地基基础.doc
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1、1 绪论1.1 地基、基础及土力学的基本概念1.1.1 地基定义及分类建筑物的全部荷载最终由其下的地层来承担,承受建筑物全部荷载的那一部分地层称为地基(见图1-1)。地基分为天然地基和人工地基。1、天然地基力学性能满足建筑物的承载和变形能力要求的地层称为天然地基。建筑物的基础可直接设置在该天然地层上。承载能力和抗变形能力是地层能否作为天然地基的基本要求。承载能力要求是指该地层必须具有足够的强度和稳定性以及相应的安全储备;抗变形能力要求是指该地层承受建筑物荷载后不能产生过量的沉降和过大的不均匀沉降。2、人工地基当天然地层无法满足承受建筑物全部荷载的承载能力和变形能力基本要求时,可对一定深度范围内
2、的天然地层进行加固处理使其能发挥持力层作用,这部分地层经过人工改造后成为的地基称为人工地基。1.1.2 基础的定义由于地层土的压缩性大,强度低而不能直接承担通过墙和柱等竖向传力构件传来的建筑物的上部结构荷载,所以只能在竖向传力构件(墙和柱等)等直接与地基的接触处设置一层尺寸大于墙或柱断面的结构来将荷载扩散后安全地传递给地基,这种起到扩散墙柱等竖向传力构件荷载的建筑物最下部的结构称为基础(见图1-1)。基础是连接上部结构与地基的结构构件,基础结构应符合上部结构使用要求。技术上合理以及施工方便,满足地基的承载能力和抗变形能力要求。基础按埋置深度和传力方式可分为浅基础和深基础。1、浅基础相对埋深(基
3、础埋深与基础宽度之比)不大,采用普通方法与设备即可施工的基础称为浅基础。浅基础按结构形式分为:独立基础、条形基础、板式基础、筏式基础、箱形基础、壳体基础等。2、深基础当建筑物荷载较大且上层土质较差,采用浅基础无法承担建筑物荷载时需将基础埋置于较深的土层上,通过特殊的施工方法将建筑物荷载传递到较深土层的基础称为深基础。深基础可分为:桩基础、墩基础、沉井基础和地下连续墙等。1.1.3 土力学的定义和研究对象建筑物的荷载使地基中原有的应力状态发生变化,这就需要运用力学的方法来研究。利用力学的基本原理和土工测试技术来研究土的物理性质和土受力后的应力、强度、变形、稳定、渗透性及其随时间的变化规律的学科称
4、为土力学,土力学是工程力学的一个分支。由于土力学研究的对象“土”是散粒体属于三相体系,其力学性质与一般材料不同,在解决土工问题时,土力学很难像其它力学学科一样具备系统的理论和严密的数学公式,土力学常常要借助于工程实践经验的积累、现场试验以及室内土工实验来分析,所以,土力学是一门依赖于实践、理论与实际紧密结合的学科。1.2 地基基础在工程中的地位及重要性地基和基础是建筑物的根基。地基的选择或处理是否正确,基础的设计与施工质量的好坏均直接影响到建筑物的安全性、经济性和合理性。从安全性来分析,地基与基础的质量好坏对建筑物安全性的影响是巨大的。一旦发生地基与基础质量事故,对其补救和处理十分困难,有时甚
5、至无法补救。因地基基础质量问题造成的建筑物倾斜或倒塌的工程实例非常之多。我国的虎丘斜塔、意大利的比萨斜塔是典型的建筑物倾斜例子;加拿大的特朗斯康谷仓整体失稳事故,我国武汉的某高层建筑因地基问题造成建筑物严重倾斜并最终拆除,均是地基失效的例子。从经济性来分析,基础工程占整个建筑的建设费用的比例相当大。一般采用浅基础的多层建筑的基础造价占建筑造价的15%20%左右,采用深基础的高层建筑基础工程造价占总建筑费用的比例为20%30%左右。从合理性来分析,建筑物基础形式的合理选择是保证基础安全性和经济性的关键。但是,如何做到合理选择基础形式还有许多工作要做。近20年来的研究国内外提出了许多新型的基础形式
6、,这些工作为合理选择基础形式提供了技术支持。1.3 本课程的特点和学习方法1.3.1 本课程的特点地基基础是一门理论性和实践性均较强的课程。不同地区的地质条件各不相同,不同地区均有许多适应于该地区地质条件的基础形式。换句话说,一个好的地基基础设计方案应是在充分了解地质资料,对地基土的特性进行仔细分析并结合土力学知识、基础设计方法和各地区的实践经验后才能得出。本课程具有如下基本特点:1、在规划、勘探、设计、施工及使用阶段,地基基础问题是一个最基本的,需要分析和解决好的问题;2、地基基础属于隐蔽工程,其质量直接影响到结构安全,一旦发生质量问题,处理起来相当复杂和困难;3、地基土的条件千变万化,建筑
