大工13秋《土力学与地基基础》课程辅导资料

1、大连理工大学网络教育学院土力学与地基基础辅导资料一主 题：第一章 工程地质学习时间：2013年9月30日10月6日内 容：本周我们将学习第一章的内容。各种建筑物无不建造在地球表面，因此地表工程地质条件的优劣直接影响建筑物的地基与基础设计方案的类型、施工工期的长短和工程投资的大小。首先给同学们介绍一些工程上的成败实例，然后在补充一些关于不良地质条件与地质灾害方面的知识，这样同学们能对这门课程有一个全面的了解。一、国内外地基基础工程实例1、建筑物倾斜：意大利的比萨斜塔：这是举世闻名的建筑物倾斜实例。全塔总重约145MN，基础地面平均压力约50kpa。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。塔向南倾斜

2、，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达到5.27m，倾斜5.5°。 苏州市虎丘塔：此塔位于苏州市虎丘公园山顶，距今已有1036年的历史。全塔7层，高47.5m。1980年进行现场调查表明，塔身向东倾斜，塔顶离中心线已达2.31m。勘察结果表明该塔的倾斜原因是由于地基覆盖层相差悬殊等原因造成的。南昌钢铁场烟囱：南昌钢铁场有一烟囱，1971年建成使用。1981年发现烟囱开裂与倾斜，1984年该烟囱已经发生4条大裂缝。2、建筑物地基严重下沉：上海中心展览馆：展览馆由于地基严重下沉，散水倒坡，建筑物室内外连接，内外网之间的水、暖、电管道断裂，都付出了相当大的代价。墨西哥市艺术宫：此建筑

3、1904年建成，至今有九十余年的历史。这个建筑是一个地基严重沉降的典型实例。下沉量为一般房屋的一层楼有余，造成室内外连接困难和交通不便，内外网管道修理工程量增加。3、建筑物墙体开裂：天津市人民大会堂办公楼：办公楼建成之后出现两条巨大裂缝。裂缝产生的原因是由于新建天津市科学会堂学术楼的附加应力扩散至原有的人民会堂办公楼西侧的软土地基上，这样引起严重的下沉现象。4、建筑物基础开裂：南京分析仪器场职工住宅：住宅楼1977年12月开工，次年5月主体工程施工至5层时，东起第5开间中部钢筋混凝土筏板基础南北向断裂。经调查研究表明，当地原为一个大水塘，由于住宅楼西半部置于水塘内，东半部坐落在岸上，土质突变，

4、造成严重的工程事故。经过最后的研究表明采用卸荷处理。5、建筑物地基滑动：加拿大特朗斯康谷仓：该建筑于1913年完工，容积36368m3。当该谷仓装了31822m3谷物一小时之后，竖向沉降达到30.5cm。结构物向西倾斜，24小时后建筑物倾倒，如图1所示。倾倒后谷仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m，上部钢筋混凝土筒仓坚如磐石。谷仓滑倒后分析地基承载力为352kpa，而设计时计算的谷仓的实际承载力为194277kpa。因此，谷仓破坏的原因是地基超载发生强度破坏而滑动。以上的这些都说明土力学与地基基础这门专业基础课的重要性。我们为什么要学习这门课？这门课程有什么样的特点？在土木建筑有关行业中究

5、竟起到什么样的作用？假如没有学好土力学理论，地基基础工程设计处理不当时将会发生什么样的后果？这些问题在我们了解了这些工程实例之后就应该迎刃而解了。二、关于不良地质作用与地质灾害关于不良地质作用与地质灾害，现行国家标准岩土工程勘察规范是这样定义的：不良地质作用是指由地球内力或外力产生的对工程可能造成危害的地质作用。由不良地质作用引发的，危及人身、财产、工程或环境安全的事件，称为地质灾害。铁路工程不良地质勘察规程所指的不良地质就是由各种地质作用和人类活动而造成的工程地质条件不良现象的总称，铁路修建与运营过程中常见的不良地质现象有滑坡、错落、危岩、崩塌、岩堆、泥石流、风沙、岩溶、人为坑洞、水库坍岸、

6、地震区、放射性和有害气体。地质灾害勘查规范所指的地质灾害是由自然或人为作用，多数情况下是二者协同作用下引起的，在地球表层比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件，主要是指崩塌(含危岩体)、滑坡、泥石流、岩溶地面塌陷和地裂缝等突发性地质事件。地质灾害危险性评估技术要求(试行)所指的地质灾害是指包括自然或人为活动引发的危害人民生命和财产安全的山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害。上述几种关于不良地质作用和地质灾害的含义有所不同，按岩土工程勘察规范不良地质作用是对工程而言，地质灾害是由不良地质作用引起的，但其危害的对象不仅仅是工程，还包括了人身、财产和

7、环境，因此，对两个概念的解释本身就存在差别。铁路工程不良地质勘察规程所指的不良地质包括的范围要比岩土工程勘察规范稍广些，且认为滑坡、泥石流等就是不良地质现象。地质灾害勘查规范所指的地质灾害是真对人类生命财产和生存环境而言，是指与地质作用有关的灾害，但不包括地震、洪水、区域性地面沉降等研究自成体系的地质灾害。那么上述关于不良地质作用与地质灾害的定义，哪个更准确？为了回答这个问题，首先应从“地质作用”谈起，从而搞清楚“不良地质作用”与“地质灾害”间的关系，什么是“地质灾害”也就一目了然了。三、内力地质作用问答1：什么是内力地质作用？自然界所发生的一切可以改变固体地球物质组成、构造和地表形态的作用，

