土力学课件（清华大学）-0绪论(工管)

陈希哲编著清华大学出版社王伟制作土力学与地基基础0 0.1土力学与地基基础的研究对象——什么是土力学与地基基础？土力学与地基基础0绪论0绪论0.1.1土和土力学（1）定义——是岩石风化的产物，是母岩风化后经搬运、沉积等地质作用形成的岩石碎屑和单独矿物颗粒组成的集合体。（2）特性●三相系、性质复杂多变●散粒体——视为连续体分析●强度较低、压缩性较大、可渗透性●非线性弹性、弹塑性1 （3）作用●地基●环境●材料（5）土力学——以各门力学与工程实践相结合为基础，以土为研究对象，研究土的物理特性及其受力后应力、变形、强度、稳定和渗透等特性及其随时间变化规律的学科，它是力学的一个分支。（4）简单分类●粘性土和无粘性土●细粒土和粗粒土土力学与地基基础0绪论2 0.1.2地基和基础（a）水闸（b）柱子上部结构基础地基土力学与地基基础0绪论（1）建筑物组成：上部结构、基础和地基，是一整体3 土力学与地基基础0绪论阿联酋迪拜全球最高的“哈利法塔－迪拜大厦”，162层，高818m。4 土力学与地基基础0绪论918米长的马格德堡水桥位于德国柏林附近的马格德堡，历时6年，花费5亿欧元建成。确切说它是一座跨越易北河的渠道桥，是连接东德和西德的重要项目。5 土力学与地基基础0绪论贵州北盘江大桥号称亚洲第一高桥，主跨388米，我国首座采用双向预应力砼加劲板梁设计的特大型桥梁。6 土力学与地基基础0绪论7 土力学与地基基础0绪论（2）基础（foundation）d(Df)b(B)地基地面基础底面基础N——连接上部结构和地基的部分，其承受上部结构的自重以及作用于建筑物上的各种荷载，并将其扩散传递给基础底面下的土层。●深基础和浅基础●刚性基础和柔性基础8 土力学与地基基础0绪论（3）地基（subgrade,foundationsoil）——由于建筑物的修建而引起应力状态发生改变的地（土）层。●地基的持力层：基础底面下直接承受荷载，对地基起主要作用的土层，或基础直接搁置其上的土层。●地基的下卧层：持力层下受荷载影响较小的土层。●天然地基和人工地基地基地面基础底面基础N地基持力层地基下卧层影响深度附加应力大小附加应力分布9 土力学与地基基础0绪论（4）地基基础设计原则●地基的强度条件●地基的变形条件●综合考虑地基、基础与上部结构三者的相互关系●综合考虑安全、经济、合理、可行性10 土力学与地基基础0绪论0.2土力学与地基基础的重要性——为什么学习土力学与地基基础？0.2.1土力学与地基基础的重要性●隐蔽工程●造价高、工期长●地基与基础的复杂性●失事后果严重●应用广泛，高层建筑和大型工程的要求地基：变形、强度、渗流和地震等地基：变形、强度、渗流和地震等基础：断裂、滑移等11 土力学与地基基础0绪论Ref：《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》0.2.2国内外工程事故示例0.2.2.1变形●倾斜●局部倾斜●沉降差●沉降量地基变形特征：12 土力学与地基基础0绪论（1）倾斜比萨斜塔8层55m直径16m偏离中心5.27m倾斜5.5度修建时间:1173～1370●高耸结构●地基持力层为粉砂、下面为粉土和粘性土；粘土由南向北变薄13 土力学与地基基础0绪论苏州虎丘塔14 土力学与地基基础0绪论苏州虎丘塔●高耸结构●地基覆盖层相差悬殊●落成于宋代961年●高47.5m，7层●塔顶偏离中心线2.31m,塔身现不少裂缝15 土力学与地基基础0绪论虎丘塔地基为人工地基，覆盖层厚度西南为2.8m，东北为5.8m，厚度相差3.0m，这是虎丘塔发生倾斜的根本原因。此外，南方多暴雨，雨水渗入地基块石填土层，冲走块石之间的细粒土，形成很多空洞，这是虎丘塔发生倾斜的重要原因。16 土力学与地基基础0绪论（2）建筑地基严重下沉墨西哥市艺术宫(1904)17 土力学与地基基础0绪论地基土为超高压缩性淤泥,天然孔隙比7～12，天然含水率150％～600％，为世界罕见的软弱土，层厚25m。下沉达4m，旁边的道路下沉2m。18 土力学与地基基础0绪论上海展览中心馆●地基土为高压缩性淤泥质软土●1954－1979平均沉降160cm，前6个月沉降60cm19 土力学与地基基础0绪论●大型建筑物●变形时间长●地基土为高压缩性土，如淤泥质土、火山灰等沉降量大的特点：●地基可压缩土层厚20 土力学与地基基础0绪论墨西哥城（3）沉降差、局部倾斜21 土力学与地基基础0绪论22 土力学与地基基础0绪论（1）地基承载力0.2.2.2强度加拿大特朗斯康谷仓失事原因：未进行调查研究，而是根据相邻结构物基槽开挖试验结果估算，导致地基超载发生强度破坏而滑动。