《土力学与地基基础》PPT课件.ppt

土力学与基础，讲座：刘增荣教授的教材：“基础与基础”，主编：华南理工大学等机构出版社：中国建筑工业出版社，导论1，土力学，基础与基础相关概念1土力学研究土的应力、变形、强度和稳定性规律以及土与结构相互作用的力学的一个分支，称为土力学。地基-支撑建筑物负荷并受建筑物影响的那部分地层称为地基。3基础将荷载传递给基础的建筑下部结构是基础(见图0-1)。4基础设计的先决条件：在设计建筑物之前，必须对建筑场地进行基础调查，以充分了解和研究地基土(岩石)的成因和结构、其物理和力学性质、地下水条件以及是否存在(或可能存在)不良地质现象(如滑坡、岩溶、地震等)。)影响场地的稳定性，从而对场地构件做出正确的评价。基础设计的两个基本条件：(1)要求作用在基础上的荷载不超过基础的承载力，以保证基础有足够的安全储备，防止整体破坏；(2)控制基础沉降，使其不超过基础的允许变形值，以保证建筑物不会因基础变形而损坏或影响其正常使用。6基础结构类型：7基础类型8基础设计方案的选择原则9基础和基础的重要性。2.本课程的特点和学习要求1。课程特点：(1)基础与基础课程涉及工程地质、土力学、结构设计与施工等多个学科领域，内容广泛，综合性强；(2)课程具有理论性和实践性。学习要求：(1)学习和掌握土力学的基本原理，如土的应力、变形、强度和地基计算；(2)学习和掌握浅基础和桩基的设计方法；(3)熟悉土壤物理力学性质原位测试技术和室内土工试验方法；(4)注重工程地质基础知识的学习，了解工程地质调查的程序和方法，注重工程地质调查数据阅读和使用能力的培养。第1章土壤的物理性质和分类1-1概述1土壤的定义：土壤是在各种自然环境中，由风化形成的连续的坚硬岩石和不同大小的颗粒通过不同的运输方式产生的沉积物。(2)土壤的三相组成：土壤的物质组成包括作为土壤骨架的固体矿物颗粒、水和孔隙中的溶解物质以及气体。因此，土壤是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)组成的三相系统。1-2土壤的形成1。地质作用概念1。地球的圈层结构：外层圈层：大气层、水圈和生物圈；内层：地壳、地幔和地核。形成天然地基的材料是地壳中的岩石和土壤。地壳的总厚度为30-80公里。地质过程-导致地壳成分变化和结构变化的过程。根据地质作用的能量来源不同，可分为内力地质作用和外力地质作用(1)内力地质作用：地球自转产生的旋转能和放射性元素转化产生的热能等引起地壳物质组成、内部结构和表面形态变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。1)岩浆作用一种地质作用，其中高温高压的复杂硅酸盐熔体(岩浆)存在于地壳深处，侵入地壳或沿地壳薄弱地带喷出地表，凝结后成为岩浆岩。2)地壳运动地壳的抬升和水平运动。向上和向下的运动表现为地壳的上拱和下凹，形成大规模的构造隆起和凹陷：水平运动表现为水平运动1)风化外力(包括大气、水和生物)对原岩的机械破碎和化学变化的影响。2)沉积岩的形成和原岩(碎屑物质)的土壤风化产物在外力作用下，如雨、雪、急流、河流、湖波、波浪、冰川或风的作用下，被侵蚀并输送到大陆的低洼地区或海底沉积。在漫长的地质时期，沉积物质逐渐增厚。在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁和其他水泥的作用下，最初沉积的软碎屑物质逐渐被压实、脱水、胶结和硬化，形成新的岩石，称为沉积岩。没有成岩作用产生的所谓沉积物通常也称为“土壤”。3)风化、剥蚀、搬运和沉积外部地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运和沉积密切相关。风化为剥蚀创造了条件，而风化、剥蚀和搬运为沉积提供了物质来源。剥蚀和沉积在一定的时间和空间范围内受一定的方面控制。例如，河流上游以剥蚀为主，下游以沉积为主，山区以剥蚀为主，平原以沉积为主。第二，矿物和岩石的概念岩石一种或多种矿物的集合体。矿物地壳中自然存在的自然元素或化合物，具有某些物理性质、化学成分和形式。(1)造岩矿物称为造岩矿物。矿物根据其形成条件可分为原生矿物和次生矿物。