7、场地一旦确定,均要根据该场地的地质条件来设计基础,所以通过地质勘探来了解地质条件是必不可少的工作;4、地基基础涉及的内容广泛,要有综合的知识。同时,理论知识与实践经验的结合是地基基础课程的又一大特点。地基基础课程与工程力学,建筑材料、建筑结构设计、施工技术、工程地质与土的力学性能等有着密切的关系,应充分掌握上述学科的基本原理和相关关系,做好地基基础的设计与施工工作;5、本课程的知识更新周期较短。随着科技的发展,涌现了大量新的基础形式和地基基础新技术,这就要求不断学习,求真务实。1.3.2 学习方法和建议1、掌握基本理论和方法学会运用土力学等基本原理和概念,结合结构设计方法和施工技术,提高分析问
8、题和解决能力;2、采用综合的思维方式来学习要注意到地基基础学科与其它学科的联系,特别是结构设计、抗震设计等。这些学科中有许多概念和方法在地基基础设计时必须用到; 3、理论与实践必须相结合教学环节要分理论教学和实践教学,必要时可组织现场教学,参观施工现场。只有通过理论与实践的比较才能逐步提高认识、提高地基基础的设计与施工能力。2 工程地质学习目的掌握地质作用的基本概念;了解主要的成岩矿物、火成岩、沉积岩与变质岩的特点和常见岩石种类;熟悉地质年代的基本概念;掌握土的定义、土的成因和按成因分类;掌握土的三相指标换算和土的工程分类;了解地下水的分类,土的渗透性概念,了解渗透变形和地下水的侵蚀性。学习重
9、点地质年代;岩石分类;土的分类;土的物理性质指标;土的三相简图;土的三相物理指标换算图。学习建议1、以理论学习为主,结合室内试验和野外实习,熟悉常见矿物和岩石,了解常见地质现象。2、熟记土的三相简图和土的三相物理指标换算图。在掌握基本概念和例题的条件下再做习题。2.1 概述地球是宇宙中的一颗行星,自形成以来已经历了漫长的地质演变时期,地质作用自始至终贯彻在这一演变过程中。地球由地壳、地幔、地核组成。地壳由各种岩石组成。地表岩石圈构成的地壳,其内部构造复杂,岩石圈具有较强的刚性,在自然动力作用下分裂成若干块体,称为板块,板块运动是构造运动发生的根源。由于岩石的成因、时代、岩性的不同,加之地质作用
10、形成不同的地质构造、地形地貌以及地下水类型,造成场地的工程地质条件存在明显的差异,直接影响工程建设。系统掌握工程地质基础知识和理论,有助于全面分析和评价建设场地的工程地质条件,制订合理的不良地质问题防治对策,保证工程建设的顺利开展。2.2 地质作用及地质年代2.2.1 地质作用由自然动力引起地球和地壳物质组成、内部结构和地壳形态不断变化和发展的作用,称为地质作用。地质作用实质上是组成地球的物质以及由其传递的能量发生运动的过程,地质作用的发生常常引发灾害。地质作用按照动力来源的不同,可划分为内力地质作用、外力地质作用及工程地质作用。内力地质作用由地球内部放射性元素蜕变产生的辐射热能,以及地球旋转
11、能和重力能引起;外力地质作用主要由地球以外的太阳辐射能引起。工程地质作用实际上是人为地质作用。例如采矿移动大量岩体,引起地表变形、崩塌、滑坡;石油、天然气和地下水开采,因岩土层内疏干排水造成地面沉降;土木工程建设中,开挖引起的滑坡、洞室围岩塌方、地基失稳。2.2.2 地质年代1、绝对年代的确定基于放射性元素具有固定的衰变系数,测出矿物中放射性同位素蜕变后剩余的母体同位素含量(N)与蜕变而成的子体同位素含量(D),根据下列公式计算出该矿物从其形成到现在的实际年龄,即代表岩石的绝对年代。2、地质年代表通过对全球各个地区地层划分和对比以及对各种岩石进行同位素年龄测定,按年代先后进行系统性的编年,列出
12、“地质年代表”。它的内容包括地质年代单位、名称、代号和绝对年龄值等。地质年代表使用不同级别的地质年代单位和年代地层单位。地质年代单位包括宙、代、纪、世,与其相对应的年代地层单位分别是宇、界、系、统。宙是地质年代的最大单位,与宙相对应的年代地层单位为宇。代是地质年代的二级单位,与代相对应的年代地层单位为界。纪是地质年代的三级单位,与纪相对应的年代地层单位为系。世是纪下面的次一级地质年代单位,与世相对应的年代地层单位为统。2.3 岩石成因、特征及分类2.3.1 造岩矿物及岩石定义矿物是指地壳中具有一定化学成分内部构造和物理性质的自然元素或化合物,它是各种地质作用的天然产物,是岩石的基本组成部分。矿
