土力学与地基基础ppt课件

.,土力学与地基基础,岩土工程史彬,.,绪论,一、土力学与地基基础的概念土地球表面的大块岩石经自然界风化、搬运、沉积等地质作用形成松散的堆积物或沉积物，在建筑工程中称为土。土力学利用力学的一般原理，研究土的应力应变、强度和渗透性等特性及其随时间变化规律的学科。基础建筑物向地基传递荷载的下部结构。地基支承建筑物，受建筑物荷载影响的地层。地基基础主要研究常见的房屋、桥梁、涵洞等地基基础的类型、设计计算和施工方法。,.,.,二、本课程在建筑工程中的重要性工程实例,建筑物倾斜：比萨斜塔苏州虎丘塔,.,建筑地基严重下沉：墨西哥市艺术宫,.,建筑物墙体开裂,.,建筑物基础开裂,.,建筑物地基滑动：加拿大特朗斯康谷仓地基事故,.,建筑物地基溶蚀,.,土坡滑动：香港宝城大厦,.,建筑物地基液化失效,.,基础设计原则应满足地基强度要求地基变形应在允许范围之内三、本课程的特点和学习方法课程的特点：地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；课程理论性和实践性均较强。学习要求：学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等土力学基本原理；学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内土工试验方法；重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资料能力的培养。四、本学科的发展简况,.,第一章土的物理性质及工程分类,1概述本章主要内容为土的生成、土的组成、土的物理性质指标、无粘性土的密实度、粘性土的稠度、土的压实原理及土的工程分类。2土的生成土的成因,.,土的工程地质性质残积土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。,.,坡积土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、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。洪积土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。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。,.,由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。如果逐渐扩大以至连接起来，则形成洪积冲积平原的地貌单元。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。,.,冲积土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带形成的沉积物。其他沉积土除了上述四种成因类型的沉积物外，还有海洋沉积物、湖泊沉积物、冰川沉积物及风积物等，它们是分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的,.,3土的组成一、土的固体颗粒土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。(一)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。粗粒原生矿物细粒次生矿物、有机质（二）土的颗粒级配定义：土中各粒组相对含量的百分数。,.,（二）土的颗粒级配在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变小可由无粘性变化到有粘性。粒组：将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围分为若干小组。界限粒径：划分粒组的分界尺寸根据界限粒径200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石(块石)颗粒200卵石(碎石)颗粒20020圆砾(角砾)颗粒202砂粒20.075粉粒0.0750.005粘粒0.005颗粒级配：土中各粒组相对含量的百分数粒组相对含量测定：颗粒分析试验（筛分法，比重计法）,.,.,曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。,.,不均匀系数: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。d10有效粒径，小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应的粒径。d60限定粒径，小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时相应的粒径。,不均匀系数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，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。,.,二、土中水在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。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几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。,强结合水：强结合水是指紧靠土粒表面的结合水。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。,.,2.