土力学与地基基础

1、模块模块0 0 绪论绪论学习目标学习目标知识目标知识目标技能目标技能目标1.掌握土力学、地基与基础的概念；2.掌握地基与基础在设计上的要求；3.了解本学科的发展史；4.熟悉本课程的内容、学习方法和学习目标。有地基与基础分析的能力。0.1 0.1 土力学与地基基础的概念土力学与地基基础的概念土力学、地基与基础的概念土力学、地基与基础的概念1.土力学土力学是工程力学的一个分支土力学是工程力学的一个分支, ,运用力学的原理，以散粒体为对运用力学的原理，以散粒体为对象象, ,研究其强度、变形和渗透特性以及与此有关的工程问题。研究其强度、变形和渗透特性以及与此有关的工程问题。2.地基与基础地基是直接承受

2、建筑物荷载影响的地层。地基是直接承受建筑物荷载影响的地层。基础是建筑物的重要组成部分基础是建筑物的重要组成部分, ,是将建筑物承受的荷载传递到地是将建筑物承受的荷载传递到地基上的承重结构。基上的承重结构。加拿大特朗斯康谷仓0.2 0.2 本课程作用及发展简史本课程作用及发展简史课程发展简史课程发展简史17731773年法国的库仑创立了砂土抗剪强度理论年法国的库仑创立了砂土抗剪强度理论,1869,1869年英国的朗肯提年英国的朗肯提出了土压理论出了土压理论,1925,1925年美国的太沙基出版了著名的年美国的太沙基出版了著名的土力学土力学一书一书, ,使使土力学成为一门独立的学科。土力学成为一门

3、独立的学科。万里长城赵州桥0.3 0.3 课程内容、任务、学习方法及目标课程内容、任务、学习方法及目标1.学习内容与任务 土力学与地基基础是一门理论和实践相结合的专业课程。通过研土力学与地基基础是一门理论和实践相结合的专业课程。通过研究土体的性质、特征及分类究土体的性质、特征及分类, ,结合土中的应力来进行地基土沉降的计结合土中的应力来进行地基土沉降的计算算; ;通过研究土体剪切强度来确定地基土的承载力通过研究土体剪切强度来确定地基土的承载力; ;通过研究土压力通过研究土压力理论来进行挡土墙的设计理论来进行挡土墙的设计; ;通过对浅基础的分类、埋深和底面积的计通过对浅基础的分类、埋深和底面积的

4、计算来完成浅基础的设计算来完成浅基础的设计; ;通过对桩基础的分类、单桩承载力的确定、通过对桩基础的分类、单桩承载力的确定、群桩效应及承台的计算来进行桩基础的设计。群桩效应及承台的计算来进行桩基础的设计。2.学习方法和目标在进行学习时应充分掌握本学科的特点在进行学习时应充分掌握本学科的特点, ,从工程实际出发从工程实际出发, ,由实践由实践知识引导理论知识的学习知识引导理论知识的学习, ,由理论知识加强实践能力的培养由理论知识加强实践能力的培养, ,从而达从而达到理论和实践的有机结合。本书以沉降、承载力、土压力和基础的到理论和实践的有机结合。本书以沉降、承载力、土压力和基础的设计为学习目标设计

5、为学习目标, ,并把各目标层层分解为不同的知识点并把各目标层层分解为不同的知识点, ,在兼顾全面在兼顾全面知识的前提下知识的前提下, ,结合具体情况进行重点学习结合具体情况进行重点学习, ,达到分析解决工程实际达到分析解决工程实际问题的能力。问题的能力。模块模块1 1 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类学习目标学习目标知识目标知识目标技能目标技能目标1.掌握土的三相组成和结构特征;2.掌握三个基本指标的测定方法;3.掌握土的物理性质的指标换算;4.掌握无黏性土的密实度对工程性质的影响;5.掌握黏性土的含水量对工程性质的影响;6.熟悉地基土的分类依据和命名方法。1.能利用土工试验仪器,

6、正确测定土的基本指标;2.能利用土的三相示意图和换算公式进行土的各种物理指标的换算;3.能正确划分土的工程类别,进一步判定土的工程性质。1.1 1.1 土的组成土的组成土的固体颗粒土的固体颗粒1.土颗粒的大小和形状土颗粒的大小称为粒度。土颗粒的形状、大小各异土颗粒的大小称为粒度。土颗粒的形状、大小各异, ,但都可以将但都可以将土颗粒的体积化为一个当量的小球体土颗粒的体积化为一个当量的小球体, ,当量小球体的直径称为土颗粒当量小球体的直径称为土颗粒的当量粒径的当量粒径, ,简称粒径。天然土的粒径一般都是连续变化的简称粒径。天然土的粒径一般都是连续变化的, ,工程经工程经验表明验表明: :颗粒粒径

7、相似时颗粒粒径相似时, ,其工程性质也相近其工程性质也相近, ,所以工程上将大小相近的土颗粒合并成组所以工程上将大小相近的土颗粒合并成组, ,称为粒组称为粒组, ,而每个粒组随着分界尺寸的不同而每个粒组随着分界尺寸的不同其矿物成分和物理力学性质呈现出一定质其矿物成分和物理力学性质呈现出一定质的变化。的变化。2.2.土颗粒的级配土颗粒的级配土颗粒的大小及其组成情况土颗粒的大小及其组成情况, ,通常以土中各个粒组的相对含量通常以土中各个粒组的相对含量( (指指土样各粒组的干土质量占土颗粒总质量的百分数土样各粒组的干土质量占土颗粒总质量的百分数) )来表示来表示, ,称为土的称为土的颗粒级配或粒度成