23 土力学与地基基础0绪论美国纽约某水泥仓库失事原因：粘土地基、超载24 土力学与地基基础0绪论（2）边坡失稳香港宝城大厦25 土力学与地基基础0绪论1级平台3级平台2级平台三峡泄滩滑坡26 土力学与地基基础0绪论图1-3四川红花水库滑坡示意图失事原因：●土的抗剪强度低●设计坝坡较陡●坝体填筑迅速，孔压来不及消散淤泥质软土27 土力学与地基基础0绪论0.2.2.3渗流及渗透变形●堤坝管涌破坏下沉管涌堤坝渗流破坏示意图（1）渗流产生浮力＋渗流力（2）渗流破坏形式：流土和管涌●徐州市区塌陷●美国一净水工厂28 土力学与地基基础0绪论●山东蒙城节制闸粉质粘土和细砂层山东蒙城节制闸示意图渗径短路渗透变形不均匀沉降陷落倒塌29 土力学与地基基础0绪论Sandboils0.2.2.4液化30 土力学与地基基础0绪论上海莲花小区一13层楼房倒塌示意图0.2.2.5地下洞室开挖、施工等31 土力学与地基基础0绪论0.2.2.6建筑物基础开裂●南京分析仪器厂职工住宅●北京大学气轮机基座0.2.2.7建筑物基槽变位滑动●四层厚板结构楼●上海18层科研楼0.2.2.8冻融●盘锦市房屋●大连市金州石棉矿0.2.3不良地基处理成功实例●清华大学第四教学楼●苏州市里河桥新村住宅32 土力学与地基基础0绪论0.3本学科的发展简况●感性认识阶段●理性认识阶段●独立学科的形成阶段1925年，太沙基（Terzaghi）“《土力学》（Eoubakmeceanik）”的出版，被公认为土力学的开始。●发展阶段33 土力学与地基基础0绪论0.4本课程的特点与学习方法（1）研究对象的复杂多变性（2）研究内容的广泛性（3）研究方法的特殊性●对于土的有关知识从感性阶段过渡到理性阶段，人们往往把实际的复杂的土加以简化●土力学理论通常都应用一些土的物理力学指标和参数●土力学中的公式和方法，绝大部分都是半理论半经验性的混合产物，注重理论联系实践34 土力学与地基基础0绪论[1]杨进良.土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2006.[2]周汉荣,赵明华.土力学地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.参考资料：35 土力学与地基基础0绪论●掌握土、地基与基础的概念及其性质●了解土力学地基基础在土木工程中的重要性及发展概况●了解土力学地基基础的学科特点●熟悉课程的研究特点、学习要求和学习方法本章重点：本章要求：●土、地基与基础的概念及其性质36 土力学与地基基础0绪论37 土力学与地基基础1工程地质概论1工程地质概论1.1概述（简）工程地质学是研究与工程建设有关的地质问题的科学，它是地质学与土木、水利等工程之间的边缘学科，是研究地质体的性状、在人为改变条件下的变动及其与人类工程活动之间的相互制约关系。1.1.1工程地质的内容与重点1.1.2建筑场地的形成●内力地质作用——岩浆活动、地质运动、变质作用●外力地质作用38 土力学与地基基础1工程地质概论1.1.3地质年代（1）地质相对年代：宙、代、纪、世（国际通用）期、时（生物地理区）；（2）地层单位：宇、界、系、统、层、带；（3）宙：隐生宙和显生宙；（4）代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代；（5）第四纪Q：距今约200万年。1.1.3.1地质时代（1）绝对年代：又称同位素年代，是根据岩石中放射性元素蜕变产物的含量计算出来的。（2）相对年代：表示地层相对新老关系的时代顺序。1.3.1.2地质相对年代39 土力学与地基基础1工程地质概论矿物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。组成岩石的矿物称为造岩矿物（30余种）。（1）按成因分类1.2矿物与岩石（简）1.2.1主要的造岩矿物1.2.2岩石的类型和性质（1）矿物的种类：原生矿物和次生矿物（2）矿物的主要物理性质------形态、颜色、光泽、硬度、解理、断口。（3）矿物的鉴定方法------肉眼鉴定法、偏光显微镜法。1.2.2.1岩石的类型●岩浆岩（火成岩）●沉积岩（水成岩）●变质岩40 土力学与地基基础1工程地质概论（2）按坚固性分类●硬质岩石●软质岩石（3）按风化程度分类●未风化●微风化●中等风化●强风化1.2.2.2岩石的性质（略）41 土力学与地基基础1工程地质概论——母岩经风化、剥蚀，未被搬运，残留在原地的岩石碎屑。1.3第四纪沉积物（简）1.3.1残积层1.3.2坡积层●河床沉积层●河漫滩沉积层●河流阶地沉积层●古河道沉积层1.3.3洪积层1.3.4冲积层1.3.4.1平原河谷冲积层42 土力学与地基基础1工程地质概论●滨海沉积物●大陆架浅海沉积物●陆坡沉积物●深海沉积物1.3.4.2山区河谷冲积层1.3.4.3山前平原冲积洪积层1.3.4.4三角洲沉积层1.3.5海相沉积层1.3.6湖沼沉积层●湖相沉积层●沼泽沉积层1.3.7冰积层和风积层●冰碛层●冰水沉积层43 土力学与地基基础1工程地质概论1.4不良地质条件（简）1.4.1断层1.4.2节理发育1.4.3滑坡1.4.4河床冲淤1.4.5岸坡失稳1.4.6河沟侧向位移44 土力学与地基基础1工程地质概论1.5地下水1.5.1地下水对工程的影响（略）●基础埋深1.5.2地下水分类（图1-13）●施工排水●地下水位升降●地下室防水●水质侵蚀性●空心结构物浮起●承压水冲破基槽●上层滞水●潜水：埋藏在地表下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。