自由水自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0，有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。(1)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，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。(2)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(与地下水无直接联系)和毛细上升水(与地下水相连)两种。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土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。,.,三、土中气体存在形式：与大气联通；与大气隔绝。四、土的结构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。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。,单粒结构,蜂窝结构,絮状结构,五、土的构造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。层状构造、分散构造、裂隙构造。,.,4土的三相比例指标三相简图,.,三相比例指标,.,.,.,指标换算,.,1.Vs=1m3，ds=2.70，w=32.2%，=19.1kN/m3，计算图中9个括号内的数值。2.=16.7kN/m3，w=12.9%，求e、n、Sr、d、sat及。,.,5无粘性土的密实度（砂土碎石土）定义：指单位体积中固体颗粒的含量。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。一、砂土的密实度天然孔隙比e0.95松散相对密实度标准贯入锤击数,密实中密松散,.,碎石土的密实度,.,6粘性土的稠度一、粘性土的界限含水率定义：粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水率。测定方法塑限：搓条法液限：锥式液限仪法联合测定仪法,.,二、塑性指数：液限和塑限的差值(省去符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。三、液性指数：粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，可表示粘性土的软硬状态。,.,四、粘性土的灵敏度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)后的强度之比来表示的。低1St2中2St4高St4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。,.,7土的压实原理对同一种土料，在不同含水率下，用同一击数将它们分层击实，在该击数下，干密度的最大值称为最大干密度，此时相应的含水率称为最优含水率。一、粘性土的击实特性峰值最优含水率二、无粘性土的击实特性：风干和饱和状态下击实效果较好。,粘性土,无粘性土,.,8地基土（岩）的工程分类一、岩石的工程分类,.,.,二、碎石土的工程分类粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50的土。,.,三、砂土的工程分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50的土。按粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。四、粉土的工程分类粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50、塑性指数小于或等于10的土。必要时可根据颗粒级配分为砂质粉土和粘质粉土。,.,五、粘性土的工程分类塑性指数大于10的土。按塑性指数分类按形成年代分类：老粘性土、一般粘性土、新近沉积粘性土六、几种常遇到的特殊土人工填土：指由人类活动而堆填的土。包括素填土、杂填土、冲填土软土：指沿海的滨海相、三角洲相、溺谷相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒士组成的孔隙比大、天然含水量高、压缩性高和强度低的土层。包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土等。湿陷性土：土体在一定压力下受水浸湿时产生湿陷变形量达到一定数值的土。膨胀土：粘粒成分主要由亲水性粘土矿物所组成的粘性土，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。,.,第二章土的渗透性,1概述渗透（渗流）：在水头差的作用下，水透过土孔隙流动的现象。土的渗透性：土体允许水透过的性能。问题：渗漏问题渗透变形问题,.,2渗透基本定律一、达西定律或二、达西定律的适用范围,.,一、影响土的渗透系数的因素土粒的颗粒级配密实程度土中气体水的温度,二、渗透系数的确定常水头渗透试验变水头渗透试验现场抽水试验,3土的渗透系数及其确定方法,.,常水头渗透试验,变水头渗透试验,.,4渗透力与渗透变形,一、渗透力水在土体中流动时，由于受到土粒的阻力，而引起水头损失，从作用力与反作用力的原理可知，水流经过时必定对土颗粒施加一种渗流作用力。单位体积土颗粒所受到的渗流作用力称为渗流力。二、渗透变形1、流土及临界坡降2、管涌及临界坡降,.,第三章土中应力计算,1概述本章内容：自重应力、基底压力、附加应力意义：正确计算地基变形、地基强度、保证建筑物安全牢固。假定：地基均匀、连续、各向异性的半无限空间线性变形体。