东南大学基础工程PPT课件

.,1,东南大学远程教育,基础工程,第一章,主讲教师童小东,.,2,本课程的教材,高等学校推荐教材地基及基础（第三版）华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学编，中国建筑工业出版社，1998,.,3,本课程的主要内容,第1章绪论；第2章土的物理性质及分类；第3章地基的应力和沉降；第4章土的抗剪强度；第5章土压力、地基承载力和土坡稳定性；第6章地基勘察；第7章浅基础常规设计；第8章桩基础；第9章软弱土地基处理,.,4,第1章绪论,一、地基及基础的概念二、本学科的发展概况三、本课程的特点和学习要求,.,5,一、地基及基础的概念,建筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。受建筑物影响的那一部分地层称为地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。,建筑物,上部结构,基础,地基,.,6,基础,上部结构,地基,建筑物三部分示意图,.,7,建筑物的上部结构、基础和地基三部分，功能不同，研究方法各异，但它们又是建筑物的有机组成部分，缺一不可、彼此联系、相互制约。所以，科学的、理想的方法是将三部分统一起来进行设计计算。依目前的理论水平，还很难做到这一点。尽管如此，我们在处理地基基础问题时，头脑里一定要有地基-基础-上部结构相互作用的整体概念，尽可能全面地加以考虑。,.,8,建筑物的地基和基础是建筑物的根本，它们一旦出现问题，建筑物的安全和正常使用必然受到影响。建筑物的事故，绝大多数都与地基和基础有关。组成地层的土或岩石是自然界的产物。建筑物建造在地层上面，所以建筑物场地的工程地质条件是决定地基基础设计和施工的先决条件。,.,9,研究土体的应力、变形、强度、渗流及稳定性的一门力学分支学科称为土力学。土力学是本课程的理论基础。土力学所要研究的两大基本问题是土体的变形和强度。,.,10,地基基础设计必须满足的基本条件,建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化，所以地基基础的设计必须满足：a.作用于地基的荷载不超过地基的承载能力（地基土的强度问题）；b.控制基础沉降使之不超过允许值（地基土的变形问题）。,.,11,基础,浅基础,深基础,地基,天然地基,人工地基,.,12,二、本学科发展概况作为工程技术，基础工程是一项古老的工艺。如前所述，只要建造建筑物，注定离不开地基和基础，因此，作为一项工程技术，基础工程的历史源远流长。但人们只能依赖于实践经验的不断积累和能工巧匠的技艺更新来发展这项技术，囿于当时生产力发展水平，基础工程还未能提炼成为系统的科学理论。,.,13,作为应用科学，基础工程又是一门年轻的学科。作为本学科理论基础的土力学的发展历史可以划分为古典土力学和现代土力学两个阶段。,.,14,土力学,古典土力学,现代土力学,一个原理,两个理论,一个模型,三个理论,四个分支,(19231960),(1963?),.,15,在土建、水利、桥隧、道路、港口等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性，已发展融合成为一个自成体系的专业“岩土工程”。它的研究方法是由三种基本手段（数学模拟、物理模拟和原位观测）综合而成。所谓岩土工程，即为土力学、工程地质学、水文地质学和岩体力学的结合。,.,16,三、本课程的特点和学习要求1.特点：本课程涉及水文地质学、工程地质学、土力学等几个学科领域，内容广泛、综合性强。2.学习要求：牢固掌握土力学中的基本概念和基本原理，做到能够应用这些基本概念和基本原理，结合有关建筑结构理论和施工知识，分析和解决地基基础问题。,.,17,童小东南京东南大学土木工程学院P.C.：210096TelO)，3791829(O)H)E-mail：tongxiaodong,.,18,东南大学远程教育,基础工程,第二章,主讲教师童小东,.,19,第2章土的物理性质及分类,第1节概述第2节土的组成第3节土的三相比例指标第4节无粘性土的密实度第5节粘性土的物理特征第6节土的渗透性第7节地基土（岩）的分类,.,20,第1节概述,土是岩石风化的产物。,风化作用,物理作用：岩石产生量的变化,化学作用,生物作用,岩石产生质的变化,.,21,土是三相体。,土,液相（水）,气相（气）,固相（土颗粒）,土,残积土,运积土,风成沉积土,水成沉积土,冰川沉积土,.,22,饱和土中的孔隙均被水所充填，所以饱和土为二相体。,.,23,第2节土的组成,一、土的固相（一）土的颗粒级配按土颗粒粒径（d）大小将土颗粒分组，称为粒组。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,巨粒：60mm,粗粒：0.07560mm,细粒：0.075mm,土的粒组,.,24,土颗粒的大小及其组成情况，通常以土中土颗粒各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。土的颗粒级配可由土的颗粒大小分析试验（简称颗分试验）测定。,筛析法,密度计法,d0.075mm,颗分试验,.,25,根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配累积曲线（横坐标为粒径，用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含量，用常数坐标表示）。颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的均匀程度。曲线陡，表示粒径大小相差不多，土颗粒比较均匀；曲线缓，表示粒径大小相差悬殊，土颗粒不均匀，级配良好。