土力学与基础工程

土力学与基础工程复习材料1绪 论1、土力学：利用力学的一般原理，研究土的物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学。2、地基：支承基础的土体或岩体3、基础：将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分，一般应埋入地下一定的深度，进入较好的地层。通常把埋置深度3-5m称为浅基础。P1土力学三大核心内容：强度特性、变形特性、渗透特性。 2土的性质及工程分类1.三相体系：土体由固相（固体颗粒）、液相（土中水）、和气相（气体）三部分组成。2.土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。3.矿物颗粒的成分有：原生矿物、次生矿物。4.*颗粒级配：土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示。P65.颗粒级配用筛分法、沉降分析法测定。6.不均匀系数Cu和曲率系数Cc 来反映土颗粒级配的不均匀程度。7.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：Cu5，级配良好；Cu5和Cc=13两个条件时，才为级配良好，反之则级配不良。8.土的物理性质指标 （各指标公式P16-17） （1）土的天然密度：土单位体积的质量称为土的密度（单位为g/cm3或者t/m3 （2）土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比（用百分数表示）称为土的含水量 （3）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，称为土粒相对密度 （4）土的干密度：土单位体积中固体颗粒部分的质量 （5）土的饱和密度：土空隙中充满水时的单位体积质量 （6）土的有效密度：在地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后 （7）土的孔隙比e:土中空隙体积与土粒体积之比 e=Vv/Vs （8）土的孔隙率n:土中空隙体积与体积之比（用百分数表示） n=Vv/V*100% (9) 土的饱和度Sr：土中水的体积与空隙体积之比 Sr=Vw/Vv*100%提示：实验测出的指标有，土的天然密度、含水量、相对密度。其他是导出的指标。 【各符号的意义】 V-土的体积 Va-土中气体所占的体积 Vw-土中水所占的体积 Vs-土中颗粒所占体积 Vv-土中空隙所占的体积 M-土的总质量 Mw-土中水的质量 Ms-土中颗粒的质量9.土的三相物理指标换算图。（P18 表2.7）10.判断无黏性土密实度最简单的方法：使用孔隙比e来描述，e大，表示土中孔隙大，e小则土疏松。11.若将砂土处于最松散状态的e称为最大孔隙比e max，砂土处于最紧密状态时的e称为最小孔隙比e min。而当土粒粒径较均匀时，其e max-e min差值较小，当土粒粒径不均匀时，其差值较大。因此利用砂土的最大最小孔隙比与所处状态的天然气孔隙比e进行比较，能综合反映土粒级配，土粒形状和结构等因素。该指标为相对密实度Dr，即： Dr=e mace/e max e min （一般以百分数表示） 12. 标准贯入试验:在土层钻孔中，利用重63.5kg的锤击贯入器，根据每贯入30cm所需锤击数来判断土的性质，估算土层强度的一种动力触探试验。13.黏性土：指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产生裂缝，当外力去掉后，仍可保持原形状不变。14.液限：土由可塑状态变化到流动状态的界限含水量。15.塑限：土由半固态变化到可塑状态的界限含水量。（塑限多用搓条法测定）。16.塑性指数 ：液限与塑限之差值。17.液性指数：表征土的天然含水量与分界含水量之间相对关系的指标。18.工程上常用灵敏度St来衡量黏性土结构性对强度的影响。 19.* 孔隙水压力：土体中某点孔隙水承受的压力。3土中应力计算1.、土的应力分类：自重应力、基地应力、地基附加应力自重应力：由土体重力引起的应力。（自重应力一般是自土形成之日起就在土中产生）附加应力：由于外荷载的作用，在土中产生的应力增量。*基底压力：在基础底面与地基之间产生接触压力。地基附加应力：由建筑物荷载引起的应力增量。2、基底压力分为：柔性基础基底压力和刚性基础基底压力3、中心荷载、偏心荷载作用公式 3.5、3.6、3.7 P494、*有效应力原理：用有效应力阐明在力系作用下土体的各种力学效应(如压缩、强度等)的原理。5 、*基底附加应力：是指由于修建建筑物而在地基表面处增加的应力。6、6种附加应力符号 P504土的变形性质及地基沉降计算1.土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的的特性。压缩试验：研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法。步骤：在压缩仪（或固结仪）中完成。试验时，先用金属环刀取土，然后将土样连同环刀一起放入压缩仪，上下各盖一块透水石，以便土样受压后能够自由排水，透水石上面再施加垂直荷载。