《土力学与地基基础》

我国目前以联合法测定液限和塑限
二、粘性土的塑性指数和液性指数 1、塑性指数是指液限和塑限的差值(省去％符号)， 即土处在可塑状态的含水量变化范围。
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塑性指数的大小与土中结合水的含量有关 2、液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差 值与塑性指数之比。
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苏州市虎丘塔
• 此塔位于苏州市虎丘公园山顶，落 成于宋太祖建隆二年，（公元961年）， 距今已有1036年悠久历史。全塔7层， 高47.5m。塔的平面呈八角形，由外壁、 回廊与塔心三部分组成。塔身全部青砖 砌筑，外形仿楼阁式木塔，每层都有8 个壶门，拐角处的砖特制成圆弧形，建 筑精美。1961年3月4日，国务院将此 塔列为全国重点保护文物。
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1—8 地基土(岩)的分类
地基土(岩)分类的任务是根据分类用途和土 (岩)的各种性质的差异将其划分为一定的类别。 土(岩)的合理分类具有很大的实际意义，例 如根据分类名称可以大致判断土(岩)的工程特性、 评价土(岩)作为建筑材料的适宜性以及结合其他 指标来确定地基的承载力等等。阅读33-39页内容。
(2)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自 由水．毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细 水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水 无直接联系)和毛细上升水(与地下水相连)两种。 当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和 土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由 于这种毛细压力而挤紧(图1—2)，土因而具有微弱的粘 聚力，称为毛细粘聚力。 (二)土中气 。 土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。
1、建筑物倾斜
加拿大特朗斯康谷仓的地基事故
• 该谷仓平面呈矩形，南北向长59.44m，东 西向宽23.47m，高31.00m，容积36368立 方米，容仓为圆筒仓，每排13个圆仓，5排 共计65个圆筒仓。谷仓基础为钢筋混凝土 筏板基础，厚度61cm，埋深3.66m。谷仓 于1911年动工，1913年完工，空仓自重 20000T，相当于装满谷物后满载总重量的 42.5%。
• 塔身每层都有精美的圆柱与花纹图案，是一座宏 伟而精致的艺术品。1590年伽利略在此塔做落体 实验，创建了物理学上著名的落体定律。斜塔成 为世界上最珍贵的历史文物，吸引无数世界各地 游客。全塔总重约145MN，基础底面平均压力约 50kPa。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土 层。目前塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m， 塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5°，成为危险 建筑。1990年1月4日被封闭。除加固塔身外，用 压重法和取土法进行地基处理。目前已向游人开 放。
2、土坡滑动
• 香港宝城大厦土坡滑动 • 香港地区人口稠密，市区建筑密集。新建住宅只 好建在山坡上。1972年7月，香港发生一次大滑 坡，数万立方米残积土从山坡上下滑，巨大的冲 击力正好通过一幢高层住宅--宝城大厦，顷刻之 间，宝城大厦被冲毁倒塌。因楼间净距太小，宝 城大厦倒塌时，砸毁相邻一幢大楼一角约五层住 宅。宝城大厦居住着金城银行等银行界人士，因 大厦冲毁时为清晨7点钟，人们都还在睡梦中，当 场死亡120人，这起重大伤亡事故引起了西方世 界极大的震惊。
(一)土中水 在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液 态、固态或气态。 存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：
(1)强结合水 强结合水是指紧靠土粒表面的结合水 (2)弱结合水 弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。
2自由水 自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它 的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为0℃，有 溶解能力。 自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水 和毛细水。 (1)重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水层中的地下水， 它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮 力作用。
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。
利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指 标，如与的比值称为不均匀系数：
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d 60
d 10
不均匀系数 反映大小不同粒组的分布情况，越 大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好， 作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密 实度． 颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。
二、土中的水和气
意大利比萨斜塔
• 这是举世闻名的建筑物倾斜的典型实例。 该塔自1173年9月8日动工，至1178年建至 第4层中部，高度约29m时，因塔明显倾斜 而停工。94年后，于1272年复工，经6年时 间，建完第7层，高48m，再次停工中断82 年。于1360年再复工，至1370年竣工，全 塔共8层，高度为55m。塔身呈圆筒形， 1~6层由优质大理石砌成，顶部7~8层采用 砖和轻石料。
称为界限粒径。 表l-1提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。 表中根据界限粒径200、20、2、0．05和0．005mm把土 粒分为六大粒组：漂石<块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、 圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组 的相对含量(各粒组占土粒总量的百分数)来表示，称 为土的颗粒级配。 颗粒分析试验：筛分法；比重计法 根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图1—1 所示的颗粒级配累积曲线 由曲线的坡度可判断土的均匀程度 有效粒径；限定粒径。
第一章
土的物理性质及分类
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。
土力学与地基基础
绪
言
一、 土力学、地基及基础的有关概念 1 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。 2 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。 3 基础--建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础。 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。
土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、 饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。
1—4
无粘性土的密实度
无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的 关系，呈密实状态时，强度较大，可作为良好的 天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。对于 同一种无粘性土，当其孔隙比小于某一限度时， 处于密实状态，随着孔隙比的增大，则处于中密、 稍密直到松散状态。 以下介绍与无粘性土的最大和最小孔隙比、相 对密实度等有关密实度的指标。 无粘性土的相对密实度为