8、统称为地质作用。内动力地质作用即以地球内部能为能源而产生的地质作用，主要在地下深处进行，并可波及地表。内动力地质作用包括：1、构造运动构造运动是由内部能引起的地壳变形、变位，通常造成海陆变迁，或使岩石褶曲、断裂。构造运动根据其运动方向，可分为水平运动和垂直运动；根据其运动方式，可分为快速剧烈和缓慢平静运动；根据其规模，可分为大型构造运动(为全球性的)、次级或更小的构造运动。传统构造地质学，将产生大规模强烈的水平运动称为造山运动，将广大区域的隆起上升运动称为造陆运动。一般认为，造山运动是相对短期的剧烈运动；造陆运动则是相对长期的缓慢运动，常发生在两次强烈造山运动之间。地质历史上所发生的具有全球性

9、的构造运动，由老到新有阜平运动、五台运动、吕梁运动、晋宁运动、加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等。大型构造运动常常会伴生岩浆作用和变质作用，主要是侵入作用和区域变质作用。2、地震作用地震作用是因构造运动等使地壳发生快速的颤动。地震作用按成因分为以下几种类型： 构造地震由构造运动所产生的地震，称为构造地震。世界上有90% 以上地震属于构造地震，其影响较为强烈且范围广泛。 火山地震火山喷发时岩浆或气体对围岩的冲击引起的地震，即为火山地震。其影响范围一般不大，且数量小，世界上有7% 的地震属于火山地震。 陷落地震由地壳陷落引起的地震，称为陷落地震。多为石灰岩溶洞陷落而造成，其模

10、较小。人工诱发震由于水库蓄水或向地下大量灌水，使地下岩层增大负荷，如果地下有大断裂或构造破碎带存在，断层面浸水润滑，加之水库荷载等共同作用，使断层复活而引起地震。由于地下核爆炸或地下大爆破，巨大的爆炸力对地下产生强烈的冲击，促使地壳中构造应力的释放，从而引发地震。人工诱发地震的特点是震中位置多发生在水库或爆炸点附近地区，小震多，震动次数多，震源深度不大，最大震级目前不超过6.5 级。3、岩浆作用岩浆的形成、运动直至冷凝固结成为岩石的过程，称为岩浆作用。岩浆作用按活动所到达空间位置及温度、压力等自然条件，可分为喷发作用(包括海底喷发作用和陆地喷发作用)、侵入作用(包括深成侵入作用和浅成侵入作用)

11、。喷发作用常称为火山作用，分为裂隙型喷发和中心式喷发两种类型。一些低粘度的玄武质岩浆，沿狭长的线状断裂带溢出，并覆盖很大面积，这种喷发形式称为裂隙式喷发。岩浆沿多组断裂交会点上由圆筒状通道喷出的，称为中心式喷发。中心式喷发根据其爆炸性，可分为猛烈式、宁静式和递变式。猛然式喷发经常以猛然爆炸作为每次喷发的开始，具有突然性特点，可给人类带来巨大灾害。以宁静地溢流出炽热熔浆为特点，无爆炸现象的中心式喷发，即为宁静式。以宁静式和猛然式有规律的交替喷发为特点的，称为递变式，多数火山喷发属于这一种。4、变质作用问答2：什么叫变质作用？因内力使温度、压力、化学成分等条件改变，地壳中的岩石将发生变化(不包括风

12、化作用)，转化为新的岩石，这种转化过程即为变质作用。变质作用按其产生的地质背景及作用特点，可分为区域变质作用、混合岩化作用、接触变质作用、气液变质作用、碎裂(动力)变质作用等种类。其中混合岩化作用是变质作用向岩浆作用的过渡作用。接触变质作用按其作用特点，可分为热接触变质作用和接触交代作用两种典型类型。四、不良地质作用与地质灾害地质作用种类很多，而且绝大多数都可能产生对人类生命和财产(包括工程项目)不良影响甚至是损坏或破坏，如地质构造和活动构造可影响到水利、工程建筑基础的稳定性，直接关系到工程的坚固性；暂时性地面流水对地面有强烈的剥蚀作用，可造成水土流失及破坏农田、道路、堤坝等，在作用强烈地区可

13、形成冲沟、歹地，严重影响着工、农业建设；河流在洪水期，双向环流可在平直河段河床中心形成心滩，改变河道和主流线的位置，甚至影响航运交通；地下水作用岩溶发育的重要条件，岩溶发育可使地形崎岖，水土流失，地面石骨裸露、土层瘠薄、缺水干旱等，不利于农业产生，有的地下溶洞发育，容易造成塌陷，对工程建筑、交通运输和矿山开采等有很大危害；冰川地质作用不仅可改变地形地貌，还可影响其它地质作用，包括对海洋、河流、风化等地质作用的影响，等等。因此，从对人类生命和财产(包括工程)及环境的影响、损坏或破坏角度讲，地质作用可分为一般地质作用和不良地质作用，不良地质作用的结果称为地质灾害。由于地质作用的影响范围，有的广大，

