土力学与地基基础最后版

绪
论
一、土、 土力学、地基及基础的有关概念 1 土：是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积等物理、化学、 生物作用，在地壳表面形成的各种散粒堆积物。 2 土力学:研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结 构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。 3 地基:支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地 层称为地基。 4 基础:建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础(参看 图0-1)。
4）风化作用的类型： 风化作用根据其性质和影响因素的不同分为物理风 化、化学风化和生物风化三种类型。 (I)物理风化作用：地表岩石由于温度变化和裂隙中 水的冻结以及盐类的结晶而逐渐破碎崩解，但其化学成 分尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。例如: 由于温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所产 生的拉应力的频繁交替，遂使岩石表层产生裂缝而崩解 。另一方面，岩石中的不同矿物各有其不同的膨胀系数 ，所以当温度反复变化时，岩石内部就会产生不均匀的 胀缩变形，导致裂缝的产生，久而久之，坚硬完整的岩 石就逐渐崩解成碎块了。特点：只改变颗粒的大小与形 状，不改变原来的矿物成分。
(2)化学风化作用：地表岩石在水溶液、大气以及有机体的化学 作用或生物化学作用下所引起的破坏过程称为化学风化作用。 它不仅破坏岩石的结构，而且使其化学成分改变，而形成 新的矿物(次生矿物)。化学风化的主要方式有下列几种：氧化 作用、水化作用、水解作用、溶解作用。 特点：改变原来的矿物成分，形成新的矿物成分。 (3)生物风化作用：它是指在生物活动过程中对岩石产生的破 坏作用。 这种作用可以引起岩石的机械破坏，如树根生长时施加于 周围岩石的压力可达10～15kg/cm2，穴居地下的蚯蚓；鼠类等的 活动，破坏性也很大。此外，在岩石表面的细菌、苔藓之类分 泌出的有机酸溶液能分解岩石的成分，促使岩石破坏。
三、本学科发展概况
地基及基础既是一项古老的工程技术，又是一门年青的应用科 学。追本溯源，世界文化古国的远古先民，在史前的建筑活动中， 就已创造了自己的地基基础工艺。我国西安半坡村新石器时代遗址 和殷墟遗址的考古发掘，都发现有土台和石础。这就是古代“堂高 三尺、茅茨土阶”(语见《韩非子》)建筑的地基基础型式。
土力学与地基基础
（授课学时：66学时）
河北联合大学建筑工程学院
授 课：徐建新 尤志国
时 间: 201116周，星期二：10:15～12:00 ，5A403教室。 7～12周，星期三： 10:15～12:00 ，5A401教 室。 7～16周，星期四： 10:15～12:00 ，5A403教 室。 7～16周，星期五： 10:15～12:00 ，5A304教 室。
二、土的工程特征
1、固体颗粒、水、气体三相集合体； 2、透水性； 3、变形大（压缩性大）； 4、固结性； 5、具有弹性变形和不可恢复的残余变形。
三、矿物与岩石的概念 岩石：一种或多种矿物的集合体。 矿物：地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一 定的物理性质、化学成份和形态． (一) 造岩矿物 组成岩石的矿物称为造岩矿物。 矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。 区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比 重等特征为依据。 （二）岩石 岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。 岩石的结构—岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、 及其彼此之间的组合方式。 岩石的构造--岩石中矿物的排列方式及填充方式。
它的研究方法是以三种相辅相成的基本手段， 即数学模拟(建立岩土本构模型进行数值分析)、 物理模拟(定性的模型试验，以离心机中的模 型进行定量测试和其它物理模拟试验)和原体 观测(对工程实体或建筑物的性状进行短期或 长期观测)综合而成的。我国的地基及基础科 学技术，作为岩土工程的一个重要组成部分， 已经、也必将继续遵循现代岩土工程的工作方 法和研究方法进行发展。
岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类，其 亚类划分列于表1-3、表1-4、表1-5。 四、地质年代的概念 地质年代：地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物 演化相对应的时代段落。 相对地质年代：根据古生物的演化和岩层形成的顺序， 所划分的地质年代。 在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对 年代划分为五大代(太古代、元古代、古生代、中生代和新 生代)，每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在 每一个地质年代中，都划分有相应的地层（参见表 1-6） 在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩风化产 物（碎屑物质），经各种外力地质作用(剥蚀、搬运、沉积) 形成尚未胶结硬化的沉积物(层)，通称
0-1
地基、基础示意图
4 地基基础设计的先决条件：
在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘 察，充分了解、研究地基土(岩)层的成因及构造、它 的物理力学性质、地下水情况以及是否存在 (或可能发 生)影响场地稳定性的不良地质现象(如滑坡、岩溶、 地震等)，从而对场地件作出正确的评价。
5 地基基础设计的两个基本条件： 对于地基应满足： (1)要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地 基在防止整体破坏方面有足够的安全储备； (2)控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑 物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。 (3)满足地基的稳定。 对于基础应满足： 还应满足对基础结构的强度，刚度和耐久性的要求。 6 基础结构的型式： 7 地基类型： 按地质情况分：土基、岩基。 按施工情况分：天然地基（浅基、深基）、人工地基。 8 地基基础设计方案的选取原则 9 地基及基础的重要性(工程实例)
作为本学科理论基础的土力学的发端，始于十八世纪兴起了工 业革命的欧洲。那时，资本主义工业化的发展，工场手工业转变为 近代大工业，建筑的规模扩大了。为了满足向国内外扩张市场的需 要，陆上交通进入了所谓“铁路时代”。因此，最初有关土力学的 个别理论多与解决铁路路基问题有关。
1773年，法国的库伦根据试验创立了著名的砂土抗剪 强度公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。九 十余年后， 1869年英国的朗肯又从不同途径提出了挡 土墙土压力理论。这对后来土体强度理论的发展起了 很大的作用。此外， 1885年法国布辛奈斯克求得了弹 性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解 答。 1922年瑞典费兰纽斯为解决铁路坍方问题作出了 土坡稳定分析法。这些古典的理论和方法，直到今天， 仍不失其理论和实用的价值。在长达一个多世纪的发 展过程中，许多研究者承继前人的研究，总结了实践 经验，为孕育本学科的雏形而作出贡献。
本课程的参考教材(资料）
1、土力学地基基础（第4版） 陈希哲 主编 清华大学出版社，2003年。
2、地基及基础（第三版） 华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学 编，中国建筑工业出版社，1998年。 3、相关的设计规范（规程）
