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1、绪论一、土力学、地基及根底 1、土力学：土力学的研究对象是“工程土。土是岩石风化的产物，是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积而形成的松散堆积物，颗粒之间没有胶结或弱胶结。土的形成经历了漫长的地质历史过程，其性质随着形成过程和自然环境的不同而有差异。因此，在建筑物设计前，必须对建筑场地土的成因、工程性质、不良地质现象、地下水状况和场地的工程地质等进行评判，密切结合土的工程性质进行设计和施工。否那么，会影响工程的经济效益和平安使用。 土力学是工程力学的一个分支，是利用力学原理研究土的应力、应变、强度和稳定性等力学问题的一门应用学科。由于土的物理、化学和力学性质与一般刚体、弹性固体和流体有所不同，因此，土
2、的工程性质必须通过土工测试技术进行研究。 2、地基：建筑物都是建造在土层或岩层上的，通常把直接承受建筑物荷载的土层或岩层称为地基。未经人工处理就能满足设计要求的地基称为天然地基；需要对地基进行加固处理才能满足设计要求的地基称为人工地基。 3、根底：建筑物上部结构承受的各种荷载是通过根底传递给地基的，所谓根底是指承受建筑物各种荷载并传递给地基的下部结构。通常情况下，建筑物根底应埋入地面以下一定深度进入持力层，即根底的埋置深度。按照根底的埋置深度的不同，根底可分为浅根底和深根底。 在建筑物荷载作用下，地基、根底和上部结构三局部是彼此联系、相互影响和共同作用的，如图1所示。设计时应根据场地的工程地质
3、条件，综合考虑地基、根底和上部结构三局部的共同作用和施工条件，并通过经济、技术比拟，选取平安可靠、经济合理、技术可行的地基根底方案。二、土力学的开展简史 生产的开展和生活的需要，使人类早就懂得了利用土进行建设。西安半坡村新石器时代的遗址就发现了土台和石础；公元前两世纪修建的万里长城及随后修建的京杭大运河、黄河大堤等都有巩固的地基与根底。这些都说明我国人民在长期的生产实践中积累了许多土力学方面的知识。 十八世纪产业革命以后，随着城市建设、水利工程及道路工程的兴建，推动了土力学的开展。1773年，法国的Coulomb根据实验提出了砂土的抗剪强度公式和土压力理论；十九世纪中叶，大规模的桥梁、铁路和公
4、路的建设，促进了桩根底理论和施工方法的开展；1957年，英国的Rankine根据不同假设提出了土压力理论；1885年，法国的Boussinesq求出了半无限弹性体在垂直集中力作用下应力和变形的理论解答；1922年，瑞典的Fellenius为解决铁路塌方问题，研究并提出了土坡稳定分析法；直到1925年，美国土力学专家Terzaghi发表了第一本?土力学?专著，从此，土力学成为一门独立的学科。 此后，随着大量引用弹性力学的研究成果，土体变形和破坏问题的研究得到了迅速开展。1927年1955年，Fellenius，Taylor和Bishop等建立与完善了滑弧稳定分析方法；1936年，Mindlin公
5、式的提出并在桩基沉降计算中得到应用；1943年，Terzaghi关于极限土压力的研究并提出了承载力公式；1941年1956年，Biot固结理论的提出和完善等。 1963年，Roscoe发表了著名的剑桥模型，标志着现代土力学的开端。经过30多年的努力，现代土力学已逐渐趋于成熟，并在以下几方面取得了重要进展：(1)非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用；(2)损伤力学模型的引入和结构性模型的初步研究；(3)非饱和土固结理论的研究；(4)砂土液化理论的研究；(5)剪切带理论及渐进破损问题的研究；(6)土的细观力学的研究等。 我国学者对土力学的研究始于1945年黄文熙在中央水利实验处创立的第一个土