14、有的则较小，因此，有人将对区域地质和生态环境产生危害的地质作用，称为地质环境作用，而且称地质环境作用的结果为地质环境灾害(也称缓慢地质灾害)，如区域性地面沉降、干旱半干旱地区的荒漠化、山地水土流失、石漠化、风沙及域性地质构造沉降背景下平原或盆地地区的频繁洪灾等。地震灾害也属于地质环境灾害，但因其发生的特殊性和危害巨大，地震灾害研究已自成体系。问答3：不良地质作用的危害有哪些？1、不良地质作用的涵义应是指对人类生命和财产及地质生态环境产生危害的地质作用。某些构造运动(如断裂和活动断裂作用)和岩浆作用(如火山喷发)、地震作用、风化作用、各类型下坡运动及地面流水、地下水、冰川、风、海洋、湖泊等的剥蚀

15、、搬运和沉积作用等，都属于不良地质作用。只不过有些不良地质作用的勘查与研究已自成体系，如地震作用、构造运动等。2、从广义讲，地质灾害是不良地质作用的结果，如滑坡是滑动作用的结果，泥石流是流动作用的结果，岩溶塌陷是地下溶洞扩大到上覆岩层失去足够支撑而发生崩落作用的结果，石漠、砾漠、沙漠和泥漠等可能是风化作用、洪水作用、冰川作用或风的地质作用中一种或几种共同作用的结果，地震灾害是地震作用的结果。3、地质灾害危险性评估技术要求所指的地质灾害是广义的地质灾害，其定义较严密准确。岩土工程勘察规范和铁路工程不良地质勘察规程所指地灾害为狭义的，是相对工程而言的。地质灾害勘查规范所指的地质灾害则介于两者之间。

16、岩土工程勘察规范关于不良地质作用和地质灾害的定义，两者危害的对像不同，存在明显差别。4、为预防和治理地质灾害，应对不良地质作用进行勘查与研究，包括对不良地质作用的形式、规模和发生发展过程进行勘察与研究。由此可见，地质灾害勘查与研究属不良地质作用勘查与研究的一部分，其意义在于通过对地质灾害进行勘查与研究来反演不良地质作用发生发展的规律，更好地达到不良地质作用勘查与研究的目的。5、地质灾害是否可预防，与现代科技水平和经济发展水平等有关。有些地质灾害，特别是一些地质环境灾害，目前还不能对其进行预测和治理。但随着科学技术与经济的发展，人类会逐渐掌握各类地质作用的发生、发展规律，从而很好地预防地质灾害。

17、土力学与地基基础辅导资料二主 题：第二章 土的物理性质及工程分类学习时间：2013年10月7日10月13日内 容：一、风化作用问题：名词解释1、 什么叫做物理风化？2、 什么叫做化学风化？3、 什么叫做生物风化？物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，发生不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。这种风化作用，只改变颗粒的大小与形状，不改变原来的矿物成分。由物理风化生成的土为粗粒土，如块碎石、砾石和砂土等，这种土总称无粘性土。化学风化：岩石的碎屑与水、氧气和二氧化碳等物质相接触时，逐渐发生化学变化，原来组成矿物的成分发生了变化，产生一种新的成分-次生矿物。这类风化形成的土

18、为细粒土，具有粘结力，如粘土与粉质粘土，总称为粘性土。生物风化：由动物、植物和人类活动对岩体的破坏称生物风化，例如：长在岩石缝隙中的树，因树根伸展使岩石缝隙扩展开裂。而人们开采矿山、石材，修铁路打隧道，劈山修路等活动形成的土，其矿物成分没有变化。土的结构：单粒结构、蜂窝结构、絮状结构(二级蜂窝结构)。土的构造：层状构造、分散构造、结核状构造、裂隙状构造。二、土的性质压缩性高：反映材料压缩性高低的指标弹性模量E，随着材料性质不同而有极大的差别。当应力数值相同，材料厚度一样时，卵石的压缩性为钢材压缩性的数千倍。饱和细砂的压缩性为C20混凝土的压缩性的数千倍，这足以证明土的压缩性极高。软塑或流塑状态

19、的粘性土往往比饱和细砂的压缩性还要高很多。强度低：土的强度特指抗剪强度，而非抗压强度或抗拉强度。无粘性土强度来源于土粒表面滑动的摩擦和颗粒之间的咬合摩擦；粘性土的强度除了摩擦力之外还有粘聚力。无论摩擦力和粘聚力，均远远小于建筑材料本身的强度，因此，土的强度比其他建筑材料都低得多。透水性大：由于土体中固体矿物颗粒之间具有许多透水的空隙，土的透水性比木材、混凝土都大，尤其是粗粒的卵石或砂土，其透水性更大。问题2：填空1、 土的三相组成：是指由_、_和_三部分组成。2、土的矿物成分有：_、_和_。答案 1、固体矿物、水、气体 2、原生矿物、次生矿物、腐殖质土的三相组成：是指由固体矿物、水和气体三部分

20、组成。土中的固体矿物构成土的骨架，骨架之间存在大量空隙，空隙中充填着水和空气。土的矿物成分：原生矿物、次生矿物和腐殖质。土的粒径级配：自然界的土都是由大小不同的土粒所组成。颗粒的大小通常用粒径表示。工程上根据界限粒径将土粒分为六大粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、圆砾（角砾）、砂粒、粉粒和粘粒，如表1和图1所示。工程上粒径分析方法：筛分法和密度计法。表1：土粒粒组的划分图1：颗粒粒径级配曲线图问题3：名词解释1、 什么叫做有效粒径？2、 什么叫做限定粒径？3、 什么叫做不均匀系数？有效粒径：粒径级配曲线上，纵坐标为10%所对应的粒径。限定粒径：粒径级配曲线上，纵坐标为60%所对应的粒径。不均匀