研究地基的应力和变形，必须从土的应力与应变的基本关系出发来研究。当应力很小时，土的应力-应变关系曲线就不是一根直线，亦即土的变形具有明显的非线性特征。,.,2自重应力在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重计算，即：地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖向变形，而不能有侧向变形和剪切变形。,.,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，而且粒间应力又是影响土体强度的个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。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指有效自重应力。地下水位以下以浮重度（有效重度）计算自重应力。成层土自重应力计算对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自重应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化。,.,.,.,例：某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标列于例图中，试计算地面下深度为2.5m、5m和9m处的自重应力，并绘出分布图。,.,3基底压力,基底压力建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间便产生了接触应力。它既是基础作用于地基的基底压力，同时又是地基反用于基础的基底反力。对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，可按下述材料力学公式进行简化计算。,.,一、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心。基底压力假定为均匀分布，此时基底平均压力设计值按下式计算：,.,二、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：,=,.,矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压力，则矩形基底边缘四个角点处的压力,.,三、基底附加压力建筑物建造前，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，因此只有基底附加应力才能引起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定深度处，该处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：,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，由此根据弹性力学求算地基中的附加应力。,.,.,地基附加应力：是指建筑物自重在土体上引起的附加于原有应力之上的应力。分布规律：在荷载轴线上，离荷载越远，附加应力越小；在地基中任一深度处的水平面上，沿荷载轴线上的附加应力最大，向两边逐渐减小。假定：土体是连续、均质、各向同性，采用弹性力学解答,4地基附加应力,.,一、铅直集中荷载作用下的附加应力,.,.,计算铅直向附加应力令化简得若干个竖向集中力作用在地基表面上，按叠加原理则地面下深度处某点的附加应力应为各集中力单独作用时在点所引起的附加应力之和。,.,二、矩形基础底面铅直荷载作用下地基中的附加应力铅直均布荷载作用角点下的附加应力,.,.,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m及n值由表35查得。,.,铅直均布荷载作用任意点下的附加应力角点法计算时，通过o点把荷载面分成若干个矩形面积,这样o点就必然是划分出的各个矩形的公共角点，然后再按式(2-20)计算每个矩形角点下同一深度z处的附加应力，并求其代数和。,.,(a)o点在基底边缘式中，分别表示相应于面积I和的角点应力系数。必须指出，查表3-5时所取用边长应为任一矩形荷载面的长度，而为宽度，以下各种情况相同。(b)o点在基础底面内,(c)o点在基础底面边缘外侧此时荷载面abcd可看成是由I(ofbg)与(ofah)之差和(oecg)与(oedh)之差合成的，所以,(d)o点在荷载面角点外侧把荷载面看成由I(ohce)、(ogaf)两个面积中扣除(ohbf)和(ogde)而成的，所以,.,(三)铅直三角形分布荷载作用角点下的附加应力设竖向荷载沿矩形面积一边b方向上呈三角形分布(沿另一边的荷载分布不变),荷载的最大值为Po,取荷载零值边的角点1为座标原点(图3-13)则可将荷载面内某点()处所取微面积上的分布荷载以集中力代替。,角点1下深度处的M点由该集中力引起的附加应力,按式(311c)为：,.,同理，还可求得荷载最大值边的角点2下任意深度z处的竖向附加应力为：和均为和的函数，可由表3-8查用。,在整个矩形荷载面积进行积分后得角点1下任意深度z处竖向附加应力式中,.,三、圆形基础底面铅直均匀荷载作用中心点及边缘下的附加应力设圆形荷载面积的半径为r0，作用于地基表面上的竖向均布荷载为，如以圆形荷载面的中心点为座标原点o，并在荷载面积上取微面积，以集中力代替微面积上的分布荷载，则可运用式(311c)以积分法求得均布圆形荷载中点下任意深度z处M点的如下，,查表3-9,.,四、铅直均布线荷载作用地基中的附加应力,.,五、条形荷载下的地基附加应力(均布荷载、三角形荷载)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l/b10时，计算的地基附加应力值与按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、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：,.,第四章地基变形计算,1概述2土的压缩性一、基本概念土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。