【正文】 土力學(xué)與地基基礎(chǔ) 緒 言 一、 土力學(xué)、地基及基礎(chǔ)的有關(guān)概念 1 土力學(xué) 研究土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用等規(guī)律的一門力學(xué)分支稱為土力學(xué)。 2 地基 — 支撐建筑物荷載、且受建筑物影響的那一部分地層稱為地基。 3 基礎(chǔ) 建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)就是基礎(chǔ) (參看圖 0— 1)。 4 地基基礎(chǔ)設(shè)計的先決條件： 在設(shè)計建筑物之前，必須進(jìn)行建筑場地的地基勘察，充分了解、研究地基土 (巖 )層的成因及構(gòu)造、它的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水情況以及是否存在 (或可能發(fā)生 )影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象 (如滑坡、巖溶、地震等 )，從而對場地件作出正確的評價。 企業(yè)的眼睛看當(dāng)今的大學(xué)生 5 地基基礎(chǔ)設(shè)計的兩個基本條件： (1)要求作用于地基的荷載不超過 地基的承載能力，保證地基在防止整 體破壞方面有足夠的安全儲備； (2)控制基礎(chǔ)沉降使之不超過地基 的變形允許值，保證建筑物不因地基 變形而損壞或者影響其正常使用。 6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的型式： 7 地基類型 8 地基基礎(chǔ)設(shè)計方案的選取原則 9 地基及基礎(chǔ)的重要性 二、本課程的特點和學(xué)習(xí)要求 1 課程的特點： （ 1）地基及基礎(chǔ)課程涉及工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工幾個學(xué)科領(lǐng)域，內(nèi)容廣泛、綜合性強(qiáng)； （ 2）課程理論性和實踐性均較強(qiáng)。 2學(xué)習(xí)要求： (1)學(xué)習(xí)和掌握土的應(yīng)力、變形，強(qiáng)度和地基計算等土力學(xué)基本原理； (2)學(xué)習(xí)和掌握淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的設(shè)計方法； (3)熟悉土的物理力學(xué)性質(zhì)的原位測試技術(shù)以及室內(nèi)土工試驗方法； （ 4）重視工程地質(zhì)基本知識的學(xué)習(xí)，了解工程地質(zhì)勘察的程序和方法，注意閱讀和使用工程地質(zhì)勘察資料能力的培養(yǎng)。 第一章 土的物理性質(zhì)及分類 1— 1 概 述 1土的定義： 土是連續(xù)，堅固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。 2 土的三相組成： 土的物質(zhì)成分包括有作為土骨架的固態(tài)礦物顆粒、孔隙中的水及其溶解物質(zhì)以及氣體。因此，土是由顆粒 (固相 )、水 (液相 )和氣 (氣相 )所組成的三相體系。 1— 2 土 的 生 成 一 、地質(zhì)作用的概念 1地球的圈層構(gòu)造： 外圈層：大氣圈、水圈、生物圈； 內(nèi)圈層：地殼、地幔、地核。 構(gòu)成天然地基的物質(zhì)是地殼內(nèi)的巖石和土。地殼的一般厚度為 30一 80km。 2地質(zhì)作用 導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用。 根據(jù)地質(zhì)作用的能量來源的不同，可分為內(nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用 (1)內(nèi)力地質(zhì)作用 : 由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能等，引起地殼物質(zhì)成分、內(nèi)部構(gòu)造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質(zhì)作用。如巖漿作用、地殼運動 (構(gòu)造運動 )和變質(zhì)作用。 1)巖漿作用 存在于地殼以下深處高溫、高壓的復(fù)雜硅酸鹽熔融體 (巖漿 )，沿著地殼薄弱地帶上升侵入地殼或噴出地表且冷凝后生成為巖漿巖的地質(zhì)作用。 2)地殼運動 地殼的升降運動和水平運動。升降運動表現(xiàn) 為地殼的上拱和下拗，形成大 型的構(gòu)造隆起和拗陷：水平運動表現(xiàn)為地殼巖層的水平移動，使巖層產(chǎn)生各種形態(tài)的褶皺和斷裂．地殼運動的結(jié)果，形成了各種類型的地質(zhì)構(gòu)造和地球表面的基本形態(tài)。 