土力学与基础工程.ppt

1、a,1,土 力 学,主讲人：陈林靖 福州大学土木工程学院 岩土工程研究所,a,2,1 绪 论,土力学是力学的一个分支，是一 门研究土的学科，是为了解决工程中有 关土的问题。,a,3,一、土力学的概念,土力学：利用力学的一般原理，研究土 的物理、化学和力学性质及土体在荷载、 水、温度等外界因素作用下工程性状的应 用科学。,a,4,二、土力学的研究对象,土力学研究对象：与工程建设有关的土。 就土木工程领域而言，土是指覆盖在地 表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。 土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的 强弱。,a,5,二、土力学的研究对象,土的形成： 土是由地壳表层的整体岩石经受风化 作用后形成的大小悬殊

2、的颗粒，经过不同 的搬运方式，在各种自然环境中生成的 沉积物。,a,6,二、土力学的研究对象,风化作用： 物理风化：不改变原来矿物成分 化学风化：改变原来矿物成分 生物风化：动、植物等对岩体的破坏,a,7,二、土力学的研究对象,土的特点： 松散性 孔隙性 多相性 自然变异性,a,8,二、土力学的研究对象,土的两个延伸概念： 土具有成层性。物质组成、物理化学 状态基本一致，工程性质大体相仿的同一 层土称为土层。 由若干厚度不等、性质各异、以一定 上下层序组在一起的土层集合体称为土体。,a,9,三、土力学的研究内容,土力学不仅研究土体当前的性状， 也要分析其性质的形成条件，并结合自 然条件和建筑物

3、修建后对土体的影响， 分析并预测土体性质的可能变化，提出 有关的工程措施，以满足各类工程建筑 的要求。,a,10,四、地基与基础,支承基础的土体或岩体称为地基。地基 可分为天然地基与人工地基。 基础是将结构承受的各种作用传递到 地基上的结构组成部分。,a,12,地基与基础设计必须满足的基本条件：,1、作用在地基上的荷载效应（基底压应力）不得超过地基容许承载力； 2、基础沉降不得超过地基变形容许值； 3、挡土墙、边坡以及地基基础保证具有足够防失稳破坏的安全储备。,a,13,五、由土引起的工程问题,上海楼房倒塌事件,上海楼房倒塌事件,上海楼房倒塌事件,杭州地铁事故,杭州地铁事故,杭州地铁事故地面开

4、裂,杭州地铁事故塌陷示意图,基础建在一半是软粘土 一半是砂卵石的地基上。 塔高56.7m。近一个世 纪以来，塔已向南倾斜了大 约30厘米，斜度达到8度，塔身超过垂直平面 5.1米。 按南侧每年沉降1.4mm推算，2003或2004 年斜塔可能倒塌。,比萨斜塔：,在斜塔北侧的塔基下码 放了数百吨重的铅块，并使 用钢丝绳从斜塔的腰部向北 侧拽住，还抽走了斜塔北侧 的许多淤泥，并在塔基地下 打入10根50米长的钢柱。 历时10年半的比萨斜塔拯救工作已全部结 束。纠偏校斜438厘米，除自然因素外，可 确保3个世纪内不发生倒塌危险。,比萨斜塔治理措施：,目前该塔倾斜严重塔顶 偏离中心线2.31m。经勘探

5、 发现，该塔位于倾斜基岩上， 复盖层一边深3.8m，另一边 为5.8m。由于在一千余年前 建造该塔时，没有采用扩大基础，直接将塔 身置于地基上，造成了不均匀沉降，引起塔 身倾斜，危及安全。,苏州虎丘塔：,处理：在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔身，获得成功.。,原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，产生不 均匀沉降。,与土有关的工程问题,加拿大特朗斯康谷仓,事故： 1913年9月装谷物，10月17日装了31822谷物时， 1小时竖向沉降达30.5cm 24小时倾斜2653 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m 上部钢混筒仓完好无损,概况：长59.4m，宽

6、23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。1911年动工，1913年完工，自重20000T。,加拿大特朗斯康谷仓,原因： 地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。,a,26,五、由土引起的工程问题,变形问题： 变形超过限度。 稳定问题： 受力超过限度，取决于土的