（1）《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001 （2）《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223-2008(新） （3）《岩土工程勘察规范》GB50021-2001 （4）《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001（2006年版） （5）《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 （6）《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002 J220-2002 （7）《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008 (新） （8）《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》JGJ6—99 （9）《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010(新） （10）《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010 (新）
第一章
土的物理性质及工程分类
1-1 概 述
1土的定义： 土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的 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。 2 土的三相组成： 土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙 中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒 (固相)、 水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。 1-2 土的生成与特性 一、地质作用的概念 1、地球的圈层构造：
为地壳的上拱和下拗，形成大 型的构造隆起和拗陷：水平运 动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱 和断裂．地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地 球表面的基本形态。 3)变质作用：在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩 (原来生 成的各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生 成分、结构、构造变化的地质作用。 (2)外力地质作用： 由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它 包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、 生物等的作用。 1)风化作用：外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破 碎和化学变化的作用。 2)沉积岩和土的生成：原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪 水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等
二、本课程的特点和学习要求 1、课程的特点： （1）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构 设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强； （2）课程理论性和实践性均较强。 2、学习要求： (1)学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等 土力学基本原理； (2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法； (3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内 土工试验方法； （4）重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘 察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资 料能力的培养。
上述三种风化作用，实际上不是孤立进行的。例如: 物理风化使岩石逐渐破碎，增大了岩石的孔隙率和表面 积，为化学风化创造了有利的条件；反过来，化学风化 则使所形成的碎屑发生质的变化，颗粒变得更小并使岩 石松软、体积膨胀，从而促进物理风化的进行。但在某 一地区的特定自然地理坏境下，通常以一种风化作用占 主导地位。
外圈层：大气圈、水圈、生物圈； 内圈层：地壳、地幔、地核。 构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一厚度为30～ 80km。 2、地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用。 根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地 质作用。 (1)内力地质作用：由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产 生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变 化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。 1)岩浆作用：存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔 融体(岩浆)，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝 后生成为岩浆岩的地质作用。 2)地壳运动：地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现
外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积 下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆 盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用 下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、 硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的 所谓沉积物，也就是通常所说的“土”。 3）风化、剥蚀、搬运及沉积－外力地质作用过程中的风化、 剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀 作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供 了物质的来源。剥蚀作用与沉积作 用在一定时间和空间范 围内，以某一方面的作用为主导，例如:河流上游地区以剥 蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原 以沉积占优势。
1925年，太沙基归纳发展了以往的成就，发表了《土 力学》一书，接着，于1929年又与其他作者一起发表了 《工程地质学》这些比较系统完整的科学著作的出现， 带动了各国学者对本学科各个方面的探索。从此，土力 学及地基基础就作为独立的科学而取得不断的进展。时 至今日，土建，水利、桥梁、隧道、道路、港口、海洋 等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研 究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各 专业岩土问题的共同性，已融合为一个自成体系的新专 业—“岩土工程”。 它的工作方法就是：调查勘察、试验测定、分析计算、 方案论证，监测控制、反演分析，修改定案；