土力学与基础工程教案Word格式文档下载.doc
- 文档编号:1123975
- 上传时间:2023-04-30
- 格式:DOC
- 页数:135
- 大小:5.39MB
土力学与基础工程教案Word格式文档下载.doc
《土力学与基础工程教案Word格式文档下载.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土力学与基础工程教案Word格式文档下载.doc(135页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
图0-2加拿大特朗斯康谷仓的地基事故
而其下的桩长仅有21m,为深入其下的坚固土层,倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致。
②加拿大特朗斯康谷仓。
图0-2是建于1914年的加拿大特朗斯康谷仓地基破坏情况。
该谷仓由65个圆柱形筒仓构成,高31m,宽23.5m,其下为钢筋混凝土筏板基础,由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软粘土层,谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后,发现谷仓明显下沉,结果谷仓西侧突然陷入土中7.3m,东侧上抬1.5m,仓身倾斜近27o。
后查明谷仓基础底面单位面积压力超过300kPa,而地基中的软粘土层极限承载力才约250kPa,因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严重倾斜。
该谷仓由于整体刚度极大,因此虽倾斜极为严重,但谷仓本身却完好无损。
后于土仓基础之下做了七十多个支承于下部基岩上的混凝土墩,使用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体逐渐扶正,单其位置比原来降低了近4.0m。
这是地基产生剪切破坏,建筑物丧失其稳定性的典型事故实例。
地基产生不均匀沉降①意大利比萨斜塔(图0-3)。
比萨斜塔建造,经历了三个时期:
第一期,自1173年9月8日动工,至1178年,建至第4层,高度约29m时,因塔倾斜而停工。
第二期,钟塔施工中断94年后,于1272年复工,至1278年,建完第7层,高48m,再次停工。
第三期,经第二次施工中断82年后,于1360年再复工,至1370年竣工,全塔共八层,高度为55m。
目前塔北侧沉降一米多,南侧沉降近三米,塔顶偏离中心线约5.54m(倾斜约5.8o)。
为使斜塔安全留存,后在国际范围内进行了招标,对斜塔进行了加固处理。
②我国名胜苏州虎丘塔。
苏州虎丘塔建于959~961年期间,为七级八角形砖塔,塔底直径13.66m,高47.5m,重63000kN塔建成后由于历经战火沧桑、风雨侵蚀,使塔体严重损坏,为了使该名胜古迹安全留存,我国于1956~1957年期间对其进行了上部结构修缮,但修缮的结果使塔体重量增加了约2000kN,同时加速了塔体的不均匀沉降,塔顶偏离中心线的距离由1957年的1.7m发展到1978年的2.31m,并导致地层砌体产生局部破坏。
后于1983年对该塔进行了基础托换,使其不均匀沉降得以控制。
因地基 -意大利比萨斜塔(图0-3)产生不均匀沉降而导致基础断裂、上部结构破坏的事例不胜枚举。
地基产生过量沉降①广深铁路k2+150段线路。
我国广深铁路k2+150段线路位于广州市,该路段地处山涧流水地带,淤泥覆盖层较厚,通车后路基不断下沉,1975年后,严重地段每旬下沉量高达12~16mm,其它地段每旬下沉量8~12mm不等,路基的下沉不仅增加了该段铁路的维修保养作业量,更严重威胁着铁路列车的安全营运。
该路段后采用高压喷射注浆法进行了路基土加固处理。
②西安某住宅楼。
西安某住宅楼位于西安市霸桥区,场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土场地,建筑物长18.5m,宽14.5m,为六层点式砖混结构,基础采用肋梁式钢筋混凝土基础,建筑物修建以前对地基未做任何处理,由于地下管沟积水,致使地基产生湿陷沉降,在沉降发生最为严重的5天时间里,该建筑物的累计沉降量超过了300mm。
后虽经对基础进行托换处理止住了建筑物的继续沉降,但过量沉降严重影响了该建筑物的使用功能,在门厅处不仅形成了倒灌水现象,而且门洞高度严重不足,人员出入极不方便。
地基液化失效①日本新泻地震。