6、工实验室，40多年来，各方面都得到了长足的进展，取得了许多重要研究成果，为土力学的开展和完善作出了积极的奉献。 现代科学的开展，使土力学的研究领域得到了明显的扩大，如土动力学、冻土力学、月球土力学、海洋土力学等都是新兴的土力学分支。三、本课程的研究内容及学习方法 土力学是固体力学的一个分支，主要侧重于对土的力学分析，是研究土在力的作用下引起的应力、应变、强度和稳定性的一门学科。由于土是自然历史的产物，其性状变化很大。因此，在土力学研究过程中，除运用一般连续体力学的根本原理，还应密切结合土的实际情况进行研究。在处理工程中的土力学问题时，不能单凭数学和力学的方法，必须通过的土的现场勘察及室内土工试
7、验测定土的计算参数。因此，土力学是一门实践性很强的学科。 地基与根底统称为根底工程，根底工程是研究建筑物地基与根底受到上部结构荷载作用后的性状的，主要包括是地基的受力性状、地基处理方法、根底型式等。由于根底工程为建筑物的隐蔽工程，一旦失事，不仅损失巨大，且难以补救，如图2所示。因此，根底工程的研究十分重要。 土木工程中，会遇到各种有关土的工程地质问题。包括土作为建筑物地基、用作填筑材料及作为建筑物的介质等三个方面。特别是软土地基，常会遇到土质改进、沉降及不均匀沉降等问题。为保证建筑物的平安可靠、经济合理和技术可行，很好地解决这些问题，必须对地基土的物理力学性质有较深入的了解，从而提出合理的地基
8、根底方案。如以土作为填筑材料的堤、坝，常用碾压的方法将填土压实，以提高填土的强度，增加填土的稳定性，这就要求研究动力作用下土的压实性状。 根据土力学与根底工程的研究内容，学习中力求掌握以下几点：(1)要有工程的观点，不仅要掌握本课程的根本原理，还应掌握根底工程的实用工艺和设计施工方法；(2)要有遵守标准的观点，标准是工程经验的总结，标准是技术应用的依据，标准是法规，应该遵守。由于本教材涉及的标准较多，且各部门的标准又不统一，应用时应加以区分；(3) 要培养学生分析问题解决问题的能力，理论是实践的根底，没有正确的理论，就没有正确的实践。通过对根本概念、根本理论和根本技能的培养，结合工程实践，培养
9、学生分析和解决问题的能力。第一章 土的物理性质与工程分类 土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。其三相之间的比例关系、土的颗粒组成、大小、土的结构形式和构造等会直接影响到其工程性质。第一节 土的形成一、第四纪沉积物层 土是岩石经过风化、剥蚀、搬运和沉积作用形成的松散堆积物，颗粒之间没有胶结或弱胶结，绝大局部土形成于第四纪，故称为第四纪沉积物。二、按成因分类根据搬运和沉积方式不同，第四纪沉积物主要分为以下几种：名称成因特征与分布工程特征残积土岩石风化所形成的碎屑，残留在原地的堆积物。颗粒粗细不均，多棱角，无分选性，无层理，其矿物成分与下伏母岩相同。残积土厚度变化大，作为建筑物地基时，应注意不均
10、匀沉降。坡积土风化产物在重力、雨雪水流等作用下，沿斜坡移动，沉积在坡面和坡脚的堆积物。坡积土自坡面至坡脚，颗粒由粗到细，表现出轻微的分选性，其矿物成分与下伏母岩无关。厚度变化大，薄者仅数厘米，厚者可达数十米。常沿下伏岩层斜面滑动，颗粒粗细变化大、土质不均，其强度及压缩性差异也较大，为不良地基土。洪积土由山洪暴雨和大量融雪形成的暂时性洪水，把大量残积土、坡积土剥蚀、搬运到山谷或山麓平原沿途堆积而成。洪积土呈扇形分布，土颗粒从近到远由粗变细，表现出一定的分选性，因搬运距离不远，颗粒磨圆度较差，土中常有不规那么交替层理构造，并具有夹层、尖灭或透镜体等。山洪不规那么周期性爆发所形成的堆积物各不相同。一
