土力学地基基础.ppt

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1、土力学地基基础,民航学院交通工程专业用,绪论,一、土力学与基础工程的任务1土体在工程建设中的作用）作为建筑物的地基，承受上部建筑物及其它荷载）作为建筑材料，修筑堤坝与路基2土力学与基础工程的任务 土力学是利用力学的知识和土工实验技术来研究土的强度和变形及其规律的一门科学。解决地基的变形与强度问题，为地基处理与基础设计提供理论依据与实验方法，保证各类建筑物安全、经济，使用正常，不发生地基基础工程事故。,绪论,二地基与基础的概念与要求1两个基本概念地基：承受建筑物荷载的地层按地质情况分为土基和岩 基按设计施工分为天然地基和人工地基。基础：建筑物最底下的一部分，由砖、混凝土或钢筋混凝 土等材料建成。

2、2地基与基础的基本要求）地基的变形条件：建筑物的沉降量沉降差（不均匀 沉降）不能过大，不能超过允许值。）地基的强度条件：地基不能发生滑动破坏,绪论,三、课程内容体系1工程地质（预备知识）2土的物理力学性质及工程分类3土的压缩性与地基沉降计算（变形问题）4土的抗剪强度与地基承载力（强度问题）5土压力与土坡稳定性6建筑场地的工程地质勘探7天然地基上浅基础8桩基础及其它深基础简介,绪论,第二章：土的物理力学性质,第三章：地基附加压力沉降计算,地基基础设计,第四章：临塑、临界、极限荷栽,第五章：挡土墙、土坡稳定,绪论,218世纪-1925年 在此期间，诞生了库仑定律（1773年），半无限空间弹性体（1

3、885年，法国，布辛尼克斯），土坡稳定性分析法（1885年，瑞典，费伦纽斯）。,四、土力学发展简况118世纪以前 土力学与地基基础在18世纪以前，处于经验阶段;即:地基基础设计主要依赖实践经验。,31925年-至今 美国人太沙基发表第一部土力学专著，使土力学成为 一门独立的学科。,第一章工程地质（预备知识）,1-1 工程地质研究的内容 工程地质是地质学的一个重要分之，它主要研究与工程建设相关的地质问题,包括矿物与岩石，第四纪沉积层，不良地质条件等。,第一章 工程地质（预备知识）,1-2 矿物与岩石一、主要的造岩矿物矿 物：岩石的基本组成部分，它是地壳中具有一定化学 成分和物理性质的自然元素或化

4、合物.已发现矿物 3000余种，其中造岩矿物30多种。原生矿物:由岩浆冷凝而成.如石英、云母等.次生矿物：由原生矿物风化而成。如石膏、方解石等。,第一章 工程地质（基础知识）,1-2 矿物与岩石一、主要的造岩矿物矿 物：岩石的基本组成部分，它是地壳中具有一定化学 成分和物理性质的自然元素或化合物.已发现矿物 3000余种，其中造岩矿物30多种。原生矿物:由岩浆冷凝而成.如石英、云母等.次生矿物：由原生矿物风化而成。如石膏、方解石等。,第一章 工程地质（基础知识）,二.岩石的类型 1 按成因分类：,沉积岩：岩石经风化、剥蚀成碎屑，经流水、风或冰川运至 低洼处沉积，再经压紧或化学作用硬结成沉积岩

5、石的矿物成分沉积岩分布很广，约占地球表面75%。白云石，石膏等。,变质岩：由于地壳运动和岩浆活动，在高温、高压和化学 反应的作用下，原来岩石的结构、构造和成分发 生了变化，形成的新的岩石。岩石的矿物成分长 石、方解石等。,岩浆岩：由地球内部的岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝而成。岩石的矿物成分石英，黑云母，橄榄石。,第一章 工程地质（基础知识）,2按坚固性分类硬 岩：单轴抗压强度大于30MPa（花岗岩）软 岩：单轴抗压强度小于30MPa（页岩）,3按风化程度分类 微风化：对于硬岩，用镐不能挖，对软岩，用镐挖掘困难 中风化：对于硬岩，用镐挖掘困难，对软岩，用镐挖掘掘 容易。强风化：已成松软土块,第一章