8、分。颗粒级配或粒度成分。测定土颗粒级配的常用方法：测定土颗粒级配的常用方法： 标准筛筛分法 土颗粒沉降示意图沉降分析法3.3.土的矿物成分土的矿物成分 土的矿物成分是控制土颗粒的大小、形状和土的物理、化学性质土的矿物成分是控制土颗粒的大小、形状和土的物理、化学性质的重要因素。土中的矿物按其成因可分为原生矿物和次生矿物两大的重要因素。土中的矿物按其成因可分为原生矿物和次生矿物两大类。类。原生矿物次生矿物长石高岭石土中水土中水 土中水可以处于固态、液态或气态三种形态，其中固态水主要存土中水可以处于固态、液态或气态三种形态，其中固态水主要存在于冻土层中在于冻土层中, ,气态水对土的性质影响不大。现主

9、要讨论液态水。气态水对土的性质影响不大。现主要讨论液态水。土中水结合水强结合水弱结合水非结合水毛细水重力水土中气体土中气体土中气体封闭气体游离游离气体气体通常存在于近地通常存在于近地表的包气带中表的包气带中, ,与与大气连通大气连通, ,随外界随外界条件改变与大气条件改变与大气有交换作用有交换作用, ,处于处于动平衡状态动平衡状态, ,其含其含量的多少取决于量的多少取决于土孔隙的体积和土孔隙的体积和水的充填程度。水的充填程度。呈封闭状态存在呈封闭状态存在于孔隙中于孔隙中, ,通常通常是由于地下水面是由于地下水面上升上升, ,而土的孔而土的孔隙大小不一隙大小不一, ,错错综复杂综复杂, ,使部分

10、使部分气体没能逸出而气体没能逸出而被水包围被水包围, ,与大与大气隔绝气隔绝, ,呈封闭呈封闭状态存在于部分状态存在于部分孔隙内。孔隙内。土的结构土的结构细粒土粗粒土与粗粒土不一样,细粒土存在结构联结。细粒土的结构联结通常有以下一些形式:结合水膜接触联结胶结联结冻结联结1.2 1.2 土的物理指标土的物理指标 土的三相物质在体积和质量上的土的三相物质在体积和质量上的比例关系为三相比例指标。三相比比例关系为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密。松与紧密。土的基本物理指标1.土的密度2.土的重力密度3.土颗粒相对密度4.土的含水量 土的含水量的测

11、定方法有烘干法和酒精燃烧法两种。烘干法是测定含水量的标准方法,适用于黏质土、粉质土、砂类土、砾类土、有机质土和冻类土。酒精燃烧法适用于快速测定细粒土(含有有机质的除外)。土的换算物理指标土的换算物理指标1.土的饱和密度2.土的干密度3.土的浮密度4.土的饱和重度5.土的干重度 6.土的有效重度 7.孔隙比e 8.孔隙率n 9.饱和度Sr 土的饱和度定义为土中水的体积与孔隙体积之比，即土的饱和度定义为土中水的体积与孔隙体积之比，即基本指标与换算指标的关系基本指标与换算指标的关系1.3 1.3 土的物理状态指标土的物理状态指标无黏性土的密实度无黏性土的密实度1.天然孔隙比e 土的密实度是指单位体积

12、的土体中固体颗粒的含量。孔隙比土的密实度是指单位体积的土体中固体颗粒的含量。孔隙比e e 是是表示砂土的密实度的指标之一。对于同一种土表示砂土的密实度的指标之一。对于同一种土, ,当孔隙比小于某一限当孔隙比小于某一限度时度时, ,处于密实状态。孔隙比越大处于密实状态。孔隙比越大, ,则土越松散。则土越松散。2.相对密实度Dr 相对密实度相对密实度DrDr是目前国内外都普遍采用的判别砂土密实程度的指是目前国内外都普遍采用的判别砂土密实程度的指标标, ,其计算公式为其计算公式为3.标准贯入实验黏性土的含水量黏性土的含水量1.液限wL（%）（1 1）定义）定义：土由流动状态向可塑状态过度的界限含水量

13、称为液限,也就是可塑状态的上限含水量。（2 2）测定方法）测定方法 液塑限联合测定法、圆锥仪法和碟式仪法。2.塑限wp（%）（1 1）定义）定义：土由可塑状态向半固体状态过度的界限含水量称为塑限,也就是可塑状态的下限含水量。（2 2）测定方法）测定方法 液塑限联合测定法和滚搓法。3.缩限ws（%）（1 1）定义）定义：土由半固体状态向固体状态过渡的界限含水量称为缩限,也就是黏性土随着含水量的减小体积开始不变时的含水量。（2 2）测定方法：）测定方法：收缩皿法。 塑性指数和液性指数塑性指数和液性指数1.塑性指数（1 1）定义：）定义：液限与塑限的差值(省去%符号),称为塑性指数,用符号IP表示,

14、即（2 2）物理意义：）物理意义：表示土处于可塑状态的含水量变化的范围,是衡量土的可塑性大小的重要指标。（3 3）工程应用：）工程应用：用塑性指数IP对黏性土进行分类和命名。2.液性指数（1 1）定义：）定义：黏性土的天然含水量 与塑限含水量p的差值与塑性指数IP之比值,用符号IL表示,即（2 2）物理意义：）物理意义：土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系,反映土的软硬程度。（3 3）工程应用：）工程应用：根据IL 值可以直接判定土的稠度(软硬)状态。1.4 1.4 岩石的工程分类岩石的工程分类岩石岩石 未风化、微未风化、微风化、中风风化、中风化、强风化、化、强风化、全风化全风化风化程度

15、坚硬岩、较坚硬岩、较硬岩、较软硬岩、较软岩、软岩、岩、软岩、极软岩极软岩坚硬程度 完整、较完完整、较完整、较破碎、整、较破碎、破碎、极破破碎、极破碎碎完整程度碎石土碎石土1.碎石土的分类2.碎石土的密实度砂土砂土黏性土黏性土人工填土人工填土链接执考链接执考模块模块2 2 土中的应力土中的应力学习目标学习目标知识目标知识目标技能目标技能目标1.掌握土的自重应力及基本计算公式;2.掌握土体成层及有地下水时自重应力的计算公式;3.掌握基底压力的简化计算;4.掌握中心荷载、偏心荷载作用下的基底压力的分布及其计算;5.掌握基底附加应力的概念及其计算。1.掌握土中应力的计算;2.掌握矩形基础中点的应力计算

