中南大学土力学与基础工程课件 土力学1-第一章

四、地基与基础课程的特点和学习方法
一、特点：（1）本课程涉及水文地质学、工程地质学、土力学等几个 学科领域，内容广泛、综合性强。 （2）课程理论性和实践性均较强。
项目一土的物理性质及工程分类
能力目标
➢ 掌握土的物理性质与土的工程分类 ➢ 了解土的三相组成 ➢ 掌握土的物理性质指标及三相比例指标之间的换算关系 ➢ 熟悉无钻性土、钻性土的物理状态指标 ➢ 掌握相对密度、塑限、液限、塑性指数和液性 指数等基本概念 ➢ 熟悉规范对地基土的工程分类方法 ➢ 掌握砂土、钻性土的分类标准
如前所述，土由固体颗粒(固相)、水(液相)和气体(气相)组 成。为了便于说明和计算，通常用土的三相组成图来表示它们 之间的数量关系，如上图所示。三相图的右侧表示三相组成的 体积关系，左侧表示三相组成的质量关系。
三、地基与基础理论的发展
▪ 1773年 ▪ 1857年 ▪ 1885年
▪ 1925年 ▪ 1936年 ▪ 1949年
• 法国的库仑-砂土抗剪强度理论与土压力理论 英国朗肯—朗肯土压力理论
法国布新奈斯克（Boussinesq）—弹性半空间解 美国太沙基—《土力学》专著与有效应力原理 美国召开第一次国际土力学及基础工程会议 我国土力学研究进入发展阶段
绪论
➢ 一、土力学、地基及基础的概念 ➢ 二、地基与基础研究的内容 ➢ 三、地基与基础理论的发展 ➢ 四、地基与基础课程的特点和学习方法
一、土力学、地基及基础的概念
一、土力学、地基及基础的概念
建筑物
上部结构 基础 地基
建构筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。受建构筑物影响的那 一部分地层称为地基（指支承基础的土体或岩石）；
任务一土的成因与组成
粒组名称 漂石(块石) 卵石(碎石)

质量
重度一般在26～28.5kN/m3
比重瓶法 浮称法 浮力法 虹吸筒法
3、土的含水率：土中
水的质量与土粒质量之 比。
ma(0)
A
W S
V
a
Vv V Vs
mw
Vw
mw m w= × % 100 ms ms 土中水的质量 = × % 100 土中颗粒的质量
质量
体积 土的三相图

含水率的影响因素
土层所处的自然条件 土的空隙体积数量等
筛孔径（mm）
各级筛上的土粒质量 （g） 小于各级筛孔径的土 粒含量（％） 各粒组的土粒含量 （％）
2.0
100 90 10
1.0
100 80 25
0.5
250 55 30
0.25
300 20.1 底盘
50 10 100
解：（1）留在2.0mm筛上的土粒质量为100g，则小于2.0mm 的土粒质量为1000－100＝900g，小于2.0.mm的土粒含量为 900/1000＝90％；同理可得小于其它孔径的土粒含量。 （2）因小于2.0mm和小于1.0mm孔径的土粒含量90％和80％ ，可得2.0mm到1.0mm粒组的土粒含量0.90－0.80＝10％。
小土的渗透性。
第二节 土的颗粒特征
土的固体颗粒对土的性质的影响：矿物成分（前）、粒度成分 粒度：土粒大小是描述土的最直观和最简单的标准，将土粒 的大小称为粒度。 粒组：描述土的粒度的方法，随颗粒的大小不同，土具有不同 的性质，工程上常把大小相近的土粒合并为一个粒组。 划分粒组 的原则 在同一个粒组内，土的工程地质性质是相似的
ma(0) m mw ms
2、干密度（重度）：土的固体
颗粒质量（重力）与土的总体积