日本新泻市于1964年6月16日发生了7.5级大地震,当地大面积的砂土地基由于在地震过程中产生振动液化现象而失去了承载能力,毁坏房屋近2890幢。
②唐山地震。
1976年7月28日发生在我国唐山市的大地震是人类历史上造成损失最严重的地震之一,震级7.8级,大量建筑物在地震中倒塌损毁,地基土的液化失效是其中的主要原因之一,唐山矿冶学院图书馆书库因地基液化失效致使其第一层全部陷入地面以下。
三、土力学与基础工程课程学习的内容
土力学与基础工程分为两部分内容:
(1)是关于地基基础设计与施工的知识,即基础工程学的内容;
(2)是有关土的物理力学性质以及土的强度理论、渗透理论和变形理论的知识,即解决土力学各种课题的基本理论和试验研究方法。
土是由不同成因的岩石在风化作用(物理风化、化学风化和生物风化)后经重力、流
水、冰川和风力等营力搬运、沉积而成的自然历史产物。
建筑物的地基基础和上部结构虽然各自功能不同、研究方法相异,但是无论从力学分析入手还是从经济观点出发,这三部分却是彼此联系、相互制约的有机统一体。
目前,要把这三部分完全统一起来进行设计计算还十分困难,但从地基—基础—上部结构共同工作的概念出发,尽量全面考虑诸方面的因素,运用力学和结构设计方法进行基础工程计算将是土力学的主要研究内容之一。
土的工程性质指标包括物理性质指标和力学性质指标两类。
(1)物理性质指标——用于定量描述土的组成、土的干湿、疏密与软硬程度的指标;
(2)力学性质指标——用于定量描述土的变形规律、强度规律和渗透规律的指标
土力学的内容包括土中的地下水的流网分析、土中应力计算、沉降计算、固结理论、地基承载力计算、土压力计算和土坡稳定分析等。
土力学学科研究和解决工程中两大类问题:
南昌市市区地层情况大致为:
南昌市赣江及其以东地区,地壳表层覆盖着第四系冲积地层,一般厚度为12~25m,赣江沿岸和抚河支流之间属一级阶地,由第四系全新统填土层、淤泥、淤泥质土及松散~稍密状态的细、中、粗、砾砂组成,桩基础侧阻力较小,城区的大部分地段属于二级阶地,由力学性质较好的第四系上更新统填土、粉质粘土、细、中、粗、砾砂及圆砾层等组成,具有明显的二元结构。
下卧基岩为第三系古新统新余群紫红色泥质粉砂岩、细砂岩、灰色钙质泥岩,这几种岩石呈不等厚互层,形成巨厚的红层。
四、本学科的发展概况
地基基础是一项古老的建筑工程技术。
早在史前的人类建筑活动中,地基基础作为一项工程技术就被应用,我国西安市半坡村新石器时代遗址中的土台和石础就是先祖们应用这一工程技术的见证。
公元前2世纪修建的万里长城;
始凿于春秋末期,后经隋、元等代扩建的京杭运河;
隋朝大业年间李春设计建造的河北赵州安济桥;
我国著名的古代水利工程之一,战国时期李冰领导修建的都江堰;
遍布于我国各地的巍巍高塔,宏伟壮丽的供电、庙宇和寺院;
举世闻名的古埃及金字塔等,都是由于修建在牢固的地基基础之上才能逾千百年而留存于今。
据报道,建于唐代的西安小雁塔其下为巨大的船形灰土基础,这使小雁塔经历数次大地震而留存于今。
上述一切证明,人类在其建筑工程实践中积累了丰富的基础工程设计、施工经验和知识,但是由于受到当时的生产实践规模和知识水平限制,在相当长的的历史时期内,地基基础仅作为一项建筑工程技术而停留在经验积累和感性认识阶段。
十八世纪欧洲产业革命以后,水利、道路以及城市建设工程中大型建筑物的兴建,提出了大量与土的力学性态有关的问题并积累了不少成功经验和工程事故教训。
特别是这些工程事故教训,使得原来按以往建设经验来指导工程的做法已无法适应当时的工程建设发展。
这就促使人们寻求对许多类似的工程问题的理论解释,并要求在大量实践基础上建立起一定的理论来指导以后的工程实践。
例如,十七世纪末期欧洲各国大规模的城堡建设推动了筑城学的发展并提出了墙后土压力问题,许多工程技术人员发表了多种墙后土压力的计算公式,为库仑(Coulomb,C.A.1773)提出著名的抗剪强度公式和土压力理论奠定了基础。
十九世纪中叶开始,大规模的桥梁、铁路和公路建设推动了桩基和深基础的理论与施工方法的发展。
路堑和路堤、运河渠道边坡、水坝等的建设提出了土坡稳定性的分析问题。
1857年英国人W.J.M朗肯(Rankine)又从不同途径提出了挡土墙的土压力理论。
1885年法国学者J.布辛奈斯克(Boussinesq)求得了弹性半空间体在竖向集中力作用下的应力和位移解。
1852年法国的H.达西(Darcy)创立了砂性土的渗流理论“达西定律”。
1922年瑞典学者W.费兰纽斯(Fellenius)提出了一种土坡稳定的分析方法。