21、系数：土颗粒中限定粒径与有效粒径的比值。不均匀系数是表示土颗粒组成的重要特征。当其很小时，表示土均匀；当其很大时曲线平缓，表示土的级配良好。曲率系数：表示土颗粒组成的又一特征。砾石和砂土级配且为级配良好；级配不同时满足Cu和Cc两个要求，则级配不良。三、土中水土中水分为：结合水、自由水、气态水和固态水。结合水分为：强结合水和弱结合水。自由水分为：重力水、毛细水。四、土的三相基本物理性质指标（重点掌握）土的密度：单位体积土的质量，g/cm3,土的重度：单位体积土所受的重力，即：，KN/m3。土粒比重：土的含水率：五、反映土的松密程度的指标土的孔隙比：土的空隙度(空隙率)：六、反映土中含水程度的指

22、标土的含水率：土的饱和度：土力学与地基基础辅导资料三主 题：第二章 土的物理性质及工程分类4-5节学习时间：2013年10月14日10月20日内 容：这周主要学习土的物理状态指标和地基土的工程分类两节内容，通过本周的学习应该掌握以下内容。一、学习要求1、熟练掌握土的物理状态指标分类以及每种指标的评判标准；2、掌握各种指标的计算方法。二、主要内容1、土的物理状态指标无粘性土的物理状态指标：密实度。无粘性土如砂、卵石均为单粒结构，它们最主要的物理状态指标，为密实度。工程上以下面三种标准来划分土的密实度： (1)孔隙比我国1974年颁布的工业与民用建筑地基基础设计规范中曾以孔隙比作为砂土密实度的划分

23、标准。用一个指标来判断砂土的密实度无法反应土的粒径级配因素。(2)相对密度这种方法克服了对级配不同的砂土难以准确判别的缺陷。相对密度判别标准如表1所示。显然，即，表示砂土处于最疏松状态；即，表示砂土处于最密实状态。表1 砂土的相对密实度评价标准相对密实度密实度疏松中密密实标准贯入实验次数N：实验方法：用卷扬机将质量为63.5kg的钢锤，提升76cm高度，让钢锤自由下落击在锤垫上，使贯入土中30cm所需的锤击数，反应土的贯入阻力的大小，即密实度的大小。表2 标准贯入锤击数评价砂土的密实度标准贯入试验锤击数密实度松散稍密中密密实粘性土的物理状态指标(3)液限定义：粘性土呈液态与塑态之间的分界含水率

24、。测定方法：锥式液限仪、碟式液限仪。(4)塑限定义：粘性土呈塑态与半固态之间的分界含水率。测定方法：滚搓法和液、塑限联合测定法。(5)缩限定义：粘性土呈固态与半固态之间的分界含水率。测定方法：收缩皿法。(6)塑性指数:定义：液限与塑限的差值，去掉百分号，称塑性指数。物理意义：粘粒含量高或矿物成分吸水能力强。工程应用：作为粘性土与粉土定名的标准。(7)液性指数:定义：天然含水率与塑限的差值和液限与塑限差值之比。物理意义：反应土的软硬程度。表3 粘性土的稠度状态状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数三、典型例题简答题1、什么是土的颗粒级配？什么是土的颗粒级配曲线？答：土粒的大小及其组成情况，通常以土中各

25、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。根据颗粒大小分析实验成果绘制的曲线，称为颗粒级配曲线，它的坡度可以大致判断土的均匀程度。2、土中水按性质分为哪几类？答：土中水分为液态水、固态水、气态水。液态水可分为结合水和自由水；结合水又分为强结合水和弱结合水；自由水又分重力水和毛细水。3、什么是土的物理性质指标？哪些是直接测定的指标，哪些是计算指标？答：土的各组成部分质量和体积之间的比例关系，用土的三相比例指标表示，称为土的物理性质指标，可用于评价土的物理、力学性质。 直接测定的指标：土的密度、相对密度、含水量。 计算指标：孔隙比、孔隙率、干密度、饱和密度、有效密度和饱

26、和度。4、简述用孔隙比、相对密度判断砂土密实度的优缺点。答：用判断砂土密实度优点：可判别土的密实程度，同一种土，密砂的孔隙比一定比松砂小；缺点：无法反应土的粒径级配因素。用判断砂土密实度优点：计入了土的级配因素，理论上完善；缺点：用长颈漏斗测定或用振动叉和金属法测定因人而异，测定的数值与测试人员的素质、劳动态度有关，难以获得科学数据。计算题5、从某土层中取原状土做试验，测得土样体积为50cm3，湿土样质量为98g，烘干后质量为77.5g，土粒相对密度为2.65。计算土的天然密度、干密度、饱和密度、有效密度、天然含水量、孔隙比、孔隙率及饱和度。解：已知 6、一个体积为的原状土样，其湿土质量为0.