压力理论，这对后来土体强度理论的发展起了很大的促进作用。


瑞典费兰纽斯(Fellenius，1922)为解决铁路坍方提出了土坡稳
定分析法。
通过许多研究者的不懈努力、经验积累，到1925 年，美国太沙基(Terzaghi)在归纳发展以往成就的基 础上，发表了第一本《土力学》(Erdbaumechanik) 专著，1929年又与其他作者一起发表了《工程地质 学》(lngenieurgeologie)。从此土力学与基础工程 就作为独立的学科而取得不断的进展。从1936年至 今，召开了多届“国际土力学与基础工程学术会议。 许多国家和地区也都开展了类似的活动，交流和总结 本学科新的研究成果和实践经验，并定期出版土力学 与基础工程的杂志刊物，这些对本学科的发展都起到 了推动作用。
虎丘塔地质剖面图
渗透破坏－ Teton坝
损失： 直接8000万美元，起 诉5500起，2.5亿美元， 死14人，受灾2.5万人， 60万亩土地，32公里 铁路
概况： 土坝，高90m，长1000m，建于 1972-75年，1976年6月失事
原因： 渗透破坏－水力劈裂
碰头的筒仓
这两个筒仓是 农场用来储存饲料 的，建于加拿大红 河谷的Agassiz （ 阿加西）粘土层上 ，由于两筒之间的 距离过近，在地基 中产生的应力发生 叠加，使得两筒之 间地基土层的应力 水平较高，从而导 致内侧沉降大于外 侧沉降，仓筒向内 倾斜。
2、学习本课程的任务
学习土力学的基本原理和主要概念，运用这些 原理和概念并结合建筑结构设计方法和施工知识， 会分析和计算地基基础问题。
3、方法 理论实践相结合，因为这门课是实践性很强的学 科，仅仅有书本上知识还是远远不够的，必须在实 践锻炼中才能真正提高。 三、本学科的发展概况 国内早期：

第一章土的物理性质及工程分类填空题：1、土（区别于其它工程材料）主要工程特性是_________、__________和渗透性大。

2、土是由__________风化生成的松散沉积物。

它由__________、__________和气体三相组成的。

3、砂土是指粒径大于__________的颗粒不超过总质量50％，而粒径大于__________的颗粒超过总质量50％的土。

4、土的含水量为土中的__________与__________之比。

5、工程上按__________的大小对粘性土进行分类，将粘性土分为粘土和粉质粘土两大类。

粘性土的软硬状态由__________划分，据其将粘性土分为坚硬、硬塑、可塑、流塑五种不同的状态。

6、作为建筑地基的土，可分为__________、碎石土、__________、粉土、__________和人工填土。

7、工程上常用不均匀系数Cd来反映粒径级配的不均匀程度，把__________的土看作级配均匀，把__________的土看作级配良好。

8、在土的三相比例指标中，三项基本的试验指标是__________、__________和__________，它们分别可以采用__________、__________和比重瓶法。

选择题：1、下列指标可用来评价砂土密实度的是（）。

（A）、含水量（B）、孔隙比（C）、土粒比重（D）、相对密实度2、颗粒级配曲线很陡时说明（）。

（A）、颗粒分布范围较小（B）、颗粒分布范围较大（C）、颗粒形状为扁平状（D）、颗粒形状为针状3、不同状态下同一种土的重度由大到下排列顺序是（）。

（A）、γsat≥γ≥γd＞γ’（B）、γsat≥γ’≥γ＞γd（C）、γd≥γ≥γsat＞γ’（D）、γd≥γ’≥γ＞γsat4、不均匀系数的表达式为（）。

（A）、（B）、（C）、（D）、5、由某土的颗粒级配曲线获得，，则该土的不均匀系数Cu为（）。

（A）50%（B）6（C）、155（D）、10.9356、在土的三相比例指标中，通过土工试验直接测定的是（）。

0
p1/ 4
说明：当地下水位上升时，地基的承载力将降低
第六章 地基承载力
§6.1 概述 √ §6.2 地基临塑压力 √ §6.3 地基极限承载力的理论近似解 §6.4 按《规范》确定地基承载力 §6.5 原位测试确定地基承载力
§6.3 地基极限承载力的近似解
一、普朗特—维西克理论
45o＋ / 2 45o－ / Ⅰ 2 Ⅱ Ⅱ

铁路桥涵地基基础设计规范
TB10002.5—2005
J464—2005

建筑地基基础设计规范
GB50007—2002

铁路桥涵地基基础设计规范
一、基本容许承载力 指基础宽度b≦2m，埋置深度H≦3m 时的承载力，一般以σ0表示
Q4年代：液性指数和孔隙比，表6-3
粘性土
Q3年代：压缩模量，表6-4 残积土：压缩模量，表6-5
§6.5 按原位测试确定地基承载力
一、载荷试验法 二、静力触探试验法 三、动力触探试验法 四、标准贯入试验法 五、旁压试验法 六、十字板试验法
本章作业 P191 6-7,6-8
c.计算内摩擦角和粘聚力 的标准值
k ck c c
2.确定地基承载力特征值
当e≤0.033b，根据土的抗 剪强度指标确定地基承载力
f a M bb M d m d M c征值
Mb、Md、Mc ——承载力系数（可根据k查表得到)
P
d Ⅲ
c
b
Ⅲ c
d
Ⅰ区：主动朗肯 区， 1竖直向， 破裂面与水平面 成45o＋/2
Ⅱ区：普朗特区， 边界是对数螺线
Ⅰ： 将无限长，底面光滑的荷载 板至于无质量的土(＝0)的表面上， 荷载板下土体处于塑性平衡状态时， 塑性区分成五个区

