世界通用的一种细粒土分类方法。1.2土的渗透性与渗流1.2.1本章概述 本章介绍了达西定律、土的渗透系数测定方法、有效应力原理、二维渗流、流网以及渗透力与渗透稳定性等。1.2.2本章知识点（1）水头和水力坡降其中相对于基准面的高度，代表单位水体所具有的位能，叫位置水头，m；孔隙水压力，代表单位质量水体所具有的压力势能，kPa；该点孔隙水压力的水柱高度，叫压力水头，m渗流速度，m/s单位重量水体所具有的动能这算水柱高度，叫速度水头,m总水头，表示单位重量水体所具有的总机械能，m位置水头z的大小与基准面的选定有关。因此，水头的大小随着基准面的选取而不同。但实际渗流问题中关心是水头差，基准面可以任取。由于水在土中渗流时所受土的阻力较大，因此一般情况下水在土中渗流的速度很小，产生的速度水头也很小，与位置水头和压力水头比较可忽略其影响。所以公式可以简化为。由图可知，水从1点渗流到2点过程中的水头损失为，那么可用水在单位渗流过程中的水头损失来表征水在土中渗流的推动力的大小，即用水力坡降i来表示，表达式为： （2）达西定律法国学者达西根据砂土渗透试验，发表了水在饱和砂土中的流动方程式，即达西定律：其中断面平均渗透速度，即为单位时间内通过与渗流方向成直角的单位截面积的水量，为方便起见，以后称之为渗透速度，m/s渗流长度，即渗径，m土的渗透系数，m/s或cm/s（3）土的渗透系数1，渗透系数的室内测定1） 带水头渗透试验总水量, 土试样的截面积, 收集时间，s2） 变水法渗透试验流量, 水管的截面积，土试样截面积，2)现场井点抽水试验确定渗透系数方法1.3土中应力和地基沉降量计算1.3.1本章概述 本章便于了解土中应力的基本形式、基本定义，并掌握其分布规律，熟悉土中自重应力、附加应力和基地压力的计算方法；了解双层地基中附加应力的变化规律。1.3.2本章知识点（1）土中自重应力计算1）均质土中无地下水条件下的自重应力2）成层土中自重应力3）水平向自重应力（2）基地压力（接触应力）计算1）基地压力的简化计算中心荷载作用下的基地压力偏心荷载作用下的基地压力由推论得2）基地附加压力（3）土中附加应力计算1）竖向集中力作用下的地基附加应力2）矩形与圆形面积上作用荷载时的土中附加应力3）作用在一条直线上和一条形面积上的均布荷载引起的土中附加应力（4）土的压缩性1）室内侧限压缩试验2）压缩曲线与压缩性指标1.压缩系数2.压缩指数3.压缩模具（5）地基最终沉降量计算（6）地基变形与时间的关系1.4土的抗剪强度与浅基础的地基承载力1.4.1本章概述 本章介绍了土的抗剪强度理论、抗剪强度指标的测定方法、饱和黏性土与无黏性土的抗剪强度特征、孔隙压力系数、应力路径、地基破坏形式、浅基础的地基临塑荷载、地基临界荷载以及地基承载力的确定1.4.2本章知识点（1）土的抗剪强度理论1）库伦定律式中 土的抗剪强度，kPa； 剪切面上的法向应力，kPa; 土的内摩擦角，（） c土的黏聚力，kPa。土的抗剪强度用剪切面上的有效应力来表示更合适，即：3） 莫尔-库仑强度理论（2）土的抗剪强度试验土的剪切强度指标是通过土的抗剪强度试验测定的，不同的抗剪强度指标可以用不同的抗剪强度试验来获得。土的抗剪强度试验按照试验进行场所，可分为室内试验和现场试验两大类。室内试验常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验；现场试验仅介绍十字板剪切试验。（3）孔隙压力系数孔隙压力的计算系数，即：式中 A,B孔隙压力系数。孔隙压力系数B的在各向应力增量相等条件下的孔隙压力系数。计算公式为：式中 试样在周围压力增量下产生的孔隙压力增量，kPa；孔隙压力系数A为偏应力增量作用下的孔隙压力系数，计算公式为：式中 试样在主应力差（）下即剪切是产生的孔隙压力，kPa。（4）饱和黏性土的抗剪强度1）不固结不排水抗剪强度2）固结不排水抗剪强度3）固结排水抗剪强度4）抗剪强度指标的选择（5）应力路径对土的抗剪强度的影响（6）无黏性土的抗剪强度由于无黏性土的透水性强，在通常的加荷速率下，土体中的孔隙压力常等于零，因此其抗剪强度指标常用三轴固结排水剪切或慢剪试验来测定。