土力学与基础工程知识总结

昆明理工大学

土力学与基础工程

学习报告

学生姓名指导教师秦昆珍

学院建筑工程学院专业名称工程力学

班级工力151 学号

2018年6月11日

工管、工力2015级土力学与基础工程

学习报告任务书

一、学习报告目的与任务

通过学习报告总结《土力学与基础工程》所学知识，作为教学计划中考核的方式，是重要的教学环节，它为检查学生学习掌握本课程专业知识起着重要作用；并为在今后的工程实践中，正确使用规范、适应规范标准的发展，打下基础。

二、学习报告的基本要求

1、学习报告的格式

学习报告一律用A4纸打印，正文字体为宋体，小四号。

2、学习报告内容（5500--8000字）

（1）、《土力学与基础工程》综述；（土力学与基础工程的基本知识、基本理论和基本方法，相关现行规范的内容以及地基处理等内容）

（2）、结合本专业课学习的体会、感兴趣的题材，进行总结。

3、完成时间

2018年6月11日

《土力学与基础工程》综述

0绪论

土是岩石经过物理、化学、生物等风化作用的产物，是矿物颗粒组成的集合体，多数情况下是由固体颗粒、水和空气组成的三相体。土力学是运用力学知识和土工测试技术，研究土的物理、力学性质，以及土的变形及其强度变化规律的一门学科。

“土”是一个广义词，它包括岩石、碎石、砂及细粒土。研究岩石力学特性的学科称为岩石力学，土力学和岩石力学统称为岩土力学。随着生产和科学技术的发展，又开辟了许多土力学的分支，如理论土力学、计算土力学、实验土力学、应用土力学、环境土力学、海洋土力学、冻土力学、黄土力学、土动力学等。

1土的物理性质及工程分类

土的生成与特性：

地球表面的整体岩石在阳光、大气、水和生物等因素影响下发生风化作用，使岩石崩解、破碎，经流水、风、冰川等动力作用，形成形状各异、大小不一的颗粒。这些颗粒受各种自然力作用，在各种不同的自然环境下堆积起来，就形成了土。因此，通常说土是岩石风化的产物。堆积下来的土，在很长的地质年代中发生复杂的物理化学变化，逐渐压密、岩化，最终又会形成岩石，这就是沉积岩。这种长期的地质过程称为沉积过程。因此，在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石。这一循环过程永无休止地重复进行。

风化作用的类型:物理风化、化学风化、生物风化。

土的生成类型：（１）残积土；（２）搬运土：①坡积土；②风积土；③冲积土；④洪积土；⑤湖泊沼泽沉积土；⑥海相沉积土；⑦冰积土；

土具有三个重要特点：ａ．散体性；ｂ．多相性；ｃ．自然变异性。

土的矿物成：（１）原生矿物；（２）次生矿物:高岭石、伊利石和蒙脱。（３）有机质

土中的水：（１）结合水（吸附水）；（２）自由水：①重力水、②毛细水。

土中气体：

土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。在粗粒的沉积物中常见到与大气相连通的气体，它对土的力学性质影响不大。在细粒土中则常存在与大气隔绝的封闭气泡，使土在外力作用下的弹性变形增加，透水性减小。对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物（细菌）的分解作用，在土中蓄积了某种可燃气体（如硫化氢、甲烷等），使土层在自重作用下长期得不到压密，形成高压缩性土层。

土的结构：（１）单粒结构；（２）蜂窝结构；（３）絮状结构；

土的物理性指标：

（１）土的密度ρ；（２）土粒相对密度;（３）土的含水量ｗ；

按土的工程分类标准分类：１）巨粒类土；２）粗粒类土；３）细粒类土

2土的渗透性与渗流

达西定律：１８５６年，法国学者达西（Ｄａｒｃｙ）根据砂土渗透试验，发表了水在饱和砂土中的流动方程式，

式中ｖ———断面平均渗透速度，即单位时间内通过与渗流方向成直角的单位截面积的水量，为方便起见，以后称之为渗透速度，m/s；

Ｌ———渗流长度，即渗径,ｍ；

ｋ———土的渗透系数，m/s或cm/s。

流网：１）流网特征：构成流网的两簇曲线：一簇为流线，在稳定渗流场中，表示水质点的运动路线；另一簇为等势线，是稳定渗流场中势能或测管水头的等值线，即在同一等势线上不同点处的测管水头值都相等。