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用液性指数可表示粘性土的软硬状态，见表4-14
1—6
土的渗透性
土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易 程度的性质，或称透水性。 地下水在土中的渗透速度一般可按达西Darcy) 根据实验得到的直线渗透定律计算，其公式如下 (图1—25)：
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粘性土的达西定律
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• 1952年经勘察试验与计算，谷仓地基实际 承载力为（193.8-276.6）kPa，远小于谷 仓破坏时发生的压力329.4kPa，因此，谷 仓地基因超载发生强度破坏而滑动。 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４米。
1-2
土
的
组
成
一 土的固体颗粒 · 土中的固体颗粒(简称土粒)的大小和形状、矿物 成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重 要因素。 (一) 土的颗粒级配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒 组成的。 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，例如土的性质随着粒径的变细可由 无粘性变化到有粘性。 将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围， 分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而 呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸
三 、土的结构和构造
土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互 排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分 为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。
1—3 土的三相比例指标
上节介绍了土的 组成，特别是土颗粒 的粒组和矿物成分， 是从本质方面了解土 的性质的根据。但是 为了对土的基本物理 性质有所了解，还需 要对土的三相——土 粒(固相)、土中水(液 相)和土中气(气相)的 组成情况进行数量上 的研究。
高层建筑
长隧道
高速公路（立交）
5 地基基础设计的两个基本条件： (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。 6 基础结构的型式： 7 地基类型 8 地基及基础的重要性
第二章
地基的应力和变形
概 述
2—1 研究地基的应力和 变形，必须从土的应 力与应变的基本关系 出发来研究。当应力 很小时，土的应力· 应 变关系曲线就不是一 根直线(图2—1)，亦 即土的变形具有明显 的非线性特征。
2—2
土中自重应力
在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个 无限大的水平面，因而在任意竖直面和 水平面上 均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位 面积的土柱体自重计算(图2—2)，即：
必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才 能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力 又是影响土体强度的—个重要因素，所以粒间应力又称为 有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力 在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均 指有效自重应力。 以后各章节中把常用的竖向有效自重应力 cz ， 简称为自重应力，并改用符号 z 表示 。
• 1913年9月装谷物，10月17日当谷仓已装 了31822 谷物时，发现1小时内竖向沉降达 30.5cm，结构物向西倾斜，并在24小时内 谷仓倾斜，倾斜度离垂线达26°53ˊ，谷 仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m，上部 钢筋混凝土筒仓坚如磐石。谷仓地基土事 先未进行调查研究，据邻近结构物基槽开 挖试验结果，计算地基承载力为352kPa， 应用到此谷仓。
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根据 Dr 值可把砂土的密实度状态划分为下列三种： 1 Dr 0.67 密实的
0.67 Dr 0.33

中密的 松散的
0.33 Dr 0
砂土的密实度 碎石土的密实度
1—5
粘性土的物理特征
一 粘性土的界限含水量 粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固 态、半固态、可塑状态及流动状态 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含 水量，叫做界限含水量。
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地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外， 在竖直面上还作用有水平向的侧向自 重应力。由 于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在 自重作用下只能产生竖 向变形，而不能有侧向变 形和剪切形。
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• 80年代，塔身已向东北方向严重倾斜，不 仅塔顶离中心线已达2.31m，而且底层塔身 发生不少裂缝，东北方向为竖直裂缝，西 南方向为水平裂缝，成为危险建筑而封闭。 在国家文物管理局和苏州市人民政府领导 下，召开多次专家会议，采取在塔四周建 造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔 基进行钻孔注浆和树根桩加固塔身，由上 海市特种基础工程研究所承担施工，获得 成功。