●承压水1.5.3地下水位●初见水位●稳定水位45 土力学与地基基础1工程地质概论1.5.4地下水的运动●土的渗透性：土体可被水透过的性质。1.5.4.1达西（Darcy,1856）定律（1）定义●公式●渗透系数●水力梯度●流速v（2）适用范围：砂土、一般粘性土46 ●大小：土力学与地基基础1工程地质概论1.5.4.2动水力（渗透力）（3）渗流作用于土骨架单位体积上的力（单位体积渗流力GD、j）为（1）土颗粒对水流的阻力（2）总渗透力为渗透水流作用在土颗粒上的力，大小为●方向：与渗流方向一致●作用点：土骨架重心。47 土力学与地基基础1工程地质概论（1）流土（2）管涌1.5.4.3渗透破坏形式在渗流作用下，某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生移动的现象。它可以是整体性的，也可是局部性的。流土或砂沸常发生于渗流出逸处而不发生于土体内部。在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过其粗大孔隙发生移动，或被水流带出的现象。它发生的部位可以在渗流出逸处，也可以在土体内部，故亦称之为渗流引起的潜蚀现象。（1-5）●临界水力梯度48 土力学与地基基础1工程地质概论1.5.5地下水水质（简）（1）结晶性侵蚀（2）分解性侵蚀（3）结晶分解复合型侵蚀49 土力学与地基基础1工程地质概论[1]杨进良.土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2006.参考资料：[2]周汉荣,赵明华.土力学地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.50 土力学与地基基础1工程地质概论●了解地质年代、工程地质的内容和重点●熟悉矿物与岩石的种类●熟悉第四纪沉积层的分类及其特点●熟悉不良地质条件●熟悉地下水对工程的影响、地下水位、水质●掌握地下水分类、达西定律、渗流力及渗流变形型式本章重点：本章要求：●地下水分类●达西定律的定义及适用范围●渗流力及渗流变形型式习题：●复习思考题1.14、1.15●习题1.7、1.851 土力学与地基基础1工程地质概论52 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2土的物理性质及工程分类2.1土的生成与特性2.1.1土的生成（1）物理风化（2）化学风化（3）生物风化●原生矿物：石英、长石、云母粗粒土（无粘性土）：砾石和砂●次生矿物：蒙托石、伊里石、高岭石细粒土（粘性土）：粘土和粉质粘土●有机土：泥炭等53 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.1.2土的结构和构造指土在生成过程中形成的土粒空间排列及联结形式。2.1.2.1土的结构（1）定义（2）影响因素：矿物成分、颗粒大小形状、沉积条件（3）种类及其工程性质●单粒结构——散粒结构图单粒结构单粒结构是粗粒土如砂土及砾石等的结构特征。54 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类●蜂窝结构粉土、粘土（d<0.02mm）●絮状结构——二级蜂窝结构粘土（d<0.005mm）蜂窝结构絮状结构55 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.1.2.2土的构造●层状构造●分散构造●结核状构造●裂隙状构造2.1.3土的工程性质（略）2.1.4土的生成与工程性质的关系（略）56 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.2土的三相组成2.2.1土的固体颗粒（土粒、固相）2.2.1.1土粒的矿物成分（1）原生矿物：岩石经物理风化而成，成分与母岩相同（2）次生矿物：主要为粘土矿物（3）腐殖质（1）土的三相：固相、液相和气相（2）干土和饱和土（二相系）●单矿物颗粒：石英、长石、云母等（砂土）●多矿物颗粒：（漂石、卵石和粗粒土的砾石）●蒙脱石●伊利石●高岭石亲水性：高低57 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.2.1.2土颗粒的大小和形状（土粒粒组）●分界粒径——使土的性质呈质变的某些粒径。●粒组——相邻分界粒径之间的粒径范围。粒径/mm卵碎石砾砂粒粉粒粘粒漂块石1/20022000.07560粘土粗砂碎石卵石58 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.2.1.3土粒分析方法●筛析法——大于0.075mm土颗粒●密度计法——小于0.075mm土颗粒●联合测定确定土中各粒组的相对含量，通常用试验方法，称颗粒大小分析试验，简称颗分试验。