（7）竖向荷载作用下地基破坏形式和地基承载力地基因竖向承载力不足引起的破坏有三种形式：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏。（8）地基临塑荷载和临界荷载（9）浅基础的地基极限承载力1）普朗德尔公式普朗德尔极限承载力是一种按照极限平衡理论求解的承载力。2）太沙基公式太沙基承载力是按假定滑动画面法求解的承载力。3） 汉森和魏锡克公式1.5土压力与土坡稳定性1.5.1本章概述本章介绍了各种土压力的形成条件、概念及各种土压力理论。使得我们熟悉了工程中的土压力种类，掌握狼肯土压力理论、库伦土压力理论和规范公式。1.5.2本章知识点（1）挡土墙的土压力1）土压力的类型1.静止土压力 建筑物地下室的外墙面，由于楼面和墙体的支撑作用，外墙几乎不会发生位移，这时作用在外墙面上的填土侧压力可按静止土压力计算。2.主动土压力3.被动土压力（2）狼肯土压力理论 它是根据半无限土体在自重作用下的应力状态和极限平衡条件建立的。狼肯理论分析挡土墙的土压力时，假设：1，墙后填土表面水平2，挡土墙背垂直3，挡墙背面光滑，即不考虑墙与土之间的摩擦力。1） 主动土压力根据土体的极限平衡条件，黏性土中任一点大、小主应力的关系应该满足：计算主动土压力时，并令则有：而对于无黏性土，由于c=0，则有：2） 被动土压力（3）库伦土压力理论 库伦根据挡土墙后形成的滑动楔体极限平衡条件，并假定滑动面为一平面，来求算出挡土墙上的土压力，称为著名的库伦土压力理论。它假设：1，墙后填土为均匀的无黏性土（c=0），填土表面可以是倾斜的；2，挡土墙是刚性的，墙背可以是倾斜的，倾角为a；3，墙面粗糙，墙面与土体之间存在摩擦力，摩擦角大于01） 主动土压力墙后填土的容重，墙的高度库伦主动土压力系数墙背倾角（墙背与铅直线的夹角），以铅垂线为准，顺时针为负，称仰斜，逆时针为正，称俯斜墙背与填土之间的摩擦角，由试验确定，无试验资料时，一般取墙后填土的内摩擦角填土表面的倾角2） 被动土压力（4）朗肯理论与库伦土压力理论比较（5）挡土墙的设计挡土墙的类型、断面尺寸与构造措施挡土墙有重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙。对于重力式挡土墙的构造涉及了墙背倾斜形式的选用、挡土墙剖面的拟定、排水设施、沉降缝和伸缩缝。（6）土坡的稳定性分析1.6岩土工程勘察1.6.1本章概述 本章主要介绍了构成天然地基的岩石和土的成因类型及其主要特征、地基勘察任务、现场任务、现场测试方法以及地基勘察报告的编写。1.6.2本章知识点（1）岩土工程勘察的任务和内容1）岩土工程勘察等级 不同的建筑场地地质条件不同，存在的工程地质问题也各异，因此建筑物所采取的地基基础设计方案也可能不同。岩土工程勘察的分级根据岩土工程的安全等级、场地的复杂程度和地基的复杂程度来划分。不同等级的岩土工程勘察因其复杂和难易程度不同，对勘察测试工作、分析计算评价工作、施工监测控制工作等级等的规模、工作量、工作深度与质量也相应有不同的要求。 岩土工程的重要性等级根据破坏后果分为一级、二级和三级；场地复杂程度根据其复杂的程度分为一级、二级和三级；地基复杂程度根据复杂的程度分为一级、二级和三级；岩土工程勘察的等级综合了以上三个方面进行了划分。2) 勘察的内容 首先进行可行性研究勘察：收集分析所在地的工程地质资料；进行现场调查，了解场地的地层结构和其他基本情况：对工程地质条件复杂，工程资料不符合要求的，可根据具体情况，进行工程地质测绘及必要的勘察工作。 然后进行初步勘察，整理初勘应得的资料，完成所需的主要工作内容。如查明地质构造，对不良地质现象查明原因等一系列工作。另外对勘探线、点布置的要求要落实。 最后，进行详细勘察。整理资料，完成所需的主要工作内容，如查明建筑范围各岩石的资料，对一级建筑物和部分二级建筑物提供地基变形计算参数，预测建筑物的变形，查明一些埋藏物等。