1、土力學與基礎(chǔ)工程,Email: cjsh_ Tel主講教師 黃麗娟,Architectural Engineering Department,Soil Mechanics and Foundation Engineering,本課程的主要內(nèi)容,第1章 緒論； 第2章 土的物理性質(zhì)及其工程分類； 第3章 土體中的應(yīng)力計算; 第4章 土的壓縮性與地基沉降計算； 第5章 土的抗剪強度與地基承載力； 第6章 土壓力與土坡穩(wěn)定； 第7章 天然地基淺基礎(chǔ); 第8章 樁基礎(chǔ)。,緒 論,一、土力學、地基及基礎(chǔ)的概念 二、土力學與基礎(chǔ)工程簡史 三、國內(nèi)外土木工程事故舉例 四、本課程的特

2、點和學習要求,一、 土力學、地基及基礎(chǔ)的有關(guān)概念 1. 土力學利用力學的一般原理，研究地表土的物理、力學特性及其受力后強度和體積變化規(guī)律的學科。 2. 地基建筑物荷載作用下產(chǎn)生不可忽略的附加應(yīng)力與變形的那一部分地層。 3. 基礎(chǔ)建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)就是基礎(chǔ)。 4. 地基基礎(chǔ)設(shè)計的先決條件 在設(shè)計建筑物之前，必須進行建筑場地的地基勘察，充分了解、研究地基土(巖)層的成因及構(gòu)造、它的物理力學性質(zhì)、地下水情況以及是否存在(或可能發(fā)生)影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象(如滑坡、巖溶、地震等)，從而對場地件作出正確的評價。,5.地基基礎(chǔ)設(shè)計的基本要求 (1)地基的強度條件 地基要有足夠的強度，在上

3、部結(jié)構(gòu) 的荷載作用下，地基土不應(yīng)發(fā)生 剪切破壞或失穩(wěn)。 (2）地基的變形條件 為保證建筑物的正常使用功能， 地基不應(yīng)產(chǎn)生過大的沉降或不均勻沉降。 (3) 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)本身應(yīng)有足夠的強度和剛度 在地基反力作用下，建筑物基礎(chǔ) 不會產(chǎn)生過大強度破壞，并具有改善沉降與不均勻沉降的能力。,地基及基礎(chǔ)示意圖,地基,基 礎(chǔ),上部結(jié)構(gòu),基 礎(chǔ),上部結(jié)構(gòu),地 基,地基基礎(chǔ)示意圖,基礎(chǔ),淺基礎(chǔ),深基礎(chǔ),地基,天然地基,人工地基,建筑物的上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三部分，功能不同，研究方法各異，但它們又是建筑物的有機組成部分，缺一不可、彼此聯(lián)系、相互制約。所以，科學的、理想的方法是將三部分統(tǒng)一起來進行設(shè)計計算。 地基和基礎(chǔ)是

4、建筑物的根基，又屬于隱蔽工程，它的勘察、設(shè)計和施工質(zhì)量直接關(guān)系著建筑物的安危。工程實踐表明，建筑物的事故很多都與地基基礎(chǔ)問題有關(guān)，而且一旦發(fā)生地基基礎(chǔ)事故，往往后果嚴重，補救十分困難，有些即使可以補救，其加固修復工程所需的費用也十分可觀。,二、土力學與基礎(chǔ)工程簡史 1、土力學的歷史 土力學是人們在長期工程實踐中形成發(fā)展起來的一門學科。 土力學的發(fā)展可以劃分為三個階段：1920年以前，1920年至1960年左右，1960年左右至今。 18世紀歐洲工業(yè)革命開啟了土力學的理論研究。 1773年，法國的C.A.庫倫（Coulomb）根據(jù)試驗創(chuàng)立了著名的砂土抗剪強度公式，提出了計算擋土墻土壓力的滑楔理論

5、，這一理論被認為是土力學的開始。 1856年，達西（Darcy）研究了土的滲透性，發(fā)展了達西滲透公式。 1869年英國的W.G.M.朗肯（Rankine）基于塑性平衡理論提出了擋土墻土壓力理論，與庫侖土壓力理論形成了古典土壓力理論，這對后來土體強度理論的發(fā)展起了很大的作用。,1885年法國J.布辛奈斯克（Boussinesq）求得了彈性半無限空間在豎向集中力作用下的應(yīng)力和變形的Boussinesq解，成為計算地基中應(yīng)力的主要方法，如今，這一理論任在土力學相關(guān)課題中廣泛使用。 土是最古老和最復雜的工程材料。我們的祖先就使用土作為建筑材料建造陵墓、防洪設(shè)施和居所。 西方文明認為是古羅馬人最早認識到