27、1kg，烘干后质量为0.07kg，土粒相对密度为2.7，土的液限，塑限。求：(1)土的塑性指数和液性指数，并确定该土的名称和状态。(2)设土粒相对密实度为2.7，求土样压缩稳定后的孔隙比和饱和度。解：(1)已知 (2)压密前干密度 由，得： 压密前孔隙比：压密后孔隙比：孔隙比减少：7、有一砂层，其天然饱和重度，土粒相对密度为2.7，试验测得此砂最松时装满1000容积需干砂1450g，最密实状态时需要干砂1750g。求相对密实度是多少？解：由，得，得砂最松时，砂砾体积砂最密时，砂砾体积：土力学与地基基础辅导资料四主 题：第三章 土中的应力计算1-4节学习时间：2013年10月21日10月27日内

28、 容：这周我们主要学习第三章土中的应力计算，这是土力学中最重要的一部分内容，希望大家能够通过本周的学习，对土力学的各种应力有一个大概的了解和掌握，并能够熟练的进行计算。一、学习要求1、掌握静水条件下的孔隙水压力；2、掌握有效应力和有效应力原理；3、掌握土的自重应力，包括竖向自重应力和侧向自重应力；4、掌握基底压力的计算公式和计算方法；5、掌握基底附加压力的计算方法。二、主要内容1、静水条件下的孔隙水压力孔隙水：土孔隙中的自由水，饱和土区分为土骨架和孔隙水体系。孔隙水压力：孔隙水中一点单位面积上传递的力，它就是“水力学”中构成压力水头的压力值。式中：孔隙水压力，； 水的重度，；压力水头，即测压管

29、高度。 一点的孔隙水压力值在各个方向上相等且垂直指向作用物体。“水力学”中总水头由位置水头、压力水头及流速水头三部分组成。在“土力学”中，由于孔隙水的流速很低，流速水头可以忽略不计，所以总水头由位置水头和压力水头两部分组成，即：位置水头与选取的基准面位置有关。在确定基准面后，总水头已知的情况下，压力水头可以求出。地下水位或自由水面以下的孔隙水是互相连通的，当处于静止状态时，其孔隙水压力就是水力学中的静水压力，其值为：式中：从地下水或自由水面算起的计算点的深度，。见图1图1 静水条件下的孔隙水压力2、有效应力及有效应力原理对饱和土可以把土体区分为土骨架和孔隙水两个体系。孔隙水作为构成土体成分的一

30、部分，其传递的力(孔隙水压力)也应当是土体应力的一部分，但研究表明，直接与土的变形、强度相联系的，是通过颗粒接触点传递的力，成为有效应力。有效应力原理： 式中：总应力，； 有效应力，；孔隙水压力，。含义：(1)饱和土中任何一点在任何时刻、任何方向截面上的有效应力等于该截面上的总应力与孔隙水压力之差。(2)土体的变形和强度都和有效应力直接联系，而不是与总应力。3、自重应力自重应力：指土体在自身重力作用下变形稳定以后的有效应力。竖向自重应力式中：计算点以上第层土层的厚度，； 与相应的第层土层的重度，水下部分取浮重度。侧向自重应力基础底面接触压力基础底面接触压力计算，是计算地基中的附加应力和进行基础

31、结构设计所需。因为建筑物的荷载是通过基础传给地基的，为了计算上部荷载在地基土层中引起的附加应力，必须首先研究基础底面处与基础底面接触面上的压力大小与分布情况。简化计算：中心荷载：当上部竖向荷载的合力通过基础底面形心O点时，基础底面接触压力均匀分布。 式中：基础底面平均压力，； 上部结构传至基础顶面的竖向力设计值，； 基础自重和基础上土重之和； 基础底面面积，。偏心荷载：常见的偏心荷载，作用于矩形基础底面的主轴上此时基础底面边缘的压力按下式计算： 式中：基础底面边缘的最大、最小压力设计值，kPa； R作用在基础底面的竖向合力设计值，kN； e竖向合力的偏心距，m； b有偏心方向基础底边边长，m。

32、 当：偏心距时，基础底面接触压力呈梯形分布； 时，则基底面接触压力呈三角形分布；基础底面附加应力基础位于地面上：设基础建在地面上，则基础底面的附加应力 基础位于地面下： 式中：基础底面的附加应力，KPa； P基础底面的接触压力，kN； 基础底面以上地基土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度的加权平均值。地基中的附加应力分布规律：1.在地面下任一深度的水面上，各点的附加应力非等值，在集中力作用线上的附加应力最大，向两侧逐渐减小。2.距离底面越远，附加应力分布的范围越广，在同一竖向线上的附加应力随深度而变化。超过某一深度后，深度越大，附加应力越小。三、典型例题1、某工程地基的土层分布、地下水位及

33、各层土的天然重度、静止侧压力系数如图2所示，其下为透水层，试计算并绘出地基的竖向自重应力及侧向自重应力分布图。图2 地基土层分布图解：(1)计算土层不同位置的竖向自重应力：的分布图如图3(a)所示。(2)计算土层不同位置的侧向自重应力：的分布图如图3(b)所示。由于B点上下值不同，所以分布图在B点出现突变。图3 (a)竖向自重应力分布图 (b)侧向自重应力分布图2、某矩形地基，长度2.0m，宽度为1.0m，作用有均布荷载P=100kPa，如图4所示。计算此矩形面积的角点A、边点E、中心点O，以及矩形面积外F点和G点下，深度z=1.0m处的附加应力。图4 计算基底压力图解：1、计算角点A下的应力

