土力学与基础工程教案.docx
《土力学与基础工程教案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土力学与基础工程教案.docx(135页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、土力学与根底工程绪论一、土力学与根底工程的探讨对象土是在第四纪地质历史时期地壳表层母岩经受剧烈风化作用后所形成的大小不等的颗粒状积累物,是覆盖于地壳最外表的一种松散的或松软的物质。土是由固体颗粒、液体水和气体组成的一种三相体。土在地球外表分布极广,它与工程建立关系亲密。在工程建立中土被广泛用作各种建筑物的地基或材料,或构成建筑物四周的环境或护层。在土层上修建工业厂房、民用住宅、涵管、桥梁、码头等时,土是作为承受上述构造物荷载的地基;修筑土质堤坝、路基等时,土由被用作建筑材料,在我国的遥远和不兴旺地区,目前仍有大量的土木构造类型的农舍存在;土作为建筑环境和护层的状况,在工程地质学中已有阐述,此处
2、不再赘述。总而言之,土的性质对于工程建立的质量、性状等,具有干脆而有重大的影响。受建筑物影响的那部分(承受建筑物荷载的地层)地层称为地基。地基又分为:自然地基、人工地基两类。土的性质极其困难。当地层条件较好、地基土的力学性能较好、能满意地基根底设计对地基的要求时,建筑物的根底被干脆设置在自然地层上,这样的地基被称为自然地基;而当地层条件较差,地基土强度指标较低,无法满意地基根底设计对地基的承载力和变形要求时,常须要对根底底面以下肯定深度范围内的地基土体进展加固或处理,这种部分经过人工改造的地基被称为人工地基。与地基接触并传递荷载给地基的构造物称为根底。根底的构造形式很多,详细设计时应当选择既能
3、适应上部构造、符合建筑物运用要求,又能满意地基强度和变形要求,经济合理、技术可行的根底构造方案。根底底面到地面的间隔 称为根底埋深。根据埋深不同,根底分为浅根底和深根底两大类。通常把埋置深度不大(一般不超过5.0m)只需经过挖槽、排水等一般施工工序就可以建立起来的根底称为浅根底;而把埋置深度较大(一般不小于5.0)并须要借助于一些特殊的施工方法来完成的各种类型根底称之为深根底。地基和根底是建筑物的根基,又属于隐藏工程,它的勘察、设计和施工质量干脆关系着建筑物的安危。工程理论说明,建筑物的事故很多都与地基根底问题有关,而且一旦发生地基根底事故,往往后果严峻,补救特别困难,有些即使可以补救,其加固
4、修复工程所需的费用也特别可观。二、 国内外土木工程事故举例综合分析可以得到,与地基根底有关的土木工程事故可主要概括为以下类型:地基产生整体剪切破坏、地基发生不匀称沉降、地基产生过量沉降以及地基土液化失效。 匀称沉降、地基产生过量沉降以及地基土液化失效,现分别举例如下:地基产生整体剪切破坏 巴西某十一层大厦。1955年始建的巴西某十一层大厦长25m,宽12m,支承在99根21m长的钢筋混凝土桩上。1958年大厦建成后,发觉其背后明显下沉。1月30日,该建筑物的沉降速度高达每小时4mm,晚8时许,大厦在20s内倒塌。后查明该大厦下有25m厚的沼泽土,图0-2 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故而其下的桩
5、长仅有21m,为深化其下的坚实土层,倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致。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状况。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根底,由于事前不理解根底下埋藏有厚达16m的软粘土层,谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后,发觉谷仓明显下沉,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。后查明谷仓根底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峻倾斜。该谷仓由于整体刚度极大,因此虽倾斜极为严峻,但谷仓本身却
6、完好无损。后于土仓根底之下做了七十多个支承于下部基岩上的混凝土墩,运用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体渐渐扶正,单其位置比原来降低了近4.0m。这是地基产生剪切破坏,建筑物丢失其稳定性的典型事故实例。地基产生不匀称沉降 意大利比萨斜塔(图0-3)。比萨斜塔建立,经验了三个时期:第一期,自1173年9月8日开工,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年开工,全塔共八层,高度为55m。目前塔北侧沉降一米多,南侧沉
7、降近三米,塔顶偏离中心线约5.54m(倾斜约5.8o)。为使斜塔平安留存,后在国际范围内进展了招标,对斜塔进展了加固处理。我国名胜苏州虎丘塔。苏州虎丘塔建于959961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,使塔体严峻损坏,为了使该名胜古迹平安留存,我国于19561957年期间对其进展了上部构造修缮,但修缮的结果使塔体重量增加了约2000 kN,同时加速了塔体的不匀称沉降,塔顶偏离中心线的间隔 由1957年的1. 7m开展到1978年的2.31m,并导致地层砌体产生部分破坏。后于1983年对该塔进展了根底托换,使其不匀称
8、沉降得以限制。因地基 - 意大利比萨斜塔(图0-3) 产生不匀称沉降而导致根底断裂、上部构造破坏的事例数不胜数。地基产生过量沉降 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,严峻地段每旬下沉量高达1216mm,其它地段每旬下沉量812mm不等,路基的下沉不仅增加了该段铁路的修理保养作业量,更严峻威逼着铁路列车的平安营运。该路段后采纳高压喷射注浆法进展了路基土加固处理。西安某住宅楼。西安某住宅楼位于西安市霸桥区,场地为级自重湿陷性黄土场地,建筑物长18.5m,宽14.5m,为六层点式砖混构造,根底
9、采纳肋梁式钢筋混凝土根底,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,在沉降发生最为严峻的5天时间里,该建筑物的累计沉降量超过了300mm。后虽经对根底进展托换处理止住了建筑物的接着沉降,但过量沉降严峻影响了该建筑物的运用功能,在门厅处不仅形成了倒灌水现象,而且门洞高度严峻缺乏,人员出入极不便利。地基液化失效 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实力,毁坏房屋近2890幢。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峻的地震之一,震级7
10、.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缘由之一,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、土力学与根底工程课程学习的内容土力学与根底工程分为两部分内容:(1)是关于地基根底设计与施工的学问,即根底工程学的内容;(2)是有关土的物理力学性质以及土的强度理论、浸透理论和变形理论的学问,即解决土力学各种课题的根本理论和试验探讨方法。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。建筑物的地基根底和上部构造虽然各自功能不同、探讨方法相异,但是无论从力学分析入手还是从经济观点