对于各向同性的均质土，应满足下列基本条件：①流线与等势线相互正交；

②流线与等势线构成的流网单元为正方形或曲边正方形；③必须满足流场的边界条件，以保证解的唯一性。

流网绘制：绘制流网时，不可能一次完成，需要多次试画。绘制时应满足基本条件并遵守基本规则，同时还应注意边界条件。

渗透力：水在土体中流动时将会引起水头的损失，而这种损失是由于水在土体孔隙中流动时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，它们综合形成的作用于土骨架的力，称为渗透力。

单位体积土体上的渗透力为：

土体体积

渗透稳定性：土由于渗流作用而发生的破坏，称为土的渗透破坏，其表现形式有流土和管涌两种：１）流土；２）管涌

3土中应力和地基沉降量计算

土中应力：土在自身重力、建筑物及其他因素作用下，在土体产生的应力。

计算土中应力的方法:弹性理论公式。即把土均匀的、连续的、各向同性的半无限空间线性弹性体。

成层土中自重应力计算：

当深度z由多层土组成时，个层土的厚度和自重分别为，，…，和，，…，，则深度Z处的竖向自重应力为

式中

——天然地面下任意深度z处的竖向自重应力，KPa n——深度z范围内的土层数

——第i层土的厚度，m

——第i层土的天然自重密度

土的水平自重应力：

式中——静止侧压力系数，也称静止土圧系数。

基底压力的简化计算：

（1）中华心荷载下的基底压

式中

F——作用在基础上的竖向力，KN

G——基础自重及其上回填土自重的总重，KN

A——基础底面积，

（2）偏心荷载下的基底压力

式中

M——作用在基础底处的力矩，

W——基础底面的抵抗矩

基础附加应力：

式中

P——基地平均压力，KPa

——土中自重应力，KPa

土层中附加应力的计算：

式中

， ， ——平行于x,y,z 轴的正应力；

， , , ， ， ——剪应力；

u,v,w ——沿x,y,z 轴方向的位移；

R ——集中力作用点与M 点距离；

——R 线与Z 坐标的夹角；

R ——集中力作用点与M 点的水平距离；

E ——土的弹性模量；

——土的泊松比

土的压缩性：

1) 压缩系数

1221

e e e a p p p -?=-

=?- 2）压缩指数 1221

e lg lg lg c e e c p p p -?=-

=?- 3）压缩模具 21z z z p p E σ?-=

=?ε?ε

4土的抗剪强度与浅基础的地基承载力

库伦定律：

?στtan =

?στtan +=c f

式中

f τ——土的抗剪强度，kPa ；

σ——剪切面上的法向应力，kPa;

?——土的内摩擦角，（ ）；

c ——土的黏聚力，kPa 。；

土的抗剪强度 用剪切面上的有效应力来表示：

'''tan ?στ+=c f

莫尔-库仑强度理论:

()f f τσ=

土的抗剪强度试验:

土的剪切强度指标是通过土的抗剪强度试验测定的，不同的抗剪强度指标可以用不同的抗剪强度试验来获得。土的抗剪强度试验按照试验进行场所，可分为室内试验和现场试验两大类。室内试验常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验；现场试验仅介绍十字板剪切试验。

孔隙压力的计算系数：

()[]313σσσ?-?+?=?A B u

式中

A,B ——孔隙压力系数。

孔隙压力系数B 的在各向应力增量相等条件下的孔隙压力系数:

3

0σ??=

u B 式中 0u ?——试样在周围压力增量3σ?下产生的孔隙压力增量，kPa ；

孔隙压力系数A 为偏应力增量作用下的孔隙压力系数，计算公式为：

()

311σσ?-??=

B u A 式中 1u ?——试样在主应力差（31σσ?-?）下即剪切是产生的孔隙压力，kPa 。

饱和黏性土的抗剪强度：1）不固结不排水抗剪强度；2）固结不排水抗剪强度；

3）固结排水抗剪强度；4）抗剪强度指标的选择 无黏性土的抗剪强度： 由于无黏性土的透水性强，在通常的加荷速率下，土体中的孔隙压力常等于零，因此其抗剪强度指标常用三轴固结排水剪切或慢剪试验来测定。

地基因竖向承载力不足引起的破坏有三种形式：1）整体剪切破坏、2）局部剪切破坏；3）冲剪破坏。

地基临塑荷载和临界荷载：

d r c d r p cr 002

cot )cot (++-+=?π??π

浅基础的地基极限承载力：

（1）普朗德尔公式：

普朗德尔极限承载力是一种按照极限平衡理论求解的承载力。

c N q N p c q u +=

（2）太沙基公式：

太沙基承载力是按假定滑动画面法求解的承载力。

12

u q c y p N q N c N yb =++ （3）汉森和魏锡克公式

5土压力与土坡稳定性

土压力的类型：静止土压力；主动土压力；被动土压力

郎肯土压力理论：

它是根据半无限土体在自重作用下的应力状态和极限平衡条件建立的。郎肯理论分析挡土墙的土压力时，假设：（1）墙后填土表面水平；（2）挡土墙背垂直；（3）挡墙背面光滑，即不考虑墙与土之间的摩擦力。

库伦土压力理论：

库伦根据挡土墙后形成的滑动楔体极限平衡条件，并假定滑动面为一平面，来求算出挡土墙上的土压力，称为著名的库伦土压力理论。

它假设：1，墙后填土为均匀的无黏性土（c=0），填土表面可以是倾斜的；2，挡土墙是刚性的，墙背可以是倾斜的，倾角为a ；3，墙面粗糙，墙面与土体之间存在摩擦力，摩擦角大于0。

12

u c q p cN qN bN γγ=++

挡土墙的设计：挡土墙有重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙。对于重力式挡土墙的构造涉及了墙背倾斜形式的选用、挡土墙剖面的拟定、排水设施、沉降缝和伸缩缝。

6岩土工程勘察

岩土工程勘察等级：

不同的建筑场地地质条件不同，存在的工程地质问题也各异，因此建筑物所采取的地基基础设计方案也可能不同。岩土工程勘察的分级根据岩土工程的安全等级、场地的复杂程度和地基的复杂程度来划分。不同等级的岩土工程勘察因其复杂和难易程度不同，对勘察测试工作、分析计算评价工作、施工监测控制工作等级等的规模、工作量、工作深度与质量也相应有不同的要求。

勘察的内容：

首先进行可行性研究勘察：收集分析所在地的工程地质资料；进行现场调查，了解场地的地层结构和其他基本情况：对工程地质条件复杂，工程资料不符合要求的，可根据具体情况，进行工程地质测绘及必要的勘察工作。

然后进行初步勘察，整理初勘应得的资料，完成所需的主要工作内容。如查明地质构造，对不良地质现象查明原因等一系列工作。另外对勘探线、点布置的要求要落实。

最后，进行详细勘察。整理资料，完成所需的主要工作内容，如查明建筑范围各岩石的资料，对一级建筑物和部分二级建筑物提供地基变形计算参数，预测建筑物的变形，查明一些埋藏物等。