,.,26,几个特殊粒径：d10,d30,d60小于某粒径的土颗粒质量累积百分数为10%时，相应的粒径称为有效粒径d10。与之类似可以得到d30和d60（限定粒径）。土颗粒的级配指标：不均匀系数Cu=d60/d10曲率系数Cc=(d30)2/(d60d10),.,27,Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大，表示土颗粒大小的分布范围越大，其级配良好。Cc描写累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。在一般情况下，,Cu,10，级配良好,.,28,Cu5,Cc=13,级配良好,砾类土或砂类土,单独用Cu来确定土的级配情况是不够的，需同时参考Cc。,.,29,（二）土粒的矿物成分矿物成分对土的性质有着重要影响，其中以细粒组的矿物成分最为重要。原生矿物：包括石英、长石和云母等。为岩石物理风化的产物，化学性质稳定或较为稳定。次生矿物：为原生矿物化学风化的产物。,土颗粒的矿物成分,原生矿物,次生矿物,.,30,次生矿物主要是粘土矿物。由于晶片结合的情况不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物，主要有蒙脱石、伊里石和高岭石。,硅氧四面体,硅氧晶片,铝氢氧八面体,铝氢氧晶片,的基本单元粘土矿物结构,.,31,蒙脱石：亲水性强（吸水膨胀、脱水收缩）伊里石：亲水性中等高岭石：亲水性差,.,32,二、土的液相,土中水,结合水,自由水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水。,.,33,三、土的气相土孔隙中未被水所占据的部位由气体充填。土中的气体若与大气相通，则对土的力学性质影响不大;若与大气隔绝，使土的压缩性提高，透水性减小。,.,34,四、土的结构和构造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。,土的结构,絮状结构：d0.075mm,分散结构：d0.005mm（粘粒在淡水中）,紧密,疏松,.,35,第3节土的三相比例指标,土的三相比例指标定量反映了土的三相的组成情况，有助于理解土的基本物理性质。,土,液相（水）,气相（气）,固相（土颗粒）,土是三相体。,.,36,为了对土的基本物理性质有所了解，需要对土的三相的组成情况进行定量研究。表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标，包括土粒比重ds、含水量w、密度、孔隙比e、孔隙率n和饱和度Sr。,土粒比重ds：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比。在数值上等于土粒密度，但无量纲。在试验室用“比重瓶法”测定，一般土粒比重的变化幅度不大。,.,37,土的含水量w：土中水的质量与土粒质量之比。在试验室一般用“烘干法”测定。一般来说，同一类土，当含水量增大时，其强度就降低。,土的密度,干密度,饱和密度,有效密度,干重度,饱和重度,有效重度,土的密度：土单位体积的质量。在试验室一般用“环刀法”测定。,.,38,土的孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比。可以用来评价天然土层的密实程度。,土的孔隙率n：土中孔隙体积与土体总体积之比。,土的饱和度Sr：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。,.,39,第4节无粘性土的密实度,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，为良好地基；呈疏松状态时，为不良地基。无粘性土的最小孔隙比emin：处于最紧密状态的孔隙比。在试验室可用“振击法”测定。无粘性土的最大孔隙比emax：处于最疏松状态的孔隙比。在试验室可用“漏斗法”或“量筒法”测定。,.,40,无粘性土的相对密实度Dr：无粘性土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。Dr=(emax-e)/(emax-emin)相对密实度的值介于01之间，值越大，表示越密实。,.,41,第5节粘性土的物理特征,一、粘性土的界限含水量同一种粘性土随着含水量的不同，可分别处于固态、半固态、可塑状态和流动状态。粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称为界限含水量。,0,固态,半固态,可塑状态,流动状态,缩限ws,塑限wp,液限wl,w,.,42,液限仪,锥式液限仪,碟式液限仪,塑限：搓条法,液限,塑限,液限：,液塑限联合测定仪,横坐标：土样含水量,纵坐标：圆锥入土深度,.,43,二、粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数Ip为液限和塑限的差值，表示土处于可塑状态的含水量变化范围。塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素(土的颗粒组成，土的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等)。液性指数Il为粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值。,.,44,液性指数可以表示粘性土所处的软硬状态。液性指数的值越大，表示土质越软。三、粘性土的灵敏度和触变性土的灵敏度：原状土的强度与同一土经重塑（含水量不变，土的结构被彻底破坏）后的强度之比。