6、土對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要性。 當時不存在所謂的設(shè)計理論，人們所依賴的都是以往的經(jīng)驗和教訓。,2、現(xiàn)代土力學 土力學是巖土工程的一個分支。巖土工程涉及運用土力學，地質(zhì)學和水力學的知識分析和設(shè)計各種巖土工程系統(tǒng)，如壩，堤壩，圍堰，隧道，運河，水道和橋梁、道路及建筑物的地基，以及污水處理系統(tǒng)。 每一次運用土力學都涉及不確定性，因為土的變化性（天然的） 土是分層的、構(gòu)成復雜，工程性質(zhì)不均勻。所以，工程力學僅僅提供部分的解決方法。在實際工程中，經(jīng)驗和近似計算往往是成功解決問題的基本手段。 教科書中的很多計算都是近似的。,3、基礎(chǔ)工程的發(fā)展簡史,基礎(chǔ)工程是一項古老的工程技術(shù)，發(fā)展到今天成為一門專門的學科。 在

7、中國，基礎(chǔ)工程伴隨著華夏五千年的文明史。考古工作者發(fā)現(xiàn)人類早在五千年前就建有房屋，當時的基礎(chǔ)很簡單。如浙江的河姆渡文化遺址，其房屋底層是架空在埋于地下的木樁基礎(chǔ)上的；洛陽王灣仰韶文化遺址，其基礎(chǔ)是在墻下挖槽，槽內(nèi)填卵石夯實，類似于近代的換土墊層處理人工地基。 西方國家，自18世紀興起工業(yè)革命以來，隨著城市建設(shè)的擴大，工廠、鐵路、水壩的興建，促使土力學理論的產(chǎn)生和基礎(chǔ)工程技術(shù)的發(fā)展。特別是二次大戰(zhàn)之后，基礎(chǔ)設(shè)計理論、計算方法施工工藝有了較大發(fā)展。,如：1893年，美國芝加哥人工挖孔樁問世；1950年，意大利米蘭地下連續(xù)墻出現(xiàn)；1957年，德國首先采用錨桿樁墻深基坑支護方式。此外施工機械設(shè)備的研制

8、與應(yīng)用都極大的提高了基礎(chǔ)工程施工的生產(chǎn)效率。 我國自改革開放以來，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)工程的設(shè)計理論、施工工藝水平在不斷的提高，與世界同步發(fā)展，日新月異。,目前，基礎(chǔ)工程的關(guān)注點在于： 1）.基礎(chǔ)工程設(shè)計計算理論和方法方面的研究，包括考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基共同作用的理論和設(shè)計方法、概率極限狀態(tài)設(shè)計理論和方法、優(yōu)化設(shè)計、數(shù)值分析方法和計算機的應(yīng)用等。 2）.樁基礎(chǔ)技術(shù)，其中樁土共同作用、新的樁基設(shè)計控制理論、樁基非線性分析和設(shè)計方法、樁基承載力等都成為研究和開發(fā)的熱點。 3）.深基坑開挖問題，包括土壓力、水壓力計算、基坑支護設(shè)計理論和方法的深化、新的基坑支護方法、基坑開挖對環(huán)境的影響等。

9、 4）.地基處理方面，進一步完善復合地基理論，對各類地基處理方法機理的深入研究及施工及檢測技術(shù)的改進等。,三、國內(nèi)外土木工程事故舉例 綜合分析可以得到，與地基基礎(chǔ)有關(guān)的土木工程事故可主要概括為以下類型： 1.地基產(chǎn)生整體剪切破壞； 2.地基發(fā)生不均勻沉降； 3.地基產(chǎn)生過量沉降以及地基土液化失效。,1、地基產(chǎn)生整體剪切破壞,巴西某十一層大廈 1955年始建的巴西某十一層大廈長25m，寬12m，支承在99根21m長的鋼筋混凝土樁上。1958年大廈建成后，發(fā)現(xiàn)其背后明顯下沉。1月30日，該建筑物的沉降速度高達每小時4mm，晚8時許，大廈在20s內(nèi)倒塌。后查明該大廈下有25m厚的沼澤土，而其下的樁長