34、 ，查表得应力系数。所求应力为： 2、计算边点E下的应力 作辅助线IE，将原来矩形ABCD划分为两个相等的小矩形EADI和EBCI。 在矩形EADI中： ，查得应力系数。所求应力为： 3、计算中心点O下的应力 作辅助线，将原来矩形ABCD划分为四个相等的小矩形OEAJ、OJDI、OICK和OKBE。 在小矩形OEAJ中： ，查得应力系数。所求应力为：4、计算矩形面积外F点下的应力作辅助线，将原来矩形ABCD划分为两个长矩形FGAJ、FJDH和两个小矩形FGBK、FKCH。 在长矩形FGAJ中： ，查得应力系数。 在小矩形FGBK中：，查得应力系数。所求应力为：5、计算矩形面积外G点下的应力作辅

35、助线BH、HG和CH，将原来矩形ABCD划分为一个大矩形GADH和一个小矩形GBCH。 在大矩形GADH中： ，查得应力系数。 在小矩形GBCH中：，查得应力系数。所求应力为：土力学与地基基础辅导资料五主 题：第四章 土的压缩性质与沉降计算1-5节学习时间：2013年10月28日11月3日内 容：本周学习土的压缩性质与沉降计算有关的内容，希望大家能够通过本周的学习，了解和掌握相关的内容。一、学习要求1、掌握土的侧限压缩指标；2、掌握地基沉降与时间的关系；3、掌握土的极限平衡条件。二、主要内容侧限条件下土的压缩侧限条件：指侧向限制不能变形，只有竖向压缩的条件。当自然界广阔土层上作用着大面积均布荷

36、载时，地基土的变形条件近似为侧限条件。土的压缩性高低常用压缩性指标来描述。压缩性指标通常由工程地质勘察取天然结构原状土样进行测定。侧限压缩性指标土的压缩系数： 式中：土的压缩系数， 压缩曲线与横坐标的夹角，度 1000单位换算系数压缩指数：压缩试验结果以孔隙比为纵坐标，以对数坐标为横坐标表示，绘制曲线。此曲线开始一段时间呈直线，其后很长一段为直线，即曲线的斜率相同，便于应用。此直线段的斜率称为压缩指数，即：侧限压缩模量：弹性模量：钢材或混凝土试件，在受力方向应力与应变之比称为弹性模量E。试验条件：侧面不受约束，可以自由变形。压缩模量：土的试样单向受压，应力增量与应变增量之比称为压缩模量。试验条

37、件：为侧限条件，即只能竖直单向压缩、侧向不能变形。在上述侧限压缩试验中，当竖向应力由增加到，同时土样的厚度由减小到时，有： 压力增量： 竖向应变： 侧限压缩模量：侧限压缩模量与压缩系数的关系：地基沉降与时间关系土的沉降：一般建筑物在施工期间所完成的沉降，通常随地基土质的不同而不相同。碎石土和砂：压缩性小，渗透性大，施工期间，地基沉降已全部或基本完成；低压缩粘性土：施工期间一般可完成最终沉降量的50%80%；中压缩粘性土：施工期间一般可以完成最终沉降量的20%50%；高压缩粘性土：施工期间一般可以完成最终沉降量的5%20%。饱和土的渗透固结过程1、土体空隙中自由水逐渐排除；2、土体孔隙体积减小；

38、3、由孔隙水承担的压力逐渐转移到土骨架来承受，称为有效应力。由此可见：饱和土体的渗透固结过程，是土中孔隙水压力消散、逐渐转移为有效应力的过程。地基变形与时间的关系计算公式：该公式建立了时刻的土层变形量与最终沉降量的关系，因此可求解下列问题：1、已知时间，求解土层在时刻的变形量；2、已知时刻的变形量，求解时间。建筑物沉降观测与地基允许变形值沉降量定义：沉降量特指基础中心的沉降量，以mm为单位。作用：若沉降量过大，势必影响建筑物的正常使用。京、沪等地区用沉降量作为建筑物地基变形的控制指标之一。沉降差定义：指同一建筑物中，相邻两个基础沉降量的差值，以mm为单位。作用：如建筑物中相邻两个基础的沉降差过

39、大，会使相应的上部结构产生额外应力，超过限度时，建筑物将发生裂缝、倾斜甚至破坏。由于地基软硬不均匀、荷载大小差异、体型复杂等因素，引起地基变形不同。对于框架结构和单层排架结构，设计时应由相邻桩基的沉降差控制。倾斜定义：特指独立基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，以千分之几表示。作用：若建筑物倾斜过大，将影响正常使用，遇台风或强烈地震时危及建筑物整体稳定，甚至倾覆。对于多层或高层建筑物和烟囱、水塔、高炉等高耸结构，应以倾斜值作为控制指标。局部倾斜定义：砖石砌体承重结构，沿纵向610m内基础两点沉降差与其距离比值，以千分之几表示。作用：若建筑物的局部倾斜过大，往往使砖石砌体承受弯矩而拉裂。对

40、于砌体承重结构设计，应由局部倾斜控制。建筑物沉降观测的目的：1、验证过程设计与沉降计算的正确性；2、判别建筑物施工的质量；3、发生事故后作为分析事故原因和加固处理的依据。减小沉降差的措施：1、设计中尽量使上部荷载中心受压，均匀分布；2、遇高低层相差悬殊或地基软硬突变等情况，可合理设置沉降缝；3、增加上部结构对地基不均匀沉降的调整作用；4、妥善安排施工顺序；5、人工补救措施。土的极限平衡条件土的抗剪强度指标包括内摩擦角与粘聚力两项，都是建筑地基基础设计的重要指标。测定土的抗剪强度的常用仪器有：直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限压力仪和十字板剪切仪。三、典型例题例1：已知某工程地基为饱和粘土层，厚度为