16、;3.掌握矩形基础角点的应力计算;4.掌握用角点法计算任意点的压应力的方法。2.1 2.1 土的自重应力土的自重应力基本计算公式基本计算公式均匀土的自重应力分布：均匀土的自重应力分布：土体成层时的计算公式土体成层时的计算公式 设各土层厚度及重度分别为设各土层厚度及重度分别为h hi i和和 i i(i=1,2,n)(i=1,2,n) , ,这时土柱体总重力为这时土柱体总重力为n n 段小土柱体之和段小土柱体之和, ,则在第则在第n n 层土的底面层土的底面, ,自重应力计算公式为自重应力计算公式为成层土的自重压力分布成层土的自重压力分布土层中有地下水时的自重压应力计算土层中有地下水时的自重压应

17、力计算 计算地下水位以下土的自重压应力时计算地下水位以下土的自重压应力时, ,应根据土的性质确定是否需应根据土的性质确定是否需要考虑水的浮力作用。若地下水位以下的土受到水浮力作用要考虑水的浮力作用。若地下水位以下的土受到水浮力作用, ,则水下则水下部分土的重度应按浮重度部分土的重度应按浮重度 计算计算, ,其计算方法如同成层土的情况。其计算方法如同成层土的情况。2.2 2.2 基底压力的简化计算基底压力的简化计算中心荷载作用下的基底压力中心荷载作用下的基底压力偏心荷载作用下的基底压力偏心荷载作用下的基底压力 偏心荷载作用下的基底压力如右图所偏心荷载作用下的基底压力如右图所示。基底压力示。基底压

18、力pp按偏心受压公式计算按偏心受压公式计算: : 偏心荷载时基底压力分布的几种情况：偏心荷载时基底压力分布的几种情况：基底附加压力基底附加压力 土中的附加压应力是由建筑物及其外荷载作用所引起的应力增量土中的附加压应力是由建筑物及其外荷载作用所引起的应力增量, ,而建筑物的荷载是通过基础传到土中的而建筑物的荷载是通过基础传到土中的, ,因此基础底面的压力分布形因此基础底面的压力分布形式将对土中应力产生影响。式将对土中应力产生影响。2.3 2.3 土中附加应力土中附加应力竖向集中应力作用下土中附加应力竖向集中应力作用下土中附加应力下式为著名的下式为著名的布幸内斯克布幸内斯克( (Boussines

19、qBoussinesq) )解答解答, ,它是求解地基中附加应力它是求解地基中附加应力的基本公式。的基本公式。集中力作用下的竖向应力系数集中力作用下的竖向应力系数集中荷载作用下附加压应力的分布规律如下集中荷载作用下附加压应力的分布规律如下: : (1)力作用线上,深度增加,z 急剧减少; (2)同一水平线上,距力的作用线越远,z 值越小; (3)在通过力作用线的竖线上,z 值随深度增加而变化的情况是:先由零开始增加,到某一深度达到最大值,然后又逐渐减小。矩形均布荷载作用下土中附加应力矩形均布荷载作用下土中附加应力1.矩形面积中点O 下土中竖向应力z 计算右图表示右图表示在地基表面在地基表面l

20、lb b 面积上作用均布荷载面积上作用均布荷载p, p,其中点其中点O O 下深度下深度z z 处竖向应力处竖向应力 z z 可解得可解得2.矩形面积角点c 下土中竖向应力z 的计算右图表示在右图表示在均布荷载均布荷载p p 作用下作用下, ,计算矩形计算矩形面积角点面积角点c c下深度下深度N N 处的竖向应力处的竖向应力zz 时时可解得可解得3.矩形面积均布荷载作用时,土中任意点的竖向应力z 的计算角点法 ( (1) 1)若若A A 点在矩形面积范围之内点在矩形面积范围之内( (图图(a)(a) 计算时可以通过A 点将受荷面积abcd 划分为4个小矩形面积aeAh、ebfA 、hAgd 及

21、Afcg。这时A 点分别在4个小矩形面积的角点,这样就可以用前面的公式分别计算4个小矩形面积均布荷载在角点A 下引起的竖向应力zi,再叠加起来即得 (2 (2) )若若A A 点在矩形面积范围之外点在矩形面积范围之外( (图图(b(b) ) 计算时可按图 (b)划分的方法,分别计算矩形面积aeAh、beAg、dfAh 及cfAg 在角点A 下引起的竖向应力,然后按下述叠加方法计算:三角形分布的竖向荷载作用下土中附加应力三角形分布的竖向荷载作用下土中附加应力 如图所如图所示示, ,在地基表面作用矩形在地基表面作用矩形( (l lb b) )三三角形分布荷载角形分布荷载, ,计算荷载为零的角点下深

22、计算荷载为零的角点下深度度z z处处MM点点的竖向应力的竖向应力 z z 时时, ,同样可以同样可以用书用书中式中式(2.8)(2.8)求解。将坐标原点取在荷载为零求解。将坐标原点取在荷载为零的角点上的角点上,z ,z 轴通过轴通过M M 点点。取。取元素面积元素面积dFdF = =dxdydxdy, ,其上作用元素集中力其上作用元素集中力dQdQ = = pdxdypdxdy, ,则得则得从下表查得。应注意上述b 值不是指基础的宽度,而是指三角形荷载分布方向的基础边长。条形荷载作用下土中附加应力条形荷载作用下土中附加应力1.均匀分布荷载 右图表示右图表示条形荷载的任意截面条形荷载的任意截面,

