土力学与地基基础(第二版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:李章政 主编 李光范、黄小兰 副主编

出版社:化学工业出版社

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土力学与地基基础(第二版)

土力学与地基基础(第二版)试读:

前言

前 言《土力学与地基基础》涵盖工程地质、土壤力学、岩土工程勘察和基础工程等方面的内容,主体可分为土力学和基础工程两部分。土力学属于力学原理和方法知识领域,它以地基土为研究对象,讨论应力和变形及强度、稳定等方面的问题,理论性较强;基础工程属于结构基本原理和方法知识领域,涉及地基基础设计,地基处理等方面的理论和技术,具有明确的专业性、实践性。有一些学校作为两门课程分别开设,也有一些学校作为一门课程讲授,本教材都具有适用性,可作为高等学校土木工程专业建筑工程方向或工民建方向、工程管理专业、工程造价专业等的教学用书。本书也可供广大工程技术人员参考。《土力学与地基基础》第2版是在第1版的基础上修订而成的。其主要工作体现在以下三个方面:一是按照现行国家标准、规范对书中的公式、提法进行校对,以减少差错;由于2015年版混凝土结构设计规范对HPB300级热轧光圆钢筋和HRB335级热轧带肋钢筋的直径选用做出了限制,不应超过14mm,因此对浅基础底板和桩基础承台的配筋算例,重新进行了解算。二是对一些章节进行了重写,以统一全书的风格,并删去了某些公式繁杂的理论推导,降低难度,使其更加符合初学者的需求。三是在保证基本内容和基本要求不变的前提下,对篇幅进行了适度压缩,以应对目前各高校课时普遍偏少的现实。修订时主要参考了《高等学校土木工程本科指导性专业规范》所提出的知识单元和知识点,现行《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)的有关条文。全书内容共12章,包括:绪论、工程地质概述、土的物理性质和工程分类、地基应力计算、地基沉降计算、土的抗剪强度和地基承载力、土压力和土坡稳定性、岩土工程勘察、浅基础设计、桩基础设计、软弱地基处理、区域性地基。比较系统地介绍了土力学的基本概念、基本原理,基础工程设计原理和方法,考虑了知识体系的系统性和实用性。书中选配了很多工程实际图片,以增强初学者的感性认识;各章还安排了大量的思考题、选择题和计算题,以巩固所学知识、掌握实际设计技能。完成全书教学任务,需要48~60学时。

本书第2版由四川大学李章政完成修订。书中如有不妥之处,敬请读者提出指正。编 者 2018年12月第1版前言

土力学与地基基础由土力学和基础工程两部分组成,前者属于基础理论,后者专业性极强。一些学校作为两门课程分别开设,另一些学校作为一门课程讲授,本教材都具有适用性,可作为高等学校土木工程专业建筑工程方向、工程管理专业、工程造价专业等的教学用书。本书也可供广大工程技术人员参考。

根据审定的教学大纲,全书内容包括绪论、工程地质概述、土的物理性质和工程分类、地基应力计算、地基沉降计算、土的抗剪强度和地基承载力、土压力和土坡稳定分析、岩土工程勘察、浅基础设计、深基础设计、软弱地基处理、区域性地基,一共12章。比较系统地介绍了土力学的基本概念、基本原理,基础工程设计原理和方法,考虑了知识体系的系统性和实用性。书中选配了很多工程实际图片,以增强初学者的感性认识;各章还安排了大量的思考题、选择题和计算题,以巩固所学知识、掌握实际设计技能。

全书由李章政主编。编写分工如下:武汉工业学院黄小兰编写第6、7章,海南大学李光范编写第4、5、10、11章,四川大学李章政编写第1、2、3、8、9、12章。

土力学既是经典学科,又在不断发展之中,基础工程也随着科学技术的进步而前进,但编者的学识和眼界都十分有限,书中难免存在疏漏和不妥之处,恳请读者批评指正。编 者 2010年10月第1章 绪论

本章内容包括土和土力学、地基与基础的概念,地基基础失效案例,学科发展简介等几个方面。

通过本章的学习,能了解土和土力学的概念,明白地基与基础的区别与联系,了解地基基础失效的教训,对地基基础的重要性有所认识,熟悉学科发展简史。1.1 土和土力学1.1.1 土的概念

地球表面上的岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积,形成的固体矿物、水和气体的集合体,工程上称之为土。也就是说土是岩石主要依靠物理风化和化学风化,并通过暴雨、洪水等作用进行剥蚀、搬运(图1-1),在流速缓慢的地方沉积下来而形成的混合物,有的土是岩石风化后未经剥蚀、搬运而留在原地的,还有一些土是通过风力搬运飘落地表沉积而成的。土中的固体矿物颗粒,形成骨架。颗粒之间的空间,形成孔隙。孔隙是相互连通的,其中充满水和气体。因此,土是由固体颗粒、水和气体所组成的三相(三种物态)物质,三者的成分及比例均对土的性质产生影响。图1-1 剥蚀、搬运

土与其他建筑材料相比,具有强度低、变形大、透水性大等特性。

土的强度指抗剪强度,由摩擦力或摩擦力和黏聚力组成。土的强度值为千帕(kPa)数量级,而建筑材料中的钢材、混凝土、砖石、木材等的强度值则是兆帕(MPa)数量级,相差很悬殊,所以土的强度比其他建筑材料的强度低得多。因为土颗粒之间联结很弱或无联结,在荷载作用下土颗粒很容易发生相对位移,土中水和气体从孔隙排出而使孔隙体积减小,所以土的变形较大。几种材料的弹性模量分别为,33HRB400级热轧带肋钢筋200×10MPa,C30混凝土30×10MPa,普通土<20MPa。由此可知,压应力与材料厚度相同时,土的压缩量比C30混凝土大千倍,比钢材大万倍。并且,土的变形并不是在加荷瞬间就完成的,而是要经历一定时间才能完成(排水固结),除了弹性变形外,还有部分不可恢复的塑性变形存在。

