地基基础.doc

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，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“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。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、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，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。 土的物理性质指标可分为两类：一类是必须通过试验确定，如含水量、密度和土粒比重；另一类可以根据试验测定的指标换算确定，如孔隙比、孔隙率、饱和度等。1、 土的三相简图 图2-3 三相简图 在三相图的右侧，表示三相组成的体积；在三相图的左侧，则表示三相组成的质量。图中符号的意义如下：土的总体积；土中孔隙体积；土中水的体积；土中气体的体积；土中固体土粒的体积；土的总质量；土中水的质量；土中气体的质量，0；土颗粒的质量。在上述的这些量中，独立的量有、五个。1cm3水的质量通常等于1g，故在数值上= 。此外，当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如取V=1cm3，或m=1g，或VS=1cm3等。故只要知道其中三个独立的量，其它各个量就可从图中直接换算得到。三相简图是土力学中用以计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。2、三相比例指标为了确定三相比例指标，通常必须做三个基本物理性质试验，分别是土的密度试验、土粒比重或相对密度试验与土的含水量试验。1）土的密度土的密度：单位体积土的质量，用表示，以或计：（2-1） 天然状态下土的密度变化范围较大。一般粘性土和粉土=1.82.0g/cm3；砂土=1.62.0g/cm3；腐殖土=1.51.7g/cm3。土的密度一般用“环刀法”测定。土的重度：单位体积土的重量，是重力的函数，用表示，以kN/m3计：（2-2）式中，G为土的重量，g为重力加速度。2）土粒相对密度土粒密度（单位体积土粒的质量）与4时纯水密度之比，称为土粒相对密度，用表示，为无量纲量，即（2-3）式中，为4时纯水的密度，；为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。土粒相对密度或比重可在试验室内用比重瓶法测定。由于土粒相对密度变化不大，通常可按经验数值选用，一般参考值见表2-3。土粒相对密度参考值 表2-3土的名称砂土粉土粘性土粉质粘土粘土土粒相对密度2.652.692.702.712.722.732.742.763）土的含水量土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，用w表示，以百分数计，即： （2-4）含水量w是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般说来，对同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。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m，然后置于烘箱内维持100105烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量之比值，就是土的含水量。3、其它常用指标在测定土的密度、土粒比重和土的含水量w这三个基本指标后，就可以根据三相简图计算出三相组成各自在体积上与质量上的含量。4、土的孔隙比和孔隙率孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比，即（2-5） 孔隙比用小数表示，它是一个重要的物理性能指标，可用来评价天然土层的密实程度。一般地，<0.6的土是密实的低压缩性土，>1.0的土是疏松的高压缩性土。孔隙率定义为土中孔隙体积与土总体积之比，以百分数计，即：（2-6）孔隙比和孔隙率都是用来表示孔隙体积含量的概念。容易证明两者之间具有以下关系：（2-7）（2-8）5、土的饱和度含水量w当然是表示土中含水程度的一个重要指标。此外，工程上往往需要知道孔隙中充满水的程度，这可用饱和度Sr表示。土的饱和度Sr定义为土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，即（2-9）砂土根据饱和土Sr的指标值分为稍湿、很湿和饱和三种湿度状态，其划分标准见表2-4。