试验研究表明，在一般压力（100600kN)作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计，所以把土的压缩看作为土中孔隙体积的减小。此时，土粒调整位置，重行排列，互相挤紧。饱和土压缩时，随着孔隙体积的减少土中孔隙水则被排出。在荷载作用下，透水性大的饱和无粘性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。相反地，粘性土的透水性低，饱和粘性土中的水分只能慢慢排出，因此其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结，对于饱和粘性土来说，土的固结问题是十分重要的。,.,二、侧限压缩试验,为求土样压缩稳定后的孔隙比，利用受压前后土粒体积不变和土样横截面积不变的两个条件，得出受压前后土粒体积：只要测定土样在各级压力作用下的稳定压缩量后，就可按上式算出相应的孔隙比e，从而绘制土的压缩曲线。,.,.,压缩曲线可按两种方式绘制，一种是采用普通直角座标绘制的曲线,在常规试验中，一般按50、100，200，300，400kPa五级加荷，另一种的横座标则取的常用对数取值，即采用半对数直角座标纸绘制成曲线，试验时以较小的压力开始，采取小增量多级加荷，并加到较大的荷载(例如1000kPa)为止.,.,三、压缩性指标压缩系数压缩性不同的土，其曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高，所以，曲线上任一点的切线斜率a就表示了相应压力p作用下土的压缩性：,土的压缩性可用图中割线的斜率表示，割线与横座标的夹角为，则，,为了便于应用和比较，通常采用压力间隔由增加到时所得的压缩系数来评定土的压缩性。0.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-10.5MPa-1中压缩性土0.5MPa-1高压缩性土,.,压缩指数,.,压缩模量（线变形模量）定义：土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量之比值。与压缩系数成反比对土的压缩性划分：15MPa低压缩性土15MPa4MPa中压缩性土4MPa高压缩性土,.,3基础最终沉降量计算一、分层总和法地基的最终沉降量，通常采用分层总和法进行计算，即在地基沉降计算深度范围内划分为若干分层计算各分层的压缩量，然后求其总和，计算时应先按基础荷载、基础形状和尺寸，以及土的有关指标求得土中应力的分布(包括基底附加压力，地基中的自重应力和附加应力)。计算地基最终沉降量的分层总和法，通常假定地基土压缩时不允许侧向变形(膨胀)，即采用侧限条件下的压缩性指标，为了弥补这样得到的沉降量偏小的缺陷，通常取基底中心点下的附加应力进行计算。,.,分层总和法沉降计算方法与步骤（1）按比例尺绘制地基土层剖面图和基础剖面图；（2）地基土的分层。分层厚度一般取0.4b或1-2m,此外,成层土的界面和地下水面是当然的分层面；（3）地基竖向自重应力的计算。分别计算基底处、土层层面处及地下水位面处的自重应力，并画在基础中心线的左侧；（4）计算基础底面中心点下各分层界面处的附加应力，并画在基础中心线的右侧；（5）计算地基各分层自重应力平均值（）和自重应力平均值与附加应力平均值之和（）；,.,（6）由土的压缩曲线分别依；（7）确定地基沉降计算深度（地基压缩层深度）。所谓地基沉降计算深度是指自基础底面向下需要计算压缩变形所到达的深度，亦称地基压缩层深度。该深度以下土层的压缩变形值小到可以忽略不计。地基沉降计算深度的下限，一般取地基附加应力等于自重应力的20%处，即处，在该深度以下如有高压缩性土，则应继续向下计算至处，计算精度均为5kPa。（8）计算地基各分层的沉降量：（9）计算地基最终沉降量：,.,二、建筑地基基础设计规范法规范所推荐的地基最终沉降量计算方法是另一种形式的分层总和法,它也采用侧限条件的压缩性指标，并运用了平均附加应力系数计算，还规定了地基沉降计算深度的标准以及提出了地基的沉降计算经验系数，使得计算成果接近于实测值。1、第i分层压缩量的计算对于图所示的第i分层，其压缩量为,.,2、基础沉降计算深度规范规定：由深度处向上取按表4-3规定的计算厚度所得的计算沉降量应满足,按上式所确定的沉降计算深度下若有软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层中满足上式为止。当无相邻荷载影响，基础宽度在l-50m范围内时，基础中点的地基沉降计算深度按规范规定，也可按下列简化公式计算：,.,3、规范推荐的地基最终沉降量的计算公式如下：,式中S按分层总和法计算的地基沉降量：沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用表3-4的数值，表中为深度范围内土的压缩模量当量值，其余参量意义同前。,.,4饱和粘性土的单向渗透固结理论一、太沙基渗压模型弹簧模拟土骨架，圆筒内的水就相当于土孔隙中的水。,.,二、有效应力原理前述在研究土中自重应力分布时，都只考虑土中某单位面积上的平均应力。实际上，如图所示，土中任意截面(a-a截面)上都包括有土粒和粒间孔隙的面积在内，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，而粒间应力又是影响土体强度的一个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。