（2）岩土工程勘察的方法1）工程地质测绘和调查2）勘察与取样 勘察的方法包括掘探、钻探、触探和物探4大类。其中钻探的方法根据钻进方式不同分为回转钻进、冲击钻进、锤击钻进、振动钻进、冲洗钻进。 取样是岩土工程勘察中经常性的工作，是定量评价岩土工程条件和岩土工程问题必不可少的工作。取样包括岩土样和水样，取样工作贯穿于整个岩土工程勘察工作的始终，甚至工程运行和检测阶段都要进行岩试样成水样的采取。3） 原位测试 原位测试指的是在土体的本来位置，对于处于天然状态下的土体所进行工程性质的测试，它具有直接性、真实性和实用性的特点，对于土体工程性质的判断起着非常重要的作用。原位测试主要有载荷试验、十字板剪切试验、标准贯入试验，静力触探试验、圆锥动力触探试验等。（4） 岩土工程勘察报告 在岩土工程勘察过程中，通过收集、调查、勘察、室内试样和原位测试，获得了大量的原始资料，对这些资料还应该进行整理、检查、分析、归纳和综合，最后以勘察报告书及有关图表形式，形成完整的岩土工程勘察报告。1.7浅基础1.7.1本章概述 本章介绍了不同建筑物安全等级条件下的地基与基础设计的内容，叙述了天然地基上的浅基础设计，主要包括：浅基础的类型、基础埋置深度的选择、地基承载力特征值的确定基础底面尺寸的确定、扩展基础、钢筋砼扩展基础设计，以及柱下条形基础、交叉基础、筏形基础、箱型基础的设计。1.7.2本章知识点（1）地基基础设计原则 为了保证建筑物的安全与正常使用，根据建筑物的安全等级和长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计和计算应该满足：1，在防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度；2，控制地基的变形，使之不超过建筑物的地基变形允许值；3，基础的材料、形式、尺寸和构造应能适应上部结构，符合使用要求。（2）浅基础的类型 按照不同的要求把浅基础分成了不同的类型。按照基础刚度来分类，可以把浅基础分为无筋基础、钢筋砼扩展基础；按照基础结构形式来分类，可以把浅基础分为单独基础、条形基础、十字交叉基础、筏形基础、箱形基础、壳体基础；按照基础材料来分类，可以把浅基础分为砌基础、石材及石材砌体基础、混凝土和毛石混凝土基础、灰土和三合土基础、钢筋砼基础。（3）基础埋置深度的确定 基础的埋置是指基础底面至地面（一般指设计地面）的垂直距离，简称基础埋深。选择基础埋深也就是选择合理的持力层。选择基础埋深应考虑：1，与建筑物有关的条件；2，工程地质条件；3.水文地质条件；4，场地环境条件；5，地基冻融条件。（4）地基承载力的确定 地基承载力是地基所具有的承受荷载的能力。在保证地基稳定的前提下，使变形不超过允许值的地基承载能力。确定方法主要有：1，根据土的抗剪强度指标通过理论公式计算，并结合工程经验确定；2，按静荷载试验方法确定；3，根据原位测试、室内试验成果并结合工程实践经验等综合确定；4，根据邻近场地条件相似的建筑物经验确定。（5） 基础底面尺寸确定1） 按地基承载力确定基地尺寸要求符合以下条件2） 中心荷载作用下基底尺寸的确定中心荷载作用下的基础要求基底平均压力不超过持力层土的承载力特征值。基础底面积的公式：3） 偏心荷载作用下基地尺寸的确定4） 软弱下卧层的验算 软弱下卧层是指在持力层下，成层土地基的受力层范围内，承载力显著低于持力层的土层。要求传递到软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力，即： 矩形基础条形基础（5）扩展基础设计扩展基础是由钢筋砼建造的基础，具有比较好的抗剪能力和抗弯能力，可以用扩大基础底面积的方法来满足地基承载力的要求，而不必增加基础的埋置深度，因此可以适用于荷载比较大，而埋置深度又不容许过深的情况。1，基础边缘高度不宜少于200mm,梯形基础每阶高度宜为300500mm；2，基地垫层厚度不宜小于70mm；3，底板受力钢筋直径不宜小于10mm,间距不大于200mm；4，混凝土强度不宜低于C20.