土颗粒之间具有无数连通的孔隙,水可以通过孔隙流动。砂、石的孔隙大,透水性很大;黏性土的孔隙小,透水性较小。无论如何,与混凝土等材料相比,土的透水性大。

土可以作为建筑材料直接利用,比如修筑土石坝、路基,砂土和碎石土中的砂、碎石作为混凝土的集料。在广大农村地区,还有一些村民居住在干打垒房屋内或土坯房内。这种房屋,以土坯或夯筑的土墙作为房屋结构的承重墙[图1-2(a)]。21世纪以来,不少地方都在积极改造土坯房,以改善居住环境。也有利用片石作为屋面材料之一[图1-2(b)],这在贵州的山区民居中较常见。土也是建筑材料中砖、瓦的直接材料,从秦砖汉瓦算起,已有二千多年的历史。土的另一个作用,就是作为建筑物或构筑物的地基,承受其上的所有荷载。图1-2 岩土在建筑上的直接应用1.1.2 土力学

土力学就是利用力学原理,研究土的应力、应变、强度、稳定和渗透性等特性及其随时间变化的规律的学科,它是以土为研究对象的力学,是力学的一个分支,更是地基基础设计的理论基础。

虽然土体有别于一般建筑材料,力学性能差异较大,不能完全照搬材料力学(或工程力学)、弹性力学的结果,但是,研究方法和手段却是相似的。一是理论探寻,土力学的研究在于寻找其力学行为的一般规律,这是理论工作者的追求;二是试验测定,通过试验可以验证理论公式的正确与否,还可以测定一些力学参数,监测建筑物的沉降与倾斜;三是计算机仿真分析,将土体离散为有限单元,进行各种数值计算,弥补理论求解中的不足,为建立理论提供帮助,为工程决策、设计提供依据。1.2 地基与基础1.2.1 建筑地基

支承基础的土体或岩体,称为地基。任何建筑物或构筑物都是建造在地层上的,地基是地层的一部分。基础上的压力通过一定深度和宽度的土体(或岩体)来传承,这部分土体(或岩体)就是地基。直接和基础底面接触的土层,称为基础的持力层,简称持力层。土层、地基和基础之间的关系,如图1-3所示。图1-3 土层、地基和基础之间的关系

地基包括岩石地基和土层地基两类。凡是未经人工处理就能满足设计要求的地基,称为天然地基;如地基软弱,则需要经过人工加固处理,才能满足设计要求,这样的地基称为人工地基。很明显,人工地基的施工成本高于天然地基。为了保证建筑物的安全,地基需要满足以下两个基本条件。

①稳定且具有一定的承载能力。在建筑物使用期间,地基不应发生开裂、滑移和塌陷等有害地质现象。并要求作用于地基上的荷载不超过地基的承载能力,防止发生剪切破坏。

②变形不超过允许值。地基变形导致建筑物产生的沉降、沉降差、倾斜和局部倾斜等量值不超过允许值,从而保证建筑物不因地基变形而发生开裂、损坏或者影响正常使用。1.2.2 建筑基础

将房屋上部结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分,称为基础。基础是建筑结构的最下面部分,通常位于地面以下,所以又称为下部结构。基础的作用是承上启下,即承担上部荷载,并将上部荷载和自身重量(重力)传递给地基。基础底面直接和地基接触,单位面积上的接触压力(地基和基础之间的作用与反作用),称为基底压力。因为地基的承载能力较低,所以基础底面尺寸要加以扩大,以减小基底压力,满足地基承载力和变形要求。同时,基础自身还应满足安全性、适用性和耐久性方面的功能要求。

基础底面到地面的距离,称为基础的埋置深度。根据埋置深度的不同,可将基础分为浅基础和深基础两类。通常把埋置深度d≤5m或d≤基底宽度b的基础,称为浅基础,如柱下单独基础[图1-4(a)]、墙下条形基础、筏形基础、箱形基础等;而对于浅层土质不良,需要利用深处良好地层的承载能力,采用专门施工方法和机具建造的基础,称为深基础,如桩基础[图1-4(b)]、沉井基础、沉箱基础和地下连续墙等。图1-4 典型的基础型式

基础的设计和施工,不仅要考虑上部结构的具体情况和要求,还要注意建筑场地土层的具体条件。基础和地基相互关联,不能忽视地基情况孤立考虑基础的设计和施工。虽然建筑物的地基、基础和上部结构的功能不同,研究方法各异,但在荷载作用下,它们是彼此联系、相互制约的一个整体。设计、施工一定要有整体思想、全局观念,全面地加以考虑,才能收到理想的效果。1.2.3 地基基础的重要性

万丈高楼从地起,地基与基础是整个建筑工程中的一个重要组成部分,是房屋的根基之所在。地基基础的重要性体现在以下两个方面。

①占用相当的造价和工期。基础工程位于地下或水下,施工难度较大,造价、工期和劳动力消耗量在整个工程中所占的比重也较大。有统计资料表明,我国多层建筑基础造价超过总造价的25%,工期占总工期的25%~30%。如果是人工地基或深基础,造价比重更大。高层和超高层建筑,还要增加基坑开挖和支护费用。

②属于隐蔽工程。基坑回填后,基础埋于地下,属于隐蔽工程,这里是施工管理或监理的重点工作之一,通常被确定为质量控制点。一旦发生地基事故,因在建筑物下方,整改不易或后果严重。所以,地基、基础的勘察、设计和施工质量,直接关系着建筑物的安危。统计资料表明,在工程事故中,以地基基础事故为最多。

设计时必须坚持因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源的原则;根据岩土工程勘察资料,综合考虑结构类型、材料情况与施工条件等因素,区分不同设计等级,精心设计。

根据地形复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度,《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)将地基基础设计分为甲级、乙级和丙级三个设计等级;《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)将桩基设计也分为甲、乙、丙三个等级。