23、 ,当当荷载强度荷载强度p p 均匀分布时均匀分布时, ,土中任意点土中任意点M(M(x,zx,z) )上的竖向上的竖向正压应力正压应力为为2.三角形分布荷载 如右图所如右图所示示, ,当条形荷载强度沿当条形荷载强度沿宽度呈三角形分布时宽度呈三角形分布时, ,土中任意点土中任意点M (M (x,zx,z) )的竖向的竖向正应力正应力 z z 为为3.梯形分布荷载 梯形梯形分布荷载可视为由均布荷载和三角形荷载两部分组成。对土分布荷载可视为由均布荷载和三角形荷载两部分组成。对土中任意点的压应力中任意点的压应力, , 叠加叠加即可。即可。模块模块3 3 地基沉降计算地基沉降计算学习目标学习目标知识目

24、标知识目标技能目标技能目标1.掌握压缩指标的含义及其应用;2.掌握地基最终变形计算原理及地基沉降与时间的关系;3.掌握减少地基不均匀沉降的措施。1.掌握土体变形、压缩产生的原因;2.能根据建筑地基土层的分布、厚度、物理力学性质和上部结构的荷载,进行地基变形值的计算。3.1 3.1 土的压缩土的压缩土的压缩试验土的压缩试验 土土的室内压缩试验亦称固结试验的室内压缩试验亦称固结试验, ,是研究土压缩性最基本的方法。是研究土压缩性最基本的方法。 室内室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪。压缩试验采用的试验装置为压缩仪。 用用金属环刀从原状土切取试样金属环刀从原状土切取试样, ,将试样连同环刀置入一刚性

25、护环内将试样连同环刀置入一刚性护环内, ,其上、下面放置透水石其上、下面放置透水石, ,以以便于便于土中水的排出。试验时土中水的排出。试验时, ,通过传压板通过传压板向试样分级施加压力向试样分级施加压力, ,常用的分级加荷常用的分级加荷量量p p 为为: :50kPa50kPa、100kPa100kPa、200kPa200kPa、300kPa300kPa、400kPa400kPa。在每级压力作用下。在每级压力作用下, ,测出试样的变形测出试样的变形, ,直至变形稳定直至变形稳定再施加下再施加下一级一级压力。根据试样稳定的变形值压力。根据试样稳定的变形值, ,可以计算出相应荷载作可以计算出相应荷

26、载作用下的孔隙比用下的孔隙比e e。 试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力,或孔隙比和压力的关系,变形和时间的关系,以便计算土的压缩系数、压缩指数、压缩模量、固结系数及原状土的先期固结压力等。压缩性指标压缩性指标压缩系数a土的压缩指数CC压缩模量ES3.2 3.2 地基最终沉降量计算地基最终沉降量计算分层总和法分层总和法基本原理 1.对于一般的单独基础,一般计算基础中心点的沉降作为地基沉降,对于大基础,可计算基础若干点的沉降,并取其平均值作为地基沉降。2.用分层法计算出地基的最终沉降,对复杂因素难以综合反映,将计算结果与大量的观察资料相比较发现:低压缩性地基土,计算值偏大;高

27、压缩性地基土,计算值偏小。规范法规范法基本计算公式3.3 3.3 地基变形与时间的关系地基变形与时间的关系有效应力原理有效应力原理 外部荷载在饱和土体中产生的应力外部荷载在饱和土体中产生的应力, ,是由土体中骨架与孔隙水共同是由土体中骨架与孔隙水共同来承担的。由颗粒骨架所承担的应力来承担的。由颗粒骨架所承担的应力, ,称为有效应力称为有效应力, ,用符号用符号表示。表示。有效应力的作用将使土颗粒产生位移有效应力的作用将使土颗粒产生位移, ,引起土体的变形和强度变化。引起土体的变形和强度变化。由孔隙中的水所承担的应力称为孔隙水压力由孔隙中的水所承担的应力称为孔隙水压力, ,用符号用符号u u 来

28、表示。来表示。 只有有效应力只有有效应力才是影响土的变形与强度特性的决定因素。饱才是影响土的变形与强度特性的决定因素。饱和土体所受的总应力和土体所受的总应力 等于有效应力等于有效应力和孔隙水压力和孔隙水压力u u 之和之和, ,即即单向固结理论单向固结理论1.模型分析 在整个渗透固结过程中在整个渗透固结过程中, ,超静孔隙水压力超静孔隙水压力u u 和附加有效应力和附加有效应力是是深度深度z z 和时间和时间t t 的函数。的函数。2.基本假设 (1) (1)土层是均质的、完全饱和的土层是均质的、完全饱和的; ; (2) (2)土颗粒和水是不可压缩的土颗粒和水是不可压缩的; ; (3) (3)

29、水的渗出和土层的压缩只沿一个方向水的渗出和土层的压缩只沿一个方向( (竖向竖向) )发生发生; ; (4) (4)水的渗流遵从达西定律水的渗流遵从达西定律, ,且渗透系数且渗透系数k k 保持不变保持不变; ; (5) (5)孔隙比的变化与有效应力的变化成正比孔隙比的变化与有效应力的变化成正比, ,即即-de/-de/dd=a,=a,且压缩系且压缩系数数a a 保持不变保持不变; ;(6)(6)外荷载一次瞬时施加。外荷载一次瞬时施加。3.固结度 对某一深度对某一深度z z 处处, ,有效应力有效应力zt zt 与总应力与总应力p p 的比值的比值, ,也即超静孔隙水也即超静孔隙水压力的消散部分

30、压力的消散部分u u0 0-u-uzt zt 与起始孔隙水压力的比值与起始孔隙水压力的比值, ,称为该点土的固结称为该点土的固结度度, ,表示为表示为 土层的平均固结度等于时间土层的平均固结度等于时间t t 时时, ,土层骨架已经承担起来的有效压土层骨架已经承担起来的有效压应力对全部附加压应力的比值。表示为应力对全部附加压应力的比值。表示为 积分化简后得积分化简后得 从实用目的考虑从实用目的考虑, ,通常采用第一项已经足够通常采用第一项已经足够, ,因此上式可写成因此上式可写成 U Ut t和和T Tv v之间的关系可用下图中的曲线表示。为计算简便之间的关系可用下图中的曲线表示。为计算简便,