2、压缩性指标：压缩系数，是评价地基土压缩性高低的重要指标之一，e-p曲线上任一点的切线斜率 ，当外荷载引起的压力变化范围不大时，可近似 a1-2表示压力间隔由P1=100kp增加到P2=200时所得压缩系数a1-2评定土的压缩高低。a1-20.1Mpa时，为低压缩性土，0.1 Mpaa1-20.5Mpa时，为低压缩性土、a1-20.5 Mpa压缩指数 公式4.5 、 Cc用来确定土的压缩性大小，Cc值愈大。土的压缩性愈高。一般认为Cc0.4时，属高压缩性土。P71压缩模量（或侧限压缩模量）：土体在完全侧限条件下，竖向附加应力z与相应的应变增量z之比，用符号Es表示。Es=（1+e1）/a一般认为：Es15 Mpa时为低压缩性土：Es=415MPa时属中压缩性土3、土的荷载试验终止加载的条件（1）承载板周围的土明显侧向挤出或发生裂纹。 (2) 沉降s急剧增大，荷载-沉降（p-s）曲线出现陡降段。（3）在某一荷载下，24小时内沉降速度不能达到稳定标准。（4）沉降s大于等于0.06b（b为承载板宽度或直径） 4、分层总和法的步骤和原理注意：确定沉降计算深度Zn。按“应力比”法确定一般土：zn/czn0.2软土：zn/czn0.1 P77-785、建筑地基基础设计规范设计原理。P81 注意：地基沉降计算深度Zn，规范法通过“变形比”试算确定，即要求满足：Sn 0.025Si P816、天然土层分为三种固结状态超固结状态：天然土层在地质历史上受到过的固结压力Pc大于目前的上覆压力P1，即OCR大于1.正常固结状态：土层在历史上最大固结压力作用下压缩稳定，但沉积后土层厚度无大变化，以后也没有受到过其他荷载的继续作用。.欠固结状态：土层逐渐沉积到现在地面，但没达到固结稳定状态。5土的抗剪强度1、砂土剪切强度表达式：f =tan，黏性土的抗剪强度：f =C+tan。这两个公式统称库伦公式。当=0时，c值即为抗剪强度线在纵坐标轴上的截距。P992、*土的抗剪强度：土体抵抗剪切破坏的极限能力。3. 莫尔应力圆与与土的抗剪切强度包线存在以下三种情况（1） M点莫尔应力圆整体位于抗剪切强度包线的下方（圆1），莫尔应力圆与抗剪切强度线相离，表明该点在任何平面上的剪切力小于土所能发挥的抗剪强度，因而，该点未被剪破。（2） M点莫尔应力圆与抗剪切强度包线相切（圆2），说明在切点所代表的平面上，剪应力恰好等于土的抗剪强度，该点就处于*极限平衡状态，莫尔应力圆亦称极限应力圆。（3） M点莫尔应力圆与抗剪切强度包线相割（圆3），则M点早已破坏。实际上圆3所代表的应力状态是不可能存在的，因为M点破坏后，应力已超出弹性范围。4. 简述直接剪切试验和三轴压缩试验之间的优缺点和适用范围。直接剪切试验的优缺点 P103优点：直剪仪构造简单，操作简便，并符合某些特定条件。缺点：（1）剪切过程中试样内的剪应变和剪应力分布不均匀。（2）剪切面人为地限制在上、下盒的接触面上，而该平面并非是试样抗剪最弱的剪切面。（3）剪切过程中试样面积逐渐减小，且垂直荷载发生偏心，但计算抗剪强度时却按受剪面积不变和剪应力均匀分布计算。（4）不能严格控制排水条件，因而不能量测试样中的孔隙水压力。（5）根据试样破坏时的法向应力和剪应力，虽可算出大、小主应 1、 3的数值，但中主应力 2无法确定。三轴压缩试验的优缺点 P105缺点：试样制备和试验操作比较复杂，试样中的应力与应变仍然不够均匀。优点：（1）试验中能严格控制试样的排水条件，准备测定试样在剪切过程中孔隙水压力变化，从而可定量获得土中有效应力的变化情况。（2）与直剪试验对比起来，试样中的应力状态相对地较为明确和均匀，不硬性指定破裂面位置。（3）除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。5.公式5.8、5.9、5.10、5.11、5.12 P1026.三种标准试验方法分别介绍及适用范围（P110.P117） (1)固结不排水剪（CU试验）(2)不固结不排水剪（UU试验） (3)固结排水剪（CD试验）6土压力、地基承载力和土坡稳定1、挡土墙的土压力：挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。2、土压力：主动土压力：当挡土墙向离开土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为主动土压力。用Ea表示。被动土压力：当挡土墙在外力作用下，向土体方向偏移至墙体后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力。用Ep表示。静止土压力：当挡土墙静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为静止土压力。用E。表示。静止压力强度用公式0=K0Z提示：三者关系Ea E。Ep P1233、主动主压力：1和3关系 P1244、郎金应用条件：挡土墙墙背面竖直光滑、填土面水平。公式6.4、6.5 P1255、临界深度 公式6.7、6.8 P1256、库伦土压力理论基本假设条件及适用条件。基本假设：1、墙后填土是理想的散粒体（黏聚力c=0） 2、滑动破裂面为通过墙踵的平面3、墙背与滑裂面间的滑动土梁为一刚性体，本身无变形。适用条件：适用于砂土和碎土填料的档土计算，可考虑墙背倾斜、填土面倾斜以及墙背与填土间的摩擦等多种因素影响。