土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越多。施工中要尽量减少对土结构的扰动。,.,45,土的触变性：粘性土的结构遭到破坏，其强度就会降低，但随着时间发展土体的强度会逐渐恢复，这种胶体化学性质称为土的触变性。,.,46,第6节土的渗透性,土的渗透性：水流通过土中孔隙难易程度的土体性质。达西定律：土中渗流速度v与水力梯度i之间呈线性比例关系（比例常数k称为渗透系数）。公式表示为：v=ki在砂性土中水的流动满足达西定律。,.,47,在粘性土中只有当水头梯度超过起始梯度（临界梯度，梯度阈值）才开始发生渗流。,.,48,第7节地基土（岩）的分类,一、岩石的工程分类（一）岩石按坚硬程度分类1.硬质岩石（qu30MPa）2.软质岩石（qu30MPa）（二）岩石的风化程度1.微风化2.中等风化3.强风化,.,49,二、土的工程分类,一般土,粗粒土,细粒土,砾类土：260mm,砂类土：0.0752mm,粉土：60%,注：有机质含量Wu按烧失量试验确定。【引自中华人民共和国国家标准岩土工程勘察规范（GB50021-94）】,.,51,软土：指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用下形成的软弱土。,物理力学特性软土的,天然孔隙比大：e1,天然含水量高：wwl,压缩系数高,渗透系数小,抗剪强度低,灵敏度高,.,52,淤泥：e1.5,淤泥质土：1.5e1.0,软土,.,53,三、细粒土按塑性图分类粗、细粒组的分界粒径：0.075mm。,土,粗粒土：按颗粒大小及级配分类,细粒土：按塑性图分类,土的塑性指数虽然是划分细粒土的良好指标，但是塑性指数反映的只是一个相对的含水量范围，具有相同的塑性指数，液、塑限却可能完全不同，土性也可能很不相同。,.,54,细粒土的科学合理的分类，应综合考虑塑性指数和液限（或塑限）。,0,Ip,wl,ML,MH,CH,CL,40,:Ip=0.63(wl-20):Ip=10:wl=40%,.,55,有机质土可在相应的土类代号之后缀以代号O，如CHO，MHO等。土的分类标准：1.粗粒土（试样中粗粒组质量总质量的50%）；2.细粒土（试样中细粒组质量总质量的50%）；3.含粗粒的细粒土（试样中粗粒组质量为总质量的2550%）。,.,56,关于几个问题的讨论1.“含水量”的名称：一个指标的名称应能准确地反映其所表示的内容和意义。用中国传统的词语习惯，“量”应为一量词，是有量纲（或单位）的，如“质量”（单位为g或kg）、“重量”（单位为N或kN）等。而从“含水量”的定义看，它是两个质量之比，是无量纲的。,.,57,所以从名称的科学化、规范化的角度，从不至于造成混淆、便于理解的意义上，本人认为“含水量”的名称需更改。现有学者将含水量改称为“含水率”，从无量纲上与定义是符合了，但本人认为似乎还不确切，因为“率”一般反映某相关部分占整体的比例（与时间有关的名词排除在外，如速率），如“升学率”、“效率”、“孔隙率”等；而“含水量”的定义却是整体中部分与部分的比值，所以称“含水率”,.,58,似也不妥，建议称为“含水比”或“水比”。“水比”似更好一些，亦可与“孔隙比”相比照。2.“液性指数”的名称：“塑性指数”为两个含水量（液限和塑限）之差，而“液性指数”却为两个含水量之差的比值，完全不同的概念名称却都用“指数”的称谓，似欠妥，不便于理解。可否改为“相对可塑度”，与“液性指数”的定义相符，也可与无粘性土的“相对密实度”相比照。,.,59,3.有机质含量与烧失量：现行的中华人民共和国国家标准岩土工程勘察规范（GB50021-94）在按“有机质含量”对土进行分类时注明“有机质含量Wu按烧失量试验确定”。中国国家标准汇编（GB7876-87）中是这样定义“烧失量”的：烧失量不包括吸湿水，仅包括有机质和水合水，石灰性土壤中还包括二氧化碳。,.,60,由烧失量的定义可知：有机质含量高，烧失量就高；烧失量高，有机质含量却并不一定高。也就是说，烧失量的高低并不一定能准确地反映土中的有机质含量水平。因此，烧失量与有机质含量是两个不能相等同的概念，二者之间既有联系又存在着区别。而现行的规范却把两个不同的概念混同了。,.,61,由此可见，以与有机质含量不同概念的烧失量作为判定是否为有机土的指标，是不科学的、有失偏颇的。本人建议应当及时地修订现行规范中的有关条款和内容，制定以真正的有机质含量作为衡量指标的科学的判定标准。4.“孔隙率”：从实用价值上看，在土力学中，“孔隙率”这个指标的实用意义不大，况且与“孔隙比”的关系过于简单，两者保留一个即可。这不是原则问题。,.,62,第2章内容勘误,1.p24：从上向下第8行“单位土体积扣除同体积水的质量后”2.p27：从上向下第5行“是因为它所具有的单粘结构决定的”3.p33：表1-18从上向下第3行“粒径大于20mm的颗粒超过全重50%”4.p35：表1-21第1行“粉质粘上”,土粒,粒,60mm,土,.,63,第2章重点内容,1.土的颗粒级配，级配指标2.土中水的分类3.土的结构4.土的三相比例指标的定义5.相对密实度6.粘性土的灵敏度和触变性7.土的工程分类原则8.软土的物理力学特性,.,64,第2章作业,p39：1-2，1-4，1-6，1-7,.,65,东南大学远程教育,基础工程,第三章,主讲教师童小东,.,66,第3章地基的应力和沉降,第1节概述第2节土中自重应力第3节基底压力第4节地基附加应力第5节地基沉降的弹性力学公式第6节土的压缩性第7节地基的最终沉降量,.,67,第8节应力历史对地基沉降的影响第9节地基最终沉降计算问题综述第10节饱和土的有效应力和渗透固结第11节地基沉降发展三分量,.,68,第1节概述,自重应力：地基中源于土体自身重量的应力。基底压力：建筑物的荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间产生的接触应力。