各类建筑物的地基计算均应满足承载力计算的要求;设计等级为甲级、乙级的建筑物还应按地基变形条件设计,以防止因地基过度变形而致上部结构的破坏和裂缝。在满足承载力计算的前提下,应按控制地基变形的正常使用极限状态设计。设计等级为丙级的建筑物,一部分需要考虑地基变形,另一部分可不考虑地基变形。1.3 地基基础失效案例

经过长期的实践,人类在地基基础设计与施工方面均取得了不少成功的经验,使大量的高楼大厦如雨后春笋般出现在人们眼前,在解决城市人口激增、用地面积受限的矛盾方面,做出了重要贡献。但是,在工程实践中也出现了一些地基基础失效的教训,不容忘记。1.3.1 地基失效案例

地基失效表现为沉降过大或不均匀沉降过大、地基剪切破坏,其经典案例就是比萨斜塔、虎丘塔和特朗斯康谷仓。1.3.1.1 比萨斜塔

比萨斜塔,位于意大利西部古城比萨市,是比萨大教堂的钟楼,共8层,总高55m,如图1-5所示。图1-5 比萨斜塔

该塔于1173年破土动工,修建到4层24m高时出现倾斜。限于当时的技术水平,因不知原因而于1178年停工。一百年后的1272年重新开工,倾斜问题仍然不能解决,1278年又停工;1360年再次复工,直到1370年全塔竣工。该塔楼以斜闻名,伽利略曾在此做过自由落体的科学试验,现已成为意大利的重要旅游景点。

全塔总重大约14500t,塔北侧沉降超过1m,南侧下沉近3m,倾斜严重时塔顶偏离竖直中心线5m多。这是典型的地基不均匀沉降导致的倾斜。1932年曾经做过一次纠偏处理,当时在塔基灌注了1000t水泥,但未能奏效。21世纪初,经过科学家和工程技术人员的不懈努力,该塔的倾斜程度明显减小,加固取得成功。1.3.1.2 虎丘塔

虎丘塔位于苏州西北虎丘公园山顶,原名云岩寺塔,如图1-6所示。此塔落成于961年(宋太祖建隆二年),共7层,塔高47.5m,塔底直径13.66m。虎丘塔平面呈八角形,由外廊、回廊和塔心组成,砖砌体结构。1961年国务院将其列为重点文物保护单位。1980年测定塔身向东北方向倾斜,倾角2°47'2″,塔顶偏离中垂线2.31m。并且还发现,塔身东北面有若干垂直裂缝,西南面出现水平裂缝。图1-6 虎丘塔

经过岩土工程勘察,发现虎丘山由硬质凝灰岩和晶屑流纹岩构成,山顶岩面倾斜,西南高,东北低。塔的地基为1~2m厚的大块石人工地基,厚薄不均匀,人工地基下面的土层厚度也不均匀。土层厚度不均匀,压缩量自然不相等,也就会发生不均匀沉降,从而导致塔的倾斜。此外,南方多暴雨,雨水渗入地基块石层,冲走块石之间的细粒土,形成很多空洞,导致大量雨水下渗至地基土层,加剧了地基的不均匀沉降,这也是塔身倾斜的一个原因。

对虎丘塔斜塔进行过地基加固处理,其做法是先在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙,目的是避免塔基土流失和侧向变形,然后进行钻孔注浆和树根桩加固塔基,但效果并不理想。1.3.1.3 特朗斯康谷仓

加拿大特朗斯康谷仓,呈矩形平面,长度为59.44m,宽度为323.47m;谷仓高度为31.00m,总容积36368m。每排13个圆形筒仓,共布置5排,总计65个筒仓构成一个整体。基础为钢筋混凝土筏形基础,其中筏板厚度为61cm,埋深3.66m。

工程于1911年开工,1913年秋竣工。当年9月起,往谷仓中装稻3谷,仔细装载,均匀分布。10月,当装入稻谷31822m时,发现谷仓下沉,一小时内达到30.5cm,没有引起重视和采取有效措施,任其发展。24h内西端下沉7.32m,东端上抬1.52m,整个谷仓倾斜26°53',如图1-7所示。事后经过检查,钢筋混凝土筒仓除个别部位出现裂纹外,其余部分完好无损。图1-7 特朗斯康谷仓

该工程未做岩土工程勘察,根据邻近工程基槽开挖试验结果进行设计。谁知基础下有厚达16m的软土层,承载能力远低于设计采用值。在自重和稻谷重量共同作用下,基底实际压力远远大于地基土的极限承载力,引起土体整体剪切滑移破坏,致使结构下陷、倾斜。

纠偏复位措施,是在筒仓下增设70个支承于基岩上的混凝土墩,采用388个500kN量级的千斤顶,逐渐将倾斜的基础顶起来,使其水平,谷仓扶正。经过处理后,谷仓于1916年恢复正常使用,但标高比原来降低了4m。1.3.2 基础失效案例

基础失效通常是基础自身承载力不足(设计、施工原因或外荷载过大),基础可发生冲切破坏、剪切破坏和弯曲破坏等,轻者使房屋倾斜不能使用,重者会引起建筑物倒塌。1.3.2.1 德阳某商住楼

1995年12月5日,四川省德阳市旌阳区内一幢在建的商住楼发生倒塌,造成17人死亡。如图1-8所示为正在清理中的事故现场。

该楼房为八层现浇钢筋混凝土框架结构,灌注桩基础,基础承台厚500mm。事故原因在于,一侧框架柱将承台压穿(冲切破坏),直接刺入土层中达数米深,致使楼房瞬间倾倒,装修工人来不及逃生。图1-8 楼房倒塌现场

这是典型的基础事故。承台设计的承载力严重不足,在没有楼面活荷载的情况下,承台厚度都还不足以抵抗冲切破坏。1.3.2.2 莲花河畔景苑

2009年6月27日,上海市闵行区莲花南路“莲花河畔景苑”小区一幢13层楼顷刻倒覆,如图1-9所示。该楼房处于装修阶段,事故造成一名安徽籍民工死亡。图1-9 莲花河畔景苑