这一时期的理论研究为土力学发展成为一门独立学科奠定了基础。
1925年美国人K.太沙基(Terzaghi)归纳了以往的理论研究成果,发表了第一本《土力学》专著,又于1929年与其它学者一起发表了《工程地质学》。
这些比较系统完整的科学著作的出版,带动了各国学者对本学科各个方面的研究和探索,从此《土力学》作为一门独立的科学而得到不断发展。
我国著名学者黄文熙教授,陈宗基教授等也为土力学的发展做出了突出贡献。
第一章 土的物理性质和工程分类
第一节 土的三相组成
土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。
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。
自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成的。
包括无机矿物颗粒和有机质。
1.物理风化——指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂成岩块、岩屑的过程。
物理风化仅使岩石产生量的变化。
2.化学风化——指岩体(或岩块、岩屑)与空气、水和各种水溶液相接触,经氧化、碳化和水化作用分解为极细颗粒的过程,生物的活动也可助长风化的进程。
而化学风化却使岩石产生质的变化。
土是由固体颗粒、水、气体三部分组成的三相组成。
土=土粒(固相)+水(液相)+空气(气相)
1.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。
2.液相——主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。
3.气相——主要是空气、水蒸气,有时还有沼气等。
分类标准
名称
来
源
无机土
有机土
搬运力
残积土
运积土
坡积土
河流冲击土
风积土
洪积土
冰川沉积土
冰碛土
湿陷土
一、土的固相
1、土的矿物成分
土是岩石风化的产物。
因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。
成土矿物可分为两大类即原生矿物和次生矿物。
土的固相部分包括无机矿物颗粒和有机质,主要是土粒,有时还有粒间胶结物和有机质,他们构成了土的骨架。
原生矿物
• 由岩石经物理风化生成的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,常见的有石英、长石和云母等。
• 颗粒一般较粗,多呈浑圆形、块状或板状。
• 吸附水的能力弱,性质比较稳,无塑性。
次生矿物
• 由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。
次生矿物主要是粘土矿物,即高岭石、伊利石和蒙脱石。
• 颗粒极细,且多呈片状。
• 性质活泼,有较强的吸附水能力(尤其是由蒙脱石组成的颗粒),具塑性。
遇水膨胀。
2、土的粒度成分
天然土是由大小不同的颗粒组成,土粒的大小称为粒度。
土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。
界限粒径——划分粒组的分界尺寸。
土的颗粒级配——土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。
(本书称之为土的粒度成分)
得到的方法:
1、筛分法,粒径>0.075mm
2、沉降法,比重计法和移液管法,粒径<
0.075mm
土的颗粒级配(粒度成分)的表示方法:
(1)表格法
(2)累计曲线法
颗粒级配累积曲线——颗粒大小分析试验成果,由其横坐标(对数坐标)表示粒径。
纵坐标则表示用小于(或大于)某粒径的土重含量(或称累计百分含量)。
土粒质量累计百分数为10%时,相应的粒径称为有效粒径d10。
小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时的粒径用d30表示。
当小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时,该粒径称为限定粒径d60。
利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标,如d60与d10的比值Cu称
不均匀系数:
曲率系数Cc:
不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。