3)變質(zhì)作用 在巖漿活動和地殼運動過程中，原巖(原來生成的各種巖石 )在高溫、高壓下及揮發(fā)性物質(zhì)的滲入下，發(fā)生成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造變化的地質(zhì)作用。 (2)外力地質(zhì)作用： 由于太陽輻射能和地球重力位能所引起的地質(zhì)作用。它包括氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等的作用。 1)風(fēng)化作用 外力 (包括大氣、水、生物 )對原巖發(fā)生機(jī)械破碎和化學(xué)變化的作用。 2)沉積巖和土的生成 原巖風(fēng)化產(chǎn)物（碎屑物質(zhì)），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或風(fēng)等 外力作用下，被剝蝕，搬運到大陸低洼處或海洋底部沉積下來，在漫長的地質(zhì)年代里， 沉積的物質(zhì)逐漸加厚，在覆蓋壓力和含有碳酸鈣、二氧化硅、氧化鐵等膠結(jié)物的作用下， 使起初沉積的松軟碎屑物質(zhì)逐漸壓密、脫水、膠結(jié)、硬化生成新的巖石，稱為沉積巖。未經(jīng)成巖作用所生成的所謂沉積物，也就是通常所說的 “ 土 ” 。 3）風(fēng)化、剝蝕、搬運及沉積 外力地質(zhì)作用過程中的風(fēng)化、剝蝕、搬運及沉積，是彼此密切聯(lián)系的。風(fēng)化作用為剝蝕作用創(chuàng)造了條件，而風(fēng)化、剝蝕、搬運又為沉積作用提供了物質(zhì)的來源。剝蝕作用與沉積作 用在一定時間和空間范圍內(nèi)，以某一方面的作用為主導(dǎo)，例如，河流上游地區(qū)以剝蝕為主，下游地區(qū)以沉積為主，山地以剝蝕占優(yōu)勢，平原以沉積占優(yōu)勢． 二、礦物與巖石的概念 巖石 一種或多種礦物的集合體。 礦物 地殼中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性質(zhì)、化學(xué)成份和形態(tài)． (一 ) 造巖礦物 組成巖石的礦物稱為造巖礦物。 礦物按生成條件可分為原生礦物和次生礦物兩大類。 區(qū)分礦物可以礦物的形狀、顏色、光澤、硬度、解理、比重等特征為依據(jù)。 （二）巖石 巖石的主要特征包括礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造三方面。 巖石的結(jié)構(gòu) — 巖石中礦物顆粒的結(jié)晶程度、大小和形狀、及其彼此之間的組合方式。 巖石的構(gòu)造 巖石中礦物的排列方式及填充方式。 巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖是按成因劃分的三大巖類，其亞類劃分列于表 1表 1表 15。 三 地質(zhì)年代的概念 地質(zhì)年代 地殼發(fā)展歷史與地殼運動，沉積環(huán)境及生物演化相對應(yīng)的時代段落。 相對地質(zhì)年代 根據(jù)古生物的演化和巖層形成的順序，所劃分的地質(zhì)年代。 在地質(zhì)學(xué)中，根據(jù)地層對比和古生物學(xué)方法把地質(zhì)相對年代劃分為五大代 (太古代、元古代、古生代、中生代和新生代 )，每代又分為若干紀(jì)，每紀(jì)又細(xì)分為若干世及期。在每一個地質(zhì)年代中，都劃分有相應(yīng)的地層（參見表 16） 在新生代中最新近的一個紀(jì)稱為第四紀(jì)，由原巖風(fēng)化產(chǎn)物（碎屑物質(zhì)），經(jīng)各種外力地質(zhì)作用 (剝蝕、搬運、沉積 )形成尚未膠結(jié)硬化的沉積物 (層 )，通稱 “第四紀(jì)沉積物 (層 )”或 “ 土 ” 。 四 第四紀(jì)沉積物 (層 ) 不同成因類型的第四紀(jì)沉積物，各具有一定的分布規(guī)律和工程地質(zhì)特征，以下分別介紹其中主要的幾種成因類型。 (一 )殘積物、坡積物和洪積物 1．殘積物 殘積物是殘留在原地未被搬運的那 一部分原巖風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物，而 另一部分則被風(fēng)和降水所帶走。 2．坡積物 坡積物是雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地洗刷剝蝕、順著斜坡向下逐漸移動、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。 3．洪積物 (Q”) 由暴雨或大量融雪驟然集聚而成的暫時性山洪急流，具有很大的剝蝕和搬運能力。 它沖刷地表，挾帶著大量碎屑物質(zhì)堆積于山谷沖溝出口或山前傾斜平原而形成洪積物 (圖 1— 4)。 由相鄰溝谷口的洪積扇組成洪積扇群 圖 l— 5)。