同时，通过土中孔隙传递的压应力，称为孔隙压力，孔隙压力包括孔隙中的水压应力和气压应力。产生于土中孔隙水传递的压应力，称为孔隙水压力。饱和土中的孔隙水压力有静止孔隙水压力和超静孔隙水压力之分。,.,为了研究有效应力，取饱和土单元体中任一水平断面，但并不切断任何一个固体粒，而只是通过土粒之间的那些接触面，如图所示。图中横截面面积为A，应力等于该单元体以上土、水自重或外荷，此应力则称为总应力。在b-b截面上，作用在孔隙面积上的(超静)孔隙水压力u(注意超静孔隙水压力不包括静止孔隙水压力，而超静孔隙水压力又往往简称孔隙水压力)，而各力的竖向分量之和称为有效应力，具有关系式：,结论：饱和土中任意点的总应力，总是等于有效应力与(超静)孔隙水压力u之和。,有效应力原理,.,三、渗压过程中的应力转换设想以弹簧来模拟土骨架，圆筒内的水就相当于土孔隙中的水，则此模型可以用来说明饱和土在渗透固结中，土骨架和孔隙水对压力的分担作用，即施加在饱和土上的外压力开始时全部由土中水承担，随着土孔隙中,一些自由水的挤出，外压力逐渐转嫁给土骨架，直到全部由土骨架承担为止。当在加压的那一瞬间,由于，所以，而当固结变形完全稳定时，则，u0。因此：只要土中孔隙水压力还存在，就意味着土的渗透固结变形尚未完成。换句话说，饱和土的固结就是孔隙水压力的消散和有效应力相应增长的过程。,.,五、饱和土的单向渗透固结理论为求饱和土层在渗透固结过程中任意时间的变形，通常采用太沙基(K.Terzaghi，1925)提出的一维固结理论进行计算。其适用条件为荷载面积远大于压缩土层的厚度，地基中孔隙水主要沿竖向渗流。对于堤坝及其地基，孔隙水主要沿二个方向渗流，属于二维固结问题，对于高层房屋地基，则应考虑三维固结问题。,.,如图4-9所示的是一维固结的情况之一，其中厚度为H的饱和粘性土层的顶面是透水的、而其底面则不透水。假使该土层在自重作用下的固结已经完成，只是由于透水面上一次施加的连续均布荷载才引起土层的固结。,.,一维固结理论的基本假设如下：1土是均质、各向同性和完全饱和的；2土粒和孔隙水都是不可压缩的；3土中附加应力沿水平面是无限均匀分布的，因此土层的压缩和土中水的渗流都是一维的；4土中水的渗流服从于达西定律；5在渗透固结中，土的渗透系数和压缩系数都是不变的常数；6外荷是一次瞬时施加的。,.,在饱和土层顶面下z深度处的一个微单元体。根据固结渗流的连续条件，该微单元体在某时间的水量变化应等于同一时间该微单元体中孔隙体积的变化率，可得（4-42）,上式即饱和土的一维固结微分方程，其中称为土的竖向固结系数。一定初始条件(开始固结时的附加应力分布情况)和边界条件(可压缩土层顶底面的排水条件)如下：当t0和时和z0时u0和zH时和时u0,.,根据以上的初始条件和边界条件，采用分离变量法可求得式(4-42)的特解如下：,竖向固结时间因数，其中为竖向固结系数，t为时间（年），H为压缩土层最远的排水距离，当土层为单面(上面或下面)排水时，H取土层厚度，双面排水时，水由土层中心分别向上下两方向排出，此时H应取土层厚度之半。,.,固结度计算有了孔隙水压力u随时间t和深度z变化的函数解，即可求得地基在任一时间的固结沉降。此时，通常需要用到地基的固结度(或固结百分数)U这个指标，其定义如下,或,对于竖向排水情况，由于固结沉降与有效应力成正比，所以某一时刻有效应力图面积和最终有效应力图面积之比值，称为竖向排水的平均固结度，其可推导为,.,.,6建筑物的地基变形允许值一、概述二、地基变形特征1、沉降量基础中心点的沉降量。2、沉降差相邻单独基础沉降量的差值。3、倾斜单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。4、局部倾斜砌体承重结构沿纵墙610m基础两点的沉降差与其距离的比值。,.,.,1概述抗剪强度f：土的抗剪强度是指土抵抗剪切破坏的极限能力。过土中一点的某平面上的剪应力与该面上土的剪切抵抗能力相比较可能的三种情况：f弹性平衡状态=f极限平衡状态f塑性平衡状态（发生剪切破坏）,第五章土的抗剪强度与地基承载力,.,2土的抗剪强度定律一、库伦公式1776年CA库伦(Coulomb)根据砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即,以后又提出了适合粘性土的更普遍的形式,和统称库伦公式或库伦定律。C，称为土的抗剪强度指标或抗剪强度参数。,.,库伦定律在f-坐标系中表示为两条直线。,.,由库伦公式可以看出，无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于颗粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，其大小决定于颗粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。粘性土的抗剪强度由两部分组成：一部分是摩擦力，另一部分是土粒之间的粘结力，它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。,根据K太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体内的剪应力仅能由土的骨架承担，因此，土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数，库伦公式应修改为,.,二、土的极限平衡条件当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点即处于极限平衡状态，根据莫尔库伦理论，可得到土体中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件。