莲花河畔景苑小区共有十余幢楼房,倒塌的是7号楼,13层。事故调查组给出的倒楼原因是:紧贴7号楼的北侧在短期内堆土过高,最高处达10m左右;与此同时,紧邻大楼的南侧地下车库基坑正在开挖,开挖深度4.6m,大楼两侧的压力差使土体产生水平位移,过大的水平力超过了桩基的抗侧能力,预制桩断裂导致房屋倾倒。

经过检测和复核,勘察、设计符合要求,PHC管桩(高强度混凝土预应力管桩)质量符合规范要求。1.4 本学科的发展简况

土力学与地基基础这门学科,其发展经历了漫长的历史过程,是人类在长期的生产实践中知识和经验的不断积累,逐步发展起来的一门学科。它既是一门古老的工程技术,又是一门新兴的应用学科。1.4.1 古代经验积累

早在几千年以前,人类就懂得利用土进行建筑,如西安半坡村遗❶址,就有土台和石础存在,这是古代的地基基础。陕西考古工作者近年对西安附近的阿房宫遗址进行了考古发掘,发现了大型的夯土台基。夯土台基是人工夯筑的高于周围地面的土台,房屋修建在该夯土台基上,一方面显示建筑物的高大、雄伟,另一方面有利于及时排除雨水。夯土台基作为建筑物的地基,属于人工地基。古代宫殿和庙宇建筑大多采用夯土台基这种人工地基,如北京故宫的太和殿、乾清宫等都是坐落于高大的台基之上的。如图1-10所示为四川平武县报恩寺大殿,它同样坐落于高台上。图1-10 四川平武县报恩寺台基

古代建筑以木结构为主,不能像今天的钢筋混凝土结构那样,将承重柱埋于地面以下。木柱若埋于土中或与土直接接触,会因为潮气作用而致腐朽,影响耐久性。因此,在地基和木柱之间通常都要设置❷露出地面的石础(或石磉、础石、磉墩)。《鲁班经》曰:“……使过步梁、眉梁、眉枋,或使斗磉者,皆在地盘上停当。”“石磉切须安得正,地盘先要镇中心。”石础或石磉,又称垫基石或垫脚石,它是柱的基础,如图1-11所示。石础承受屋柱压力,并将压力传给地基。凡木架结构房屋,可谓是柱柱皆有础,缺一不可。石础的另一作用是使柱脚与地坪隔离,起到防腐作用,提高结构的耐久性。图1-11 柱下石础(础石)

石础用作一般木结构的基础,现代仍然采用。对于大型的宫殿或寺庙建筑,每柱传递的力相当大,需要扩大基础的底面积,减小基底压力。为此,古人发明了须弥座,代替石础。须弥座,又称金刚座,一般用砖或石砌成(实际上形成砖石砌体),上有凹凸线脚和纹饰,具有一定的艺术性,如图1-12所示。金刚座作为古代的建筑基础,类似于现代的无筋扩展基础;它还可以作为佛像的底座(基础),在寺庙中都能见到。佛像底座(基础)也可以做成莲花状,通常称为“莲花座”。更大规模的建筑采用几个须弥座相叠形成的基础,如北京故宫三大殿,山东曲阜孔庙大成殿。图1-12 须弥座

公元前二世纪修建的万里长城(秦长城)、明代修建的明长城,隋唐时期修建的京杭大运河、赵州桥,黄河大堤,西安城墙,古埃及金字塔,古罗马桥梁等著名工程,也都有坚固的地基与基础,经历地震、强风考验,留存至今。四川自贡等地的先民采用泥浆护壁钻探法打盐井,西北地区在黄土中修建窑洞,以及在建筑中采用料石垫基、木桩、石灰桩、灰土地基等做法,证明古代劳动人民在长期的实践中,积累了有关土力学与地基基础方面的宝贵知识和经验,取得了相当高的土木工程成就。为后来的总结提高,上升为科学理论奠定了基础。1.4.2 西方科学研究

18世纪欧洲工业革命开始以后,加快了铁路、水利设施、市政工程的建设步伐,出现了许多与地基土有关的问题,需要人们解决。土的力学问题研究成为当时的课题之一,涌现出了一批土力学研究的先驱。

1773年,法国学者库仑(Coulomb)根据对土的试验研究,创立了著名的土的抗剪强度公式,同时还提出了挡土墙的滑楔理论,建立了土压力计算公式。1857年,英国人朗肯(Rankine)研究了半无限体的极限平衡,通过与库仑不同的假定,提出另一种土压力理论。这对后来土体强度理论的发展起到了很大的促进作用。此外,1856年,法国工程师达西(Darcy)研究了砂土的渗透性,根据试验结果,提出了达西定律,用来分析土中渗流问题。1885年,法国人布辛奈斯克(Boussinesq)求得半无限弹性体在垂直集中力作用下,物体内任意一点的应力和位移的理论解答,这既是弹性力学的研究成果,又是地基附加应力计算和地基沉降计算的理论基础。以上这些理论和研究成果,对土力学的发展起到了很大的推动作用。

20世纪初,土力学的研究取得了较快发展。1920年,法国学者普朗特尔(Prandtl)根据塑性极限平衡理论,得到地基剪切破坏时的滑动面形状和极限承载力公式。1922年,瑞典工程师费兰纽斯(Fellenius)为解决铁路坍方问题,研究出土坡稳定分析方法。1924年,雷斯诺(Reissner)对普朗特尔极限承载力公式进行了修正。随后,太沙基也在普朗特尔研究的基础上提出了新的假定,得到地基土的极限承载力公式。正是因为太沙基,才使土力学从力学中分离出来成为一门独立的学科。1.4.3 当今独立学科