41、8.0m，顶部位薄砂层，底部为不透水的岩层，如图1所示，基础中点O下的附加应力：在基底处为240KPa,基岩顶面为160KPa。粘土地基的孔隙比。渗透系数。求地基沉降量与时间的关系。图1 地基示意图解：1、土层的最终沉降量为： 2、附加应力的比值为：3、假定地基平均固结度分别为25%、50%、75%和90%4、计算时间因子由与查图(书P125)曲线横坐标可得0.04，0.175，0.45，0.845、计算相应的时间地基土的压缩系数： 渗透系数单位换算：计算固结系数：时间因子：计算相应时间：列表计算：系数时间因子时间沉降量251.50.041.825.32501.50.175810.64751.

42、50.4520.415.96901.50.8438.219.17得到关系曲线如图2所示：图2 地基沉降与时间关系图例2：不透水非压缩岩层上面有一层厚10m的正常固结饱和粘土层，由于地面上条形荷载的作用，在该层中产生的附加应力如图3所示。已知该土层的物理力学性质为：初始孔隙比，压缩系数，渗透系数。试问：加荷一年后，地基的变形为多少厘米？ 图3 地基示意图解： 由于近似作为单向固结计算，把附加应力图形作为初始超孔隙水压力图形，所以：土力学与地基基础辅导资料六主 题：第五章 土的抗剪强度与地基承载力1-5节学习时间：2013年11月4日11月10日内 容：本周学习土的抗剪强度与地基承载力有关的内容，

43、希望大家能够通过本周的学习，了解和掌握相关的内容。一、学习要求1、掌握地基强度的意义；2、掌握土体的极限平衡状态；3、掌握影响抗剪强度的指标和因素；4、地基上的临塑荷载和临界荷载。二、主要内容地基强度的意义为了保证建筑工程安全与正常使用，除了防止地基的有害变形外，还需确保地基的强度足以承受上部荷载。用荷载试验结果曲线说明地基的强度问题，如图1 所示。图1 土破坏的过程压密阶段：当荷载较小时，荷载和变形关系呈直线，如 (b)。局部剪切破坏阶段：当荷载增大时，荷载和变形关系呈曲线，地基中出现塑性破坏区，如(c)。滑动破坏阶段：当荷载很大时，荷载和变形关系呈竖直向下直线分布，地基中塑性变形区已扩展并

44、连成连续的滑动面，如(d)。由此可见，各类建筑工程设计中，为了建筑物的安全可靠，要求建筑物地基必须同时满足下列两个条件：地基变性条件：包括地基的沉降量、沉降差、倾斜与局部倾斜，都不超过建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)规定的地基变形允许值，即：地基强度条件：在建筑物的上部荷载作用下，确保地基的稳定性，不发生地基剪切或滑动破坏，即：当上部荷载较小，地基处于压密阶段或地基中塑性变形区很小时，地基是稳定的。若上部荷载很大，地基中的塑性变形区越来越大，最后连成一片，则地基发生整体滑动，即强度破坏。这种情况下地基是不稳定的。无论是建筑物的地基、土坡还是挡土墙后面的填土如果发生破坏都是剪切破

45、坏，土的强度通常指的是抗剪强度，而不是土的抗压强度或抗拉强度。若地基中某点的剪应力数值达到该点的抗剪强度，则该点的土将沿着剪应力作用的方向产生滑动，此时称该点发生强度破坏。土体的极限平衡状态最大最小主应力：任意斜面上的应力：用摩尔应力圆表示任意斜面上的应力：莫尔-库仑破坏理论库仑通过一系列土的强度实验，于1776年总结出土的抗剪强度规律：砂土：抗剪强度与作用在剪切面上的法向应力成正比，比例系数为内摩擦系数，即：粘性土：抗剪强度比砂土的抗剪强度增加一项土的粘聚力，即： 指标包括内摩擦角和粘聚力两项，为建筑地基基础设计的重要指标。测定土的抗剪强度的常用仪器有：直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限压力仪和

46、十字板剪切仪。工程实践中建筑物地基承受外荷重后地基中土层的承载力，需要由土的抗剪强度确定，堤坝、基坑和天然土坡等的边坡稳定性以及会否产生滑坡裂缝，也是由土的抗剪强度控制的，所以，土的抗剪强度是土的重要力学性质之一。测定土的抗剪强度指标的试验称为剪切试验。剪切试验如按室内常用的试验仪器分类，则有直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗压强度试验三种，这三种试验均需从现场钻探取样，在室内进行试验。直接剪切试验图2：应变控制式直剪示意图(1)手轮；(9)螺杆；(3)下盒；(4)上盒；(5)传压板；(6)透水石；(7)开缝；(8)測微计；(9)弹性量力环直接剪切试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种:快剪试验：

47、在试样上施加垂直压力后，立即施加水平剪应力。固结快剪试验：试样上施加垂直压力，待排水固结稳定后，施加水平剪应力。慢剪试验：试样上施加垂直压力及水平剪应力过程中均应使试样排水固结。三轴剪切试验图3：应变控制三轴压缩仪(1)周围压力表；(2)反压力表；(3)周围压力阀；(4)排水阀；(5)体变管；(6)反压力阀；(7)垂直变形百分表；(8)量力环；(9)排气孔；(10)轴向加压设备；(11)压力室；(12)量力阀；(13)零位指示器；(14)孔隙压力表；(15)量管；(16)孔隙压力阀；(17)离合器不固结不排水：在施加固有压力和增加轴向压力直至破坏过程中均不允许试固结不排水：使试样先在某一固有压