如果逐漸擴(kuò)大以至連接起來， 則形成洪積沖積平原的地貌單元。 洪積物常呈現(xiàn)不規(guī)則交錯的層理構(gòu)造，如具有夾層、尖滅或透鏡體等產(chǎn)狀 (圖 1— 6)。 (二 )沖積物 (Q) 沖積物是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物質(zhì)剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。 1平原河谷沖積物 平原河谷除河床外，大多數(shù)都有河漫灘及階地等地貌單元(圖 1— 7)。 2．山區(qū)河谷沖積層 在山區(qū)，河谷兩岸陡削，大多僅有河谷階地 (圖 18)。 (三 )其它沉積物 除了上述四種成囚類型的沉積物外，還有海洋沉積物(Q”)、 湖泊沉積物 (Q‘)、 冰川沉積物 (Q”)及風(fēng)積物 (Q”‘)等，它們是分別由海洋，湖泊、冰川及風(fēng)等的地質(zhì)作用形成的． 13 土 的 組 成 一 土的固體顆粒 土中的固體顆粒 (簡稱土粒 )的大小和形狀、礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。 (一 ) 土的顆粒級配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒組成的。 土粒的粒徑由粗到細(xì)逐漸變化時，土的性質(zhì)相應(yīng)地發(fā)生變化，例如土的性質(zhì)隨著粒徑的變細(xì)可由無粘性變化到有粘性。 將土中各種不同粒徑的土粒，按適當(dāng)?shù)牧椒秶?，分為若干粒組，各個粒組隨著分界尺寸的不同而呈現(xiàn)出一定質(zhì)的變化。劃分粒組的分界尺寸 稱為界限粒徑。 表 l8提供的是一種常用的土粒粒組的劃分方法。表中根據(jù)界限粒徑 200、 0． 05和 0． 005mm把土粒分為六大粒組：漂石 塊石 )顆粒、卵石 (碎石 )顆粒、圓礫 (角礫 )顆粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其組成情況，通常以土中各個粒組的相對含量 (各粒組占土?？偭康陌? 分?jǐn)?shù) )來表示，稱為土的顆粒級配。 顆粒分析試驗：篩分法；比重計法 根據(jù)顆粒大小分析試驗成果，可以繪制如圖 1— 10所示的顆粒級配累積曲線 由曲線的坡度可判斷土的均勻程度 有效粒徑；限定 粒徑。 利用顆粒級配累積曲線可以確定土粒的級配指標(biāo)，如與的比值稱為不均勻系數(shù)： 又如曲率系數(shù)用下式表示： 不均勻系數(shù) 反映大小不同粒組的分布情況，越大表示土粒大小的分布范圍越大，其級配越良好，作為填方工程的土料時，則比較容易獲得較大的密實度．曲率系數(shù)描寫的是累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀。 顆粒級配可在一定程度上反映土的某些性質(zhì)。 1060 ddCu ?6010230dddCc ? (二 )土粒的礦物成分 土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所經(jīng)受的風(fēng)化作用。不同的礦物成分對土的性質(zhì)有著不同的影響，其中以細(xì)粒組的礦物成分尤為重要 。 六大粒組的礦物成分 漂石、卵石、圓礫等粗大顆粒；砂粒；粉粒；粘粒。 粘土礦物的比表面 由于粘土礦物是很細(xì)小的扁平顆粒，顆粒表面具有很強(qiáng)的與水相互作用的能力，表面積愈大，這種能力就愈強(qiáng)。粘土礦物表面積的相對大小可以用單位體積 (或質(zhì)量 )的顆?？偙砻娣e (稱為比表面 )來表示。 由于土粒大小不同而造成比表面數(shù)值上的巨大變化，必然導(dǎo)致土的性質(zhì)的突變，所以，土粒大小對土的性質(zhì)起著重要的作用。 二、土中的水和氣 (一 )土中水 在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。 存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類： 1．結(jié)合水 結(jié)合水是指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。這種電分子吸引力高達(dá)幾千到 幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固地粘結(jié)在一起。 由于土粒 (礦物顆粒 )表面一般帶有負(fù)電荷，圍繞土粒形成電場，在土粒電場范圍內(nèi)的水分子和水溶液中的陽離子 (如 Na’、 Ca”、 A1”等 )一起吸附在土粒表面。因為水分子是極性分子 (氫原子端顯正電荷，氧原子端顯負(fù)電荷 )， 它被土粒表面電荷或水溶液中離子電荷的吸引而定向排列(圖 1— 13)。 雙電子層 (1)強(qiáng)結(jié)合水