岩土工程勘察的方法：

1）工程地质测绘和调查

2）勘察与取样

勘察的方法包括掘探、钻探、触探和物探4大类。其中钻探的方法根据钻进方式不同分为回转钻进、冲击钻进、锤击钻进、振动钻进、冲洗钻进。

取样是岩土工程勘察中经常性的工作，是定量评价岩土工程条件和岩土工程问题必不可少的工作。取样包括岩土样和水样，取样工作贯穿于整个岩土工程勘察工作的始终，甚至工程运行和检测阶段都要进行岩试样成水样的采取。

3）原位测试

原位测试指的是在土体的本来位置，对于处于天然状态下的土体所进行工程性质的测试，它具有直接性、真实性和实用性的特点，对于土体工程性质的判断起着非常重要的作用。原位测试主要有载荷试验、十字板剪切试验、标准贯入试验，静力触探试验、圆锥动力触探试验等。

岩土工程勘察报告：

在岩土工程勘察过程中，通过收集、调查、勘察、室内试样和原位测试，获得了大量的原始资料，对这些资料还应该进行整理、检查、分析、归纳和综合，最后以勘察报告书及有关图表形式，形成完整的岩土工程勘察报告。

7浅基础

定义：在天然地基上埋置深度小于5米的一般基础以及埋置深度大于5米，但小于基础宽度的大尺寸基础。

基础的分类：（1）柱下条形基础；（2）柱下交叉条形基础；（3）筏形基础；4）箱形基础。

按性能分类则：

（1）刚性基础

通常是由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土和灰土等材料建造的基础，这些材料的抗压强度高，而抗拉、抗剪强度较低。所以刚性基础不能承受拉力。

特点：抗压性能好，抗拉、抗剪性能差，受荷后基础不允许绕曲变形和开裂。设计时受台阶宽高比（刚性角）的限制。

（2）柔性基础

用钢筋来承受拉应力的混凝土基础为柔性基础。如果在混凝土基础的底部配以钢筋，利用钢筋来承受拉应力，使基础底部能够承受拉力和较大的弯矩，这种基础称为柔性基础。这时，基础宽度的加大不受刚性角的限制。

特点：抗弯、抗剪性能好，允许发生一定的绕曲变形，不受刚性角限制，宜宽基浅埋。

基础埋置深度的确定：

（1）基础埋置深度：基础底面至设计地面（一般指室外地面）的距离。

（2）基础埋深选择的意义：是确定对建筑物的安全和正常使用以及对施工工期、造价影响较大。

（3）确定浅基础埋深的原则：凡能浅埋的尽量浅埋。但考虑到基础的稳定性、动植物的影响等因素，除岩石地基外，基础最小埋深不宜小于0.5m，并要满足地基稳定和变形条件。