7、强度。,a,27,六、土力学课程的特点,土力学的研究必须注意土的本质特性。 土力学的研究必须注意实践性。 土力学的研究必须注意工程实用性。 土力学是一门偏于计算的学科。,a,28,2 土的性质及工程分类,学习要求： 了解土的成因和三相组成，掌握土的 物理性质和物理状态指标的定义、物理概 念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物 理指标的三相换算。了解地基土的工程分 类依据与准确定名。,a,29,2.1 概 述,土是由固、液、气相组成的三相分散系。 固相包括多种矿物成分组成土的骨架， 骨架间的空隙为液相和气相填满，这 些空隙是相互连通的，形成多孔介质； 液相主要是水； 气相主要是空气、水蒸气。,思考

8、： 不同的土体三相比例是固定不变的吗？ 同一种土体三相比例的改变是否会对性质产 生影响呢？,土体三相比例不同，土的状态和工程性 质也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为 干土，此时粘土呈坚硬状态， 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体为湿土， 此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0）为饱和土，此时 粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化， 而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载 作用发生沉降需几十年才能稳定。,a,32,2.2 土的三相组成及土的结构,2.2.1 土的固体颗粒（固相） 2.2.2 土中水和气 2.2.3 土的结构和构造,a,33,2.2.1 土的固体颗粒（固相）,土是岩

9、石风化的产物。因此土粒的矿 物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其 所经受的风化作用。成土矿物可分为两大 类：原生矿物和次生矿物。,岩石,物理风化,化学风化,土,原生矿物,次生矿物,颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗， 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。,化学风化仅使岩 石产生质的变化,物理风化仅使岩 石产生量的变化,原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。,土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化,土粒的大小及其组成,粘土颗粒性质,a,36,2.2.1 土的固体颗粒（固相）,土

10、粒的大小称为粒度； 大小、性质相近的土粒合并为一组, 称为粒组，可划分为： 200 60 2 0.075 0.005mm 漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒 划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,粘土,细砂,粗砂,碎石,卵石,碎石,粘土,a,39,2.2.1 土的固体颗粒（固相）,试验方法 筛分法： 适用于0.075mmd60mm 沉降分析法: 适用于d0.075mm,摇摆式筛析机,筛分法0.075mm,沉降分析法,利用不同大小的 土粒在水中的沉降速 度不同来确定小于某 粒径的土粒含量。,沉降分析法 0.075mm,a,42,2.2.1 土的固体颗粒（固相）,土的颗粒级配 通常以土中各个粒组的相对

11、含量来表 示，称为土的颗粒级配。颗粒分析试验结 果，绘制图的粒径级配曲线。用半对数坐 标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土重占 总土重的百分数，横坐标用对数坐标表示 土的粒径。,如曲线平缓表示粒径大小相差悬殊， 颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均 匀，级配不良。,a,44,2.2.1 土的固体颗粒（固相）,工程上常用不均匀系数Cu描 述颗粒级配的不均匀程度。,曲率系数Cc描述颗粒级配曲 线整体形态，表明某粒组是 否缺失情况。,a,45,2.2.1 土的固体颗粒（固相）,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土； Cu5的土视为级配良好的土。 对于砾类土或砂类土，同时满足Cu

12、5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾 。,a,48,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1）粒组含量用于土的分类定名；,2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度： Cu 5, 不均匀土； Cu 3 或 Cc 10-3 cm/s）的土，例如砂土。,时间t内流出的水量Q,渗透系数的确定,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,试验条件:h变化，A，L=const,量测变量:h ，t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于： 透水性较大的砂性土,a,128,2. 现场测定法,有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的

13、理论公式求出渗透系数k值。,(a) 无压完整井抽水试验;(b) 无压非完整井抽水试验,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,缺点：费用较高，耗时较长,a,129,3. 经验估算法,1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较 均匀砂土的公式: 1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比 e的经验公式:,a,130,2.6 土的渗透及渗流,影响渗透系数的因素 1、土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,a,131,2.6 土的渗透及渗流,2、土的密实度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性

14、也减小。,a,132,2.6 土的渗透及渗流,3、土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。,a,133,2.6 土的渗透及渗流,4、土的矿物成分 粘土矿物的结合水占据孔隙 蒙脱土膨胀，阻塞孔隙； 淤泥不透水含有机质。,a,134,2.6.2 二维渗流及流网,渗流中的水头与水力坡降,伯努利方程（液体流动能量方程）,h：总水头,水头：单位质量水体所具有的机械量,hz：位置水头,u/gw：压力水头,v2/2g：流速水头,流速水头0,由总水头高的点向总水头低的点渗流,2.6.2 二维渗流及流网,渗流中的水头与水力坡降,水力坡降,A点总水头：,B