Es
p
e e0 e 孔隙 固体 颗粒
e a p
1 e0 Es a
1 a mv Es 1 e 0
e 1 e0
体积压缩系数
1
压缩指标间的关系
e
0.9
1
Cc
特点：在压力较大部分， 接近直线段 反映了土的应力历史
0.8
0.7 0.6
1 Cs
侧限压缩试验指标汇总
先期固结压力：土层历史上所经受到的最大压力p
如土层当前 承受的自重 压力为s
p= s：正常固结土 p> s：超固结土
p< s：欠固结土
超固结比： OCR
p s
OCR=1：正常固结 OCR>1：超固结 OCR<1：欠固结

相同s 时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小
压力 Pf 破坏荷载 P极限荷载 k P l 比例极限
沉 降 曲 线
S
D S 沉降量
五、旁压试验
自学
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
§4.1 概述 §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论
§4.3 一维压缩性及其指标
常规三轴：
• 存在破坏应力
z=p
侧限压 缩试验 常规三 轴试验
侧限压缩试验：
• 不存在破坏应力 • 存在体积压缩极限
e0 ( 1 e0 )
z
变形模量 E 与侧限变形模量 Es间的关系 虎 克 定 律
z x y E E x x y z E E y y z x E E z

曲率系数： Cc=(d30)2/(d60× d10)
有效粒径 ——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应 的粒径。
限定粒径 ——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时相应 的粒径。
中值粒径 ——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时相应 的粒径。
任务一土的成因与组成
土中水 结合水
自由水
任务二土的物理性质指标
的含水量，亦称为土的含水率。即：
w mW 100% ms
任务二土的物理性质指标
土的基本指标
2、土的土的密度ρ和重度
单位体积内土的质量称为土的密度ρ ，单位体积内土所受 的重力(重量)称为土的重度 。
m/V g
任务二土的物理性质指标
土的基本指标
3、土的比重Gs
土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比，称为土粒比重 (无量纲)，亦称为土粒相对密度。即：
建构筑物中将结构所承受的各种荷载传递到地基上的结构组成部分 称为基础。
二、地基与基础研究的内容
地基与基础是一门实用性很强的学科，其研究内容 涉及土质学、土力学、结构设计、施工技术以及与 工程建设相关的各种技术问题。
二、地基与基础研究的内容
为了保证建筑物的安全和正常使用，在地基基础设计中 ，须满足以下3个技术条件：
三、地基与基础理论的发展
▪ 1773年 ▪ 1857年 ▪ 1885年
▪ 1925年 ▪ 1936年 ▪ 1949年
• 法国的库仑-砂土抗剪强度理论与土压力理论 英国朗肯—朗肯土压力理论
法国布新奈斯克（Boussinesq）—弹性半空间解 美国太沙基—《土力学》专著与有效应力原理 美国召开第一次国际土力学及基础工程会议 我国土力学研究进入发展阶段

地基承载力计算方法：极限 平衡法、弹性半空间法等
地基承载力定义：地基所能 承受的最大压力
地基承载力验算：根据设计要 求，计算地基承载力是否满足
要求
地基承载力影响因素：土质、 地下水位、地基深度等
地基变形类型： 沉降、侧向位移、 倾斜等
地基变形计算方 法：弹性半空间 法、有限元法等
地基变形控制措施： 加强地基处理、采 用桩基础等
添加标题
破坏阶段：土在外力 作用下产生的应力和 应变达到极限，土体 破坏
抗剪强度：土抵抗剪切破坏的能力 摩擦角：土颗粒之间的摩擦力 影响因素：土的颗粒大小、形状、排列方式等 应用：地基承载力计算、边坡稳定分析等
土的压缩性：土在压力作用下体积减小 的性质
固结过程：包括初始固结、次固结、超 固结等阶段
膨胀土地基的特点： 吸水膨胀、失水收 缩
膨胀土地基的危害： 地基不均匀沉降、 开裂、变形
膨胀土地基的处理 方法：换填、强夯、 注浆、化学加固等
工程实例：某高速公路 膨胀土地基处理工程， 采用换填法进行地基处 理，取得了良好的效果。
汇报人：
保证建筑物安全
地基处理方法：包括换填法、强夯法、挤密法、注浆法等 方案选择依据：根据场地条件、工程要求、经济性等因素综合考虑 优化方法：采用数值模拟、试验研究等手段进行优化 案例分析：结合实际工程案例，分析地基处理方案的选择与优化过程
监测内容：沉 降、位移、应
力、应变等
监测方法：仪 器监测、现场 观测、试验检
测等
质量评价标准： 地基承载力、 变形控制、稳
定性等
案例分析：某 工程地基处理 工程监测与质
量评价实例
PART EIGHT
软土地基的特点：含水量高、压缩性高、抗剪强度低