6、 工程地质（基础知识）,1-3第四纪沉积层,1.残积层,：母岩经风化,剥蚀,但未被搬运.,2.坡积层：,岩屑被风或水搬运至平缓的山坡处,逐渐形成 的沉积层.,3.洪积层,：由洪水冲刷或搬运的石屑流至山谷或出口堆 积而成的沉积层.,4.冲积层,：平原河谷冲积层；山区河谷冲积层；三角洲 沉积层,5.海相沉积层:滨海;大陆架;次深海;深海,第一章 工程地质（预备知识）,1-4.不良地质条件 1.断层 2.岩层节理发育场地 3.山坡滑动 4.河床冲淤 5.岸坡失稳,第二章 土的物理性质及工程分类,2-1土的生成一.土的生成 是由地球外壳岩石,经风化、剥蚀、搬运、沉积形成的产物，是各类矿物颗粒的集合体，

7、风化分为物理风化、化学风化及生物风化。,第二章 土的物理性质及工程分类,二、土的结构和构造1.土的结构定义：土颗粒之间的相互排列和联结形式。结构分为：单粒结构；蜂窝结构；絮状结构。,第二章 土的物理性质及工程分类,2.土的构造定义:同一土层中的物质成分和颗粒大小相近的各部分 之间相互关系的特征,分为：层状构造：分散构造：结核状构造；裂隙构造。,第二章 土的物理性质及工程分类,2-2 土的三相组成,一、土的固体颗粒1）土粒的固体成分原生矿物：由岩石经物理风化而成，矿物成分与母 岩相同，如石英等。次生矿物：由化学风化而成，改变了原来的化学成 分，如粘土 矿物。腐植质：,第二章 土的物理性质及工程分

8、类,2）土粒的大小,3)土的粒径级配粒径级配：土中各粒组的相对含量,用百分数表示.分析方法：筛分法（大于0.075mm），密度计法（小于0.075mm）,第二章 土的物理性质及工程分类,不均衡系数：,：,式中：-纵坐标为60%所对应的粒径-纵坐标为10%所对应的粒径,第二章 土的物理性质及工程分类,二土中水 土中水：液态水，固态水，气态水。液态水：结合水和自由水（毛细水、自重水）。结合水:水分子为极性分子，由带正电荷的氢原子和带负 电荷的氧原子组成，粘土表面带负电荷，在土粒 周围形成电场,吸引水分子带正电荷的氢原子一 端，使其定向排列，形成结合水膜。结合水有强 弱之分。,第二章 土的物理性质及

9、工程分类,第二章 土的物理性质及工程分类,2-3 土的物理性质指标 一、土的三项基本物理指标 1土的密度：单位体积土的 质量.,第二章 土的物理性质及工程分类,2土的比重：土中固体矿物的质量与同体积4C时的纯水 质量的比值。3土的含水量：土体中水的质量与固体矿物质量的比值,第二章 土的物理性质及工程分类,二、土的松密程度指标1土的孔隙比：土中的孔隙体积与固体颗粒体积之比。计算公式：式中：-孔隙体积.-固体颗粒体积.,1 2.土的孔隙率：土中孔隙占总体积的百分比。计算公式：式中：-土体总体积。,第二章 土的物理性质及工程分类,三、反映土中含水量的指标1含水量（略）2 土的饱和度：,四.特定条件下

10、土的密度1.土的干密度2.土的饱和密度3.土的有效密度（浮密度）,第二章 土的物理性质及工程分类,2-4 土的物理状态指标 一、无粘性土的密实度 1以孔隙比为标准(地基基础设计规范表2-2),2以相对密度为标准,计算公式：相对密度,3以贯入度试验为标准 63.5kg重锤,76cm,30cm.N10:松散,N=10-30:中密,N30:密实,第二章 土的物理性质及工程分类,二、粘性土的物理特征（粘性土的水理性）,液限：粘性土呈液态与塑态之间的分界含水量（%）。,塑限：粘性土呈塑态与半固态之间的分界含水量（%）。,缩态：粘性土半固态与固态之间的分节含水量（%）。,固态 半固态 塑态 液态,0,第二

11、章 土的物理性质及工程分类,塑性指数：粘性土液限与塑限的差值去掉百分数,液性指数：粘性土的液性指数为天然含水量与塑限的差值 和液限与塑限差值之比。,物理意义：反映土的软硬程度。,物理意义：反映土吸附结合水的能力。,第二章 土的物理性质及工程分类,25 地基土的工程分类,一、岩石 1定义：固体间牢固联结，呈整体或具有节理、裂隙 的岩体 称为岩石。2分类：硬质岩石、软质岩石.3工程特性：优良地基，强风化岩石除外。,二、碎石土,1定义：土的粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的 50%的土 2分类：块石（漂石）、碎石（卵石）、角砾（圆砾）3.工程特性：优良地基。,第二章 土的物理性质及工程分类,三、砂土