（4）相邻建筑物的基础埋深

①一般新建筑物基础埋深不宜大于相邻原基础的基础。

②当必须深于原基础时，两基础之间应保持一定净距，数值根据原有建筑荷载大小和土质情况确定。一般取两相邻地面高差的1～2倍。

③当墙下条形基础有不同埋深时，应沿基础纵向做成台阶形，并由深到浅过渡。

8桩基础及其他深基础

桩基础及其组成：

（1）桩基础：它由设置于土中的桩体体和桩顶联结的承台共同组成，或由柱与桩直接联结而成。

（2）作用：将荷载通过桩传给埋藏较深的坚硬土层，或通过桩身周围的摩擦力传给地基，以满足承载力、稳定性和变形的要求。

（3）桩：桩在平面排列上可成为一排或几排桩身可全部或部分埋入地基土中，当桩身外露在地面上较高时，在桩之间应加设横系梁，以加强各桩的横向连系。

（4）承台：承台将所有桩的顶部由联成一整体并传递荷载。在承台上再修筑桥墩桥台及上部结构。

桩基础适用范围：

（1）建筑场地浅层地基土比较软弱，不能满足地基承载力和变形要求时，又不宜采用地基处理措施时可考虑选择桩基础，利用深层坚实的岩土层作持力层；

（2）桩基可承受大而复杂的荷载，适宜各种地质条件；

（3）减少沉降与不均匀沉降，适于沉降要求严格的高层建筑、重型工业厂房、高耸构筑物等；

（4）抗震性好，平面布置灵活，对结构体系适应性强；

（5）造价高，施工复杂，有噪音、卫生等环境。

桩的分类：

（1）按施工方法:预制桩和灌注桩；

（2）按桩的设置效应:大量挤土桩、小量挤土桩和不挤土桩；

（3）按桩的受力性能：端承桩与摩擦桩。

群桩效应：

（1）群桩：由若干根单桩组成，上部用承台连成整体。

（2）群桩效应: 群桩基础受竖向荷载后，由于承台、桩、土的相互作用使其桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩明显不同，承载力往往不等于各单桩承载力之和，称其为群桩效应。

（3）群桩效应系数：用以度量构成群桩承载力的各个分量因群桩效应而降低或提高的幅度指标，如侧阻、端阻、承台底土阻力的群桩效应系数。

（4）影响群桩效应的因素：①承台刚度；②基土性质；③基桩间距。

负摩阻力：

桩身周围土由于自重固结、自重湿陷、地面附加荷载等原因而产生大于桩身的沉降时，土对桩侧表面所产生的向下摩阻力。在桩身某一深度处的桩土位移量相等，该处称为中性点。中性点是正、负摩阻力的分界点。

深基础：

一般指基础埋深大于基础宽度且深度超过5m的基础。

（1）沉井基础

特点：这种基础现采用较少。由于它整体性好、刚度大、传力可靠，在大跨度和深水地区修建桥梁仍被采用。

（2）地下连续墙

定义：在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖一条狭长的深槽，清槽后在槽内吊放钢筋笼，然后用导管法浇筑混凝土，筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的墙壁。

分类：①按成墙方式：桩排式、壁板式、桩壁组合式；

②按用途：临时挡土墙、防渗墙、用作主体结构兼作临时挡土墙的地下连续墙；

③按填筑的材料：土质墙、混凝土墙、钢筋混凝土墙和组合墙

功能：防水、防渗、承重、挡土、基础、地下结构的边墙

适用范围：坝体防渗、水库地下截流、挡土墙、房屋的深层地下室、矿井地下停车场、地下工程等。

桩基础设计：

（1）设计要求：当建筑场地浅层地基土比较软弱，不能满足地基承载力和变形要求时，又不宜采用地基处理措施时可考虑选择桩基础，利用深层坚实的岩土层作持力层；桩基可承受大而复杂的荷载，适宜各种地质条件；减少沉降与不均匀沉降，适于沉降要求严格的高层建筑、重型工业厂房、高耸构筑物等；抗震性好，平面布置灵活，对结构体系适应性强；造价高，施工复杂，有噪音、卫生等环境。

（2）设计步骤

①调研、搜集设计资料；

②确定桩基持力层；

③选定桩材、桩型、尺寸、确定基本构造；

④.计算并确定单桩垂直承载力；

⑤.初拟桩的平面布置和数量；

⑥拟定承台尺寸和底面高程；

⑦验算，结构设计；

⑧绘结构施工图。

9地基处理

概述：

（1）对象：一般是软弱土地基和特殊土地基

（2）目的：①改善剪切特性，提高地基承载力；②改善地基土的压缩特性，增加其密实度；③改善其透水性，固结地基；④改善动力特性；⑤改善土的不良特性。

（3）特点：强度低、压缩性高、透水性小，通常无法满足建筑物对地基强度和变形条件的要求，因此工程中常需对此类地基进行加固处理。

（4）分类：地基处理的分类方法多种多样，按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度分为浅层处理和深层处理；按处理土性对象分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱和土处理；也可按地基处理的加固机理进行分类。因为现有的地基处理方法很多，新的地基处理方法还在不断发展，要对各种地基处理方法进行精确分类是困难的。

预压法：

（1）定义：预压法又称排水固结法，指直接在天然地基或在设置有袋状砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上，利用建筑物本身重量分级逐渐加载或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中孔隙水排出，提前完成土体固结沉降，逐步增加地基强度的一种软土地基加固方法。

