《土力学与基础工程》-绪论

绪论0.1国内外地基与基础工程成败实例0.2土力学、地基与基础0.3本课程的发展概况0.4本课程的特点和学习方法返回0.1国内外地基与基础工程成败实例随着我国大型、重型、高层建筑和有特殊要求的建筑物日益增多，国内在地基和基础设计与施工方面积累了不少成功的经验。国外有不少成功的范例，然而也有不少失败的教训。土是建筑物的地基，是地下建筑的环境，对土工程性质认识的偏差可能会导致损失巨大的事故；地基与基础是建筑物的根本，其勘察、设计和施工质量的好坏将直接影响建筑物的安危、经济和正常使用，必须慎重对待地基与基础。地基基础设计时要充分掌握土的工程性质，从实际出发做多种方案比较，不能盲目套用，以免发生工程事故。下一页返回0.1国内外地基与基础工程成败实例只有深入了解地基情况，掌握勘察资料，运用土力学与基础工程的相关理论，解决好地基和基础的强度、变形和渗透等核心问题，经过精心设计与施工，才能使基础工程做到既经济合理，又能保证质量。由于基础工程是在地下或水下进行的，施工难度大，据统计，在一般高层建筑中，其造价约占总造价的25%，工期占总工期的25%~30%。当需要采用深基础或人工地基时，其造价和工期所占的比例更大。此外，地基和基础属于隐蔽工程，一旦出现问题，不仅损失巨大，且补救十分困难。因此，土力学与基础工程在土木工程中具有十分重要的作用，它可以解决工程实践问题，这正是土力学与基础工程存在的价值及我们学习土力学与基础工程的目的。上一页返回0.2土力学、地基与基础0.2.1土力学土是地壳岩石经物理、化学、生物等风化作用的产物，是矿物或岩石碎屑构成的松软集合体。土由固体颗粒、水和空气三相组成，包括颗粒间互不连接、完全松散的无黏性土和颗粒间虽有连接，但连接强度远小于颗粒本身强度的黏性土。土与其他连续固体介质相区别的最主要特征就是它的多孔性和散体性，由此决定了土体的一系列物理特性和力学特性。由于其形成年代、生成环境及物质成分不同，工程特性也复杂多变。例如，我国沿海及内陆地区的软土，西北、华北和东北等地区的黄土，高寒地区的永久冻土，以及分布广泛的红黏土、膨胀土和杂填土等，其性质各不相同。下一页返回0.2土力学、地基与基础因此，在建筑物设计前，必须充分了解、研究建筑场地相应土层的成因、构造、地下水情况、土的工程性质、是否存在不良地质现象等，进而对场地的工程地质条件做出正确的评价。土的基本特性如下：（1）碎散性。土是岩石风化或破碎的产物，是非连续体，受力以后易变形，强度低。体积变化主要是孔隙变化，剪切变形主要由颗粒相对位移引起。（2）三相体系。土本身是多相介质，它由固相（土骨架）、液相（水）和气相（空气）三相体系组成。上一页下一页返回0.2土力学、地基与基础（3）自然变异性。土是自然界的产物，存在非均匀性、各向异性、结构性、时空变异性等自然变异属性。由此可见，土的力学特性非常复杂，其变形、强度和渗透特性是土力学研究的主要问题。土力学是研究土体应力、变形、强度和渗流等特性及其规律的一门学科，即用力学的基本原理和土工测试技术研究土体的工程性质和在力系作用下土体性状的学科。土力学可以被认为是力学的一个分支，但由于土是具有复杂性质的天然材料，因此在运用土力学理论解决各类土工问题时，还不能像其他力学一样具备系统的理论和严密的数学公式，而必须借助经验、试验辅以理论计算。因此，土力学是一门强烈依赖于实践的学科。上一页下一页返回0.2土力学、地基与基础土力学的研究对象是与人类活动密切相关的土和土体，包括人工土体和自然土体，以及与土的力学性能密切相关的地下水。土力学被广泛应用在地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等设计中。0.2.2地基与基础任何建筑物都建造在一定的地层上。通常把支承建筑物荷载且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。地基可分为天然地基和人工地基。未经人工处理就可以满足设计要求的地基称为天然地基。如果地基软弱，其承载力不能满足设计要求，则需对地基进行加固处理（如采用换土垫层、深层密实、排水固结、化学加固、加筋技术等进行处理），这种地基称为人工地基。上一页下一页返回0.2土力学、地基与基础基础是建（构）筑物中将结构所承受的各种荷载传递到地基上的结构组成部分，一般应埋入地下一定的深度，进入较好的地层。基础根据埋置深度不同可分为浅基础和深基础。