13、物是影响岩石工程性质的主要因素。 已发现的矿物种类有3000多种,但其主要造岩矿物只有100多种,最常见的仅十几种,绝大部分矿物为固态,少数为液态和气态。2.3.2 岩石的分类1、沉积岩沉积岩是由风化作用或火山作用的产物经机械搬运、沉积、固结形成的岩石,沉积岩由颗粒和胶结物组成,颗粒包括各种不同形状和大小的岩屑及不同矿物,胶结物常见的有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学特性不仅与矿物和岩屑的成分有关,而且与胶结物的性质有很大关系。硅质、钙质胶结的沉积岩,其强度一般较高,而泥质胶结的和带有一些黏土胶结的沉积岩,其强度就较低。沉积岩具有的层理构造,使沉积岩沿不同方向表现出不同的力学性能。
14、常见的沉积岩有石灰岩、砂岩、页岩、砾岩等。2、火成岩(岩浆岩)火成岩是由岩浆冷凝而形成的岩石。绝大多数的岩浆岩是由结晶矿物所组成,由于组成岩浆岩的各种矿物的化学成分和物理性质较为稳定,它们之间的连接是牢固的,因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。常见的岩浆岩有花岗岩、花岗斑岩、闪长岩、玄武岩、安山岩等。3、变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成分和结构构造上具有变质过程中所产生的特征,也常常残存有原岩的某些特点。常见的变质岩有大理岩、石英岩、板岩、片麻岩、千枚岩等。2.4 土的物理性质及工程分类2.4.1 土的定义及成因
15、土是岩石在地质作用下经风化、破碎、剥蚀、搬运、沉积等过程的产物,是没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物。组成土的物质可分为固相、液相和气相三种状态。固相主要是土粒,有时还有粒间胶结物和有机质,它们构成土的骨架;液相为水及其溶解物;气相为空气和其他微量气体。当土骨架之间的孔隙被水充满时,称其为饱和土;当土骨架间孔隙不含水时,称其为干土;而当土的孔隙中既含有水,又有一定量的气体存在时,称其为非饱和土。 1、土的成因及按成因分类: 1)残积土2)坡积土3)洪积土4)冲积土5)湖积土6)海积土7)风积土2、土的特征1)散体性:颗粒之间无粘结或弱粘结,存在大量孔隙,可以透水、透气;2)多相性:土往往是由固体颗粒
16、、水和气体组成的三相体系,三相之间质和量的变化直接影响它的工程性质;3)自然变异性:土是在自然界漫长的地质历史时期演化形成的多矿物组合体,性质复杂,不均匀,且随时间还在不断变化。2.4.2 土的组成天然形成的土通常由固体颗粒、液体水和气体三个部分(俗称三相)组成。1、固体颗粒 1)土粒的矿物成分固体颗粒的矿物成分可分为两大类,一类是原生矿物,岩石经过物理风化作用形成碎屑物(砾石、砂等),它的矿物成分与母岩相同,颗粒一般较粗,多呈浑圆形、块状或板状,吸附水的能力弱,性质比较稳定,有较好的透水性。常见的有石英、长石、云母等。另一类为次生矿物,岩石受到化学风化作用形成新矿物,颗粒极细,且多呈片状,性
17、质活泼,有较强的吸附水能力,具塑性。常见的有高岭石、伊利石和蒙脱石。2)土的粒组和颗粒级配土的颗粒的大小通常以粒径表示,工程上按粒径大小分组,称为粒组,即某一级粒径的变化范围。可以将土中不同粒径的土粒,按适当的粒径范围,分为若干粒组,划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土粒粒组划分 表22粒组名称粒径范围(mm) 一般特征漂石或块石颗粒200透水性很大,无粘性,无毛细水。卵石或碎石颗粒20060圆砾或角砾颗粒粗6020透水性大,无粘性,毛细水上升高度不超过粒径大小。中205细52砂 粒粗20.5易透水,当混入云母等杂质时透水性减小,而压缩性增加,无粘性,通水不膨胀,干燥时松散,毛细水上升高度不大,