Cu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。
曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围,反映曲线的整体形状。
的土称为匀粒土,级配不良;
的土级配良好。
级配良好:
曲线平缓,粒径大小相差悬殊,土粒不均匀。
颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。
对于级配良好的土,较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充,因而土的密实度较好,相应的地基土的强度和稳定性也较好.透水性和压缩性也较小,可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。
(3)三角坐标法
颗粒级配(粒度成分)分析方法
(1)粗粒土——采用筛分法,
(2)细粒土——用沉降分析法
3.土粒的形状
体积系数:
——土粒体积,——土粒的最大粒径;
形状系数:
,,——分别为土粒的最大、中间、最小粒径
二、土的液相
土中的水,土中水处于不同位置和温度条件下,可具有不同的物理状态——固态(零度下的冰夹层等)、液态、气态。
液态水是土中孔隙水的主要存在状态,因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。
后两者也称为非结合水(自由水)。
按照水与土相互作用程度的强弱,可将土中水分为结合水和自由水。
(一)结合水
土颗粒表面带有一定的电荷,当土粒与水相接触时,由于静电作用力,将吸引水化离子和水分子,形成双电层(土粒表面的负电荷,和其形成的电场中有钙、钠、铝等阳离子),在双电层影响下的水膜称为表面结合水。
双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄,结合水具有与一般自由水不同的性质,其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。
这种差异随距离增加而减弱。
水的正电荷(氧离子)对着土,土的表面是负电荷。
1.强结合水—特性接近固体,完全不能移动;
2.
弱结合水—粘滞水膜,能发生变形,但不因重力而流动(土产生塑性的原因)
(二)非结合水
在双电层影响以外的水为自由液态水,它主要受重力作用的控制,土粒表面吸引力居次要地位,这部分水称为非结合水,它包括毛细水和重力水。
(1)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。
毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。
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)和毛细水上升水(与地下水相连)两种。
毛细水是受毛细管作用控制的水,可以把土的孔隙看作是连续变截面的毛细管,毛细管放在水中,管中的水位会上升到自由水位以上的一定高度,毛管直径愈细上升高度愈高。
毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同,它与水头高度非常成正比。
负号表示拉力。
自由水位以下为压力,自由水位以上,毛细区域内为拉力。
颗粒骨架承受水的反作用力,因此自由水位以下。
上骨架受浮托力,减小颗粒间的压力。
自由水位以上,毛细区域内,颗粒间受压力,毛细压力呈倒三角形分布。
弯液面处最大,自由水面处为零。
(2)重力水
重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。
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。
重力水只受重力控制,不受土粒表面吸引力的影响
三、土的气相
分为与大气连通的和不连通的两类。
①吸附于土颗粒表面及溶于水的气体
②与大气相通的气体—可以排出
③封闭性的气体—不可以排出
④存在有封闭气体的土,称为橡皮土,工程中决不允许含气体的土称为非饱和土。
【校园现场观察土的特点】
【现场提问答疑】
【本次课总结】
1.土是由固体(土粒)、液体(水)和气体(空气)三相所组成;
2.粒径级配曲线的特点及用途;
3.常见土的结构及构造形式。
【复习思考】
1.粘土颗粒表面哪一层水膜对土的工程性质影响最大,为什么?
2.为什么土的级配曲线用半对数坐标?