7、挡土墙类型选择：重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、锚定板及锚、杆式挡土墙、(混合式挡土墙、构架式挡土墙、板砖墙、加筋土挡土墙、土工合成材料挡土墙)8、建筑基地在荷载作用下的破坏形式：1、整体剪切破坏2、局部剪切破坏3、冲剪破坏9、表6.5 P1477浅基础设计1浅基础的类型：扩展基础、联合基础、柱下条形基础、柱下十字交叉基础、筏形基础、箱形基础、壳体基础2*基础埋置深度：室外设计地面到基础底面的垂直距离。基础宜埋置在地表以下，其最小深为0.5m，且基础顶面宜低于室外设计地面0.1m。3*选择基础埋深时应考虑的的几个主要因素：1、建筑结构条件与场地环境条件 2、工程地质条件 3、水文地质条件 4、地基冻融条件4*地基承载力: 地基承担荷载的能力.5*地基承载力特征值： 正常使用极限状态计算时的地基承载力。P1656地基承载力特征值的确定：1按土的抗剪强度指标确定 2按地基荷载试验确定3按地基规范承载力表确定提示：公式7.14 P1678、公式7.16、7.17、7.18、7.20a、7.21、7.22、7.23、的运用 P171-1739*软弱下卧层：在持力层下，成层土地基受力范围内，承载力显著低于持力层的高压缩性土层。10地基变形特征一般分为：*沉降量 指基础基点的沉降值。*沉降差 一般指相邻柱基中点的沉降量之差。*倾斜 指基础倾斜方向两端点的沉降差的比值。 *局部倾斜 指砌体承重结构沿纵向6-10m内基础两点的沉降差与其距离的比值。11相对刚度：“上部结构+基础”与地基之间的刚度比12结构绝对柔性：当结构相对刚度为零。13*倒梁法：认为上部结构是刚性的，各柱之间没有沉降差异，因而可把柱脚视为条形基础的铰支座，支座间不存在相对的竖向位移。14.倒梁法出现误差时的调整方法：实践中有采用“基底反力局部调整法”，即：可将支座处的不平衡力均匀分布在本支座两侧各1/3跨度范围内，从而将地基反力调整为台阶状，再按倒梁计算出内力后叠加。（误差在10%之内结束计算）15.*减轻不均匀沉降损害的措施：建筑措施：（1）建筑物体型力求简单、（2）控制建筑物长高比及合理布置纵横墙、（3）设置沉降缝、（4）控制相邻建筑物基础的间距、（5）调整建筑物的局部标高结构措施：（1）减轻建筑物自重、（2）设置圈梁、（3）减小或调整基底附加压力、（4）增加上部结构刚度或采用非敏感性结构施工措施8桩基础1桩基由基桩和承台构成。2深基础主要有桩基础、沉井基础、墩基础、和地下连续墙等几种类型。3*桩的分类：1按承载性状分类：摩擦型桩和端沉型桩? 2按施工方法分类：预制桩、灌注桩 3按桩的设置效应分类：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩4*摩擦桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩侧阻力承担，桩端阻力可忽略不计。5*端承桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩端阻力承担，桩侧阻力可忽略不计。6单桩的破坏模式：屈曲破坏、整体剪切破坏、刺入破坏7*负摩阻力：桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下8、公式8.17 P2229*在下列情况下考虑桩侧负摩阻力： 在软土地区，大范围地下水位下降，使桩周土中有效应力增加，导致桩侧土层沉降。 桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载时 桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层、液化土层进入相对较硬土层时 冻土地区，由于温度升高而引起桩侧土的缺陷10.单桩竖向承载力的确定1、按材料强度确定 2、按单桩竖向抗压静载试验确定 3、按土的抗剪强度指标确定 4、按经验参数确定 5、按静力触探法确定11.*群桩效应：密集的桩所造成的对水动力性能的影响或桩土体系间的相互影响。（桩距在6倍直径时产生群桩效应）12.公式8.37、8.38、8.39的运用 P23613、.桩基础设计内容和步骤：进行调查研究，场地勘测、收集有关资料。 综合勘察报告、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定桩基持力层。选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造。确定单桩承载力特征值根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置根据桩的平面布置，初步拟定承台的轮廓尺寸及承台底标高验算作用于单桩上的竖向和横向荷载验算承台尺寸及结构强度必要时验算桩基的整体承载力和沉降量，当桩端下有 软弱下卧层时，验算软弱下卧层的地基承载力14、公式8.35 P24115、P242-244，混凝土强度等级要求、承台尺寸要求以及埋深。9、10、121、沉井基础：一种利用人工或机械方法清除井内土石，并借助自重或添加压重等措施克服井壁摩阻力逐节下沉至设计标高，再浇筑混凝土封底并填塞井孔，成为建筑物基础的井筒状构筑物。2、地下工程：包括隧洞(隧道)、地下空间等建筑物的工程3、基坑工程：是一项综合性很强的岩土工程，既涉及土力学中典型的强度、稳定、与变形的问题，又涉及土与支护结构共同作用以及场地的工程、水文地质等问