卡尔·太沙基(Karl Terzaghi,1883—1963,图1-13),美籍奥地利人,现代土力学的创始人,哈佛大学教授。在总结前人成果的基础上,他于1925年用德文撰写了第一本土力学专著《建立在土的物理学基础上的土力学》,使土力学正式成为一门独立学科,并培育了一批学术骨干。1936年召开第一届国际土力学与基础工程会议,名称为“Soil Mechanics & Foundation Engineering”,提交了大量的论文、研究报告和技术资料。此后,每隔4年左右就会召开一次国际盛会,学术氛围空前活跃,学科逐步走向成熟。20世纪70年代以后,国际会议将Soil Mechanics & Foundation Engineering改为Geotechnique(土工学)。图1-13 土力学家卡尔·太沙基

中华人民共和国于1962年召开全国第一届土力学与基础工程学术会议,此后,广大土力学工作者,在这一学科领域内辛勤耕耘,每隔几年就有一次全国性的学术交流、讨论,对促进国内土力学与地基基础的教学、科研起到了积极的作用。半个多世纪以来,广大学者和工程技术人员在该领域取得了令人瞩目的研究成果,不少人成为该领域的专家、院士。

随着试验仪器设备的现代化,土工测试手段有了长足的发展;计算机技术,给土力学的发展带来新的机遇,也使基础工程不论在设计环节,还是在施工技术方面都得到了迅速发展。人们已不满足于将地基、基础、上部结构三者各自脱离,分开计算的传统做法,对于复杂的建筑结构,可以考虑上部结构-地基-基础之间的共同作用,使内力、变形计算更切合实际。新的基础设计理论与施工技术也得到了迅速发展,比如出现了补偿性基础、桩-筏基础、桩-箱基础、巨型沉井基础等新的基础型式;在地基加固处理方面,诸如强夯法、沙井预压法、振冲法、深层搅拌法、压力注浆法、加筋土、CFG桩等方法,都得到了发展与完善。

虽然土力学与基础工程的理论、试验方法和施工技术都得到了迅猛的发展,达到了一定的高度,但工程实践中仍然会不断出现新的问题,等待人们去研究、去探索。实际工程问题解决了,具有经济效益和社会效益,同时也推动技术进步,学科发展。展望未来,土力学与基础工程的理论与实践将以更快的速度向前发展,并为人类的未来做出更大的贡献。思 考 题

1.1 什么是工程上所说的“土”?

1.2 何谓地基?如何分类?它起什么作用?

1.3 建筑物对地基有什么要求?

1.4 什么是基础?它与地基之间有什么联系?

1.5 地基基础的重要性如何体现?

1.6 地基失效和基础失效的主要原因有哪些?各有什么危害?

1.7 古代柱础石、须弥座为什么不直接埋入地下?选 择 题

1.1 建筑地基可分为天然地基和(  )两类。

A.人工地基  

B.岩土地基

C.须弥地基

D.莲花地基

1.2 建筑物的地基是(  )的一部分。

A.结构

B.基础

C.房屋

D.地层

1.3 基础底面到地面的距离,称为基础的(  )。

A.高度

B.埋置深度

C.厚度

D.长度

1.4 埋置深度为3m的柱下钢筋混凝土独立基础(单独基础)属于(  )。

A.浅基础

B.深基础

C.甲级基础

D.乙级基础

1.5 灌注桩基础属于(  )。

A.人工基础

B.天然基础

C.浅基础

D.深基础

1.6 砌体结构房屋的砖墙开裂,一般是由(  )引起的。

A.地基失稳

B.地基托换

C.地基变形

D.地基承载力

1.7 古代的夯土台是(  )。

A.人工地基

B.人工基础

C.军事建筑

D.建筑结构

1.8 所谓土的强度是指土的(  )。

A.抗压强度

B.抗拉强度

C.抗弯强度

D.抗剪强度

1.9 1925年(  )出版了第一本土力学专著,成为现代土力学的创始人。

A.库仑

B.太沙基

C.布辛奈斯克

D.朗肯

1.10 中国于(  )年召开了全国第一届土力学与基础工程学术会议。

A.1936

B.1949

C.1962

D.1978第2章 工程地质概述

本章讲述地质作用,地质构造,岩石的成因类型,土的成因类型,不良地质条件,地下水和土的渗透性。

通过本章的学习,应了解地质作用和地质构造的概念及类型;熟悉地质构造,岩石和土的成因类型;了解最常见的几种不良地质条件可能引起的地质灾害;了解地下水的基本概念,掌握达西定理,渗透系数测定。2.1 地质作用与地质构造

因为各类建筑物和构筑物无不建造于地球表面上,所以它们安全与否和工程地质关系密切。地球自形成起至今约60亿年的历史,在漫长的地质年代里,经历了一系列的演变过程,形成了各种类型的地质构造和地形地貌,以及复杂多样的岩石和土。2.1.1 地球的组成介绍

地球是太阳系的九大行星之一,形状像扁球体,平均半径约6400km。自外至内分为地壳、地幔和地核三个层圈。

地壳是地球层圈的最外层,为由岩石组成的硬壳。其底层为莫霍❶洛维奇界面。大陆上地壳平均厚度35km,海底地壳平均厚度6km。根据成分不同,地壳可分为上下两层,上层为花岗岩层,富含硅和铝,又称硅铝层;下层为玄武岩层,富含硅和镁,又称硅镁层。表面层因受大气、水、生物的作用,形成土壤层、风化壳和沉积层,建筑上的土就位于这一层。

地幔是地球内部构造的一个层圈,位于地壳以下,地核以上,又称中间层。地幔的下界在2900km深处,其组成物质具有固态特征。

地核是地球内部构造的中心层圈,位于地幔以下到地球中心的部分。地震波在该处的传播速度与在高压状态下铁的传播速度相等,据此推测地核可能是由高压状态下的铁、镍成分的物质所组成,因横波不能通过,故疑为液态。2.1.2 地质作用的概念