31、,曲线曲线亦可用下列近似公式表达亦可用下列近似公式表达: : 对于起始超静水压力对于起始超静水压力u u0 0沿土层深度为线性变化的情况沿土层深度为线性变化的情况( (下图中的情下图中的情况况2 2和和3),3),可根据此时的边界条件可根据此时的边界条件, ,解微分方程解微分方程(3.18),(3.18),并对式并对式(3.23)(3.23)进行积进行积分分, ,分别得分别得 这种情况下的这种情况下的U Ut t-T-Tv v关系曲线如下图中的曲线和曲线所示。可关系曲线如下图中的曲线和曲线所示。可利用表利用表3.93.9查相应于不同固结度的查相应于不同固结度的T Tv v值。值。 实际工程中实

32、际工程中, ,作用于饱和土层中的起始超静水压力分布要更为复作用于饱和土层中的起始超静水压力分布要更为复杂杂, ,但实用上可以足够准确地把实际上可能遇到的起始超静水压力分但实用上可以足够准确地把实际上可能遇到的起始超静水压力分布近似地分为布近似地分为5 5种情况处理。种情况处理。 情况1:基础底面很大而压缩土层较薄的情况。 情况2:相当于无限宽广的水力冲填土层,由于自重压力而产生固结的情况。 情况3:相当于基础底面积较小,在压缩土层底面的附加应力已接近零的情况。 情况4:相当于地基在自重作用下尚未固结就在上面修建建筑物基础的情况。 情况5:与情况3相似,但相当于在压缩土层底面的附加应力还不接近于

33、零的情况。 土层平均固结度即可按有效应力对全部附加应力的比值表示土层平均固结度即可按有效应力对全部附加应力的比值表示, ,也可也可根据土层某时刻的沉降量根据土层某时刻的沉降量S St t与最终沉降量与最终沉降量S S 之比来求得。之比来求得。 按土层平均固结度的定义按土层平均固结度的定义: :4.沉降与时间关系的计算 以时间以时间t t为横坐标为横坐标, ,沉降沉降St St为纵坐标为纵坐标, ,可以绘出沉降与时间关系曲线。可以绘出沉降与时间关系曲线。比较建筑物不同点的沉降与时间关系曲线比较建筑物不同点的沉降与时间关系曲线, ,就可以求出建筑物各点在就可以求出建筑物各点在任一时间的沉降差。任一

34、时间的沉降差。3.4 3.4 建筑物沉降观测与地基变形特征建筑物沉降观测与地基变形特征建筑物沉降的观测建筑物沉降的观测 为了保证建筑物的使用安全为了保证建筑物的使用安全, ,建筑物的沉降观测是非常必要的建筑物的沉降观测是非常必要的, ,其其目的是提供有关建筑物的沉降量与沉降速率。目的是提供有关建筑物的沉降量与沉降速率。建筑物沉降观测点水准点地基的变形特征地基的变形特征 建筑物的地基变形允许值是指能保证建筑物正常使用的最大变形值。建筑物的地基变形允许值是指能保证建筑物正常使用的最大变形值。 地基变形允许值按其变形特征有以下地基变形允许值按其变形特征有以下4 4种种: : 沉降量指基础中心点的沉降

35、值; 沉降差指相邻单独基础沉降量的差值; 倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值; 局部倾斜指砌体承重结构沿纵墙610m 内基础某两点的沉降差与其距离的比值。链接执考链接执考模块模块4 4 土的抗剪强度及地基承载力土的抗剪强度及地基承载力学习目标学习目标知识目标知识目标技能目标技能目标1.了解土的抗剪强度的基本概念和工程意义;2.熟悉土的抗剪强度的库仑定律;3.了解影响抗剪强度指标的因素;4.掌握土中一点的极限平衡条件;5.掌握用直剪仪和三轴仪测定土的抗剪强度指标的方法;6.了解建筑地基的破坏类型;7.掌握临塑荷载、临界荷载、地基极限承载力的概念和计算;8.掌握确定地基承载力的几种方法

36、;9.工程事故分析。1.能应用土的破坏准则和极限平衡条件判断土体中一点的状态;2.能根据实际工程条件选择合适的土的抗剪强度指标试验方法;3.能够应用太沙基理论公式计算极限承载力;4.在工作过程中能防预由于地基强度不够而引起的安全和质量事故的发生。4.1 4.1 土的抗剪程度土的抗剪程度 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力, ,其大小就等于剪其大小就等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。切破坏时滑动面上的剪应力。 塑性变形:材料(包括土体)在外力作用下产生形变而在外力去除后不能恢复的那部分变形。 地基中的塑性变形区:地基土中发生塑性变形的区域。 土的抗

37、剪强度,首先取决于其自身的性质,即土的物质组成、土的结构。其次,还取决于土当前所受的应力状态。抗剪强度库伦定律抗剪强度库伦定律抗剪强度的影响因素抗剪强度的影响因素土颗粒的矿物成分、形状、大小及颗粒级配原始密实度含水量土的结构扰动有效法向压力土体的应力历史莫尔莫尔- -库伦强度理论库伦强度理论4.2 4.2 土的极限平衡理论土的极限平衡理论土中某点的应力土中某点的应力 在土体中取一微小单元体在土体中取一微小单元体, ,如图如图4.3(a)4.3(a)所示所示, ,设作用在该微小单元体设作用在该微小单元体上的最大主应力为上的最大主应力为 1 1, ,最小主应力为最小主应力为 3 3, ,在微体内与

38、最大主应力在微体内与最大主应力 1 1 作用作用平面成任意角平面成任意角 的的mnmn 平面上有正应力平面上有正应力 和剪应力和剪应力 。为了建立。为了建立 、 与与 1 1、 3 3 之间的关系之间的关系, ,取隔离体取隔离体abcabc, ,如图如图4.3(b)4.3(b)所示。所示。极限平衡条件极限平衡条件 (1) (1)要判断土体中一点的受力状态要判断土体中一点的受力状态, ,必须同时知道最大、最小主应力必须同时知道最大、最小主应力和土的抗剪强度指标及其关系和土的抗剪强度指标及其关系; ; (2) (2)土体剪切破坏时的破裂面不是发生在最大剪应力的作用面土体剪切破坏时的破裂面不是发生在