土粒的级配－颗分曲线分析
• 土的粒径范围窄，分布曲线陡 ，d10和d60靠近， 土的不均匀系数小，表示土粒均匀 • Cu小 均匀 无细粒土填空 压密 度小 • 土的粒径范围宽，分布曲线缓， d10和d60相距 远，土的不均匀系数大，表示土粒不匀 • Cu大 不均匀 有细粒土填空 压密 度大
土粒的级配－颗分曲线分析
Cu 5
同时满足，级配良好
Cc 1 ~ 3
1.3 土中水和土中气 一、土中水
引力最大，离土粒最近，它是不 可移动的强结晶水，它的含量决定 了土的塑性
强结合水（吸着水）
结合水
指紧靠土粒表面的结合水膜
土 中 水
自由水
弱结合水（薄膜水） 毛细水
存在于地下水位以上，受到水与 空气交界面处表面引力作用的自由 水。 也称地下水，是存在地下水位以 下的透水层中的地下水，可以自由 运动，直接影响土的固结。
土是自然界的产物
土有哪些特点？
碎散性
三相体系
自然变异性
力学特性复杂
• 变形特性
• 强度特性 • 渗透特性
§1.1 土的形成
物理风化
• 岩石和土的粗颗粒受各种气 候等物理因素的影响产生胀
化学风化
缩而发生裂缝,或在运动过 程中因碰撞和摩擦而破碎
• 是颗粒大小发生量的变化 • 矿物成分与母岩相同，称原 生矿物
中砂
细砂 粉砂
粉土：粒径大于0.075mm的颗粒 含量小于总质量50% 而塑性指数Ip10的土
粘性土：塑性指数Ip>10的土
粉质粘土：10<Ip17的土 粘 土 ： Ip>17的土
《土的工程分类标准》
土粒粒组的划分
粒组统 称 粒组名称 漂石（块石）粒 巨 粒 卵石（碎石）粒 砾 粒 粗粒 砂 粒 60<d≤200 粒径d范围（mm） d>200 分析 方法 主 要 特 征

2、（1）、土的颗粒级配曲线：横坐标：土的粒径（mm），为对数坐标；纵坐标：小于某粒径的土粒质量百分数（%），常数指标。

（2）、.由曲线的形态可评定土颗粒大小的均匀程度。

曲线平缓则表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好；反之，颗粒均匀，级配不良。

3、工程中用不均匀系数CU和曲率系数CC来反映土颗粒级配的不均匀程度CU=d60/d10 ;CC=(d30)2/(d10×d60)d60------小于某粒径的土粒质量占土总质量60%的粒径，称限定粒径；d10-------小于某粒径的土粒质量占土总质量10%的粒径，称有效粒径；d30-------小于某粒径的土粒质量占土总质量30%的粒径，称中值粒径。

2.2.2土中水和气1．土中液态水分为结合水和自由水两大类。

2.土中气体：粗颗粒中常见与大气相连通的空气，它对土的工程性质影响不大；在细颗粒中则存在与大气隔绝的封闭气泡，使土在外力作用下压缩性提高，透水性降低，对土的工程性质影响较大。

2.2.3土的结构和构造1土的构造最主要特征就是成层性，即层理构造。

2.3土的物理性质指标（都很重要，建议整节复习，不赘述）会做P19例2.12.4无黏性土的密实度1、影响砂、卵石等无黏性土工程性质的主要因素是密实度。

2、相对密实度（1）Dr=(emax-e)/(emax-emin)e天然空隙比；emax最大空隙比（土处于最松散状态的e）；emin最小空隙比（土处于最紧密状态的e）（2）相对密实度的值介于0—1之间，值越大，表示越密实。