显然，干土的饱和度Sr=0，而完全饱和土的饱和度Sr=100%。砂土湿度状态的划分 表2-4砂土湿度状态稍湿很湿饱和饱和度Sr（%）Sr5050<Sr80Sr>806、土的饱和密度和干密度除了天然密度（有时也叫湿密度）以外，工程计算中还常用如下两种土的密度：饱和密度和干密度。土的饱和密度:土中孔隙被水充满时土的密度，表示为：（2-10）土的干密度定义为单位土体积中土粒的质量，表示为：（2-11） 在计算土中自重应力时，须采用土的重力密度，简称重度。与上述几种土的密度相应的有土的天然重度、饱和重度、干重度。在数值上，它们等于相应的密度乘以重力加速度g，即，。对于地下水位以下的土体，由于受到水的浮力作用，将扣除水浮力后单位体积土所受的重力称为土的有效重度，以表示，当认为水下土是饱和时，它在数值上等于饱和重度与水的重度（）之差，即：（2-12） 显然，几种密度和重度在数值上有如下关系：,7、三相比例指标换算假设=1.0，根据孔隙比的定义，有;土的总体积=+=1+；根据土粒相对密度的定义，有;由含水量的定义 ，有 ;土的总质量 。由三相指标的定义，可推导得常用三相比例指标之间的换算公式，见表2-5。图2-4 土的三相物理指标换算图名 称符号三相比例表达式常用换算公式单位常见的数值范围土粒比重粘性土：2.722.76粉 土：2.702.71砂类土：2.652.69含水量；20%60%密度g/cm31.62.0g/cm3干密度g/cm31.31.8g/cm3饱和密度g/cm31.82.3g/cm3有效密度g/cm30.81.3g/cm3重度kN/m31620kN/m3干重度kN/m31318kN/m3饱和重度kN/m31823kN/m3有效重度kN/m3813kN/m3孔隙比粘性土和粉土：0.401.20砂类土：0.300.90孔隙率；粘性土和粉土：30%60%砂类土：25%45%饱和度；0100%常用三相比例指标之间的换算公式 表2-5注：水的重度2.4.4 土的物理状态土的物理状态，对于粗粒土则是指土的密实程度。对于细粒土则是指土的软硬程度或称为粘性土的稠度。1、粘性土的稠度粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度。所谓稠度是指粘性土在某一含水量下对外力引起的变形或破坏的抵抗能力。粘性土在含水量发生变化时，它的稠度也随之而变，通常用坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑等术语来描述。粘性土从一种状态转变为另一状态，可用某一界限含水量来区分。这种界限含水量称为稠度界限或Atterberg界限。工程上常用的稠度界限有：液限、塑限和缩限，如图2-6所示。图2-6 粘性土的物理状态与含水量的关系液限又称液性界限或流限，它是流动状态与可塑状态的界限含水量，也就是可塑状态的上限含水量。塑限又称塑性界限，它是可塑状态与半固体状态的界限含水量，也就是可塑状态的下限含水量。缩限是半固体状态与固体状态的界限含水量，也就是粘性土随着含水量的减小体积开始不变时的含水量。粘性土的液限、塑限可分别采用常用圆锥液限仪、搓条法测定。2、塑性指数和液性指数塑性指数是指液限与塑限的差值（省去%符号），用符号Ip表示，即（2-13）表示土处于可塑状态的含水量变化的范围，是衡量土的可塑性大小的重要指标。塑性指数Ip的大小与土中结合水的可能含量有关，也即与土的颗粒组成、土粒的矿物成份及土中水的离子成份和浓度等因素有关。土粒越细，其比表面积和可能的结合水含量愈高，因而Ip也越大。液性指数是指粘性土的天然含水量与塑限含水量的差值与塑性指数Ip之比值，表征土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系，用符号表示，即（2-14）按液性指数的大小，把粘性土分成五种稠度（软硬）状态，如表2-6。粘性土稠度状态的划分 表2-6状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数Il000.250.250.750.751.01.03、无粘性土的物理性质无粘性土主要指砂土、碎石类土。其性质主要取决于颗粒粒径及其级配。所以土的密实度是反映这类土工程性质的主要指标。呈密实状态时，强度较大，是良好的天然地基。呈松散状态，则是一种软弱地基。采用相对密度Dr来表示砂土的密实度：（2-15）式中：e天然孔隙比；emax最大孔隙比，测定方法是将松散的风干土样，通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，求得土的最小干密度再经换算确定；emin最小孔隙比，测定方法是将松散的风干土样分批装入金属容器内，按规定的方法进行振动或锤击夯实，直至密实度不再提高，求得最大干密度再经换算确定。当Dr0时，土处在最松状态；当Dr1时，土处在最密状态。