39、最大剪应力的作用面(=45(=45) )上上, ,而是发生在与最大主应力作用面成而是发生在与最大主应力作用面成 f f=45=45+/2+/2的平面上的平面上; ; (3) (3)如果同一种土有几个试样在不同的最大、最小主应力组合下受如果同一种土有几个试样在不同的最大、最小主应力组合下受剪破坏剪破坏, ,则在则在- - 图上可得到几个莫尔极限应力圆图上可得到几个莫尔极限应力圆, ,这些应力圆的公切这些应力圆的公切线就是土体的抗剪强度包线线就是土体的抗剪强度包线; ; (4) (4)土体的抗剪强度随剪切面上的法向应力增大而增大。土体的抗剪强度随剪切面上的法向应力增大而增大。4.3 4.3 土的抗

40、剪强度的测定土的抗剪强度的测定直接剪切试验直接剪切试验 直接剪切试验简称直剪试验。直剪试验所使用的仪器称为直剪仪直接剪切试验简称直剪试验。直剪试验所使用的仪器称为直剪仪, ,按加荷方式的不同按加荷方式的不同, ,直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种。直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种。应变控制式应力控制式1.试验方法分类快剪团结快剪慢剪2.试验优缺点 优点：优点：仪器设备简单、操作方便等。 缺点：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; 在剪切过程中,土样剪切面逐渐缩小,而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算; 试验时不能严格控制

41、排水条件,不能量测孔隙水压力; 试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒,使试验结果偏大。三轴剪切三轴剪切试验试验三轴压缩仪三轴压缩仪 1.试验方法分类不固结不排水试验(UU)固结不排水试验(CU)固结排水试验(CD)2.试验优缺点 优点优点： 试验可严格控制排水条件; 试验可量测孔隙水压力; 试验破裂面在最软弱处。 缺点：缺点：2=3,而实际上土体的受力状态未必都属于这类轴对称情况; 实验比较复杂。无侧限抗压强度无侧限抗压强度试验试验 无侧限抗压强度试验是周围压无侧限抗压强度试验是周围压力力3=0(3=0(无侧限无侧限) )的一种特殊三轴的一种特殊三轴压缩试验压缩试验, ,又称单轴试验又称单轴试验

42、, ,该试验多该试验多在无侧限抗压仪上进行在无侧限抗压仪上进行, ,其结构示其结构示意图如图所示。意图如图所示。 试验时试验时, ,在不加任何侧向压力的在不加任何侧向压力的情况下情况下, ,对圆柱体试样施加轴向压对圆柱体试样施加轴向压力力, ,直至试样剪切破坏为止。试样直至试样剪切破坏为止。试样破坏时的轴向压力以破坏时的轴向压力以q qu u 表示表示, ,称为称为无侧限抗压强度。无侧限抗压强度。十字板剪切十字板剪切试验试验 十字板剪切试验是一种土的抗剪十字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位测试方法。它不需要取强度的原位测试方法。它不需要取原状土样原状土样, ,试验时的排水条件、受力试验时的排

43、水条件、受力状态与土所处的天然状态比较接近。状态与土所处的天然状态比较接近。这种试验方法适合于在现场测定难这种试验方法适合于在现场测定难于取样的饱和软黏土的抗剪强度。于取样的饱和软黏土的抗剪强度。 十字板剪切试验采用的试验设备十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字板剪切仪。主要是十字板剪切仪。4.4 4.4 临塑荷载与极限荷载临塑荷载与极限荷载地基变形的三个阶段地基变形的三个阶段压密阶段(线弹性变形阶段)剪切阶段(弹塑性变形阶段)破坏阶段地基的破坏形式地基的破坏形式整体剪切整体剪切破坏破坏局部局部剪切剪切破坏破坏冲剪冲剪破坏破坏临塑荷载与临界荷载临塑荷载与临界荷载1.塑性变形区边界方程 如下图

44、所示如下图所示, ,在地基表面作用有均布条形荷载在地基表面作用有均布条形荷载p, p,根据弹性理论根据弹性理论, ,地基地基中任意点中任意点M M 由由p p 所引起的最大、最小主应力为所引起的最大、最小主应力为 式中式中 22任意点任意点M M 与均布条形荷载两端点的夹角与均布条形荷载两端点的夹角, ,称为视称为视角角, ,radrad。 实际工程中基础都有一定的埋深实际工程中基础都有一定的埋深d, d, 作用在地基上的条形均布荷载作用在地基上的条形均布荷载为基底附加压力为基底附加压力p p0 0=p-=p-0 0d d。考虑到土体重力的影响。考虑到土体重力的影响, ,设极限平衡状态设极限平

45、衡状态时时, ,土的静止侧压力系数土的静止侧压力系数k k0 0=1,=1,则则M M 点由土的自重所引起的法向应力点由土的自重所引起的法向应力在各个方向都相同在各个方向都相同, ,均等于均等于 0 0d+zd+z。 因此地基中任意点因此地基中任意点M M 引起的最大、最小主应力为引起的最大、最小主应力为 代入公式代入公式(4.8)(4.8)得得2.临塑荷载和临界荷载 计算塑性区的最大深度计算塑性区的最大深度zmaxzmax时时, ,可以按数学上求极值的方法可以按数学上求极值的方法, ,上面上面的公式对的公式对 求导求导, ,并令其导数等于零并令其导数等于零, ,可解得可解得 将其代入式将其代