（2）组成：加压系统和排水系统两部分组成。加压系统通过预先对地基施加荷载，使地基中的孔隙水产生压力差，从饱和地基中自然排出，进而使土体固结；排水系统则通过改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离，使地基在预压期间尽快地完成设计要求的沉降量，并及时提高地基土强度。

（3）适用范围：预压法适用于处理各类淤泥质土、淤泥及冲填土等饱和粘性土地基。

强夯法和强夯置换法：

（1）原理：是反复将夯锤（质量一般为100～400kN）提到一定高度使其自由落下（落距一般为10～40m），给地基以冲击和振动能量，从而提高地基的承载力，降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀强度，减小将来可能出现差异沉降。

（2）适用范围：处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。

（3）加固机理：采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。

10特殊土地基

特殊土：

（1）定义：由于不同的地理环境，气候条件，地质成因，历史过程，物质成分和次生变化等原因，具有与一般土明显不同的特殊性质。这些土的分布一般具有特定的范围和区域性，存在一定的规律，一般称为区域性特殊土。

（2）常见的特殊土：常见的特殊土地基种类——湿陷性黄土、软土、膨胀土、红粘土等构成的地基、冻土地基、山区地基等。

湿陷性黄土地基

（1）特征：干旱条件下形成的黄色粉质土，颗粒组成以粉粒为主，同时含有砂粒和粘粒。它含有大量的碳酸盐等可溶盐类。

（2）引起黄土湿陷的为两方面的因素：内因是黄土的结构特征与物质成分；外因是水的侵入与荷载的。

（3）判别依据：δs＜0.015，非湿陷性黄土，δs≥0.015，湿陷性黄土, 其中为δs湿陷系数。

膨胀土地基：

（1）分布特征：分布特征：膨胀土常出现在二级或二级以上的河谷阶地，山前丘陵和盆地的边缘。所处地形平缓，无明显的天然陡坎。

（2）物理特征:天然状态下，膨胀土呈坚硬或硬塑状，有黄，红，灰白等颜色。我国膨胀土的粘粒含量一般很高，粒径小于0.002mm的胶体颗粒含量超过20%，塑性指数 Ip。

（3）危害：①建筑物的破坏开裂具有地区性特点，开裂随气候变化呈反复变化的特征。以低层，轻型结构为主。因这类结构重量轻，整体性差，基础浅，易受外界的影响；②房屋稳，坡地上的建筑物容易受损；③引起边坡失;④膨胀土的胀缩特性也会引起路基，桥梁基础，堤防，涵洞及上部结构的破坏。

学后心得体会

回顾本学期所学的《土力学与地基基础》课程，我感觉到受益匪浅！我知道它将会为我以后的生活和事业抹平障碍！学习了这门课程后，我由以前对土的一

无所知到现在了解到了土的形成和大概成分。还知道了无黏性土和黏性土的一些性质；从以前对地基的一知半解，到了后来认识到了地基沉降的计算以及它的危害；从以前对基础这个概念的模模糊糊，到现在清楚的认识到了基础分为浅基础和深基础，以及它们的分类等一些基本情况；这些所学到的东西，都是非常实用的东西。对于我大四的实习来说，我觉得它也会起到很大的作用。

这学期重点了解的还是基础。这是一个非常基本但是又非常必需的知识点。每个工程在开始之前都需要进行勘察进行研究场地的地质情况，进而根据实际情况选用不同的地基基础结构。犹如浅基础和深基础分别在什么情况下使用，该如何使用需要注意哪些事项。这都是十分重要的东西。而学习的地基沉降量的计算和地基承载力的计算也将很好的帮助我们进而对基础的设计。在本课程的最后，我们还了解到了对地基的处理办法，这些也是日后进行项目施工过程中的实用技巧！

总而言之言而总之，这门课程对我将来的发展将会有很大的帮助。