48、力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下，增加轴向压力直至破坏。固结排水：使试样先在某一固有压力作用下排水固结，然后在允许试样充分排水的情况下增加轴向压力直至破坏。以上三轴试验的三种方法在实际工程中究竟如何选用是一个复杂的问题。应当根据土的实际受力情况和排水条件加以具体分析。例如，若建筑物施工速度加快，而地基土的透水性较差且排水条件又不佳(如厚度较大的饱和粘性土又无夹砂层)，估计在加荷过程中地基来不及固结就可能失去稳定，对于这种情况可以考虑采用不固结、不排水剪切试验。相反，如果加荷速率较慢，地基土的透水性较好(如低塑性的粘性土)或排水条件又较佳时(如粘土层夹砂层)则可采用排水剪试验，如果情况

49、介于两者之间，就可以采用固结不排水剪切试验。实际上加荷情况和土的性质是复杂的，在选用各种方法时，应注意使试验条件尽可能反映地基土的实际情况。无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验实际上是三轴剪切试验的一种特殊情况。试验时将圆柱体试样放在应变式无侧限压力仪上的底座上，径向压力保持为零，施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力，称为无侧限抗压强度。显然，由这种试验只能求得一个通过原土的极限应力圆，得不到强度包线，如图5所示。图4 然而，正如在饱和粘性土的不固结、不排水剪切试验中，强度包线为一水平线，即=0(表示不固结、不排水剪试验求得的内摩擦角)，于是就可根据无侧限抗

50、压强度间接推论出土的不固结、不排水粘聚力 (通常称为不排水强度)。无侧限抗压强度试验还可测定土的灵敏度，其方法需用一种土的原状土和重塑土试样分别进行无侧限抗压强度试验。三种剪切试验方法的各自特点直接剪切试验由于设备简单，试样制备、安装方便，操作容易掌握。但是，严格的控制直剪仪中试样不排水是难以做到的，特别是对于渗透性强的土。因此，利用直接剪切仍进行所谓快剪、固结快剪试验，其成果将是可疑的，对渗透性高的土更为突出。此外，直接剪切仪还存在着试验中不能测量空隙水压力，剪切过程中试样有效断面积逐渐减少，主应力的大小及方向也在改变，剪切面上剪应力分布不均匀以及剪切面未必是试样的最弱面等缺点。应该指出，由

51、于直接剪切仪的结构上的限制，难以控制试样在剪切过程中的排水条件，故对于饱和粘性土用直接剪切仪进行快剪和固结快剪试验，剪切试样不是十分合理，应尽可能采用三轴剪切试验成果；对慢剪试验，由于试样排水距离短，可使试验历时缩短，故仍有其可取之处。采用直接剪切仪在排水条件下对试样反复剪切至剪应力达到稳定值，求土的残余抗剪强度指标可能是比较好的一种方法。但需要很大的剪位移，但在盒式直剪仪上通常是达不到的，司开普顿首先用反复剪切的积累剪位移，以便能达到大的剪位移量。三轴剪切试验直接测定试样在某一固有压力下的抗压强度，然后利用莫尔库伦破坏准则间接推求土的抗剪强度，三轴剪切试验方法是测定土的抗剪强度较为完善的一种

52、方法，其突出的优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试样中空隙水压力的变化。此外，剪切破坏面是在最弱处，而不像直接剪切仪的剪切面限定在上、下盒之间。测定试样体积变化较为精确，三轴剪切仪还可以测定土的其他力学性质。因此，它是土试验中不可缺少的设备。三轴试验尽管有不少优点，但是也存在着一些问题。例如，试验步骤和操作方法比较繁琐、复杂，目前的试验效率不高，所需的土样要比一般的剪切、压缩试验高出好几倍，这就增加较多的勘察工作量。无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验实际上是三轴剪切试验的一种特殊情况，自径向压力保持为零，是土的一种特殊的受力情形。设备比较简单，且便于携带，操作要求比较低。无侧限抗压强

53、度试验主要适用于测定饱和度较大的软粘土，由于试验中试样侧面不受任何限制的条件下，这样求得的抗剪强度值比三轴不排水抗剪强度值略小。影响抗剪强度指标的因素无粘性土：无粘性土抗剪强度的来源，传统的观念为内摩擦力，内摩擦力由作用在剪切面上的法向压力与土体的内摩擦角。数值为这两项的乘积。滑动摩擦：存在于土粒表面之间，即在土体剪切过程中，剪切面上的土粒发生相对移动所产生的摩擦。咬合摩擦：指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。粘性土：抗剪强度包括内摩擦力合粘聚力两部分。内摩擦力：土体受剪时，剪切面上下土颗粒相对移动时，土粒表面相互摩擦产生的阻力。粘聚力：来源于土粒间的各种物理化学作用力，包括库仑力、范德华力、胶结作用力。地基上的临塑荷载和临界荷载临塑荷载：指在外荷载作用下，地基中刚开始产生塑性变形(即剪切破坏)时基础底面单位面积上所承受的荷载。荷载试验第一阶段为压密阶段，即直线变形阶段；第二阶段为