附加应力：建筑物的荷载在土体中产生的在原有应力基础上的应力的增量。,.,69,附加应力造成了地基土的变形（处于欠固结状态的土，自重应力也是变形产生的因素之一），从而导致了地基中各点的竖向和侧向位移。本章主要讨论地基中的应力和竖向位移（沉降）。要保证建筑物的安全和正常使用必须控制其沉降量和不均匀沉降差值（差异沉降量）不超过一定范围，对软粘土地基上的建筑物尤为重要。沉降分析是土力学的基本课题之一。,.,70,沉降量的大小主要取决于土体产生变形的原因和土体本身的性状两个方面。土体产生变形的原因主要是土体中应力状态的改变（如地面荷载引起地基中应力场的改变，在地基中产生附加应力）。土体本身的性状主要指土的压缩性（或应力应变关系），是指土体在附加应力作用下产生的效应。,.,71,土体的应力应变关系十分复杂，常呈弹、粘、塑性，并且呈非线性、各向异性，还受应力历史的影响。地基土中附加应力的正确计算和地基土体性状的正确描述是提高沉降计算精度的两个关键问题。经典的沉降计算方法对上述两个问题是这样处理的：在荷载作用下地基中附加应力场是根据半无限空间各向同性、均质、线弹,.,72,性体理论计算的，土体压缩性是根据一维压缩试验测定的，并采用分层总和法来计算沉降。显然，沉降计算模型与地基沉降的真实性状存在不少差距。,.,73,第2节土中自重应力,在荷载作用之前，地基中存在初始应力场。初始应力场常与土体自重、地基土地质历史以及地下水位有关。在工程应用上，计算初始应力场时常假设天然地基为水平、均质、各向同性的半无限空间，土层界面为水平面。于是在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。,.,74,地基中的初始应力，即地基中任一点的自重应力，只需用竖向应力和水平向应力表示。天然地面下任意深度z处水平面上的竖向自重应力为cz=z竖直面上的水平向自重应力为cx=K0cz=K0zK0为静止侧压力系数。,.,75,土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力，计算时，对地下水位以下土层必须以有效重度代替天然重度。为简便起见，常把竖向有效自重应力cz简称为自重应力，并以符号c表示。成层地基中第n层土底面的自重应力的计算公式为,.,76,第3节基底压力,建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间必然产生接触应力。基底压力分布与基础的大小和刚度、作用于基础上荷载的大小和分布、地基土的力学性质以及基础的埋深等因素有关。,.,77,根据圣维南原理，基础下与其底面距离大于基底尺寸的土中应力分布主要取决于荷载合力的大小和作用点位置，基本上不受基底压力分布形式的影响。因此，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，其基底压力可近似按直线分布的图形计算。,.,78,一、基底压力的简化计算1.中心荷载下的基底压力2.偏心荷载下的基底压力二、基底附加压力建筑物建造之前，地基土中已存在自重应力。一般天然土层在自重作用下的变形早已结束，因此只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。基底附加压力为建筑物建造后的基底压力与基底标高处原有的自重应力之差。,.,79,第4节地基附加应力,地基附加应力是指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力。其计算方法一般假定地基土是半无限空间内的各向同性、均质、线弹性变形体，采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答。,.,80,一、竖向集中力下的地基附加应力采用Boussinesq解答，竖向正应力z和竖向位移w最为常用。如果地基中某点与局部荷载的距离比局部荷载的荷载面尺寸大很多时，就可以用一个集中力代替局部荷载，采用Boussinesq解答。二、矩形荷载和圆形荷载下的地基附加应力1.均布的矩形荷载先以积分法求矩形荷载面角点下的地基附加应力，然后运用角点法求得矩形荷载下任意点的地基附加应力。,.,81,2.三角形分布的矩形荷载以积分法求三角形分布的矩形荷载面角点下的地基附加应力。注意b是沿三角形分布荷载方向的边长。3.梯形分布的矩形荷载已知均布和三角形分布的矩形荷载角点下的附加应力系数，即可用角点法求算梯形分布的矩形荷载下地基中任一点的地基附加应力。,.,82,4.均布的圆形荷载可以积分法求得均布圆形荷载面中点下任意深度的地基附加应力。三、线荷载和条形荷载下的地基附加应力属平面应力问题。四、非均质地基中的附加应力1.变形模量随深度增大的地基（应力集中）2.双层地基a.上软下硬（应力集中）b.上硬下软（应力扩散）,.,83,第5节地基沉降的弹性力学公式,柔性荷载下的地基沉降（Boussinesq解答）,.,84,第6节土的压缩性,土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。由于在一般的压力作用下，土粒（土的固相）和水（土的液相）的压缩量与土的总压缩量相比十分微小，故可近似认为土粒和水是不可压缩的。,.,85,土的压缩源于土中孔隙体积的减少（气体压缩、气体排出、孔隙水的排出）。饱和土由土粒和水组成，当其被压缩时，随着孔隙体积的减少，土中孔隙水被排出。在荷载作用下，饱和土体中产生超静孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土体中水被排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体中有效应力逐步增大，直至超静孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。