46、入式(4.16)(4.16)可得塑性区的最大深度为可得塑性区的最大深度为 当当z zmaxmax=0,=0,表示地基中要出现而没有出现塑性变形区表示地基中要出现而没有出现塑性变形区, ,此时相应的荷此时相应的荷载载p p 为临塑荷载为临塑荷载pcrpcr, ,其表达式如下其表达式如下: : 一般情况下将临塑荷载一般情况下将临塑荷载pcrpcr作为地基承作为地基承载力设计值是偏保守的。经验表明载力设计值是偏保守的。经验表明, ,在大在大多数情况下多数情况下, ,即使地基发生局部剪切破坏即使地基发生局部剪切破坏, ,地基的塑性变形区有所发展地基的塑性变形区有所发展, ,只要塑性区只要塑性区的范围不

47、超过某一容许范围的范围不超过某一容许范围, ,就不至影响就不至影响建筑物的安全和正常使用。建筑物的安全和正常使用。太沙基极限承载力理论太沙基极限承载力理论 基础:将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。 临界荷载:对于一般的土,根据工程经验,当塑性变形区最大深度zmax等于1/3或1/4的基础宽度B 时,地基仍是安全的,为此常取此塑性变形区深度对应的荷载为临界荷载。 土力学中采用理论方法计算极限荷载的公式很多土力学中采用理论方法计算极限荷载的公式很多, ,基本途径有两种基本途径有两种: :极限平衡理论假定滑动面未被未被广泛广泛采用采用还没有得还没有得到公认的到公认的公式公式 由于地基

48、的基底一般都是粗糙的由于地基的基底一般都是粗糙的, ,太沙基在推导均质地基上的条形太沙基在推导均质地基上的条形基础且受均布荷载作用的极限承载力时基础且受均布荷载作用的极限承载力时, ,认为基础底面是粗糙的认为基础底面是粗糙的, ,并并对地基滑动面形状作了如下假设对地基滑动面形状作了如下假设: : 可以得到太沙基的地基极限承载力公式可以得到太沙基的地基极限承载力公式: : 承载力因数值承载力因数值 对于松砂和软土对于松砂和软土, ,地基破坏是局部剪切破坏地基破坏是局部剪切破坏, ,太沙基建议在这种情太沙基建议在这种情况下用较小的况下用较小的c c、 代入上列各式计算极限承载力。即代入上列各式计算

49、极限承载力。即4.5 4.5 地基承载力地基承载力地基承载力的确定方法地基承载力的确定方法确定方法根据根据建筑地基建筑地基基础设计规范基础设计规范(GB500072011)(GB500072011)中方法中方法载荷试验确定根据土的抗剪强度指标确定按修正公式计算按照理论公式按照理论公式按照控制地基内按照控制地基内塑性区的发展范塑性区的发展范围围 原位测试包括地基土静载荷试验、触探试验、十字板剪切试验、岩土现场剪切试验、动力参数或剪切波速的测定、桩的静、动荷载试验等。 目前建筑工程大量存在着主裙楼一体的结构,对于主体结构地基承载力的深度修正,宜将基础底面以上范围内的荷载,按基础两侧的超载考虑,当超

50、载宽度大于基础宽度两倍时,可将超载折算成土层厚度作为基础埋深,基础两侧超载不等时,取小值。影响地基承载力的因素影响地基承载力的因素地基方面荷载方面上部结构和基础方面其他方面 不同地区、不同成因、不同土质的地基承载力差别较大不同地区、不同成因、不同土质的地基承载力差别较大, ,地基承载地基承载力的主要影响因素有以下几个方面力的主要影响因素有以下几个方面: :其他如地表超载、施工因素、地下水位、基底倾斜和地面倾斜等4.6 4.6 工程实例工程实例 在实践工程中在实践工程中, ,与土的抗剪强度有关的工程问题主要有以下四方面与土的抗剪强度有关的工程问题主要有以下四方面: : 典型的工程事故实例南京江南

51、水泥厂土坡滑动香港宝城大厦土坡滑动美国纽约汉森河旁一座水泥仓库的地基事故弗莱德里克斯特油罐倾斜事故香港宝城大厦土坡滑动链接执考链接执考链接执考链接执考链接执考链接执考模块模块5 5 压力与边坡稳定压力与边坡稳定学习目标学习目标知识目标知识目标技能目标技能目标1.掌握土压力的概念和分类;2.掌握朗肯土压力理论计算土压力的方法;3.熟悉库仑土压力理论计算土压力方法;4.熟悉挡土墙的类型和构造要求;5.掌握挡土墙的稳定验算;6.熟悉影响土坡稳定性的因素;7.掌握无黏性土坡和黏性土坡稳定计算方法。1.能进行常见情况下的土压力计算;2.能进行挡土墙的稳定验算;3.会进行挡土墙设计;4.会进行土质边坡稳定

52、性分析。5.1 5.1 概述概述 为防止滑坡或滑塌给附近居民或建筑物造成不必要的损失为防止滑坡或滑塌给附近居民或建筑物造成不必要的损失, ,常采用常采用挡土构筑物来支挡边坡。如修筑水闸边墙、码头岸墙、江河岸桥梁挡土构筑物来支挡边坡。如修筑水闸边墙、码头岸墙、江河岸桥梁的桥台、堆放煤、石料等散粒材料的挡墙来保证建筑物的安全稳定。的桥台、堆放煤、石料等散粒材料的挡墙来保证建筑物的安全稳定。 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称为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称为土压力。土压力。工程中的挡土墙土压力的种类土压力的种类根据挡土墙位移或转动情况和墙后填土的应力状态

53、根据挡土墙位移或转动情况和墙后填土的应力状态, ,土压力分为土压力分为3 3类。类。静止土压力主动土压力被动土压力静止土压力计算静止土压力计算 假设墙体为刚性的假设墙体为刚性的, ,墙后填土为均质、各向同性且无限延伸墙后填土为均质、各向同性且无限延伸, ,则可则可以把墙体看作土体的一部分进行研究以把墙体看作土体的一部分进行研究, ,在墙后深度在墙后深度z z 处取一微小单元处取一微小单元体。作用在此单元体上的竖向应力为土的自重应力体。作用在此单元体上的竖向应力为土的自重应力 z, z,水平自重应力水平自重应力即为静止土压力强度即为静止土压力强度p p0 0, ,那么那么: :静止土压力分布5.