【课后作业】
第二节 土的三相比例指标
土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。
所谓土的物理性质指标就是表示土中三相比例关系的一些物理量。
土的物理性质指标可以分为两类:
1.必须通过试验测定的,如含水率,密度和土粒比重
2.可以根据试验测定的指标换算的,如孔隙比,孔隙率和饱和度等。
()-土粒质量
()-土中水质量
()-土的总质量
-土粒体积
-土中水体积
-土中气体积
-土中空隙体积
V-土的总体积
一、试验指标
(1)土的密度(天然密度):
天然状态下,单位体积土的质量,单位为或即:
天然密度变化范围较大。
一般粘性土;
砂土;
腐殖土。
天然密度一般用"
环刀法"
测定,用一个圆环刀(刀口向下)放在削平的原状土样面上,徐徐削去环刀外围的土,边削边压,使保持天然状态的土样压满环刀内,称得环刀内土样质量,求得它与环刀容积之比值即为其密度。
(2)土粒密度(比重):
干土粒质量与其体积之比,即:
土粒相对密度:
土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比,一般用或表示,无量纲。
即:
式中-土粒密度();
-纯水在4℃时的密度(单位体积的质量),等于1或者1。
试验测定方法:
比重瓶法
实际上,土粒比重在数值上就等于土粒密度,但前者无因次。
土粒比重决定于土的矿物成分,它的数值一般为2.6-2.8;
有机质土为2.4-2.5。
同一种类的土,其比重变化幅度很小。
土粒比重可在试验室内用比重瓶测定。
将置于比重瓶内的土样在105-110℃下烘干后冷却至室温用精密天平测其质量,用排水法测得土粒体积,并求得同体积4℃纯水的质量,土粒质量与其比值就是土粒比重。
由于比重变化的幅度不大,通常可按经验数值选用。
土的名称
砂土
粉土
粘质粉土
粘性土
粉质粘土
粘土
土粒比重
2.65-2.69
2.70-2.71
2.71
2.72-2.73
2.74-2.76
(3)土的含水量:
土中水的质量与土粒质量之比,一般用表示,以百分数计,即:
含水量是反映土的湿度的一个重要物理指标。
天然状态下土层的含水量称天然含水量,其变化范围很大,与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。
一般干的粗砂土,其值接近于零,而饱和砂土,可达40%;
坚硬的粘性土的含水量约小于30%,而饱和状态的软粘性土(如淤泥),则可达60%或更大。
一般说来,同一类土,当其含水量增大时,强度就降低。
土的含水量一般用"
烘干法"
测定。
先称小块原状土样的湿土质量,然后置于烘干箱内维持100-105℃烘至恒重,再称干土质量,湿、干土质量之差与干土质量的比值,就是土的含水量。
【课堂讨论】相对密度(比重)与天然密度(重度)的区别
注意:
从公式可以看出,对于同一种土,在不同的状态(重度、含水量)下,其比重不
变;
①土的含水量w——土中水的质量与土粒质量之比,以百分数表示:
试验测定方法:
烘干法
【讨论】含水量能否超过100%?
——从公式可以看出,含水量可以超出100%。
二、换算指标
(1)土的干密度:
土的固相质量与土的总体积之比(土单位体积中固体颗粒部分质量),即:
-孔隙比;
-含水量。
在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标,以控制填土工程的施工质量。
2、土的饱和密度:
土孔隙中充满水时,单位体积质量,即:
式中为水的密度,近似等于。
3、土的有效重度:
是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比(又称为浮重度)
有效密度ρˊ:
土体中土粒的质量扣除浮力后,即为单位体积中土粒的有效质量,即:
4、土的孔隙比e:
是土中孔隙体积与土粒(固相)体积之比,孔隙比用小数表示。
-土粒比重,-土的干密度 -土的天然密度,-土的含水量;
-水的密度,近似等于。
天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比,它是一个重要的物理性指标,可以用来评价天然土层的密度程度。
一般的土是密实的低压缩性土,的土是疏松的高压缩性土。
5、土的孔隙率:
土中孔隙所占体积与总体积之比,空隙率用百分数表示。
一般粘性土的孔隙率为30~60%,无粘性土为25~45%。
6、土的饱和度:
土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比,,以百分率计,即:
-土的干密度;
-水的密度,近似等于;
-含水量;
-孔隙率;
-孔隙比。
饱和度可以反映土的干湿程度
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 土力学 基础 工程 教案