12、1定义：土的粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的 50%的，且大于 0.075mm的颗粒超过全重的 土称为砂土。2分类：砾砂、粗砂、中砂、细砾和粉砂。3工程特性：砾砂、粗砂、中砂为优良地基，细砾和粉 砂，要具体情况具体分析。,四、粉土1定义：土的塑性指数小于10 的土称为粉土。2工程特性：密实粉土，优良地基。饱和粉土，不良地 基。,第二章 土的物理性质及工程分类,五、粘性土1定 义：土的塑性指数大于10 的土称为粘土。2工程特性：与含水量有关，密实硬塑粘土为优质粘土，疏松流塑粘土为不良地基。六、人工填土1.定义：由人类活动堆填的土。分为素填土，杂填土和 冲填土。2.工程特性:较差,需要处理.,

13、第二章 土的物理性质及工程分类,土的成因,本章小结：,土的结构、构造,土的物理性质,土的物理状态,第三章 土的压缩（变形）特性,3-1 土的压缩性（变形）概念一、概念 土在压力作用下体积减小（孔隙变小、颗粒压缩、气体压缩、水压缩）的特性称为土的压缩性。二、原因,建筑物荷栽作用 地下水位大幅下降 施工影响 震动影响，产生震沉 温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化 浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉,第三章 土的压缩（变形）特性,3饱和土的压缩过程 渗流固结过程，缓慢过程。4蠕变的影响 蠕变：当荷载恒定时，变形随时间的增长而缓慢增大。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,二、土的应力与应变关系 1土体中的

14、应力 1）应力的概念（略）2）应力的正负 法向应力：拉应力为负，压应力为正。剪应力：以外法线与坐标轴方向一致的面为基准面，剪 应力的方向与坐标方向相反为正，相同为负。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,4）土中应力 竖向自重应力：水平方向法向应力：2土的应力与应变关系及测定方法 单轴压缩实验；侧限压缩实验；直剪实验；三轴压缩实验。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3-2 有效应力原理一、土中的两种实验二、有效应力原理 饱和土所承受的总应力为有效应力与孔隙水压力之和，其中有效应力引起土层压缩，即：,式中：-总压力；-有效应力；-孔隙水压力。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3-3 侧限条件下

15、土的压缩性 一、侧限压缩试验（固结实验）1实验仪器 主要试验仪器为侧限压缩仪，如图所示。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,2实验方法详见试验指导书，实验课讲授。3试验结果,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,二侧限压缩性指标 土的压缩系数 压缩指数 侧限压缩模量,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,侧限压缩模量与压缩系数的关系,三、土层侧限压缩变形量 计算公式：或,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,一、荷载试验1 试验装置与试验方法,3-4 土的压缩性原位试验遇到以下情况需要进行原位测试,1 1.地基土为粉土，细砂，取原状土很困难，2.国家一级工程、3.规模大或对沉降有严格要求的工程,第三章 土

16、的压缩性与地基沉降计算,2荷载试验结果,3地基应力与变形关系第一阶段，直线，压密阶段第二阶段，局部剪裂阶段，局部发生剪裂，产生塑性变形。第三阶段，完全破坏阶段。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,4地基承载力的确定,地基承载力的基本值,方法一：当 曲线上有明确的比例极限时，取点对应 的荷载值。,方法二：当极限荷载 能确定，且 时，取极限荷 载的一半。,地基承载力的标准值同一土层，取样点数不应小于3点，,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,5土的变形模量与压缩模量的关系 证明过程见教材71页。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3-5 地基中的应力分布,一、土层自重应力,二、基础底面的接触压力 1

17、实测资料,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,2，工程简化 中心荷载,偏心荷载,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,三、基础底面附加压力 1定义：由于修建建筑物产生的荷载，在地基中增加 的压力。2计算 基础位于地面上,基础位于地面下-基础底面的接触压力。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,四、地基中的附加应力 1.地表受竖向集中力作用 一般规律（实验）,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,地基中应力计算 半无限体中任意 一点由集中力引起的 应力。式中：-应力集中 系数。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,2矩形面积受竖向均布荷载作用 角点应力 式中：,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,第三章 土的压

18、缩性与地基沉降计算,任意点应力应力计算-角点法A.矩形受荷面积上，任意点的附加应力B.矩形受荷面积内，任意点的附加应力 C.矩形受荷面积外，任意点的附加应力,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3矩形面积三角形分布的竖向荷载作用,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3-6 地基的最终沉降量最终沉降量：地基土层在建筑物作用下，压缩稳定后地 基表面的沉降量。目 的：预先知道最终沉降量，判断地基变形值是 否超过允许的范围。计 算 方法：分层总和法；建筑地基基础设计规范推 荐法,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,一、分层总和法1计算原理 将土层分成若干水平层 计算每层土的压缩量，然后叠加得总 沉降。,第三