区分矿物可以基于它们的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重和其他特征。(2)岩石的主要特征包括矿物组成、结构和构造。岩石的结构岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状，以及它们之间的相互结合。岩石结构-岩石中矿物的排列和填充。岩浆岩、沉积岩和变质岩按成因分为三大类，其亚类见表1-3、1-4和1-5。三个地质时代的概念地质时代地壳发展的历史与地壳运动、沉积环境和生物进化相对应的时期。相对地质时代-根据古生物的演化和岩层的形成顺序划分的地质时代。在地质学上，根据地层对比和古生物学方法，地质相对年龄分为五个主要世代(太古代、元古代、古生代、中生代和新生代)。每一代人被分成几个时期，每个时期又被分成几代人和几个时期。每个地质时代都有相应的地层(见表1-6)。新生代的最新时期被称为第四纪。未胶结和硬化的沉积物(层)是由原始岩石的风化产物(碎屑物质)通过各种外部地质过程(剥蚀、运输和沉积)形成的，通常称为“第四系沉积物(层)”或“土壤”。第四纪沉积物(层)不同成因类型的第四纪沉积物具有一定的分布规律和工程地质特征。以下是主要的遗传类型。(1)残留物、斜坡和洪积物1。残余物和残渣是原岩的一部分风化和侵蚀的产物，原岩仍留在原地，没有被运输，而另一部分被风和降水带走。2.斜坡。斜坡是由雨雪流的地质作用形成的沉积物，它缓慢地冲刷和剥蚀高岩石的风化产物，逐渐向坡下移动，并沉积在相对平缓的斜坡上。洪积(Q)是暴雨突然堆积或大量融雪形成的临时急流，具有很大的剥蚀和输送能力。它冲刷地球表面，并在山谷和冲沟的出口或山前的倾斜平原堆积大量碎屑，形成洪积物(图1-4)。洪水扇群由相邻冲沟和冲沟中的洪水扇组成(图L-5)。如果它逐渐扩大甚至连接起来，就会形成冲积洪泛平原的地貌单元。洪积层通常呈现不规则的交错层理结构，如夹层、尖灭或l平原河谷冲积平原河谷除河床外，大部分都有洪泛平原和阶地地貌单元(图1-7)。2.山谷中的冲积层位于山区。山谷的两边都很陡峭，大多数只有河谷阶地(图1-8)。(3)除上述四种沉积物外，其他沉积物包括海洋沉积物、湖泊沉积物、冰川沉积物和风成沉积物。它们分别由海洋、湖泊、冰川和风的地质作用形成。1-3土壤成分。土壤中固体颗粒(简称土壤颗粒)的大小和形状、矿物成分和组成是决定土壤物理和力学性质的重要因素。(一)土壤的粒度分布在土壤的性质上，是由不同大小的土壤颗粒组成的。当土壤颗粒的粒径从粗到细逐渐变化时，土壤的性质也随之变化。例如，土壤的性质可以从无粘性变为粘性，颗粒变细。将土壤中不同粒径的土壤颗粒按照合适的粒径范围划分为多个颗粒群，每个颗粒群呈现出不同边界尺寸的某些定性变化。被划分的颗粒组的边界尺寸被称为边界颗粒尺寸。表l-8提供了常用的土壤颗粒群分类方法。在表中，土壤颗粒根据200、20、2、0.05和0.005毫米的边界颗粒大小分为六组：漂石颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾石(角砾岩)颗粒、砂颗粒、淤泥颗粒和粘土颗粒。土壤颗粒的大小和组成通常用土壤中各颗粒群的相对含量(各颗粒群在土壤颗粒总量中的百分比)来表示，这称为土壤颗粒级配。颗粒分析试验：筛分法；根据粒度分析的测试结果，比重计法可以绘制出如图1-10所示的颗粒级配累积曲线。土壤的有效粒径可以通过曲线的斜率来判断。限制颗粒大小。集料级配曲线可用于确定土壤颗粒的级配指数。例如，和的比值称为非均匀系数。例如，曲率系数由以下公式表示：非均匀系数反映不同大小的粒子组的分布。土壤粒径分布范围越大，级配越好。当用作填土工程的土料时，更容易获得较大的密实度。曲率系数描述了聚合曲线的分布范围，并反映了曲线的整体形状。粒度分布可以在一定程度上反映土壤的某些性质。(2)土壤颗粒的矿物组成土壤颗粒的矿物组成主要由母岩的组成及其经历的风化作用决定。不同的矿物组成对土壤性质有不同的影响，其中细粒组的矿物组成尤为重要。1.这六个大颗粒群的矿物成分是粗颗粒，如漂石、卵石和圆砾石。沙粒；粉末；粘土颗粒。2.粘土矿物的比表面由于粘土矿物是非常小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力。