,.,86,一、土的压缩曲线和压缩性指标1.土的压缩曲线是室内土的压缩试验得出的成果，是土的孔隙比与土所受压力的关系曲线。压缩曲线可按两种方式绘制，一种为ep曲线；一种为elgp曲线。2.土的压缩性指标(1)土的压缩系数a由ep曲线得到。a.切线斜率的绝对值（理论上的，反映某压力下土的压缩性）。,.,87,b.割线斜率的绝对值（实用上的，反映某一压力范围内土的压缩性）。为了便于应用，通常采用压力由p1=100kPa增加到p2=200kPa时所得到的压缩系数a1-2。压缩系数越大，反映土的压缩性越高。(2)土的压缩指数Cc由elgp曲线得到。土的elgp曲线的后段接近直线，直线的斜率的绝对值。,.,88,压缩指数越大，反映土的压缩性越高。3.压缩模量Es压缩模量：土在完全侧限条件下的竖向附加应力增量与相应的应变增量之比。,Es越小，表示土的压缩性越高。,.,89,4.回弹曲线和再压缩曲线在室内压缩试验过程中，如加压到某一值pi后，逐级进行卸压，则可观察到土样的回弹。若测得其回弹稳定后的孔隙比，则可绘制相应的孔隙比与压力的关系曲线，即回弹曲线。由于回弹曲线与原来的压缩曲线并不重合，说明土的压缩变形是由可以恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部分组成的，并以塑性变形为主。,.,90,如重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载下再压缩稳定后的孔隙比，从而绘制再压缩曲线。,.,91,东南大学远程教育,基础工程,第七讲,主讲教师童小东,.,92,二、土的变形模量1.以载荷试验测定土的变形模量E0根据载荷试验的观测数据，绘制荷载与稳定沉降的关系曲线（ps曲线）。曲线的开始部分往往接近于直线，与直线段终点对应的荷载称为地基的比例界限荷载。,.,93,一般的地基承载力设计值取接近于或稍超过此比例界限值，所以通常地基的变形处于直线变形阶段，因而可以利用弹性力学公式来反求地基土的变形模量。用载荷试验来测定土的变形模量，费时、费力，且费用较高，对于深层土的试验结果可靠性较差。现应着重发展现场快速测定变形模量的方法（旁压试验、触探试验等）。,.,94,2.变形模量与压缩模量土的变形模量E0是土体在无侧限条件下的应力与相应的应变的比值。土的压缩模量Es是土体在完全侧限条件下的有效应力与相应的应变的比值。由侧向不允许膨胀的条件，可以得到土的静止侧压力系数K0与泊松比的关系,.,95,由竖向的应力、应变关系以及压缩模量的定义可得到土的变形模量与压缩模量换算的理论关系公式,.,96,第7节地基的最终沉降量,在荷载作用下，地基土体发生变形，地基产生沉降。地基沉降是随时间而发展的。主要介绍两种计算地基最终沉降量的方法：传统的分层总和法和规范推荐的分层总和法。如果沉降计算的分层总和法所采用的土的压缩性指标源自压缩仪的测定成果，则可称为单向压缩分层总和法。,.,97,一、传统的分层总和法采用分层总和法计算地基的最终沉降量时，将压缩层范围内的土层分成n个分层，应用弹性理论计算在荷载作用下各分层中的附加应力，采用单向压缩条件下的压缩性指标，分别计算各分层的压缩量，然后求和得到总沉降。各分层压缩量的计算方法与薄压缩层地基的沉降计算方法相同。,.,98,单向分层总和法假设：1.基底附加压力为局部柔性荷载，对非均质地基，由其引起的附加应力分布可按均质地基计算；2.只须计算竖向附加应力作用下的土层压缩变形导致的地基沉降，剪应力可忽略不计；3.土层压缩时不发生侧向变形。由于以上假设，各分层的土就处于单向压缩状态，应采用侧限条件下得到的压缩性指标来计算各分层的压缩量。,.,99,地基土的压缩性随着深度的增大而降低，局部荷载引起的附加应力又随深度的增大而减少，所以超过一定深度的土，其变形对沉降量的贡献小到可忽略不计。沉降时应考虑其土体变形的深度范围内的土层称为地基压缩层，该深度称为地基沉降计算深度（地基压缩层厚度）。,.,100,地基沉降计算深度的下限，一般取在地基附加应力等于自重应力的20%处，如在该深度以下有高压缩性土层，则计算深度下限取在一般取在地基附加应力等于自重应力的10%处。这种确定沉降计算深度的传统方法称为应力比法。,.,101,地基压缩层厚度范围内的分层厚度一般取0.4b（b为基底宽度）或12m，不同土层之间的分界面和地下水面是当然的分层面。计算地基最终沉降量s的分层总和法的公式如下：,.,102,二、规范推荐的分层总和法与传统的分层总和法相同之处：也采用单向压缩条件下的压缩性指标;与传统的分层总和法不同之处：1.采用平均附加应力系数；2.规定了地基沉降计算深度的标准，考虑了基础大小这一因素，比应力比法更为合理；3.提出了地基的沉降计算经验系数，使得计算结果接近于实测值。,.,103,地基沉降计算深度就是第n分层层底深度zn，确定zn的规范方法称为变形比法。规范规定须将地基计算沉降量s乘以沉降计算经验系数s加以修正，沉降计算经验系数根据地区沉降观测资料及经验确定。,.,104,第8节应力历史对地基沉降的影响,一、沉积土层的应力历史天然土层在历史上所经受过的包括自重压力和其他荷载作用形成的最大竖向有效固结压力，称为先期（前期）固结压力，常用pc表示。通常将地基中土体的先期固结压力与现有上覆土层压力之比定义为超固结比OCR。,.,105,根据OCR的大小，可对土所处的不同固结状态进行划分。,OCR,1超固结状态,=1正常固结状态,1欠固结状态,.,106,将室内压缩曲线修正后得到原始压缩曲线，并可确定土的压缩性指标。只要在地基沉降计算通常采用的分层总和法中，将土的压缩性指标改从原始压缩曲线确定，就可考虑应力历史对地基沉降的影响。