用相对密度判定砂土的密实度标准为：0Dr1/3松散 1/3Dr2/3中密 2/3Dr1 密实根据标准贯入试验锤击数N值的大小，按表2-7的标准间接判定。天然砂土的密实度 表2-7砂土密实度松散稍密中密密实NN1010N1515N30N302.4.5 土的工程分类土的分类考虑到土的天然结构连结的性质和强度，首先可以按堆积年代和地质成因进行划分，并将某些特殊条件下形成具特殊工程性质的区域性特殊土与一般性土区别开来，工程上一般按颗粒级配或塑性指数将土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，并结合堆积年代、成因和某种特殊性质综合定名。1、碎石土粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量50%。根据颗粒级配和颗粒形状，按表2-8分为漂石、块石、卵石、圆砾和角砾。碎石土分类 表2-8土的名称颗粒形状颗粒级配漂石以圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过土总质量50%块石以棱角形为主卵石以圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过土总质量50%碎石以棱角形为主圆砾以圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒超过土总质量50%角砾以棱角形为主注: 定名时,应根据颗粒由大到小,以最先符合者确定。2、砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过土的总量的50%,且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过土的总量的50%的土。根据颗粒级配,按表2-9分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。 砂土分类 表2-9土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒占土总质量25%-50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过土总质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过土总质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过土总质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过土总质量50%注：1.定名时,应根据颗粒级配由大到小,以最先符合者确定； 2.当砂土中小于0.075mm的土的塑性指数大于10时,应冠以含粘性土定名,如含粘性土粗砂等。3、粘性土若土的塑性指数Ip>10，则该土属粘性土。粘性土根据塑性指数Ip按表2-10细分。并把在静水或缓慢的流水环境中沉积,经生物化学作用形成,其天然含水量大于液限，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。粘性土分类 表2-10土的名称塑性指数IP粘土IP>17粉质粘土10<IP174、粉土若粒径大于0.075mm的土粒含量超过土总质量50%,且土的塑性指数小于或等于10,则该土属粉土。2.5 土中的渗流和渗透性土是固体颗粒组成的多孔介质集合体，其孔隙在空间上互相连通，当饱和土中的任意两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流；土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，引起土颗粒或土体的移动，从而造成土体产生渗透变形，如地面沉降、流土、管涌等现象，影响地基的稳定与安全，它是地基发生破坏的重要原因之一。2.5.1 土的渗透系数1、土的渗透系数的测定1）实验室测定法试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。常水头法：在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。试验时，通过测定定时间内的渗出流量，通过达西定律，推求渗透系数k。常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。变水头法：试验过程中水头差随时间而变化。通过测定某一时段内水头差的变化，通过达西定律，推求渗透系数k。变水头法适用于渗透系数很小粘性土。2）现场测定法在现场研究场地的渗透性，进行渗透系数k值测定时，常用现场抽水试验或注水试验的方法。