11、动身,这三部分却是彼此联络、互相制约的有机统一体。目前,要把这三部分完全统一起来进展设计计算还特别困难,但从地基根底上部构造共同工作的概念动身,尽量全面考虑诸方面的因素,运用力学和构造设计方法进展根底工程计算将是土力学的主要探讨内容之一。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绘土的组成、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绘土的变形规律、强度规律和浸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。土力学学科探讨和解决工程中两大类问题:南昌市市区
12、地层状况大致为: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1225m,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,桩根底侧阻力较小,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,具有明显的二元构造。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、本学科的开展概况地基根底是一项古老的建筑工程技术。早在史前的人类建筑活动中,地基根底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
13、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输河;隋朝大业年间李春设计建立的河北赵州安济桥;我国著名的古代水利工程之一,战国时期李冰指导修建的都江堰;遍布于我国各地的巍巍高塔,雄伟壮美的供电、庙宇和寺院;著名遐迩的古埃及金字塔等,都是由于修建在坚固的地基根底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宏大的船形灰土根底,这使小雁塔经验数次大地震而留存于今。上述一切证明,人类在其建筑工程理论中积累了丰富的根底工程设计、施工阅历和学问,但是由于受到当时的消费理论规模和学问程度限制,在相当长的的历史时期内,地基
14、根底仅作为一项建筑工程技术而停留在阅历积累和感性相识阶段。十八世纪欧洲产业革命以后,水利、道路以及城市建立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胜利阅历和工程事故教训。特殊是这些工程事故教训,使得原来按以往建立阅历来指导工程的做法已无法适应当时的工程建立开展。这就促使人们寻求对很多类似的工程问题的理论说明,并要求在大量理论根底上建立起肯定的理论来指导以后的工程理论。例如,十七世纪末期欧洲各国大规模的城堡建立推动了筑城学的开展并提出了墙后土压力问题,很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
15、压力理论奠定了根底。十九世纪中叶开场,大规模的桥梁、铁路和马路建立推动了桩基和深根底的理论与施工方法的开展。路堑和路堤、运输河渠道边坡、水坝等的建立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。这一时期的理论探讨为土力学开展成为一门独立学科奠定了根底。1925年美国人
16、K.太沙基(Terzaghi)归纳了以往的理论探讨成果,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。这些比拟系统完好的科学著作的出版,带动了各国学者对本学科各个方面的探讨和探究,从今土力学作为一门独立的科学而得到不断开展。我国著名学者黄文熙教授,陈宗基教授等也为土力学的开展做出了突出奉献。 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积累物。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、积累而形成的。包括无机矿物颗粒和有机质。1 物理风化指由
17、于温度变更、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更。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更。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,这些空隙是互相连通的,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
18、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,它的成分与母岩的一样,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。 吸附水的实力弱,性质比拟稳,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
19、高岭石、伊利石和蒙脱石。 颗粒极细,且多呈片状。 性质活泼,有较强的吸附水实力(尤其是由蒙脱石组成的颗粒),具塑性。遇水膨胀。 2、土的粒度成分自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渐渐变更时,土的性质相应地发生变更。例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变更到有粘性。 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mm 2、沉降法,比重计法和移液管法,粒径mm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
20、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d0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d0。 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标,如d0与d10的比值C称 不匀称系数: 曲率系数Cc: 不匀称系数C反映大小不同粒组的分布状况。C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,则比拟简洁获得较大的密实度。曲率系数Cc描写累积曲线的分布范围,反映曲线的整
21、体形态。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,土粒不匀称。颗粒级配可以在肯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,因此土的密实度较好,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)粗粒土采纳筛分法,(2)细粒土用沉降分析法3土粒的形态体积系数:土粒体积,土粒的最大粒径;形态系数:,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、
- 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
限制150内