18、随粒径变小而增大。中O.50.25细0.250.1极细0.10.075粉 粒粗0.0750.01透水性小,湿时稍有粘性,遇水膨胀小,干时稍有收缩,毛细水上升高度较大较快,极易出现冻胀现象。细0.010.005粘 粒0.005透水性很小,湿时有粘性、可塑性,遇水膨胀大,干时收缩显著,毛细水上升高度大,但速度较慢。土粒的大小及其组成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。土的颗粒级配可通过土的颗粒分析试验测定,不同类型的土,采用不同的分析方法。粗粒土采用筛析法,细粒土采用静水沉降分析法。筛析法:对于粒径大于0.075mm的粗粒土,可用筛析法测定粒度成分。试
19、验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不等的标准筛(20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm),称出留在各个筛子上的土的质量,即可求出各个粗粒组在土样中的相对含量。静水沉降分析法:粒径小于0.075mm的粉粒或粘粒难以筛分,一般可根据土粒在水中匀速下沉时的速度与粒径的理论关系,用比重计法或移液管法测定。根据颗粒大小分析试验结果,可以绘制颗粒级配累积曲线,其横坐标表示粒径,宜采用对数坐标表示;纵坐标则表示小于(或大于)某粒径的土重含量,(或称累计百分含量)。由曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度。如曲线愈陡,则表示粒径大小相差不多,土粒愈均匀,级配不良;反之,曲线平缓,则表示粒径大小相
20、差悬殊,土粒不均匀,即级配良好。图2-2 颗粒级配累计曲线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,可作为土建工程的填方材料。2、土中水 土孔隙中的液态水土要以结合水和自由水二种形态存在。1)结合水粘土颗粒表面大多带有负电荷,粘土颗粒四周形成一个电场,在电场的作用下,水中的阳离子被吸引分布在颗粒四周。水分子是一种极性分子,在电场中发生定向排列,而形成结合水膜。受土颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周,不传递静水压力,不能任意流动的水,称为结合水。结合水因离颗粒表面
21、远近不同,受电场作用力的大小不一样,可以分成强结合水和弱结合水两类。2)自由水不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水两类。自由水面以下,土颗粒分子引力范围以外的水,仅在自身重力作用下运动,称为重力水。重力水能传递静水压力,对土粒有浮力作用,有溶解能力。毛细水则是土孔隙中受到水与空气的分界面处表面张力作用而存在的自由水。一般存在于地下水位以上透水土层中,由于表面张力作用,地下水沿着土中孔隙上升,形成毛细水上升带。其上升的高度视土颗粒的大小而不同,粘性土中为56m,一般粒径大于2mm的土粒无毛细现象;砂土小于2m。由于土中存在毛细水,工程建设中要注意建筑物的防潮措施,地基
22、土的浸湿和冻胀等的影响。3、土中气在非饱和土的孔隙中,除水之外,还存在着气体,土中气体可分为两种基本类型:一种是与大气连通的气体;另一种是与大气不连通的以气泡形式出现的封闭气体。若土的饱和度低,土中气体与大气相通,当土受到外力时,气体很快从孔隙中排出,一般对土的工程性质影响不大。但在高饱和度土中出现封闭气泡时,外力将引起气泡压缩,而一旦外力除去或孔隙水排出,气泡就膨胀。因此,土中封闭气泡的存在将使土的弹性增加,封闭气泡还能阻塞土内渗流通道,使土的透水性减小,对土的工程性质影响较大。2.4.3 土的物理性质指标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,而且在一定程度上反映土的力学性质
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