19、章 土的压缩性与地基沉降计算,2计算方法与步骤 按比例绘制剖面图;计算土的自重应力 计算基础底部接触应力,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,中心荷载:,偏心荷载:,计算基础底面附加应力,计算基础底部接触应力,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,计算地基中的附加应力分布，按比例将附加应力绘于中 心线右侧确定地基受压深度：当附加应力为自重应力 的20%时，对应的深度为受压深度沉降计算,A.不同的土层应为分层面B.地下水位应为分层面,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,计算各分层的压缩量(9)计算地基最终沉降量,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3-7 地基沉降与时间的关系 一、地基沉降与时间关系计算目

20、的 当建筑物发生倾斜时，需要了解当时和今后沉降的发展，即与时间的关系，以此作为事故处理的依据。,二、饱和土的渗流固结过程1.饱和土的渗流固结过程 土体孔隙中自由水逐渐排出 土体孔隙体积逐渐减小 孔隙水压力逐渐转移到土骨架来承受，成为有效应力。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,2渗流固结力学模型（1）活塞骤然加力的一 瞬间，,（2）经过时间 后，（3）经过很长时间，,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,3两种应力在深度上随时间的分布,当t=0时,A=0 当 时,当 时，,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,三、单向固结理论几点假设竖向排水，竖向压缩;土体均匀，完全饱和 附加应力，一次骤加,1单向固

21、结微分方程及求解（1）单向固结微分方程 A式,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,（2）微分方程求解,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,2固结度（1）定义：地基在荷载的作用下，经历时间t的沉降量 与最终沉降量之比值，称为固结度，表示 时间 完成的固结程度。即：（2）计算公式 A地基中附加应力上下均布地基中某一点的固结度：,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,地基平均固结度:平均孔隙水压力：,积分上式，代入 并化简得地基平均固结度：,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,B地基中上下面附加应力不等,应用下图确定固节度与时间因子的关系,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,B地基单面排水且上下面附加应力不等,

22、四、地基沉降与时间关系计算）计算地基最终沉降量）计算附加应力比例）假定一系列地基平均固结度）计算时间因子）计算时间）计算时间t的沉降量）绘制 与 的曲线，其中 为纵坐标，为横坐标。即可求 得沉降量与时间的关系。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,6-9 建筑物沉降观测与地基允许变形值一、地基变形特征1沉降量（mm）：特指基础中心的沉降量2沉降差（mm）：相邻两个基础沉降量的差值3倾斜（%）：独立基础倾斜方向两端点的沉降量差与其 距离的比值44局部倾斜（%）：砖石砌体承重结构沿纵向68米内基 础两点的沉降差与其距离之比值。,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,二、建筑物的沉降观测 1目的 验证工程

23、设计与沉降计算的正确性 判断建筑物施工质量 发生事故后，作为分析事故原因和加固处理的依据,2水准点的设置,3观测点的设置,4仪器与精度,5观测次数和时间,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,四、防止地基有害变形的措施1.减少沉降量的措施2,减少沉降差的措施,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,4-1 第一节 概述 一、地基强度的意义,1当P较小时，压密阶段 2 当P继续增大，出现塑性变形 3 滑动破坏,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,二、土的强度应用范围（抗剪强度）1）地基稳定性 2）土坡稳定性（天然土坡，人工土坡）3）挡土墙及地下结构土的压力,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,4-2 土的极限

24、平衡条件 一、土体中任意点的应力状态 1最大主应力与最小主应力 2任意斜面上的应力,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,3用摩尔圆表示斜面上的应力,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,二、摩尔-库仑破坏理论1摩尔强度理论：材料受剪切破坏，在破坏面上的剪应力是法向应力的函数。,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,2库仑强度理论 砂土：粘性土：+,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,三、土的极限平衡条件1无粘性土的极限平衡条件,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,3粘性土的极限平衡条件+-,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,4-3 抗剪强度指标的确定 一、直接剪切实验 实验原理 二、三轴实验 实验原理 三、

25、无侧限抗压强度实验 实验原理,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,4-5 地基的临塑荷栽和临界荷栽 一、地基的临塑荷栽 1.定义：在外荷的作用下，地基中刚开始产生塑性变形 时，基础底面单位面积上所承载的荷载。2.计算公式 式中：-承载力系数,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,公式推导：在条形基础的作用下，地 基中任意点M 的应力来源于以 下几个方面：基础底面附加应力 在 处，土的自重应力 由基础埋深 构成的旁载 为简化起见，将土的侧压系数定为1。,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,二、地基的临界荷载 1定义：当地基中的塑性变形区最大深度为 中心荷载基础 偏心荷载基础 与此相对应的基础底面压力称为