（6）柱下条形基础设计 主要应用于：1，柱子的荷载较大而土层的承载力又较低；2，柱列间的静距小于基础的宽度，或独立基础所需的面积受相邻建、构筑物的限制，面积不能扩大时；3，需加强地基基础整体刚度，以防止过大的不均匀沉降；4，跨越局部软弱地基以及场地中暗塘、沟槽、洞穴等。（7）十字交叉基础设计 当荷载较大或土质软弱时，为进一步增加基础的刚度，减少不均匀沉降，可在柱网下纵横方向设置钢筋砼条形基础，形成十字交叉基础。（8）筏形基础设计 它适用与框架、框剪、剪力墙结构，同时也可用于砌体结构（9）箱形基础 适用与地基软弱、平面形状简单的高层建筑，以及某些对不均匀沉降有严格要求的设备间或构筑物基础。1.8桩基础及其他深基础1.8.1本章概述 本章介绍了桩的类型、单桩竖向承载力的计算方法、特殊情况下桩基竖向承载力验算、群桩基础的工作特点、群桩承载力及沉降计算、单桩水平承载力的确定及桩和承台的设计计算。1.8.2本章知识点（1）桩基础的类型 按不同的分类标准可以分为不同的桩，按承载性状分类可以把桩基础分为摩擦刑桩、端承型桩；按桩身材料分类可以把桩基础分为木桩、素混凝土桩、钢筋砼桩、钢桩、组合材料桩；按成桩方法分类可以把桩基础分为非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩；按桩径大小分类可以把桩基础分为小直径桩、中等直径桩、大直径桩；按桩的施工方法分类可以把桩基础分为预制桩、灌注桩。（2）竖向荷载作用下单桩的工作性状1）桩的荷载传递机理2）单桩的破坏模式 单桩达到破坏时所表现出来的特征，取决于桩身强度、土层性状和构造、桩底沉渣厚度等因素。主要有桩身材料屈服、持力层土整体剪切破坏、刺入剪切破坏、沿桩身侧面纯剪切破坏、在拔力作用下沿桩身侧面的纯剪切破坏。3）单桩竖向承载力的确定 桩基的破坏一是桩身结构强度破坏，二是地基土的破坏。因此，桩的承载能力要从桩身结构强度和地基土承载力两个方面去确定。 1，按桩身强度确定当桩身配筋不符合上述规定时，则： 2，按地基承载能力确定单桩竖向承载力 主要有下面几种方法：1，静荷载试验法；2，原位测试法；3，经验参数法（4）特殊条件下桩基竖向承载力验算 当桩端平面以下受力层范围内存在软弱下卧层（承载力低于桩端持力层承载力的1/3）时，对于桩距群桩基础，按以下式子验算： （5）单桩轴向抗拔力 建筑物基础承受上拔力的情况，随着生产建设的发展日益增多。对于抗拔桩的设计，目前仍套用抗压桩的方法，即以桩的抗压侧阻力乘上一个经验折减系数后的侧摩阻力作为抗拔承载力。 当无当地经验时，群桩基础及设计等级为丙级的建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力可按下列规定计算：群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下公式计算：承受拔力的桩基，应按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力：（6）群桩竖向承载力1）群桩竖向承载力计算2）桩基沉降计算 桩中心距不大于6倍桩径的桩基。桩基础内任意点的最终沉降量，可用角点法按下世计算： 单排桩、单桩、桩中心距大于6倍桩径的疏桩基础 承台底地基土不分担荷载的桩基 承台底地基土分担荷载的复合桩基（7）桩的设计和计算 确定桩数：当桩的类型、基本尺寸和单桩承载力特征值确定后，可根据上部结构情况带入公式确定。 桩的平面布置：桩基中的各桩的中心距主要取决于群桩效应（包括挤土桩的挤土效应）、承台分担荷载的作用及承台用料等。（8）其他深基础 其中包括沉井、地下连续墙、墩基础、箱桩基础1.9地基处理1.9.1本章概述 地基处理方法按其原理和作用可分为换填垫层、碾压及夯实、排水固结、振密挤密、置换及挤如、加筋及其他方法等。本章介绍了前5类的几种地基处理办法。