15、点总水头：,水力坡降：,a,136,2.6.2 二维渗流及流网,在实际工程中，渗流问题的边界条件 往往比较复杂，其严密的解析解一般都很 难求得。因此对渗流问题的求解，最常用 的是图解法即流网解法。,a,137,2.6.2 二维渗流及流网,流网的几个基本概念 流网渗流场中的两族相互正交曲线 等势线和流线所形成的网络状曲线簇。 流线水质点运动的轨迹线。 等势线测管水头相同的点之连线 。 流网法通过绘制流线与势线的网络状曲 线簇来求解渗流问题。,a,138,基本要求,1. 正交性：流线与等势线必须正交,2. 各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形,3. 在边界上满足 流场边界条件要 求

16、，保证解的唯 一性。,a,139,2.6.2 二维渗流及流网,近似作图法（手描法）其步骤大致为： 先按流动趋势画出流线，然后根据流网 正交性画出等势线，形成流网。如发现所画 的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势 线和流线直至满足要求。,a,140,流网的特点：,等势线上各点测管水头h相等； 相邻等势线间的水头损失相等； 各流槽的渗流量相等。,测管水头 h,实际应用,确定孔压,确定流速,确定流量,水力坡降,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h 土体对水流的阻力应为：,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等

17、，方向相反,渗流作用于土体的力：,2.6.3 渗流力与渗流稳定性分析 渗流力渗流水流施加于单位土粒上的拖曳力。,a,143,2.6.3 渗流力与渗流稳定性分析,渗流作用于单位土体的力 说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用 力，是一种体积力，其大小与水力坡降成 正比，作用方向与渗流方向一致，单位为 kN/m3,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响。,a,145,2.6.3 渗

18、流力与渗流稳定性分析,临界水头梯度,当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水头梯度。,a,146,2.6.3 渗流力与渗流稳定性分析,或,在工程计算中，将土的临界水头梯度除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水头梯度i。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水头梯度控制在允许坡降i内,a,147,2.6.3 渗流力与渗流稳定性分析,【例】某土坝地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏？,a,148,2.6.3 渗流力与渗流

19、稳定性分析,【解答】 临界水力坡降 允许水力坡降,由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏。,a,149,2.6.4 渗透破坏与控制,渗流,土体内部应力状态变化,土体的局部稳定问题,土体的整体稳定问题,管涌、流土等,水库塌岸 岸坡、土坝在水位 降落时 引起的滑动,整体破坏水库塌岸,a,151,渗透变形的形式,按照渗透水流引起的局部破坏特征， 渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式。 流土是指在渗流作用下局部土体表面 隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。 它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。 基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象 是流土的一种常见形式。,a,152,流土,在向上的

20、渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。,流土,流土,管涌,管涌,原因：,内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,管涌破坏,管涌,管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗 土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的 现象。主要发生在砂砾土中。,2002.8.22湘江大堤望城靖港镇东湖责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。大堤从凌晨1时出现的险情到下午5点得到了完全控制。,最大的管涌处,最大

21、的管涌处,a,159,土的类型与渗透变形型式,粘性土,无粘性土,过渡型土,只有流土而无管涌,与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关,与密度有关，大密度流土，小密度管涌,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产 生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,3. 防治措施,增大i：下游增加透水盖重,防治 流土,减小i ：上游延长渗径； 下游减小

22、水压,防治 管涌,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,a,162,管涌的治理,反滤倒渗,a,163,管涌的治理,反滤围井,a,164,管涌的治理,蓄水反压,a,165,2.7 土的动力特性,荷 载,静荷载,动荷载,天然：地震、风、波浪等,人工：车辆荷载、爆破、打桩、机械振动等,a,166,2.7 土的动力特性,压土机对路基 进行压实,a,167,2.7.1 土的压实原理,压实原理： 对土体施加外部能量，使得土颗粒靠 近，将其中的气体驱赶出来，使得土体干 密度提高，强度增大。,a,168,2.7.1 土的压实原理,对于粘土：过湿的情况，难以压实； 很干的情况，也不能充分压实；