表面积越大，这种能力就越强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积(或质量)颗粒的总表面积(称为比表面积)来表示。由不同土壤颗粒大小引起的比表面积的巨大变化将不可避免地导致土壤性质的突然变化。因此，土壤颗粒大小对土壤性质起着重要作用。土壤和空气中的水(1)在自然条件下，土壤中的水总是含有水分。土壤中的水可以是液态、固态或气态。土壤中存在的液态水可分为两类：结合水和自由水：1。结合水是指由于带电分子的吸引而吸附在土壤颗粒表面的水。这种电分子的吸引力高达几千到几万个大气压，使得水分子和土壤颗粒的表面紧紧地粘在一起。由于土壤颗粒(矿物颗粒)的表面通常带负电荷，所以在土壤颗粒周围形成电场，并且水分子在电场范围内其性质与普通水相同，能传递静水压力，冰点为0，具有溶解能力。根据作用于自由水运动的力，自由水可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。它是自由水在重力或压差的作用下运动，对土壤颗粒有浮力作用。(2)毛细水中的毛细水是水和空气界面处表面张力下的自由水。毛细水存在于地下水位以上的渗透性土壤中。毛细水根据是否与地下水连通，可分为毛细悬浮水(不直接与地下水连通)和毛细上升水(与地下水连通)。当毛细水局部存在于土壤孔隙中时，毛细水弯月面和土壤颗粒之间接触处的表面重力作用于土壤颗粒，导致土壤颗粒由于这种毛细压力而被紧紧地挤压(图1-14)，因此土壤具有弱的内聚力，称为毛细内聚力。(2)土壤中的空气。土壤中的气体存在于土壤孔隙中不被水占据的部分。第三，土壤结构和结构性土壤结构是指土壤颗粒单元的大小、形状、相互排列和连接所形成的综合特征。一般分为三种基本类型：单颗粒结构、蜂窝状结构和絮状结构。在同一土层中，物质成分和颗粒大小彼此相似的部分之间的关系是土壤结构的特征，土壤结构最重要的特征是层理结构。土壤结构的另一个特征是它的裂缝。1-4土壤三相比例指数。前一节介绍了土壤的组成，特别是土壤颗粒的颗粒组成和矿物组成，这是从本质上理解土壤性质的基础。然而，为了了解土壤的基本物理性质，有必要对土壤中三相土壤颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)的组成进行定量研究。土壤三相比例指数：土壤颗粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙度、孔隙比和饱和度。1-5无粘性土和无粘性土的密实度与其工程性质密切相关。当处于密实状态时，强度相对较高，可作为良好的天然地基，而当处于松散状态时，则为不良地基。对于同类型的无粘性土，当孔隙比小于一定极限时，处于密实状态，随着孔隙比的增大，处于中密、稍密直至松散状态。以下是与无粘性土的最大和最小孔隙率以及相对密实度相关的密实度指标。无粘性土的相对密实度为，根据该值，砂土的密实状态可分为以下三种类型：密实-中密-松散、砂土的密实度、砾石土的密实度、1-6粘性土的物理特性、一种粘性土的边界含水量、因含水量不同而呈固态、半固态、塑性状态和流动状态的粘性土的边界含水量，称为边界含水量。目前，我国的液限和塑限是用组合法确定的。粘性土的塑性指数和液体指数。塑性指数是指液限与塑限之差(省略%符号)，即塑性状态下土壤含水量变化的范围。塑性指数的大小与土壤中结合水的含量有关。2 .液体指数是指天然含水量和粘性土塑性极限之间的差值与塑性指数的比值。水力指数可用于指示粘性土的软硬状态，如表4-14所示。3.粘性土和粘性土在触变自然状态下的敏感性通常具有一定的结构性。当受到外部因素的干扰时，由土壤颗粒、土壤颗粒、离子和水分子之间的粘性物质组成的平衡系统被破坏，土壤的强度降低，压缩性增加。土壤结构对强度的影响通常用灵敏度来衡量。土壤的敏感性由下式表示1-7土壤渗透性，土壤渗透性一般指水通过土壤中的孔隙流动的性质，或渗透性。地下水在土壤中的渗流速度一般可以根据达西定律，根据实验得到的线性渗透率定律来计算。其公式如下(图1-25):达西粘性土定律，1-8地基土(岩)的分类，地基土(岩)分类的任务是根据分类目的的不同和土(岩)的各种性质将其划分为一定的类别。土(岩)的合理分类具有重要的现实意