54、2 5.2 朗肯土压力理论朗肯土压力理论主动土压力主动土压力1.假设 土体是均质的、各向同性的、具有水平表面的半无限空间体土体是均质的、各向同性的、具有水平表面的半无限空间体; ;墙体墙体是刚性的、墙背铅直光滑。是刚性的、墙背铅直光滑。2.主动土压力计算 主动土压力计算公式主动土压力计算公式 总的主动土压力计算总的主动土压力计算若挡土墙高为H ,则作用在墙后的主动土压力合力大小即为主动土压力强度图形面积三角形分布图面积,即被动土压力被动土压力 朗肯被动土压力假设条件和基本原理与其主动土压力理论相同。朗肯被动土压力假设条件和基本原理与其主动土压力理论相同。朗肯被动土压力状态如下图所示：朗肯被动土

55、压力状态如下图所示：朗肯被动土压力计算 朗肯土压力理论,以土体中任一点的极限平衡条件推导计算公式,概念明确、公式简单、计算方便。但实际工程中挡土墙并非墙背光滑、垂直、填土表面水平,因而计算结果和实际情况有一定的误差。 当墙后填土上作用有局部荷载时,局部荷载对墙背产生的土压力强度分布目前还难以从理论上求解。这种情况下的土压力可按近似方法来求解。从荷载两端点各作一条与水平线呈(45+ /2)角的辅助线,这两条线分别与墙相交于两点。这两点之间的土压力强度增加一个量值,按pa=qKa 计算。总主动土压力在原来计算的基础上增加由pa=qKa 产生的面积,作用点通过图形形心。5.3 5.3 库伦土压力理论

56、库伦土压力理论主动土压力主动土压力库伦主动土压力计算图被动土压力被动土压力黏性土应用库仑土压力理论黏性土应用库仑土压力理论 库仑土压力理论假定墙后填土为理想的散粒体库仑土压力理论假定墙后填土为理想的散粒体, ,即填土只有内摩擦即填土只有内摩擦角而没有黏聚力角而没有黏聚力, ,因此从理论上来讲因此从理论上来讲, ,库仑土压力理论只适用于无黏库仑土压力理论只适用于无黏性土。性土。 1.图解法2.规范法 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB500072011)(GB500072011)采用与楔体试算法相采用与楔体试算法相似的滑动平面假设似的滑动平面假设, ,得到黏性土和粉土的主动土压力为得

57、到黏性土和粉土的主动土压力为5.4 5.4 常见情况下土压力的计算常见情况下土压力的计算填土表面有均布荷载的情况填土表面有均布荷载的情况填土为成层土的情况填土为成层土的情况填土内有地下水的情况填土内有地下水的情况 当墙后填土为成层土时当墙后填土为成层土时, ,应考虑填土性质不同应考虑填土性质不同( (重度、黏聚力、内重度、黏聚力、内摩擦角摩擦角) )对土压力的影响。在计算土压力时应注意两点对土压力的影响。在计算土压力时应注意两点: :一是由于各一是由于各层填土重度不同层填土重度不同, ,计算填土竖向应力时在土层交界面处出现转折计算填土竖向应力时在土层交界面处出现转折; ;二二是由于各层填土内摩

58、擦角不同是由于各层填土内摩擦角不同, ,在计算土压力系数时在计算土压力系数时, ,需要采用计算需要采用计算点所在土层的内摩擦角点所在土层的内摩擦角, ,所以在土层交界面处土压力强度出现转折所以在土层交界面处土压力强度出现转折, ,如图所示。如图所示。 土压力合力大小由土压力强度分布图形面积求得土压力合力大小由土压力强度分布图形面积求得, ,土压力水平指向土压力水平指向墙背墙背, ,作用点位于土压力强度分布图形形心位置。作用点位于土压力强度分布图形形心位置。 当墙后填土中有地下水存在时当墙后填土中有地下水存在时, ,进行土压力计算时进行土压力计算时, ,水上和水下部水上和水下部分应作为两层分应作

59、为两层, ,其中地下水位以上部分的土压力计算同前其中地下水位以上部分的土压力计算同前; ;地下水位地下水位以下部分土压力计算分两种情况以下部分土压力计算分两种情况: :当土体为无黏性土时土体的自重应当土体为无黏性土时土体的自重应力按浮重度计算并计算静水压力力按浮重度计算并计算静水压力; ;当土体为黏性土时土体的自重应力当土体为黏性土时土体的自重应力按饱和重度计算。按饱和重度计算。5.5 5.5 挡土墙的设计挡土墙的设计挡土墙的类型挡土墙的类型重力式挡土墙悬臂式挡土墙扶壁式挡土墙锚定板式与锚杆式挡土墙加筋式挡土墙重力式挡土墙的构造重力式挡土墙的构造常用的重力式挡土墙的构成：墙身墙身 墙背、墙面、

60、墙顶和墙底墙背、墙面、墙顶和墙底基础基础 扩大基础、台阶形基础、拱形基础扩大基础、台阶形基础、拱形基础等等排水设施排水设施 地面排水、墙身排水地面排水、墙身排水沉降缝和伸缩缝沉降缝和伸缩缝 挡土墙泄水孔挡土墙重力式挡土墙的设计重力式挡土墙的设计初步拟定挡土墙断面尺寸确定挡土墙上的受力挡土墙验算(1)(1)抗滑稳定验算抗滑稳定验算(2)(2)抗倾覆稳定验算抗倾覆稳定验算(3)(3)地基承载力及墙身强度验算地基承载力及墙身强度验算(4)(4)挡土墙墙身材料强度验算挡土墙墙身材料强度验算5.6 5.6 土坡稳定性分析土坡稳定性分析影响土坡稳定性的因素影响土坡稳定性的因素外界力的作用破坏了土体内原来的