2.5.2黏性土的塑性指数和液性指数1、（1）塑性指数Ip= wL -wp (wL:液限；wp塑限)（2）、塑性指数习惯上用不带“%”的百分数表示。

（3）、Ip越大，表明土的颗粒越细，土的黏粒或亲水矿物（如蒙脱石）含量越高，土处在可塑状态的含水量变化范围就越大。

（判断题）（4）、塑性指数常作为工程上对黏性土进行分类的依据。

2、（1）液性指数IL=(w-wp)/(wL-wp)=(w-wp)/Ip 。

土的比重是多少第一部分土的物理性质及分类一、计算题1-1-1已知土粒相对密度、含水量、天然密度。

计算孔隙比e、饱和密度、有效密度、干密度、孔隙率n、饱和度。

1-1-2某烘干土样质量为200g, 其颗粒分析结果如表1-1所列。

试绘制颗粒级配曲线，求特征粒径，并确定不均匀系数以及评价级配均匀情况。

表1-1粒径（mm）10-55-22-11-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.050.05-0.010.01-0.005<0.005粒组含量（g）101618242220257201-1-3一地基土样，含水量=18%，干密度=1。

60g/cm3,相对密度 ds=3.10,液限=29.1%，塑限=17.3%。

求（1）该土的孔隙比e、孔隙率n、饱和度。

（2）塑性指数、液性指数，并确定土的名称及状态。

1-1-4从某土层中取原状土做试验，测得土样体积为50，湿土样质量为98g，烘干后质量为77。

5g，土粒相对密度2.65。

计算土的天然密度、干密度、饱和密度、有效密度、天然含水量、孔隙比e、孔隙率n、饱和度。

1-1-5某地基土为砂土，取风干后土样500g，筛分试验结果如表1-2所列。

试确定砂土名称。

筛孔直径（mm）2020.50.250.075<0.075总计留在每层筛上土重（g）407019050500大于某粒径的颗粒占全重的百分率（%）82252901001-1-6已知土样相对密度为2。

7，孔隙率为50%，含水量为20%，若将10该土体加水至完全饱和，需要加多少水？1-1-7一体积为50的原状土样，其湿土质量为0.1kg，烘干后质量为0.07kg，土粒相对密度为2.7，土的液限=50%，塑限=30%。

求（1）土的塑性指数、液性指数，并确定该土的名称和状态。

（2）若将土样压实使其干密度达到1.7t/，此时土样孔隙比减少多少？1-1-8已知某中砂层在地下水位以下的饱和重度=20.8，相对密度ds=2.73。

土的粒度成分 表1-1
粒组（mm） 10～5 粒度成分（以百分计） 土样a 土样b 25.0 土样c
5～2
2～1 1～0.5
3.1
6.0 14.4
20.0
12.3 8.0
0.5～0.25
0.25～0.10 0.10～0.05 0.05～0.01 0.01～0.005 0.005～0.002 ＜0.002
=0.00114Pa· s w=9.81×103N/m3 s=26×103N/m3
18 d v s w
d 0.001126 v (m) =
Li d i 1.126 (m m) ti
悬液体积为1000cm3，其中所含≤di的土粒重量为Wsi(g)
Wsi 1 i [Wsi (1000 ) wo ] 1000 so
是由试验测定，称为试验指标，
第五节 粘性土的界限含水量
如图1-9所示,粘性土充分加水搅拌后,像泥浆一样,不能成型, 呈“液体状态”.然后使其渐渐干燥,随着含水量降低,水分蒸 发,体积减小,逐渐达到容易成型的“半固体状态”.继续干燥 下去,土颗粒相互接触,体积不再收缩,呈坚硬的“固体状态”. 把与以上各种状态相适应的界限含水量分别称为液限(liquid limit)WL、塑限(plastic limit)Wp和缩限(shrinkage limit)Ws,统称为稠度界限(consistency limit). 所以说： 土从液体状态向塑性体状态过渡的界限含水量称为液限WL。 土由塑性体状态向脆性固体状态过渡的界限含水量称为塑限 Wp。 土的体积随含水量的减少而收缩，但达某一含水量时，土体 积，不再收缩，这个界限含水量称之为缩限Ws。
三角形坐标法是由等边三角形组成，几何上已知三角形内一 点，到三个边的距离之和为一常数，即h1+h2+h3=H,其中， h1——粘土颗粒的含量 h2——砂土颗粒的含量 h3——粉土颗粒的含量 根据该点在三角形的位置，确定土的名称、性质。