土中一点的应力状态,求解得：,已知M点的大、小主应力1，3，与大主应力1作用面成角的平面上应力可根据静力平衡条件得出,M点的大、小主应力1，3，与大主应力1作用面与水平面的夹角,.,土中一点的极限平衡条件土中一点某平面上的剪应力等于该平面上土的抗剪强度，称该平面达到极限平衡状态，该点也处于极限平衡状态。,为了建立土的极限平衡条件，可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张座标图上。它们之间的关系有以下三种情况：(1)整个莫尔圆位于抗剪强度包线的下方，说明该点在任何平面上的剪应力都小于土所能发挥的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；(2)抗剪强度包线是莫尔圆的一条割线，说明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，实际上这种情况是不可能存在的；(3)莫尔圆与抗剪强度包线相切(圆)，切点为A，说明在A点所代表的平面上，剪应力正好等于抗剪强度，该点就处于极限平衡状态。圆称为极限应力圆。根据极限应力圆与抗剪强度包线之间的几何关系，可建立极限平衡条件方程。,.,设在土体中取一微单元体，如图所示，mn为破裂面，它与大主应力的作用面成角。该点处于极限平衡状态时的莫尔圆如图所示。将抗剪强度线延长与轴相交于R点，由三角形ARD可知：,.,.,.,.,土的抗剪强度理论1、土的强度破坏是由于土中某点剪切面上的剪应力达到了土的抗剪强度造成的。2、剪裂面发生在与大主应力作用面夹角呈的斜面上。3、达到极限平衡状态时，应力圆与抗剪强度线相切，且满足粘性土无粘性土c=0且一组极限应力圆的包线就是土的抗剪强度线。,.,3抗剪强度的测定方法,确定土的抗剪强度指标的试验称为剪切试验。常用的试验方法室内：直接剪切试验三轴压缩试验无侧限抗压试验原位测试：十字板剪切试验大型直接剪切试验,.,一、直接剪切试验直接剪切仪分为应力控制式和应变控制式两种，前者是等速推动试样产生位移，测定相应的剪应力，后者则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移，我国普遍采用的是应变控制式直剪仪.该仪器的主要部件由固定的上盒和活动的下盒组成，试样放在上下盒内上下两块透水石之间。,.,试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试件施加某一垂直压力，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与上盒接触的量力环的变形值计算确定。在剪切过程中，随着上下盒相对剪切变形的发展，土样中的抗剪强度逐渐发挥出来，直到剪应力等于土的抗剪强度时，土样剪切破坏，所以土样的抗剪强度可用剪切破坏时的剪应力来量度。,.,对同一种土至少取4个试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa，将试验结果绘制成如图5-11所示的抗剪强度和垂直压力之间关系，试验结果表明，对于粘性土基本上成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角，在纵轴上的截距为粘聚力c，直线方程可用库伦公式表示，对于无粘性土，之间关系则是通过原点的一条直线。,.,为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接剪切试验可分为快剪、固结快剪和慢剪三种方法。快剪试验是在试样施加竖向压力后，立即快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪是允许试样在竖向压力下充分排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。慢剪试验是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。,.,优点：构造简单，操作方便缺点：剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；剪切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；在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算的；试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力，在进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别是对于饱和粘性土，由于它的抗剪强度受排水条件的影响显著，故不排水试验结果不够理想。,.,二、三轴压缩试验三轴压缩试验是测定土抗剪强度的种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成，如图所示。,.,.,常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。设剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力为，则试件上的大主应力为，而小主应力为，以()为直径可画出一个极限应力圆，用同一种土样的若干个试件(三个以上)按以上所述方法分别进行试验，每个试件施加不同的周围压力，可分别得出剪切破坏时的大主应力，将这些结果绘成一组极限应力圆。,.,由于这些试件都剪切至破坏，根据莫尔库伦理论，作一组极限应力圆的公共切线，即为土的抗剪强度包线，通常可近似取为一条直线，该直线与横座标的夹角即土的内摩擦角，直线与纵座标的截距即为土的粘聚力c。,.,三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法：(1)不固结不排水试验试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。