10、僅有21m，為深入其下的堅固土層，倒塌是由于地基產(chǎn)生整體剪切破壞所致。,加拿大特朗斯康谷倉 下圖是建于1914年的加拿大特朗斯康谷倉地基破壞情況。該谷倉由65個圓柱形筒倉構(gòu)成，高31m，寬23.5m，其下為鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，由于事前不了解基礎(chǔ)下埋藏有厚達16m的軟粘土層，谷倉建成后初次貯存谷物達27000t后，發(fā)現(xiàn)谷倉明顯下沉，結(jié)果谷倉西側(cè)突然陷入土中7.3m，東側(cè)上抬1.5m，倉身傾斜近27o。,后查明谷倉基礎(chǔ)底面單位面積壓力超過300kPa，而地基中的軟粘土層極限承載力才約250kPa，因此造成地基產(chǎn)生整體破壞并引發(fā)谷倉嚴重傾斜。該谷倉由于整體剛度極大，因此雖傾斜極為嚴重，但谷倉本身卻完

11、好無損。后于土倉基礎(chǔ)之下做了七十多個支承于下部基巖上的混凝土墩，使用了388個50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)才把倉體逐漸扶正，單其位置比原來降低了近4.0m。這是地基產(chǎn)生剪切破壞，建筑物喪失其穩(wěn)定性的典型事故實例。,加拿大特朗斯康谷倉的地基事故,2、地基產(chǎn)生不均勻沉降,意大利比薩斜塔 意大利比薩斜塔1173年動工修建，當塔修建至24m高時發(fā)生傾斜，一百年后續(xù)建該塔至塔頂，建成后塔高54.5m。目前塔北側(cè)沉降一米多，南側(cè)沉降近三米，塔頂偏離中心線約5.54m（傾斜約5.8o）。為使斜塔安全留存，后在國際范圍內(nèi)進行了招標，對斜塔進行了加固處理。,意大利比薩斜塔,我國名勝蘇州虎丘塔 蘇州虎丘塔建于9599

12、61年期間，為七級八角形磚塔，塔底直徑13.66m，高47.5m，重63000kN塔建成后由于歷經(jīng)戰(zhàn)火滄桑、風雨侵蝕，使塔體嚴重損壞，為了使該名勝古跡安全留存，我國于19561957年期間對其進行了上部結(jié)構(gòu)修繕，但修繕的結(jié)果使塔體重量增加了約2000 kN，同時加速了塔體的不均勻沉降，塔頂偏離中心線的距離由1957年1.7m發(fā)展到1978年的2.31m，并導致地層砌體產(chǎn)生局部破壞。后于1983年對該塔進行了基礎(chǔ)托換，使其不均勻沉降得以控制。,3、地基產(chǎn)生過量沉降,廣深鐵路k2+150段線路 我國廣深鐵路k2+150段線路位于廣州市，該路段地處山澗流水地帶，淤泥覆蓋層較厚，通車后路基不斷下沉，1

13、975年后，嚴重地段每旬下沉量高達1216mm，其它地段每旬下沉量812mm不等，路基的下沉不僅增加了該段鐵路的維修保養(yǎng)作業(yè)量，更嚴重威脅著鐵路列車的安全營運。該路段后采用高壓噴射注漿法進行了路基土加固處理。,西安某住宅樓 西安某住宅樓位于西安市霸橋區(qū)，場地為級自重濕陷性黃土場地，建筑物長18.5m，寬14.5m，為六層點式磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用肋梁式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，建筑物修建以前對地基未做任何處理，由于地下管溝積水，致使地基產(chǎn)生濕陷沉降，在沉降發(fā)生最為嚴重的5天時間里，該建筑物的累計沉降量超過了300mm。后雖經(jīng)對基礎(chǔ)進行托換處理止住了建筑物的繼續(xù)沉降，但過量沉降嚴重影響了該建筑物的使用功能，在門廳處不僅形成了倒灌水現(xiàn)象，而且門洞高度嚴重不足，人員出入極不方便。,4、地基液化失效,日本新瀉地震 日本新瀉市于1964年6月16日發(fā)生了7.5級大地震，當?shù)卮竺娣e的砂土地基由于在地震過程中產(chǎn)生振動液化現(xiàn)象而失去了承載能力，毀壞房屋近2890幢。 唐山地震 1976年7月28日發(fā)生在我國唐山市的大地震是人類歷史上造成損失最嚴重的地震之一，震級7.8級，大量建筑物在地震中倒塌損毀，地基土的液化失效是其中的主要原因之