建筑物场地的地形、地貌和组成物质的成分、分布、厚度及特性取决于地质作用。所谓地质作用是指改变地球表面地貌形态,改变组成地壳的物质(岩石)成分与构造,破坏原来的岩石以及形成新的岩石等的自然作用。根据能量来源的不同,地质作用可分为内力地质作用和外力地质作用。2.1.2.1 内力地质作用

内力地质作用一般认为是由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用,如岩浆活动、地壳运动(构造运动)、变质作用等。(1)岩浆活动

岩浆是存在于地壳以下深处、高温(800~1200℃左右)、高压的复杂硅酸盐熔融体,金属硫化物、硫化物和富含挥发性成分组成的物质。岩浆活动可使岩浆沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表。岩浆冷凝后生成的岩石,称为岩浆岩。(2)地壳运动

地壳运动是指由地球内力引起的地壳内部物质缓慢变化的机械运动。它使地球表面海陆发生上拱和下拗,形成大型的构造隆起和凹陷,并使岩层发生各种形态的褶皱和断裂。地壳运动按照运动方式可以分为水平运动和升降运动。水平运动是指组成地壳的物质沿平行于地球表面方向的运动,这种运动使地壳受到挤压、拉伸或平移甚至旋转。如相邻块体分离、剪切、错开,它使岩层产生褶皱、断裂,形成峡谷、盆地等地质现象。升降运动是指组成地壳的物质沿垂直于地球表面方向的运动,主要表现为地壳上升或下降,如海洋和陆地的变化,地势高低的改变。(3)变质作用

在岩浆活动和地壳运动过程中,原岩(原来生成的各种岩石)处在特定的地质环境中(高温、高压及渗入挥发性物质如SO、HO、22CO等),由于物理化学条件的改变,使其在固态下改变其矿物成2分、结构和构造,从而生成另一种新类型岩石的过程,称为变质作用。经过变质作用形成新的岩石称为变质岩。简言之,变质作用就是岩石在风化带以下,受温度、压力和流体物质的影响,在固态下转变成新的岩石的作用。2.1.2.2 外力地质作用

外力地质作用是由于太阳辐射能和地球重力位能引起的地质作用。它是指地壳的表层在气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用下,使地壳不断地被风化、剥蚀,将高处物质搬运到低洼处沉积下来的过程。外力地质作用的方式,可以分为风化作用、搬运作用和沉积作用等种类。(1)风化作用

外力(包括大气、水,温度、生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用,统称为风化作用。如昼夜和季节的气温变化,可使地表各种原岩不断发生热胀脱离、冷缩开裂等机械破碎。水和水溶液的存在,可使原岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂等化学变化和机械破碎。动植物和微生物的活动,也可使原岩不断发生机械破碎和化学变化。(2)搬运作用

地表风化和剥蚀作用的产物分为碎屑物质和溶解物质,它们除了少量残留在原地外,大部分都被运动介质搬运走。自然界中的风化、剥蚀产物被运动介质从一个地方转移到另一个地方的过程称为搬运作用。搬运方式分为机械搬运和化学搬运两种:机械搬运主要是推移、跃移和载移等方式,化学搬运主要是胶体溶液和真溶液方式。(3)沉积作用

原岩风化产物——碎屑物质,在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外力作用下,被剥蚀、搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来,在漫长的地质年代里,沉积的物质逐渐加厚,在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下,使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结,硬化生成新的岩石的过程称为沉积作用。沉积过程中形成的岩石称为沉积岩。未经成岩作用所生成的沉积物,就是通常所说的土(图2-1)。图2-1 沉积物和沉积作用

外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积,是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件,而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作用在一定时间和空间范围内,以某一方面的作用为主导,例如,河流上游地区以剥蚀为主,下游地区以沉积为主,山地以剥蚀占优势,平原以沉积占优势。

内力地质作用与外力地质作用彼此独立而又相互依存,但对地壳的发展而言,内力地质作用一般占主导地位。它引起地壳的升降,形成地表的隆起和凹陷,从而改变了外力地质作用的过程。一般来说,地壳上升与剥蚀作用相联系,而地壳下降则与沉积作用相联系。因此,地壳的升降运动造成了地表起伏的基本轮廓,而剥蚀与沉积又力图破坏起伏不平的地表形态,将其削平补齐。

在地质作用下,地壳形成了各种类型的地形,称为地貌。地表形态可按其不同的成因划分为各种相应的地貌单元,如山地、丘陵、高原、平原、盆地等。地貌单元下部原来生成的、具有一定连续性的岩石称为基岩,而覆盖在基岩上的各种成因的沉积物称为覆盖土。山区覆盖土层较薄,基岩常露出地表,而平原地区覆盖层则往往很厚。2.1.3 地质年代分类

岩石与土的性质与其生成的地质年代有关。一般来说,生成年代越久远,岩土的性质越好。所谓地质年代就是指地壳上不同年代的岩石在形成过程中的时间和顺序,又分绝对地质年代和相对地质年代两种。绝对地质年代由放射性测定,它是根据岩层中放射性同位素蜕变产物的含量加以测定的,可明确说明岩石生成距今的年数;相对地质年代主要依据古生物学方法加以划分,说明岩石在生成时间上的新老顺序。

相对地质年代分为隐生宙和显生宙,宙下共分为五大代,每代分若干纪,每纪又细分为若干世,每世下面再分若干期。隐生宙内分太古代和元古代,显生宙里分古生代、中生代和新生代。