SieveanalysisHydrometeranalysis59 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.2.1.4土的粒径级配（1）土的粒径级配——土中各个粒组质量的相对含量百分比。60 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类●曲线坡降渐变：连续级配或称正常级配●曲线坡度陡：土粒大小分布范围窄●曲线坡度缓：土粒大小分布范围广●出现水平段：表示土中缺乏某些粒径，为不连续级配（3）特征指标●不均匀系数：反映土粒是否均匀的一个系数，值越大表明土中土颗粒越不均匀。（2）曲线分布状态●曲率系数：为反映土的土粒分布曲线形态、分布范围（如宽窄、陡缓、平滑）和土粒级配连续性的一个系数。（2-1）（2-2）61 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（4）判别●级配良好的土：能同时满足、，粒径曲线为坡度较缓，级配连续，粒径分布范围广的平滑曲线。●级配不良的土：不能同时满足、条件的土。Example2.1:62 图土中水示意图土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.2.2土中水（1）结合水●强结合水（吸着水）●弱结合水（薄膜水）（2）自由水●重力水●毛细水（3）气态水（4）固态水2.2.3土中气体●自由气体：影响不大●封闭气泡：橡皮土、渗透性下降63 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3土的物理性质指标——指组成土的各相在体积和重量上的比例关系。64 土粒空气水土的三相图土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类65 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3.1土的三项基本物理性质指标——直接测定指标2.3.1.1土的（天然）密度和重度（Total,Wet,orMoistdensity）（1）定义：指土在天然状态下（即保持原有结构及含水率不变）单位体积的质量（重量）。（2）测试方法：●环刀法：细粒土●灌水（砂）法：粗粒土66 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3.1.2土粒的相对密度（比重）（Specificgravity）（1）定义：指在100℃~105℃以下烘至恒重时的土粒重量或质量与4℃时同体积纯水的重量或质量之比。（2）表达式（2-4）（3）常见值●粘性土：2.72～2.75●粉土：2.70～2.71●砂土：2.65～2.69（4）测定方法●比重瓶法67 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3.1.3土的含水率（WaterContent）（1）定义：土中水的重量（或质量）与105℃下烘至恒重时土粒的重量（或质量）之比，以百分数计。（2）表达式（2-5）（3）常见值（4）测定方法●烘箱法68 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3.2反映土的松密程度的指标2.3.2.1孔隙比（Voidratio）孔隙比：土中孔隙的体积与土粒体积之比，以小数计。2.3.2.2孔隙率（Porosity）孔隙率：土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数计。（2-6）（2-7）Simplecubic(SC),e=0.91,ContractCubic-tetrahedral(CT),e=0.65,Dilate69 ——指土中水分的体积与总孔隙体积之比。土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3.3反映土中含水程度的指标（1）饱和度(DegreeofSaturation)稍湿很湿饱和（2）表达式（3）工程应用（2-8）70 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.3.4.1干密度（Drydensity）与干重度单位体积土体中土粒的质量（重量）。2.3.4待定条件下土的密度（重度）2.3.4.2饱和密度（Saturateddensity）与饱和重度土孔隙充满水时，单位体积土的质量（重量）。2.3.4.3浮密度（Submerged、Buoyantdensity)浮重度土被水淹没时，土受到水的浮力作用，为土淹没在水下的有效密度或有效重度。（2-9）（2-10）（2-11）71 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类土粒空气水2.3.5指标换算方法72 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（1）令土粒体积为1，由孔隙比的定义（孔隙体积与土粒体积之比）知孔隙体积为e，总体积为1+e。