1.9.2本章知识点（1）地基处理对象和目的 在选择建筑场址时，应尽量选择地质条件良好的场地，但有时也不得不再地质条件不良的场地进行建设，为此必须对不良地基进行处理。一般处理的对象是软弱地基和特色土地基。（2）地基处理方法分类 地基处理的方法很多种：按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按土性对象可分为砂性土处理和黏性处理，饱和土处理和非饱和处理；（3）换填垫层法 换填垫层法是挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，分层回填强度高，压缩性第，性能稳定且无腐蚀性的砂、素土、灰土、工业废渣等材料，并夯实密实，形成垫层的地基处理方法。 （4）预压法 预压法（排水固结法）是在建筑物建筑前，对天然地基或对已设排水体（如砂井和排水垫层）的地基施加预压荷载（如堆载、真空预压和联合预压），使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，同时可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性的地基处理方法（5）强夯法和强夯置换法 强夯法用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，一般均能取得较好的效果。对于软土地基，一般来说处理效果不显著。 强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。（6）振冲法 振动水冲法简称振冲法，砂土地基通过加水振动可以使之迷失，振冲法就是利用这个原理发展起来的地基加固方法，后来又被用于黏性土层中设置振冲置换碎石桩。（7）挤密法 砂石桩法是指采用振动、冲击或水冲等方式在地基中成孔，再将碎石、砂或砂石挤压入孔中形成砂石所构成的密实桩体，并和桩周土组成复合地基的地基处理方法。（8）化学加固法 化学加固法是将一定的化学材料（无机或有机材料）配成浆液，用各种机具将化学液灌入地基土中，使与地基土发生化学变化，胶凝或固化成新的坚硬物质，以增加地基强度，降低地层渗透性，降低地基土压缩的一项地基处理技术。（9）水泥粉煤灰碎石桩法 水泥粉煤灰碎石桩法是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高黏结强度桩，桩体强度C5C25，桩、桩间土与褥垫层共同构成复合地基（10）托换技术 托换技术（即基础托换），是指解决原有建筑物的地基处理、基础加固或改建问题，解决在原有建筑物基础下修建地下工程，以及新建工程临近原有建筑物而影响到原有工程安全等问题的技术总称。主要可分为补救性托换、预防性托换、维持性托换。（11）组合型地基处理 组合型地基处理是指采用两种或两种以上的类型的地基处理方法来处理同一地基的方法，可达到比单一工法节省造价、缩短工期、提高地基承载力、减少复合地基的变形或消除地基液化、地基土湿陷等目的2.0特殊土地基2.1本章概述 由于地理环境、地形高差、气温、地质成因和地质历史不同，加上组成土的物质成分和次生变化等多种因素，形成了若干性质特殊的土类，包括湿陷性黄土、膨胀图、红粘土及多年冻土等。2.2本章知识点湿陷性黄土 湿陷性黄土具有与一般粉土与黏性土不同的特征，主要是具有大孔隙和湿陷性。大孔隙是指用肉眼即可见的土中孔隙；湿陷性是指在一定压力下浸水，土的结构迅速被破坏，并发生显著的附加下沉的现象。1）测定方法1，室内浸水侧限压缩试验（1） 测定湿陷系数（2） 测定自重湿陷系数（3） 测定湿陷启示压力2，现场注水静载荷试验（1） 双线法载荷试验：在场地内相邻位置的同一标高处，做2个载荷试验，其中一个在天然湿度的土层上进行，另一个在浸水饱和后进行。（2） 单线法载荷试验：在场地内相邻位置的同一标高处，在天然湿度的土层上至少做3个不同的压力浸水载荷试验3，现场试坑浸水试验 （2）膨胀土地基1）膨胀土 膨胀土中黏粒成分主要