①太古代 距今24亿~45亿年。晚期有菌类和低等蓝藻存在,但可靠的化石记录不多。

②元古代 距今5.7亿~24亿年。蓝藻和菌类开始繁盛。至末期,无脊椎动物出现。

③古生代 距今2.3亿~5.7亿年

a.寒武纪 距今5.0亿~5.7亿年。红藻绿藻等开始繁盛。

b.奥陶纪 距今4.4亿~5.0亿年。藻类广泛发育。海生无脊椎动物非常繁盛。

c.志留纪 距今4.0亿~4.4亿年。至晚期,原始鱼类出现。

d.泥盆纪 距今3.5亿~4.0亿年。昆虫和原始两栖类出现,鱼类发展。

e.石炭纪 距今2.85亿~3.5亿年。蕨类大量繁荣,两栖类进一步发展,爬行类出现。

f.二叠纪 距今2.3亿~2.85亿年。裸子植物开始发展。

④中生代 距今6700万~2.3亿年

a.三叠纪 距今1.95亿~2.3亿年。裸子植物进一步发展,哺乳类出现。

b.侏罗纪 距今1.37亿~1.95亿年。苏铁、银杏、松柏繁荣,巨大爬行类(恐龙)发展,鸟类出现。

c.白垩纪 距今6700万~1.37亿年。被子植物大量发现。

⑤新生代 距今<6700万年

a.早第三纪 距今2500万~6700万年。分古新世,始新世,渐新世。植物和动物逐渐接近现代。

b.晚第三纪 距今100万~2500万年。分中新世和上新世。至晚期,人类出现。

c.第四纪Q 距今100万年以内。

在每一个地质年代中,都划分有相应的地层。对应于地质年代单位,地层单位分为界、系、统和阶(层)。在新生代中,距今最近的一个纪为第四纪,地表上的土几乎都是第四纪沉积物。在岩土勘察报告中会提到地基土的地质年代或地层单位,其对应关系见表2-1。表2-1 第四纪地质年代(第四系地层单位)细分表2.1.4 地质构造类型

地壳中的岩体由于受到地壳运动的作用而发生的连续或不连续的永久性变形所形成的种种构造形态,统称为地质构造。地质构造与建筑场地的稳定性密切相关。常见的地质构造有褶皱和断裂两种基本类型,如图2-2所示。图2-2 地质构造类型1,4—砂岩;2—页岩;3,5—石灰岩2.1.4.1 褶皱构造

褶皱构造也叫褶曲构造,是成层岩石受力作用水平形状遭受破坏而发生波状弯曲,但连续性没有受到破坏的一种构造变形,如图2-3所示。

褶皱构造的基本单元是褶曲,它是褶皱中的一个弯曲,如图2-4所示。向上隆起的部分叫背斜褶皱,向下弯曲的部分叫向斜褶皱。弯曲的中心部位叫核部,两侧部分叫翼。背斜的核部由较老的岩层组成,而且新岩层对称重复出现在老岩层的两侧,它在横剖面上的形态呈向上凸起状;向斜的核部由新岩层组成,翼部由老岩层组成,且对称重复出现在新岩层的两侧,它在横剖面上的形态呈向下凹曲状。图2-3 褶皱构造图2-4 褶曲

在褶曲山区,岩层遭受的构造变动常较大,故节理发育,地形起伏不平,坡度也较大。坡面倾斜方向与岩层倾斜方向相同的山坡称为顺向坡,其稳定性一般与岩层性质、倾角大小和有无软弱结构面有关;坡面倾斜方向与岩层倾斜方向相反的山坡称为逆向坡,其稳定性较好,如图2-5所示。对于顺向坡,如果施工开挖切去斜坡或坡脚,则上部岩体可能沿岩层层面发生滑动,此时应该修建挡土结构(挡土墙)或做护坡工程。如果在逆向坡的A处修建房屋或构筑物,则无滑坡隐患存在。图2-5 顺向坡与逆向坡2.1.4.2 断裂构造

在地壳运动的作用下,岩层丧失了原有的连续完整性,在其内部产生了许多断裂面,统称为断裂构造,如图2-6所示。根据断裂面两侧岩层(岩体)有无显著相对位移,断裂构造可分为节理和断层两种类型。(1)节理

沿断裂面两侧的岩体未发生位移或仅有微小错动的断裂构造称为节理,如图2-7所示。节理多半成群出现,大小不一,有的相互平行,有的纵横交错。它是矿液和地下水的良好通道和沉淀场所,也是岩石容易风化的地带。图2-6 断裂构造图2-7 节理(2)断层

沿断裂面两侧的岩体发生了显著的位移的一种断裂构造称为断层。断裂面又称为断层面,断层面两侧的岩块称为“盘”。如果断层面是倾斜的,则断层面以上的一盘称为上盘,断层面以下的一盘称为下盘。根据断层两盘的相对移动的性质,断层可以分为正断层、逆断层和平移断层三类,如图2-8所示。上盘相对下降,下盘相对上升的断层为正断层;上盘相对上升、下盘相对下降的断层为逆断层;断层面竖直,两盘直立,在水平方向发生相对错动,称为平移断层。图2-8 断层分类

地壳中的断层活动,往往不是局限在一个断层面上进行的,而是沿着断裂面运动。因此,断层不是一个单纯的面,而是具有一定宽度的带。断层规模越大,这个带就越宽,破坏程度也越严重。断层规模大小不一,小的几米,大的几百公里,甚至数千公里。断层活动,往往会导致地震,因此不宜在断层上建造永久性建筑物或构筑物。2.2 岩石的成因类型

组成地壳的岩石,都是在一定的地质条件下,由一种或几种矿物自然组合而成的矿物集合体。集合体中的这些矿物称为造岩矿,其成分、性质及其在各种因素下的变化,都会对岩石的强度和稳定性产生影响。2.2.1 岩石的矿物成分

矿物是组成岩石的细胞,是地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。地壳上已发现的矿物有三千多种,但常见的造岩矿物仅三十多种,按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。

原生矿物一般由岩浆冷凝而成,如石英、长石、辉石、角闪石、云母等。石英的化学成分为二氧化硅(SiO),三方晶系,晶体呈六2方柱状,颜色不一,无色透明的晶体称为“水晶”。长石为长石族矿物的总称,为钾、钠、钙以及钡的铝硅酸盐;长石族矿物是分布最广的构造矿物,见于各种岩石中。辉石为辉石族矿物的总称,是镁、铁、钙、钠等的硅酸盐或铝硅酸盐。角闪石为角闪石族矿物的总称,是镁、铁、钙、钠等的硅酸盐或铝硅酸盐,在成分上以含(OH)区别于辉石族。云母为云母族矿物的总称,为钾、镁、锂、铝等的铝硅酸盐,单斜晶系,集合体为鳞片状,商业上多称“千层纸”。