23、在适当的含水量范围内才能压实。 对于粗粒土：在完全干燥或者充分洒水饱和 的情况下容易压实到较大的干 密度。,a,169,2.7.1 土的压实原理,在一定的压实功能下使土最容易压实， 并能达到最大密度时的含水量称为土的最 佳含水量，用 表示；与其相对应的干密 度则称为最大干密度 。,a,170,2.7.2 击实试验及其影响因素,击实试验,土,轻型击实试验（试验课）,击实筒容积为997cm3 击锤质量为2.5kg 击锤落高为30cm 分3层击实，每层27击 根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度,实验步骤： 1、制作预定含水量的松散土样 2、击实，测量击实试样质量m, 得湿=m/V 3、

24、测量土样含水量 4、计算得到d= 湿/(1+) 5、绘制d曲线,a,172,2.7.2 击实试验及其影响因素,击实曲线,a,173,2.7.2 击实试验及其影响因素,击实曲线,1. 含水率的影响,a,174,2.7.2 击实试验及其影响因素,当含水量较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反而使得干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水量称为最佳含水量。,a,175,2.7.2 击实试验及其影响因素,说明：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果。,a,176,2.7.2 击实试验及其影响因素,2、击实功能

25、的影响,a,177,2.7.2 击实试验及其影响因素,1）土料的最大干密度和最佳含水量不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大,最佳含水量逐渐减小。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的。,a,178,2.7.2 击实试验及其影响因素,2）当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的。,a,179,2.7.2 击实试验及其影响因素,3、土类和级配的影响 击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大。,a,180,2.7.2 击

26、实试验及其影响因素,无粘性土的击实曲线,无粘性土的击实曲线 和粘性土击实曲线不 同，在含水量较大时 得到较高的干密度， 因此在无粘性土实际 填筑中，通常要不断 洒水使其在较高的含 水量下压实。,a,181,2.7.2 击实试验及其影响因素,说明：土的级配对土的压实性影响很大。级配良好的土，易于压实，级配不良的土，不易压实，因为级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，因而能获得较高的干密度。,a,182,2.7.3 土的振动液化,土体液化的概念： 指饱和状态砂土和粉土在一定强度的动荷载 作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的 现象。,a,183,2.7.3 土的振动液化,砂土液化造成

27、灾害的宏观表现： 1）喷砂冒水； 2）震陷； 3）滑坡； 4）上浮。,a,184,2.7.3 土的振动液化,砂土液化的机理： 在由松变密的过程中，如果土是饱和的，孔 隙内充满水，且孔隙水在振动的短促时间内排不 出去，就将出现从松到密的过渡阶段。这时颗粒 离开原来位置，而又未落到新的稳定位置上，与 四周颗粒脱离接触，处于悬浮状态。这种情况下 颗粒的自重，连同作用在颗粒上的荷载将全部由 水承担。,a,185,2.7.3 土的振动液化,影响土液化的主要因素： 1）土类； 2）土的密度； 3）土的初始应力状态； 4）往复应力强度与往复次数。,a,186,2.7.3 土的振动液化,防止土体液化的措施，主

28、要从加强基础和清 除或减轻液化可能性两方面入手。前者可采用桩 基等深基础，使桩穿过液化土层，桩端进入到稳 定土层中去；后者有换土、加密、胶结及设置排 水系统等地基处理方法。,a,187,2.8 地基土（岩）的工程分类,分类的目的 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。,a,188,2.8 地基土（岩）的工程分类,分类原则： 1、分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。 2、土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。,a,189

29、,2.8 地基土（岩）的工程分类,分类体系： 1、建筑工程系统分类体系 侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法。,a,190,2.8 地基土（岩）的工程分类,2、工程材料系统分类体系 侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准(GBJ145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类。,a,191,2.8 地基土（岩）的工程分类,分类方法： 一、建筑地基基础设计规范(GB500072002) 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性 指数把地基土

30、（岩）分为岩石、碎石土、砂土、 粉土和粘性土五大类。,a,192,2.8 地基土（岩）的工程分类,1、岩石的分类（最好的地基） 颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类。,2、碎石土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。,3、砂土的分类 粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土。,a,195,2.8 地基土（岩）的工程分类,4、粉土的分类 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%， 塑性指数IP10的土称为粉土。,a,196,2.8 地基土（岩）的工程分类,5、粘性土的分类 粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%， 塑性指数IP10的土称