(2)固结不排水试验试样在施加周围压力时打开排水阀门，允许排水固结，待固结稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。(3)固结排水试验试样在施加周围压力时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。,.,三、无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验如同在三轴仪中进行0的不排水剪切试验一样，试验时，将圆柱形试样放在如图所示的无侧限抗压试验仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力qu称为无侧限抗压强度。,.,根据试验结果，只能作一个极限应力圆()。因此对于一般粘性土就难以作出破坏包线。而对于饱和粘性土，根据在三轴不固结不排水试验的结果，其破坏包线近似于一条水平线，即。这样，如仅为了测定饱和粘性土的不排水抗剪强度，就可以利用构造比较简单的无侧限抗压试验仪代替三轴仪。此时，取，则由无侧限抗压强度试验所得的极限应力圆的水平切线就是破坏包线，由图(b)得,三、无侧限抗压强度试验,.,四、十字板剪切试验室内的抗剪强度测试要求取得原状土样，但由于试样在采取、运送、保存和制备等方面不可避免地受到扰动，含水量也很难保持，特别是对于高灵敏度的软粘土，室内试验结果的精度就受到影响。因此，采用现场测试土体抗剪强度指标具有重要意义。它不需取原状土样，试验时的排水条件，受力状态与土所处的天然状态比较接近，对于很难取样的土(例如软粘土)也可以进行测试。在抗剪强度的原位测试方法中，目前国内广泛应用的是十字板剪切试验。,.,实用上为了简化计算，目前在常规的十字板试验中仍假设，将这一假设代入上式中，得,由于十字板在现场测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果应与无侧限抗压强度试验结果接近，即,设剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该与剪切破坏圆柱面(包括侧面和上下面)上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即：,.,开口钢环式十字板剪切仪,1手柄；2齿轮；3蜗轮；4开口钢环；5导杆；6特制键；7固定夹；8量表；9支座；10压圈；11平衡弹子轮；12锁紧轴；13底座；14导轮；15制紧轴；16固定套,.,一、地基变形的三个阶段（一）压密阶段比例界限荷载Pa或临塑荷载Pcr（二）剪切阶段局部剪破阶段（三）破坏阶段极限荷载Pu,4地基破坏过程及按塑性区发展范围确定地基承载力,.,二、地基破坏类型试验研究表明，在荷载作用下，建筑物地基的破坏通常是由于承载力不足而引起的剪切破坏，地基剪切破坏的型式可分为整体剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏,.,三、按塑性区发展范围确定地基承载力通过研究地基中任一点M处产生的大、小主应力和该点的大、小主应力应满足的极限平衡条件，可得上式为塑性区的边界方程，根据上式可绘出塑性区的边界线。塑性区的最大深度为,.,当荷载增大时，塑性区就发展，该区的最大深度也随而增大，若表示地基中刚要出现但尚未出现塑性区，相应的荷载为临塑荷载。因此，在最大深度公式中令，得临塑荷载的表达式如下：,国内某些地区的经验认为，在中心垂直荷载作用下，塑性区的最大深度可以控制在基础宽度的1/4，相应的荷载用表示因此，令得出荷载公式为：,.,5按极限荷载确定地基承载力一、普朗特尔极限承载力理论根据土体极限平衡理论，对于一无限长的、底面光滑的条形荷载板置于无质量的土的表面上，当荷载板下的土体处于塑性平衡状态时，塑流边界如图所示。,.,对于以上所述情况，普朗德尔得出极限承载力的理论解为,其中,如果考虑到基础有埋置深度d，将基底水平面以上的土重用均布荷载代替。赖斯纳(Reissner，1924)得出极限承载力还须加一项，即,其中,.,魏西克（A.S.Vesic）于20世纪70年代在普朗特尔理论的基础上，考虑土的自重影响，得出了条形基底中心荷载作用下极限承载力基本公式为：,式中承载力系数，分别查表或由以下各式确定：,.,二、太沙基方法因为基底实际上往往是粗糙的，太沙基假设基底与土之间的摩擦力阻止了在基底处剪切位移的发生，因此直接在基底以下的土不发生破坏而处于弹性平衡状态，破坏时，它象一“弹性核”随着基础一起向下移动，如图所示的区。,由作用于土楔上的各力在垂直方向的静力平衡条件，得,.,对于所有一般的情况，太沙基认为浅基础的地基极限承载力可近似地假设为分别由以下三种情况计算结果的总和：(1)土是无质量的，有粘聚力和内摩擦角，没有超载;(2)土是没有质量的，无粘聚力有内摩擦角，有超载;(3)土是有质量的，没有粘聚力，但有内摩擦角，没有超载。极限承载力公式,对于地基发生局部剪切破坏的情况，太沙基建议对土的抗剪强度指标进行折减，即取，根据调整后的由图查得、值。或者根据由图查得、值，再按下式计算局部剪切破坏时的极限承载力,.,第六章土压力与土坡稳定,1土压力的种类与影响因素挡土墙-防止土体坍塌的构筑物。其种类有：支撑建筑物周围填土的挡土墙，地下室侧墙，桥台以及贮藏粒状材料的挡墙等。土压力-挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。土压力随挡土墙可能位移的方向分为主动土压力，被动土压力和静止土压力。,.,一、土压力的种类静止土压力Eo当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力称为静止土压力，用Eo表示。