11、般离山前较近的洪积土强度较高，是较好地基。离山前较远地段，洪积物颗粒较细，成分均匀，厚度大，是较好地基。在过渡地段，常为宽广的沼泽，是不良地基。冲积土河流流水的作用将两岸岩石及上覆残积、坡积、洪积土剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的堆积物。具有明显的层理构造和分选性，加上水中长距离搬运时的碰撞和摩擦，冲积土中的粗颗粒有较好的磨圆度。河流上游土颗粒较粗，下游的颗粒较细。在河流上游修建水工建筑物时，应考虑渗透和渗透变形问题。对于河流下游的建筑物，常要沉降和稳定等问题。风积土 由风力搬运形成的堆积物。我国西北地区广泛分布的黄土是一种典型的风积土。其主要特征是组成黄土的颗粒十分均匀，以粉粒为主，
12、没有层理，有肉眼可以分辨的大孔隙，垂直裂隙发育，能形成直立的陡壁。黄土在枯燥条件下有较高的承载力和较小的变形，但遇水后会产生湿陷，变形显著增大。因此，黄土地区修建水工建筑物应当谨慎。第二节 土的组成 土与连续的固体物质不同，是一种松散颗粒堆积物，固体颗粒固相构成了土的骨架，水和气体为粒间孔隙的充填物。各相属性及三相关系对土的工程性质有重要影响。一、土的固相(一)土的矿物成分：土是岩石风化的产物，土颗粒的矿物成分取决于成土母岩的成分和风化作用的类型。土中矿物颗粒的成分根据形成条件可分为原生矿物和次生矿物。名称成因矿物成分特征原生矿物岩浆在冷凝过程中形成。石英、长石、云母、角闪石、辉石等是母岩物理
13、风化的产物，矿物成分与母岩相同，如漂石、卵石、圆砾等颗粒较粗，性质稳定，吸水能力很弱，无塑性。次生矿物原生矿物进一步因氧化、水化、水解及溶解等化学风化作用后形成。高岭石、绿泥石、方解石、石膏等颗粒极细，种类很多，以晶体矿物为主。如粘土矿物的根本构成单元为硅氧晶片和铝氢氧晶片。粘土矿物具有颗粒小，呈片状，比外表积大，吸水能力强，具塑性，性质活泼等特点。 四面体和八面体的不同组合堆叠重复，形成了具有不同性质的各种粘土矿物，其代表矿物有高岭石，伊利石，蒙脱石。原生矿物中，其吸水膨胀和失水收缩性，蒙脱石最显著，伊利石次之，高岭石最差。二土的结构和构造1.土的结构：指土颗粒的大小、形状、排列及联结方式等
14、所表现出的综合特征。它对土的物理力学性质有重要影响。土的主要结构类型及其性质如下表。名称成因和特点分 布工程特性单粒结构(见图1-2a)粗颗粒在沉积过程中受重力控制，粒间以点接触为主，土粒间的分子吸引力较小，颗粒间几乎没有联结，偶尔可能具有微弱的毛细水联结。单粒结构主要存在于由砾、砂等所组成的粗粒土中。紧密结构：在外载作用下压缩性小，承载力较高，是良好的天然地基。疏松结构：骨架不稳定，当受震动或其它外力时，会产生很大变形，未经处理一般不宜作为建筑物地基。蜂窝结构(见图1-2b)粉粒在水中下沉时，根本上以单个土粒下沉，当碰到已沉土粒时，由于粒间的相互引力大于重力，土粒就停留在最初的位置不再下沉，
15、形成具有较大孔隙的蜂窝结构。出现在由粉粒(0.050.005mm)为主的细粒土中。孔隙大、压缩性高、强度低，土粒之间的联结强度(结构强度)在长期压密影响下有所提高。絮凝结构(见图1-2c)粘粒能在水中长期悬浮不下沉。当悬浮粘粒被带至浓度较大电解质中(如海水)时，粘粒凝聚成絮状集合体下沉，并和先期下沉的絮状集合体接触，形成如绒絮一样的絮凝结构。多见于由粘粒(粒径d0.005mm)为主的粘性土中。孔隙大、压缩性高、强度低，土粒之间的联结强度在长期压密影响下有所提高，但土粒间联结较弱，在施工扰动影响下，土的结构一旦遭到破坏，强度会降低很快。2.土的构造：同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各局部之间的相互关系特征称为土的构造。名称特征工程性质层理构造土在形成过程中，由于不同阶段所形成的沉积物在矿物成分、粒度成分、颜色等方面的差异表现出成层的特性。土的主要构造特征是层理构造裂隙构造裂隙性，如黄土中的垂直裂隙，某些坚硬或硬塑粘土(如长江下游的下蜀粘土)中有不连续小裂隙。裂隙的存在，破坏了土的整体性，增大了透水性，对工程建设往往不利。其 它在构造上还有一些特征，如某些土中