,.,107,正常固结状态的土其原始的elgp曲线为一条直线（压缩指数为Cc）；超固结状态的土其原始的elgp曲线由两条斜率不同的直线构成（压缩指数分别为Ce和Cc）；欠固结状态的土其原始的elgp曲线为一条直线（压缩指数为Cc）,.,108,第9节地基最终沉降计算问题综述,一、各种分层总和法的共同假设共同假设：荷载作用下的非均质地基中的附加应力分布，可以用均质弹性半空间的理论解答来代替。分层总和法以均质弹性半空间的应力来计算非均质地基的变形，在理论上显然不协调。,.,109,但是，实践表明，地基沉降计算的准确与否，更直接地取决于方法本身能否反映地基的成层性和非均质性、能否考虑到土的应力-应变关系的非线性，应力计算精确度的影响毕竟还居其次。,.,110,第10节饱和土的有效应力和渗透固结,一、饱和土中的有效应力有效应力原理：对于饱和土,二、太沙基一维固结理论土的固结是土力学学科中最根本的课题之一。,.,111,土的固结过程的两种特性：1.随着土中水的排出，土体孔隙比减小，土体产生压缩，体积变小；2.随着超静孔隙水压力的消散，有效应力逐渐增大，土体的抗剪强度得到提高。工程中常应用固结过程的这两种特性，通过排水固结法对软粘土地基进行改良，达到减小工后沉降、提高地基承载力的目的。,.,112,固结模型：弹簧代表土颗粒骨架，水代表孔隙水，活塞上的小孔象征土的渗透性和排水条件（孔的大小代表渗透性的强弱）。,.,113,一维固结理论研究土体在荷载作用下土中水的流动和土体的变形仅发生在一个方向的土体固结问题。一维固结理论的基本假设：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.土中水的渗流服从达西定律；,.,114,5.在渗透固结中，土的渗透系数k和压缩系数a都是不变的常数；6.外荷载是一次瞬时施加的，且在固结过程中保持不变；7.土体的固结变形是微小变形。,.,115,根据达西定律、固结渗流的连续条件、应力-应变关系的侧限条件和有效应力原理，可推导出饱和土的一维固结微分方程,结合初始条件和边界条件，可求得上述方程的解答。,.,116,理论上可以根据孔隙水压力的解答，求得相应的有效应力的大小和分布，再算出任意时刻基础的沉降量。但是这样求解不甚方便。所以引入固结度的概念，使问题得到简化。所谓固结度，是指在某一固结应力作用下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。,.,117,东南大学远程教育,基础工程,第九讲,主讲教师童小东,.,118,第11节地基沉降发展三分量,一、三维应力状态下土的变形和地基沉降的发展地表局部荷载作用下，地基土处于三维应力状态，土中孔隙水的排出也是三维的。饱和土单元体在受荷一瞬间，孔隙水来不及排出，故土的体积不会发生变化。,.,119,但是剪应力增量却使单元体发生剪切畸变。随着时间的消逝，土中孔隙水排出使土体产生固结变形。当孔隙水压力完全消散，固结过程完成之后，土体在不变的有效应力作用下，产生蠕变变形。三维应力状态下，按变形机理，地基土体的总沉降可以分成三部分：瞬时沉降，固结沉降，次固结沉降。,.,120,目前关于瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降的计算结果，与实际情况尚存在较大差距。从实用上看，可采用信息化施工，利用沉降观测资料来推算后期沉降量（双曲线法、对数曲线法等）。,.,121,第3章内容勘误,1.p42：图2-3中第2层土的竖向自重应力计算公式“1h1-2h2”,+,2.p43：从上向下第3行式（2-4）应为,.,122,3.p51：从上向下第1行“为P0”,4.p58：倒数第1行式（2-26）中“z”,p0,x,5.p72：倒数第5行“限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比值。”,增量,.,123,6.p76：倒数第4行“土的测压力.”,侧,7.p82：从上向下第4行“可以引入一个系数a，.”，式（2-73b）也做相应改正。,8.p93：从上向下第9行式（2-88）中的“pei”应为“pci”,9.p97：从上向下第14行“上作用着法向力p（图2-48），”,P,.,124,10.p102：倒数第6行式（2-107）“”应为“”,.,125,第3章重点内容,1.土中自重应力的计算2.地基附加应力的计算方法3.土的压缩性指标4.计算地基最终沉降的传统的分层总和法和规范推荐的分层总和法,.,126,第3章作业,p111：2-1，2-5，2-6，2-8,.,127,东南大学远程教育,基础工程,第四章,主讲教师童小东,.,128,第4章土的抗剪强度,第1节概述第2节库伦公式和莫尔-库伦强度理论第3节抗剪强度的测定方法第4节饱和粘性土的抗剪强度第5节无粘性土的抗剪强度,.,129,第1节概述,土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。土的抗剪强度对地基承载力、挡土墙土压力和土坡稳定等问题产生直接影响。,.,130,土的抗剪强度一般可分为两部分：一部分与颗粒间的法向应力有关，通常呈正比例关系，其本质是摩擦力；另一部分是与法向应力无关的土粒之间的粘结力，通常称为粘聚力。,.,131,第2节库伦公式和莫尔-库伦强度理论,一、库伦公式,.,132,c和称为抗剪强度指标。,影响因素土的抗剪强度的,内在因素,外在因素：试验时的排水条件等因素,颗粒间的有效法向应力,土的孔隙比,.,133,表达方法土的抗剪强度的,总应力法：总应力强度指标,有效应力法：有效应力强度指标,.,134,二、莫尔-库伦强度理论莫尔提出：材料的破坏为剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，破坏面上的剪应力f是该面上法向应力的函数,此函数在f-坐标中是一条曲线，称为莫尔包线（抗剪强度包线）,如下图实线所示。