2、渗透系数的影响因素土的许多性质对k值有影响，其中主要的有下列五个方面： 粒径大小与级配； 孔隙比； 矿物成分； 土的结构； 饱和度。其中，粒径大小和孔隙比对k的影响最大。水流通过土体的难易程度必定与土中孔隙的直径大小和单位土体中的孔隙体积直接有关。土的渗透系数值范围 表2-11土的类型渗透系数k（cm/s）砾石、粗砂10-1- 10-2中 砂10-2- 10-3细砂、粉砂10-3- 10-4粉土10-4- 10-6粉质粘土10-6- 10-7粘 土10-7- 10-10各类土的渗透系数的大致范围列于表2-11中。2.5.2 土的渗透变形(或称渗透破坏)由于渗流作用而出现的变形或破坏称为土的渗透变形。土的渗透变形类型主要有管涌、流砂（土）、接触流土和接触冲刷四种；但就单一土层来说，渗透变形主要是流砂（土）和管涌两种基本型式。1、流砂（土）在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流砂（土）。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都会发生流砂（土）破坏。2、管涌在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。可见，管涌破坏一般有一个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。 3 土力学基本原理学习目标1、掌握基底压力和附加压力的计算，掌握自重应力和附加应力的计算方法及分布规律；掌握土的压缩性指标的确定；掌握地基最终沉降量的计算方法及有关变形与时间的关系固结理论。2、掌握土的抗剪强度；重点掌握土的极限平衡条件；了解土的抗剪强度指标的测定方法；掌握地基承载力的含义。3、掌握挡土墙后的土压力的定义、分类，能够进行一般的挡土墙设计；了解土坡稳定的定义及一般应用。学习重点1、土的沉降量计算的规范法；2、土的固结变形与时间的关系；3、抗剪强度试验；4、挡土墙后土压力计算；学习建议完成本章最后的复习思考题，巩固概念。 3.1 概述地基承受基础及上部荷载后，地基土层中原有的应力状态发生了变化，从而引起地基发生压缩变形，导致基础沉降或倾斜。土中应力按产生原因分为自重应力和附加应力两种。由土体自重产生的应力称为自重应力，由建筑或地面堆载及基础引起的应力叫附加应力。地基的变形一般是因附加应力的作用引起。为了计算基础沉降以验算地基强度和稳定性，掌握土中应力的大小及分布规律显得十分重要。土中应力计算通常是用弹性理论求解，假定地基土是均匀、连续和各向同性的半无限线性变形体。而地基土往往是成层的非均质的各向异性体，且受荷后会出现塑性变形，所以弹性半无限空间的假定与土的实际情况不尽相同。但是这种假定使计算比较简单实用，而且当荷载不很大时，计算结果与工程实践相当接近。因此，工程界至今仍应用弹性理论来计算土中应力和变形。分析地基发生变形的主要因素：由三相组成的土，孔隙大，具有压缩性，此为内因；由于上部荷载作用而在地基中产生附加应力，这是外因。因此，计算附加应力、结合土的工程性质将可计算出地基土的变形。 3.2 地基的应力3.2.1 自重应力的计算计算土的自重应力时，将地基视为在水平方向及地面以下都是无限延伸的半无限弹性体。对于均质土，由于天然地面是一个无限大的水平面，所以在自重应力作用下地基土只产生竖向变形，而无侧向位移和剪切变形，故可认为土中任何垂直面及水平面上不产生剪应力。取横截面为单位面积（1m2）的土柱计算，设土的重度为，地面以下z处的自重应力即土柱的重力，即 (3-1)式中z 天然地面起算的深度（m）； 土的天然重度（kN/m3）；当深度z范围内有多层土时，深度z处的自重应力为各土层自重应力之和，即(3-2)式中 cz 土中的自重应力（kPa）； i 第i层土的天然重度（kN/m3）； hi 第i层土的厚度（m）； n 从地面到深度z处的土层数。从式（3-2）可知，土中自重应力随深度呈线性增加。当仅有一层土时，呈三角形分布；有多层土时，呈折线形分布，同一层土内仍为直线，在层面交界处有转折。地下水位以下的土，受到水的浮力作用，其重度会减轻。计算自重应力时，应采用浮重度（为水的重度）。如图3-1中A点的自重应力应为:通常，土的自重应力不会引起地基变形，因为土层生成年代很久，早已固结完成，唯有新沉积的土或人工填土，尚未固结，需考虑自重引起的变形。3.2.2 基底压力1、基底压力及其分布规律建筑物的荷载通过基础传给地基，在基础和地基之间存在着接触压力。这个压力是一对作用和反作用力，其中基础底面给地基的压力，称为基底压力（方向向下）；而地基对基底的反力，则称之为地基反力（方向向上）。两者大小相等，分布相同。计算地基中的附加应力及设计基础时，必须先确定基底压力（或地基反力）的大小和分布。基底压力的分布与基础刚度、基础形状及尺寸、埋