通常把埋置深度不大（埋深d≤5m），只须经过挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起来的基础称为浅基础。若浅层土质不良，须把基础埋置于深处的好地层（埋深d＞5m），就得借助于特殊的施工方法，建造各种类型的深基础，如桩基、墩基、沉井和地下连续墙等。地基与基础的相对位置如图0-13所示。上一页下一页返回0.2土力学、地基与基础根据地基与基础的接触关系，地基中的地层分为覆盖层、持力层和下卧层。其中直接与基础底面接触的土层称为持力层，地基基础设计时，通常应选择强度较高、变形较小、稳定性较强的地层作为地基的持力层。持力层下面的土层称为下卧层，地基承载力低于持力层的下卧层称为软弱下卧层。覆盖层是位于持力层以上的所有地层。埋深是从室外地面到基底的这段距离。地基与基础设计必须满足以下三个基本条件：（1）地基应具有足够的强度。要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基具有足够的防止整体破坏的安全储备。上一页下一页返回0.2土力学、地基与基础（2）地基应具有足够的抗变形能力。控制基础沉降使之不超过地基的变形容许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或影响其正常使用。（3）基础结构本身应有足够的强度和刚度。基础结构本身应满足强度、变形和耐久性的要求。在荷载作用下，建筑物的地基、基础和上部结构三部分彼此联系，相互制约。设计时，应根据地质勘查资料，综合考虑地基—基础—上部结构的相互作用与施工条件，通过经济、技术比较，选取安全可靠、经济合理、技术先进和施工简便的地基基础方案。上一页返回0.3本课程的发展概况由于生产的发展和生活的需要，人类很早就懂得利用土进行建设。我国陕西西安半坡村新石器时代遗址发现的土台和石础，就是古代的地基基础。公元前3世纪修建的万里长城、战国时期修建的都江堰水利工程、隋朝南北大运河、黄河大堤、赵州石拱桥，以及许许多多遍及全国各地的宏伟壮丽的宫殿寺院、巍然挺立的高塔等，都是由于奠基牢固，即使经历了无数次强震、强风而安然无恙留存至今。隋朝所修赵州石拱桥，把桥台砌筑在密实粗砂层上，1400多年来沉降量很小，被列为“国际历史土木工程第12个里程碑”。下一页返回0.3本课程的发展概况北宋初（公元989年），著名木工喻皓在建造开封开宝寺木塔（图0-14）时，考虑到当地多西北风，便特意使建于饱和土上的塔身稍向西北倾斜，设想在风力的长期断续作用下可以渐趋复正。可见当时的工匠已考虑到了建筑物地基的沉降问题。我国木桩基础的使用更是源远流长。。如河姆渡文化遗址中发现的7000多年前钱塘江南岸沼泽地带木构建筑下的木桩为世所罕见，公元前532年在今山西汾水上建成的30墩柱木柱梁桥（《水经注》），以及秦代所建渭桥等也都为木桩基础。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况再如，郑州隋朝超化寺打入淤泥的塔基木桩（《法苑珠林》）、杭州湾五代大海塘工程木桩等都是我国古代桩基础技术应用的典范。四川采用泥浆钻探法开盐井，西北在黄土中建窑洞以及用料石基垫、灰土地基等，雄辩地证明了我国劳动人民在长期实践中已经积累了丰富的土力学地基基础知识。只是由于当时生产力发展水平的限制，还未能提炼成为系统的科学理论。直到18世纪中叶，人们对土在工程建设方面的特性，还停留在感性认识阶段。18世纪产业革命以后，城市建设、水利、道路的兴修推动了土力学的发展。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况1773年，法国库仑（Coulomb）根据试验创立著名的砂土抗剪强度公式和土压力理论。1855年，法国达西（Darcy）创立了土的层流渗透定律。1869年，英国朗肯（Rankine）通过不同假定，提出土压力理论，对后来土体强度理论的发展起了很大的促进作用。1885年，法国布辛尼斯克（Boussinesq）求得半无限弹性体在垂直集中力作用下的应力和变形的理论解答。1920年，法国普朗德尔（Prandtl）提出地基剪切破坏时的滑动面形状和极限承载力公式。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况1922年，瑞典费伦纽斯（Fellenius）为解决铁路坍方研究出土坡稳定分析法。这些理论与方法至今仍在广泛应用。