土粒气体水73 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类●由比重定义知可得，●由含水率定义知可得，●由天然密度定义知重新绘制三相图有74 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类土粒气体水（2）由水和土粒质量之和为土体质量知得孔隙比75 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（3）由饱和度的定义知（4）由孔隙率定义知（5）由干密度定义知将e代入，得76 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（6）由饱和密度定义知（7）由浮密度定义知77 相对密实度(DensityIndex,ID,)土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.4.1无粘性土的密实度2.4.1.1孔隙比e和孔隙率n2.4.1.2相对密度·疏松中密密实2.4.1.3标准灌入试验N（后详）将风干的无粘性土试样用漏斗法测定其最小干密度，用振击法测定其最大干密度。2.4土的物理状态指标78 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.4.2粘性土的物理状态指标(AtterbergLimits)2.4.2.1粘性土的稠度稠度:指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。固态流塑状态可塑状态半固态wLiquidStatePlasticStateSemisolidStateSolidStateLiquidLimit,LLPlasticLimit,PLShrinkageLimit,SL2.4.2.2界限含水率●液限：由流塑状态转变为可塑状态的分界含水率；●塑限：由可塑状态转变为半固态的分界含水率；●缩限：土的体积不再减小时的界限含水率。（1）定义79 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（2）测试方法●测定塑限的方法：搓滚法和液、塑限联合测定法。●测定液限的方法：碟式仪法和液、塑限联合测定法。●液、塑限联合测定法：塑限——5秒入土2mm时的含水率10mm液限——5秒入土10mm时的含水率17mm液限——5秒入土17mm时的含水率碟式仪：25击合拢长度＝13mm时含水率为液限。80 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（3）粘性土的塑性指数(PlasticityIndex)（4）粘性土的液性指数(LiquidityIndex)（5）活动度A（6）灵敏度St和触变性81 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类2.5地基土的工程分类2.5.1分类的必要性和分类指标●土的颗粒大小及分布●土的塑性和液限●有机质含量2.5.2岩石2.5.3碎石土2.5.4砂土2.5.5粉土2.5.6粘性土2.5.7人工填土82 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，然后再进一步细分。（1）碎石土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50％，则该土属于碎石土。（2）砂土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50％、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50％，则该土属于砂土。砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂2.5.8《建筑地基基础设计规范》中的地基土分类83 土力学与地基基础2土的物理性质及工程分类（3）粉土若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的50％，则该土属于粉土。（4）粘性土的分类若土的塑性指数大于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量的50％，则该土属于粘性土。进一步地，将再静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土称为淤泥。天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1.0的粘性土称为淤泥质土。粘土：IP>17粉质粘土：10