,.,135,莫尔包线表示材料在不同应力作用下达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力f的关系。,莫尔包线,.,136,理论分析和实践都证明，莫尔理论对土比较合适，土的莫尔包线通常可以近似地用直线代替（如上图的虚线所示），该直线的方程就是库伦公式表示的方程。用库伦公式表示莫尔包线的强度理论称为莫尔-库伦强度理论。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。,.,137,0,A,莫尔圆可以表示土体中一点的应力状态，莫尔圆圆周上各点的坐标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力。,.,138,如果给定了土的抗剪强度指标c和以及土中某点的应力状态，则可将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上，抗剪强度包线与莫尔应力圆的关系可能有：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的抗剪强度，所以不会发生剪切破坏；,.,139,2.莫尔圆与抗剪强度包线相切，切点为A。说明在A点所代表的平面上，剪应力正好达到抗剪强度，该点就处于极限平衡状态。这时的莫尔圆称为极限应力圆。3.抗剪强度包线是莫尔圆的一条割线，实际上这种情况是不可能出现的，因为该点任何方向上的剪应力都不可能超过土的抗剪强度。因为土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。,.,140,0,A,c,莫尔圆与抗剪强度之间的关系,.,141,由极限应力圆当中的几何关系，可以推导得出：1.粘性土的极限平衡条件为,.,142,2.无粘性土的极限平衡条件为,.,143,3.破坏面与大主应力面的夹角为。,.,144,第3节抗剪强度的测定方法,测定土的抗剪强度的方法有多种。,的室内方法测定土抗剪强度,直接剪切试验,三轴压缩试验,无侧限抗压强度试验,.,145,一、直接剪切试验应变控制式直剪仪的试验原理：对同一种土至少取4个平行试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，将试验结果绘制抗剪强度f与相应垂直压力的关系图。试验结果表明，对于粘性土f基本上呈直线关系，直线方程可用库伦公式表示；对于无粘性土，f则是通过原点的直线。,.,146,直接剪切仪的优点,构造简单,操作方便,限定剪切面不一定是最薄弱面,剪切面上剪应力分布不均匀,的缺点直接剪切仪,剪切面在剪切过程中是逐渐缩小的,不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力,.,147,二、三轴压缩试验三轴压缩仪的试验原理：对同一种土至少取3个平行试样，分别在不同周围压力3下剪切破坏，将试验结果绘制为若干个极限应力圆。根据莫尔-库伦理论，这一组极限应力圆的公共切线即为土的抗剪强度包线，可近似取为一条直线，直线的方程即为库伦公式所表示的方程。,.,148,0,c,三轴压缩试验原理,.,149,的优点三轴压缩仪,能较严格地控制排水条件,能量测试样中孔隙水压力的变化,剪切破坏面为最薄弱面,的缺点三轴压缩仪,试验设备、试验过程相对复杂,试样的受力状态为轴对称情况，与实际土体的受力状态未必相符,.,150,直接剪切试验和三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为三种试验方法：1.不固结不排水试验；2.固结不排水试验；3.固结排水试验；,.,151,三、无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验可以看作围压3=0的三轴不排水剪切试验，试件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（1=qu、3=0），对于一般粘性土就无法作出破坏包线。,.,152,而对于饱和粘性土，根据三轴不固结不排水试验的结果，其破坏包线接近于一条水平线，即u=0。如仅需测定饱和粘性土的不排水抗剪强度，就可以利用比较简单的无侧限抗压强度试验代替三轴试验。,.,153,0,cu,无侧限抗压强度试验,qu,.,154,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。,.,155,第4节饱和粘性土的抗剪强度,一、不固结不排水抗剪强度不固结不排水试验（UU试验）是在施加周围压力时不排水（不固结），且在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中也不允许排水（不排水）。,.,156,如果有一组饱和粘性土试件，都先在某一周围压力下固结至稳定，试件中的初始孔隙水压力为零，然后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏。试验结果见下图。,.,157,0,cu,饱和粘性土的不固结不排水试验,.,158,图中三个实线圆分别表示三个试件在不同的围压作用下破坏时的总应力圆，虚线表示有效应力圆。试验结果表明，虽然三个试件的围压不同，但破坏时的主应力差相等，所以三个总应力圆的直径相同，所以破坏包线是一条水平线，可得,.,159,由于在不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积不变，改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水试验，就会得到较大的不排水抗剪强度。