1925年，土力学家太沙基在归纳发展以往成就的基础上，发表了第一本土力学专著，比较系统地阐述了土的工程性质和有关的土工试验成果，所提出的有效应力原理和固结理论将土的应力、变形、强度、时间等有机联系起来，使之能有效地解决一系列土工问题。太沙基专著的问世，标志着近代土力学的开端，从此土力学成为一门独立的学科。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况1948年，太沙基与佩克（R.Peck）出版了《工程实用土力学》（SoilMechanicsinEngineeringPractice），该书在土力学理论的基础上，将理论与测试技术和工程经验密切结合，不仅推动了土力学和基础工程作为一门工程学科的发展，而且强调了该门学科中实践的重要地位。1963年，英国剑桥大学的Roscoe等人提出了著名的剑桥模型，创建了临界状态土力学，为现代土力学的诞生和发展做出了重要贡献。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况此后，现代土力学在非线性模型、弹塑性模型、非饱和固结理论、砂土液化理论、逐渐破坏理论、细观土力学等方面都取得了重要进展。我国不少学者对土力学理论的发展也做出了可贵的贡献，如陈宗基教授1957年提出的土流变学和黏土结构模式（已被电子显微镜观测证实）、黄文熙教授1957年提出的非均质地基考虑土侧向变形影响的沉降计算方法和砂土液化理论。20世纪60年代后，随着电子计算机的出现和计算技术的高速发展，试验技术实现了自动化、现代化，使土力学的研究进入了一个全新的阶段。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况1993年，弗雷德隆德（DCFredrund）和拉哈尔佐（H.Bahardjo）发表了《非饱和土土力学》（UnsaturatedSoilMechanics）一书，引起国内外土力学界的关注，非饱和土力学的研究进入一个新的历史时期。时至今日，在土木、水利、道桥、港口等有关工程中，大量复杂的地基与基础工程问题的逐一解决，为该门学科积累了丰富的经验。近年来，世界各国高土坝（坝高大于200m）、高层建筑、核电站等巨型工程的兴建和多次强烈地震的破坏，促进土力学进一步发展，积极研究土的本构关系、弹塑性与黏弹性理论和动力特性。上一页下一页返回0.3本课程的发展概况同时，各种各样的勘探试验设备，如静力和动力触探仪，现场孔隙水压力仪、测斜仪、旁压仪、自动固结仪、大型三轴仪、振动三轴仪、流变仪等，为土力学研究提供了良好的条件。当然，由于土的性质的复杂性，土力学与地基基础还远没有成为具有严密理论体系的学科，需要不断地实践和研究。随着社会的发展，不可避免地会出现新的、更多的土力学与基础工程的问题（如环境岩土力学），也会不断出现新的热点和难点问题需要解决，而土力学与基础工程将在克服这些难题的基础上不断得到新的发展。上一页返回0.4本课程的特点和学习方法0.4.1本课程的特点本课程包括土力学（专业基础）和基础工程（专业）两部分，是土木工程专业的一门主干课程，涉及工程地质学、结构设计和施工等几个学科领域，内容广泛，综合性强，是联系基础课和专业课的桥梁。它由两个重要部分组成，一部分是有关土的物理力学性质以及土的强度理论、渗透理论和变形理论的知识，即解决土力学各种课题的基本理论和试验研究方法；另一部分是关于地基基础设计与施工的知识，即基础工程学的内容。前者为工程问题提供试验方法和理论基础，后者具有极强的技术性与应用性。下一页返回0.4本课程的特点和学习方法因此，本课程是理论性和实践性都很强的一门课程。由于地基土形成的自然条件各异，因而它们的性质千差万别。不同地区的土有不同的特性，即使是同一地区的土，其特性在水平方向和深度方向也可能存在较大的差异。因此，从某种意义上说，一个最优的地基基础设计方案更依赖于完整的地质、地基土资料和符合实际情况的周密分析。但这并不能忽视理论的重要性，实际上，经验的系统化和经典力学理论的借鉴，永远是该学科的重要部分和发展基础。上一页下一页返回0.4本课程的特点和学习方法本课程的另一大特点是知识更新周期较短。随着与之有关的建筑行业的迅速发展，该学科不断面临新的问题，如基础形式的创新、地下空间的开发、软土地基的处理、新的土工合成材料的应用等，从而导致新技术、新的设计方法不断涌现，且往往实践领先于理论，并促使理论不断更新和完善。0.4.2本课程的学习方法在本课程的学习中，应着重搞清基本概念，掌握基本计算方法。土力学