26、临界荷载，以 和 表示。,第四章 土的抗剪强度与地基承载力,2计算公式 中心荷载 令 由（4-1）式可得临界荷载：同 理可得偏心荷载公式,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,46 地基的极限荷载 一、地基的极限荷载概念 1定义：指地基在外荷作用下产生的应力达到极限平 衡时的荷载。2计算公式（一般公式）,第四章 土的抗煎强度与地基承载力,二、太沙基公式理论假设：条形基础，均布荷载作用滑动面的形状为：两端为直线，中间为曲线，左右对称滑动区土体分为三区 区，楔形弹性区压密区，滑动面为曲面，呈对数螺旋线区；滑动面呈等腰三角形,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,1条形基础（密实地基）式中：承载力系数，是

27、的函数，利用 图 求得 2条形基础（松散地基地基）3地基承载力,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,三、斯凯普顿公式 1适用条件 饱和土地基，=0，浅基础，埋深d0.5b，矩形基础 2极限荷载公式（半经验公式）3地基承载力,第五章 土压力与土坡稳定,5-1 概述 一、挡土墙的用途与类型 1挡土墙的类型 重力式 砖石、素混凝土，体积大，靠自重。悬臂式 钢筋混凝土，体积小，强度高 扶壁式 钢筋混凝土，工程量小 锚杆式 钢筋混凝土，钢材 加筋土挡土墙,第五章 土压力与土坡稳定,5-1 概述 一、挡土墙的用途与类型 2.挡土墙的用途,第五章 土压力与土坡稳定,二、土压力的种类 1实验,第五章 土压力与土

28、坡稳定,2土压力种类 静止土压力 当挡土墙静止时，土体作用在墙背面的压力。主动土压力 当挡土墙向前移动时，土体产生滑裂面时，土体作用在挡土墙的压力称为主土压力 被动土压力 当挡土墙向后移动时，土体产生滑裂面时，土体作用在挡土墙的压力称为主动压力,第五章 土压力与土坡稳定,52 静止土压力计算 一、产生条件 挡土墙静止不动，位移为零，转角为零。二、计算公式,第五章 土压力与土坡稳定,5-3 朗肯土压力理论 使用条件：墙背竖直、光滑，填土表面水平。一、无粘性土的土压力 1主动土压力 计算公式 由极限平衡条件 主动土压力分布 总土压力,第五章 土压力与土坡稳定,2被动土压力 计算公式 由极限平衡条件

29、 被动土压力分布 总土压力,第五章 土压力与土坡稳定,二、粘性土的压力 1主动土压力 计算公式 由极限平衡条件 主动土压力分布 总土压力,第五章 土压力与土坡稳定,2被动土压力 计算公式 由极限平衡条件 被动土压力分布 总土压力,第五章 土压力与土坡稳定,54 库仑土压力理论 1 计算公式（1）由正弦定理（2）（3）土压力系数,第五章 土压力与土坡稳定,2主分布 三角分布 二、无粘性土被动土压力,第五章 土压力与土坡稳定,5-5 土坡稳定性分析 一、土坡的稳定作用（应用领域）1 机坑开挖 2 天然土坡 3 堤坝路基4 单、双壁路堑,第五章 土压力与土坡稳定,二、影响土坡稳定性的因素 1 土坡坡

30、度 2 土坡高度 3 土的性质 4 气象条件 5 地下水的渗透 6 地震,第三章 土的压缩性与地基沉降计算,三、土坡稳定性分析圆弧法 1，基本方法：极限平衡法 2视土体 绕圆心 转动，取土坡单位长度（平面问题）进行分析 计算滑动力矩，由滑动土体 的自重在滑动方向上的分力产生 计算抗滑力矩，由滑动面上的摩檫力和粘结力产生。计算土坡安全系数 试算法确定最小安全系数，确定最危险滑弧。3最危险滑面的确定,第二章 土的物理性质及工程分类,三、土的工程特性1.压缩性高 2.强度低 3.透水性高四、土的生成与工程特性之间的关系1.搬运、沉积条件 水力搬运沉积土优于风力搬运沉积土2.沉积年代 沉积年代越长,土的工程特性越好.3.沉积的自然地理环境 地理环境不同,沉积土的工程特性不同,如东部沿海地区为淤泥质 软弱土,西北地区多为湿陷性黄土.,