,.,160,由于只能得到一个有效应力圆，所以不能得到有效应力破坏包线，不固结不排水试验只用于测定饱和土的不排水强度，所以可以用无侧限抗压强度试验代替三轴压缩试验来测定饱和土的不排水抗剪强度。,.,161,不固结不排水试验的“不固结”是在保持试样原来有效应力不变的情况下，在三轴压力室的周围压力下不再排水固结。如果饱和粘性土从未固结过，则其中的有效应力为零（先期固结压力也为零），表现为一种泥浆状土，其抗剪强度必然也等于零。,.,162,二、固结不排水抗剪强度固结不排水试验（CU试验）是在施加周围压力时充分排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中不允许排水（不排水）。饱和粘性土的固结不排水抗剪强度受应力历史的影响，所以首先要区分试样是处于什么样的固结状态。,.,163,如果试样所受到的周围固结压力3大于它所曾受到的最大固结压力pc（先期固结压力），则称试样处于正常固结状态；而如果3pc，则称试样处于超固结状态。不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。,.,164,正常固结状态的试样在剪切过程中体积有减小的趋势（剪缩），但由于不允许排水，故产生正的孔隙水压力；而强超固结状态的试样在剪切过程中，先表现为剪缩（产生正的孔隙水压力），然后转为剪胀（产生负的孔隙水压力）。,.,165,东南大学远程教育,基础工程,第十二讲,主讲教师童小东,.,166,1.正常固结状态的土样下图表示正常固结状态的饱和粘性土的固结不排水试验结果，图中用实线表示的为总应力圆和总应力破坏包线，用虚线表示的为有效应力圆和有效应力破坏包线，uf为剪切破坏时的孔隙水压力。因为剪切过程中不排水，根据有效应力原理可知，有效应力圆与总应力圆直径相等，位置不同。,.,167,0,正常固结状态饱和粘性土固结不排水试验结果,.,168,因为正常固结状态的试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左边。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明固结压力为零的土不会具有抗剪强度。,.,169,2.超固结状态的土样超固结状态的饱和粘性土的固结不排水剪切试验得到的总应力破坏包线如下图所示，是一条略平缓的曲线，可近似以直线ab代替，与正常固结状态土的固结不排水破坏包线bc相交，bc的延长线通过原点。实用上将abc折线取为一条直线。,.,170,0,ccu,超固结状态土的固结不排水试验,a,b,c,超固结状态,正常固结状态,.,171,有效应力圆和有效应力破坏包线如下图中虚线所示。由于超固结状态的土样在剪切破坏时，产生负的孔隙水压力，有效应力圆在总应力圆的右边；正常固结状态的土样在剪切破坏时，产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左边。,.,172,0,超固结状态土的固结不排水试验,超固结状态,正常固结状态,.,173,三、固结排水抗剪强度固结排水试验（CD试验）是在施加周围压力时充分排水（固结），而在施加轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中允许排水（排水）。所以在整个试验过程中，土样中的孔隙水压力始终为零，总应力最后完全转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。,.,174,0,正常固结状态土的固结排水试验,其破坏包线通过原点。正常固结状态的土，,.,175,0,超固结状态土的固结排水试验,超固结状态,正常固结状态,取为一条直线。包线略弯曲，实用上近似超固结状态的土，其破坏,.,176,试验结果表明，对于同一种土，固结排水试验得到的cd、d与固结不排水试验得到的c、很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实用上用c、代替cd、d。,.,177,对同一种饱和粘性土，分别在三种不同的排水条件下进行剪切试验。如果用总应力表示，将得到完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用哪种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线。所以说，抗剪强度与总应力没有唯一的对应关系，而与有效应力有唯一的对应关系。,.,178,0,正常固结状态饱和粘性土在三种不同不排水条件下的剪切试验结果,.,179,四、抗剪强度指标的选择饱和粘性土的抗剪强度性状是很复杂的，它不仅与剪切条件有关，还与土的应力历史等因素有关。由于实际工程条件的复杂性，用实验室的试验条件去完全模拟现场条件是不可能的。所以针对具体的工程问题，确定土的抗剪强度指标的方法只能是尽可能地模拟实际工况来进行试验。,.,180,一般认为：由三轴固结不排水试验确定的有效应力强度指标c、宜用于分析地基的长期稳定性；而对于饱和软粘土地基的短期稳定问题，则宜采用不固结不排水试验的强度指标，以总应力法进行分析。,.,181,对于一般的工程问题多采用总应力分析法，其指标和测试方法的选择原则如下：1.若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用三轴不固结不排水试验或直剪的快剪试验结果；2.若地基上荷载的增加速率较慢，而地基土的透水性较高且排水条件较佳时，则可以采用固结排水或慢剪试验的结果；,.,182,3.若实际工况介于上两种情况之间，可用固结不排水或固结快剪的试验结果；4.由于实际加荷条件和土性的复杂性，而且在建筑物的施工和使