主动土压力Ea当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力，一般用Ea表示。被动土压力Ep当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力，用Ep表示。二、土压力的影响因素挡土墙的位移；挡土墙的形状；填土的性质。,.,2静止土压力的计算一、产生的条件挡土墙无任何方向的位移和转动，即位移和转角均为零。二、计算公式静止土压力可按以下所述方法计算，在填土表面下任意深度z处取一微小单元体，其上作用着竖向的土自重应力，则该处的静止土压力强度可按下式计算：由上式可知，静止土压力沿墙高为三角形分布，如果取单位墙长，则作用在墙上的静止土压力为：,Eo作用点在距墙底h/3处,.,3朗肯土压力理论,一、主动土压力基本概念朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。为满足极限平衡条件，假定：(1)挡土墙是刚性的，墙背铅直；(2)挡土墙墙后填土表面是水平的；(3)墙背光滑，与填土间没有摩擦力。,.,如图表示一表面为水平面的半空间，即土体向下和沿水平方向都伸展至无穷，在距地表z处取一单位微体M的竖向自重应力为，水平自重应力为。由于土体内每一竖直面都是对称面，因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零，因而相应截面上的法向应力和都是主应力，分别为大、小主应力。,.,如果土体在水平方向伸展，则M单元在水平截面上的法向应力不变而竖直截面上的法向应力却逐渐减少，直至满足极限平衡条件为止(称为主动朗肯状态)，此时达最低限值，因此，是小主应力，而是大主应力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。,.,计算公式由土的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主应力和小主应力之间应满足以下关系式：粘性土：或无粘性土：或,.,对于如图所示的挡土墙，设墙背光滑、直立，填土面水平。当挡土墙偏离土体时，由于墙后土体中离地表为任意深度处的竖向应力不变，亦即大主应力不变，而水平应力却逐渐减少直至产生主动朗肯状态，此时是小主应力，也就是主动土压力强度，由极限平衡条件式得：,无粘性土：,或,粘性土：,或,.,1、无粘性土的主动土压力无粘性土的主动土压力强度与z成正比，沿墙高的压力分布为三角形，如图所示，如取单位墙长计算，则主动土压力为：,或,通过三角形的形心，即作用在离墙底H3处。2、粘性土的主动土压力粘性土的主动土压力强度包括两部分：一部分是由土自重引起的土压力，另一部分是由粘聚力c，引起的负侧压力，这两部分土压力叠加的结果如图4-6(c)所示，其中ade部分是负侧压力，对墙背是拉力，但实际上墙与土在很小的拉力作用下就会分离，故在计算土压力时，这部分应略去不计，因此粘性土的土压力分布仅是abc部分。,.,a点离填土面的深度常称为临界深度，在填土面无荷载的条件下，可令主动土压力公式为零求得值，即：,得,如取单位墙长计算，则主动土压力合力为：,.,二、被动土压力当墙受到外力作用而推向土体时，填土中任意一点的竖向应力仍不变，而水平向应力却逐渐增大，直至出现被动朗肯状态，此时达最大限值，因此是大主应力，也就是被动土压力强度，而则是小主应力。于是由极限平衡条件可得:无粘性土：粘性土：,无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布，粘性土的被动土压力强度则呈梯形分布。如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：无粘性土:粘性土：,.,4库伦土压力理论库伦土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。其基本假设是：墙后的填土是理想的散粒体(无粘性土)；滑动破坏面为通过墙踵的平面；滑动楔体视为刚体。,.,土楔体的自重G=BC*AD*/2破坏面BC上的反力R，其大小是未知的。墙背对土楔体的反力E，与他大小相等、方向相反的力就是墙背上的土压力。,一、主动土压力一般挡土墙的计算均属于平面问题，故在下述讨论中均沿墙的长度方向取1m进行分析，如图所示。当墙向前移动或转动而使墙后土体沿某一破坏面BC破坏时，土楔ABC向下滑动而处于主动极限平衡状态。此时，作用于土楔ABC上的力有：,.,土楔体在以上三个力作用下处于静力平衡状态，因此必构成一个闭合的力矢三角形，按正弦定律可知：,在上式中，只有滑动面BC与水平面的夹角是未知的，其余参数都是已知的，也就是说，E是的函数。E的最大值即为墙背的主动土压力，其所对应的滑动面即是土楔最危险的滑动面。,式中Ka库伦主动土压力系数,.,二、被动土压力当墙受外力作用推向填土，直至土体沿某一破裂面BC破坏时，土楔ABC向上滑动，并处于被动极限平衡状态。此时土楔ABC在其自重W和反力R和E的作用下平衡，R和E的方向都分别在BC和AB面法线的上方。按上述求主动土压力同样的原理可求得被动土压力的库伦公式为：,式中被动土压力系数,.,5特殊情况的土压力计算一、填土表面有均布荷载,.,二、墙后填土为成层土,.,三、墙后填土有地下水,.,6挡土墙稳定分析一、挡土墙的类型(一)重力式挡土墙(二)悬臂式挡土墙(三)扶壁式挡土墙,.,(四)锚杆及锚定板挡土墙,(五)其他型式挡土结构,.,二、挡土墙的计算挡土墙的计算通常包括下列内容：(1)稳定性验算，包括抗倾覆和抗滑移稳定验算，(2)地基的承载力验算(3)墙身强度验算：应根据墙身材料分别按砌体结构、素混凝土结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行。挡土墙的稳定性破坏通常有两种形式，一种是在主动土压力作用下外倾，对此应进行倾覆稳定性验算，另一种是在土压力作用下沿基底外移，需进行抗滑移稳定性验算