土力學(xué)地基基礎(chǔ)知識(shí)
一、緒論
1.1 土力學(xué)、地基及基礎(chǔ)的概念
1. 土：土是連續(xù)、堅(jiān)固的巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積而形成的散粒堆積物。
2. 地基：地基是指支撐基礎(chǔ)的土體或巖體。（地基由地層構(gòu)成，但地層不一定是地基，地基是受土木工程影響的地層）
3. 基礎(chǔ)：基礎(chǔ)是指墻、柱地面下的延伸擴(kuò)大部分，其作用是將結(jié)構(gòu)承受的各種作用傳遞到地基上的結(jié)構(gòu)組成部分。（基礎(chǔ)可以分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)）
4. 持力層：持力層是指埋置基礎(chǔ)，直接支撐基礎(chǔ)的土層。
5. 下臥層：下臥層是指臥在持力層下方的土層。（軟弱下臥層的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于持力層的強(qiáng)度）。
6. 基礎(chǔ)工程：地基與基礎(chǔ)是建筑物的根本，統(tǒng)稱為基礎(chǔ)工程。
7. 土的工程性質(zhì)：土的散粒性、滲透性、壓縮性、整體強(qiáng)度（連接強(qiáng)度）弱。
8. 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須滿足的條件：①?gòu)?qiáng)度條件（按承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)）：即結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載不超過結(jié)構(gòu)的承載能力 pf；②變形條件：按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，即控制基礎(chǔ)沉降的范圍使之不超過地基變形的允許值 s
二、土的性質(zhì)及工程分類
2.1 概述
土的三相組成：土體一般由固相（固體顆粒）、液相（土中水）、氣相（氣體）三部分組成，簡(jiǎn)稱為三相體系。
2.2 土的三相組成及土的結(jié)構(gòu)
（一）土的固體顆粒物質(zhì)分為無(wú)機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)。礦物顆粒的成分有兩大類：（1）原生礦物：即巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長(zhǎng)石、云母等。（2）次生礦物：系原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用后而形成的新的`礦物（如
粘土礦物）。它們的顆粒細(xì)小，呈片狀，是粘性土固相的主要成分。次生礦物中粘性礦物對(duì)土的工程性質(zhì)影響最大 —— 親水性。
粘土礦物主要包括：高嶺石、蒙脫石、伊利石。蒙脫石,它的晶胞是由兩層硅氧晶片之間的夾一層鋁氫氧晶片所組成稱為2:1型結(jié)構(gòu)單位層或三層型晶胞。它的親水性特強(qiáng)工程性質(zhì)差。伊利石它的工程性質(zhì)介于蒙脫石與高嶺石之間。高嶺石，它是由一層硅氧晶片和一層鋁氫氧晶片組成的晶胞，屬于1:1型結(jié)構(gòu)單位層或者兩層。它的親水性、膨脹性和收縮性均小于伊利石，更小于蒙脫石，遇水穩(wěn)定，工程性質(zhì)好。
土粒的大小稱為粒度。在工程性質(zhì)中，粒度不同、礦物成分不同，土的工程性質(zhì)也就不同。工程上常把大小、性質(zhì)相近的土粒合并為一組，稱為粒組。而劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。土粒粒組先粗分為巨粒、粗粒和細(xì)粒三個(gè)統(tǒng)稱，再細(xì)分為六個(gè)粒組：漂石（塊石）、卵石（碎石）、礫粒、砂粒、粉粒和黏粒。
土中所含各粒組的相對(duì)含量，以土�？傊氐陌俜�?jǐn)?shù)表示，稱為土的顆粒級(jí)配。土的級(jí)配曲線的縱坐標(biāo)表示小于某土粒的累計(jì)質(zhì)量百分比，橫坐標(biāo)則是用對(duì)數(shù)值表示土的粒徑。由曲線形態(tài)可評(píng)定土顆粒大小的均勻程度。若曲線平緩則粒徑大小相差懸殊，顆粒不均勻，級(jí)配良好；反之，則顆粒均勻，級(jí)配不良。 工程中常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)反映土顆粒的不均勻程度。
dCu60
d30Ccd30d10d602
d10—小于某粒徑的土粒質(zhì)量總土質(zhì)量10%的粒徑，稱為有效粒徑；
d30—小于某粒徑的土粒質(zhì)量總土質(zhì)量30%的粒徑，稱為中值粒徑；
d60—小于某粒徑的土顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的60%的粒徑，稱限定粒徑。 工程上對(duì)土的級(jí)配是否良好可按如下規(guī)定判斷
① 對(duì)于級(jí)配連續(xù)的土: Cu5，級(jí)配良好；Cu5，級(jí)配不良。
② 對(duì)于級(jí)配不連續(xù)的土，級(jí)配曲線上呈臺(tái)階狀，采用單一指標(biāo)Cu難以全面有效地判斷土的級(jí)配好壞，需同時(shí)滿足Cu5和Cu13兩個(gè)條件時(shí)，才為級(jí)配良好，反之級(jí)配不良。
確定土中各個(gè)粒組相對(duì)含量的方法稱為土的顆粒分析試驗(yàn)
① 篩分法（對(duì)于粒徑大于0.075mm的粗粒土）
② 沉降分析法（對(duì)于粒徑小于0.075mm的細(xì)粒土）有密度計(jì)法和移液管法