次生矿物通常由原生矿物风化产生或由水溶液中析出产生。如由长石风化形成高岭石,由辉石或角闪石风化形成绿泥石;从水溶液中析出方解石和石膏。高岭石的化学成分为,因最初在我国江西景德镇附近的高岭地方发现而得名,常成致密块状集合体,又称为“高岭土”或“瓷土”;绿泥石为绿泥石族矿物的总称,化学成分(Mg,Al,Fe)[(Si,Al)O](OH);方解石的64108化学成分为CaCO;石膏的化学成分为CaSO·2HO。 3422.2.2 岩石的成因类型

自然界中的岩石种类繁多,按其形成原因(成因)可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三类。2.2.2.1 岩浆岩

岩浆岩又称火成岩,是由地球内部的岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝后形成的岩石。岩浆在地表以下冷凝形成的岩浆岩称为侵入岩,岩浆喷出地表后冷凝形成的岩浆岩称为喷出岩。

岩浆岩的矿物成分有两类,一类是石英、正长石、斜长石、云母等含铝硅酸盐矿物,为浅色矿物;另一类是角闪石、辉石、黑云母、橄榄石等含铁镁硅酸盐矿物,为深色矿物。岩浆岩的结构,根据矿物的结晶程度、颗粒大小和均匀程度,分为显晶质、隐晶质、玻璃质和斑状四种结构。显晶质结构是岩石中的矿物以肉眼可见的结晶颗粒为主所组成的结构,为侵入岩所特有;隐晶质、玻璃质和斑状结构是岩浆喷出地表后迅速冷凝而成,为喷出岩所特有。

岩浆岩可根据二氧化硅的含量进行分类:①超基性岩(SiO含量2<45%);②基性岩(SiO含量45%~52%);③中性岩(SiO含量2252%~66%);④酸性岩(SiO含量>66%)。2

常见的岩浆岩有花岗岩、花岗斑岩、正长岩、闪长岩、安山岩、辉长岩、玄武岩等。

花岗岩也称花岗石,俗称麻石,是分布最广的侵入岩。其构造致密、强度高、密度大、吸水率极低、质地坚硬、耐磨,属酸性硬石材。因其不易风化,外观色泽可保持百年以上,所以广泛应用于室内外地面、墙面,也用于纪念性雕像(图2-9)。图2-9 花岗岩雕像

玄武岩是分布最广的基性喷出岩。在我国西南诸省有二叠纪玄武岩,东部有第三纪及第四纪玄武岩。如图2-10所示为峨眉山金顶附近的二叠纪玄武岩,色深、质硬。玄武岩除本身可用作优良耐磨耐酸的铸石原料外,其气孔中往往充填有铜、钴、冰洲石等有用矿产。其中冰洲石的化学成分为CaCO,无色透明且具有显著的双折射现象,3是光学仪器中的一种重要材料。图2-10 峨眉山二叠纪玄武岩2.2.2.2 沉积岩

沉积岩是在地表条件下,由原岩(岩浆岩、变质岩和早期的沉积岩)经风化剥蚀作用形成的岩石碎屑、溶液析出物或有机质等,经流水、风、冰川等搬运到陆地低洼处或海洋中沉积,再经成岩作用(压紧或化学作用硬结)而形成的岩石。沉积岩分布广,约占地球表面积的3/4。

沉积岩的成分包括矿物和胶结物。矿物中有石英、长石、云母等原生矿物,也有方解石、白云石、石膏、黏土矿物等次生矿物。其中黏土矿物、方解石、白云石是沉积岩所特有的,是区别于岩浆岩的一个重要特征。胶结物按其硬度与抗风化力的大小,有硅质(SiO)、2钙质(CaCO)、铁质(FeO、FeO)和泥质四种。沉积岩的结构,323按成因和组成物质不同,分为碎屑结构、泥质结构、化学结构和生物结构四种。

沉积岩的构造最显著的特征是具有层理。这是它区别于其他岩类最明显的特征之一。所谓层理,就是在垂直于沉积岩层的方向上,由于沉积过程中沉积环境的变化,而使沉积物质成分、颗粒大小、形状或颜色的不同而显示出的成层现象。如图2-11所示为典型层理构造,层与层之间的接触面叫层面,上下层面之间的垂直距离叫岩层的厚度。

常见的沉积岩有砾岩、砂岩、石灰岩、凝灰岩、泥岩、泥灰岩、页岩等。

砂岩是颗粒直径为0.1~2mm的砂粒经胶结而成的碎屑沉积岩,分布很广。如图2-12所示为唐代在砂岩上开凿的大佛石像—乐山大佛,该处砂岩为红色,较易风化。

石灰岩,俗称“青石”,是一种在海、湖盆地生成的灰色或灰白色沉积岩,如图2-13所示。它是烧制石灰的主要原料,在冶金、水泥、玻璃等工业及建筑行业中有广泛的用途。石灰石经过水溶蚀后,形成多孔且玲珑剔透,太湖石是其代表。太湖石用于庭院或园林,可叠成假山,在江南园林艺术中占有重要地位。图2-11 层理构造图2-12 砂岩大佛图2-13 石灰岩与太湖石

页岩是由各种黏土经压紧而成的黏土岩,是沉积岩中分布最广的一种岩石,页岩层理明显,沿层理易剥成薄片。页岩颜色不定,一般为灰色、褐色或黑色。常见类型有钙质页岩、硅质页岩和碳质页岩等。页岩砖(图2-14)已替代黏土砖,广泛用作墙体材料。

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