（二）土中水按存在形式分為液態(tài)水、固態(tài)水和氣態(tài)水。固態(tài)水又稱為內(nèi)部晶格水或內(nèi)部結(jié)合水，是指存在于土粒礦物晶體格架內(nèi)部或是參與礦物構(gòu)造的水；土中的液體水分為結(jié)合水和自由水（有重力水和結(jié)合水兩類）。結(jié)合水是受電分子作用吸附于土粒表面成薄膜狀的水。它又可以細(xì)分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水（弱結(jié)合水的水膜厚度對(duì)工程性質(zhì)影響很大）。自由水是存在于土粒表面電場(chǎng)影響范圍以外的土中水。自由水按所受作用力的不同可以分為重力水和毛細(xì)水。重力水是存在于地下水位以下、土顆粒電分子引力范圍以外的水。毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力的作用、存在于地下水位以上的透水層中的自由水。若毛細(xì)水上升至地表，會(huì)引起土質(zhì)鹽漬化、沼澤化，而且會(huì)使地基潤(rùn)濕，強(qiáng)度降低，變形增大。在寒冷地區(qū)還會(huì)促使土的凍脹，地下室會(huì)過分潮濕，故在工程中要注意防潮、防凍。
（三）土中氣體存在于空隙中未被水占據(jù)的部分。封閉氣體對(duì)土的工程性質(zhì)影響較大。
土的結(jié)構(gòu)是指土顆粒或集合體的大小和形狀、表面特征排、列形式以及它們之間的連接特征，而構(gòu)造是指土層的層理、裂隙和大空隙等宏觀特征，亦稱為宏觀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)土的性質(zhì)影響很大，一般分為單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)及絮凝結(jié)構(gòu)三種基本類型。單粒結(jié)構(gòu)——無(wú)粘性土特有的結(jié)構(gòu)，形成原因?yàn)轭w粒大、靠自重、引力小，單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的，可以是緊密的。緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土是較為良好的天然地基。疏松單粒結(jié)構(gòu)的土如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)——粘性土特有的結(jié)構(gòu)，形成原因是顆粒小、靠聯(lián)合、引力大、有連結(jié)。類型有蜂窩結(jié)構(gòu)（粉粒0.0750.005）和絮凝結(jié)構(gòu)（粘粒0.075）。絮凝沉積形成的土在結(jié)構(gòu)上是極不穩(wěn)定的，隨著溶液性質(zhì)的改變或震蕩后可重新分散。
土的構(gòu)造最主要的特征就是層理性，即層理構(gòu)造。
2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)
土的九個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo)（其中有三個(gè)基本指標(biāo)）
A、三個(gè)基本指標(biāo)
①土的天然密度ds：土體單位體積的質(zhì)量。
②土的含水量w：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比。 mw100% msmv
③土粒相對(duì)密度：土的固體顆粒質(zhì)量與同體積4°C
時(shí)純水的質(zhì)量之比。 dsms1s vsw1w1，等于1 g/cm3或1 t/m3。 wl—純水在40C的密度（單位體積的質(zhì)量）
ds可在實(shí)驗(yàn)室采用“比重瓶法”測(cè)定。
B、反映土單位體積質(zhì)量（或重力）的指標(biāo)
①土的干密度d：土單位體積中固體顆粒部分的質(zhì)量，稱為土的干密度，并以d表示，dms v
②土的飽和密度w： 土孔隙中充滿水時(shí)單位體積質(zhì)量。一般在1.8～2.3范圍內(nèi)。
③土的有效密度（或浮密度）：地下水位以下，單位體積中土粒的質(zhì)量扣除同體積的水的質(zhì)量后，即單位土體積中土粒的有效質(zhì)量′msVsw V
C、反映土孔隙特征、含水程度的指標(biāo)
①土的孔隙比e（用小數(shù)表示）：土中孔隙體積與土粒體積之比，稱為土的孔隙比e 。eVv VS
②土的孔隙率n：土中孔隙比于總體積的比值（用百分?jǐn)?shù)表示）稱為土的孔隙率n 。
eVw100% Vv
孔隙比和孔隙率都是反映土體密實(shí)程度的重要物理指標(biāo)。一般e﹤0.6的土是密實(shí)的，土的壓縮性小;e﹥1.0的土是疏松的壓縮性高。
③土的飽和度Sr（反映土潮濕程度的物理性質(zhì)的指標(biāo)）
土中水的體積與空隙體積之比稱為土的飽和度，以百分率計(jì)。srvw100%vv
2.4 無(wú)黏性土的密實(shí)度
判斷無(wú)黏性土的密實(shí)度最簡(jiǎn)單的方法是用空隙比e表示，但是由于顆粒的形狀和級(jí)配對(duì)土的孔隙比有著很大的影響，所以，工程中常用相對(duì)密實(shí)度表示。
Dremaxe
emaxemin
根據(jù)Dr（ 一般以百分?jǐn)?shù)表示）的值可以把砂土的密實(shí)狀態(tài)分為三種： 1Dr0.67 密實(shí)
0.67Dr0.33 中密
0.33Dr0 松散
還可以通過采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)的錘擊數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)砂類土的密實(shí)度，根據(jù)N可將砂土分為松散、稍密、中密與密實(shí)四種密實(shí)度。如果是碎石可以根據(jù)野外鑒別方法劃分為密實(shí)、中密、稍密、松散四種密實(shí)度狀態(tài)。
2.5 黏性土的物理特性
①黏性土的概念
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