1《土力学与地基基础》1-2章教案

第一章 绪论

教学目的：

使学生了解《土力学与地基基础》这门课的学习意义及主要内容。 教学重点与难点：

教学重点: 土力学与地基基础的基本概念 教学难点：地基基础埋深等概念的理解上 教学方法：课堂讲授法、多媒体教学法 教学时间：2课时 教学内容：

一、基本概念： 1、关于土的概念

(1)、土的定义：土是地表岩石经长期风化、搬运和沉积作用，逐渐破碎成细小矿物颗粒和岩石碎屑，是各种矿物颗粒的松散集合体。 (2)、土的特点： 1）散体性 2）多孔性 3）多样性 4）易变性

(3)、土在工程中的应用 1）作为建筑物地基 2）作为建筑材料 3）建筑物周围环境

2、土力学：研究土的特性以及土体在各种荷载作用下的性状的一门力学分支。 3、地基与基础的概念 （1）、基础：

1）定义：建筑物的下部结构，将建筑物的荷载传给地基，起着中间的连接作用。（是建筑物的一部分） 2）分类：按埋深可分为：

浅基础：采用一般的施工方法和施工机械（例如挖槽、排水）（埋置深度不大，一般5 m）。 埋深较小。 深基础：需借助特殊施工方法的基础（埋置浓度超过5m）。桩基础、地下连续墙 （2）地基

1）定义：基底以下的土体中因修建建筑物而引起的应力增加值（变形）所不可忽略的那部分土层。（承受建筑物荷载而应力状态发生改变的土层。）（地层） 持力层：直接与基础接触，并承受压力的土层

下卧层：持力层下受建筑物荷载影响范围内的土层。

2）分类： 天然地基：在天然土层上修建，土层要符合修建建筑物的要求（强度条件、变形条件）

人工地基：经过人工处理或加固地基才能达到使用要求的地基。 二、重要性：

地基和基础是建筑物的根本，又位于地面以下，属地下隐蔽工程。它的勘察、设

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计以及施工质量的好坏，直接影响建筑物的安全，一旦发生质量事故，补救与处理都很困难，甚至不可挽救。

三、与土有关的工程问题 （一）变形问题 1、意大利比萨斜塔 意大利比萨斜塔

举世闻名的意大利比萨斜塔就是一个典型实例。因地基土层强度差，塔基的基础深度不够，再加上用大理石砌筑，塔身非常重，1.42万吨。500多年来以每年倾斜1cm的速度增加，比萨斜塔向南倾斜，塔顶离开垂直线的水平距离已达5．27m，比萨塔的倾斜归因于它的地基不均匀沉降。 2、苏州市虎丘塔：

虎丘塔位于苏州市西北虎丘公园山顶，原名云岩寺塔，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1000多年悠久历史。

1980年6月虎丘塔现场调查，当时由于全塔向东北方向严重倾斜，不仅塔顶离中心线已达2．31m，而且底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑而封闭、停止开放。

虎丘塔地基为人工地基，由大块石组成，块石最大粒径达1000mm。人工块石填土层厚1－2m，西南薄，东北厚。下为粉质粘土，呈可塑至软塑状态，也是西南薄，东北厚。塔倾斜后，使东北部位应力集中，超过砖体抗压强度而压裂。 3、上海锦江饭店

19年兴建的上海工业展览馆大厅，因地基约有14m厚的淤泥质软粘土，尽管采用了7.27m的箱形基础，建成后当年就下沉600mm。1957年6月展览馆大厅四角的沉降最大达1465.5mm，最小沉降量为1228mm。1957年7月，经苏联专家及清华大学陈希哲教授、陈梁生教授的观察、分析，认为对裂缝修补后可以继续使用(均匀沉降)。

（二）强度问题

1、加拿大特朗斯康谷仓

加拿大特朗斯康谷仓严重倾倒，是地基整体滑动强度破坏的典型工程实例。 1941年建成的加拿大特朗斯康谷仓，由于事前不了解基础下埋藏厚达16 m的软粘土层，初次贮存谷物时，就倒塌了，地基发生了整体滑动，建筑物失稳，好在谷仓整体性强，谷仓完好无损，事后在主体结构下做了70多个支承在基岩上的砼墩，用了388个500KN的千斤顶，才将谷仓扶下，但其标高比原来降低了4m 。 （三）渗透问题

1963年，意大利265m高的瓦昂拱坝上游托克 山左岸发生大规模的滑坡，滑坡体从大坝附近的上游扩展长达1800m，并横跨峡谷滑移300－400m，估计有2－3亿立方米的岩块滑入水库，冲到对岸形成100－150m高的岩堆，致使库水漫过坝顶，冲毁了下游的朗格罗尼镇，死亡约2500人，但大坝却未遭破坏。

我国连云港码头的抛石棱体，1974年发生多次滑坡。 1998年长江全流域特大洪水时，万里长江堤防经受了严峻的考验，一些地方的大堤垮塌，大堤地基发生严重管涌，洪水淹没了大片土地，人民生命财产遭受巨大的威胁。仅湖北省沿江段就查出4974处险情，其中重点险情0处中，有320处属地基险情；溃口性险情34处中，除3处是涵闸险情外，其余都是地基和堤身的险情。1998年长江全流域特大洪水时，万里长江堤防经受了严峻的考验，一些地方的大堤垮塌，大堤地基发生严重管涌，洪水淹没了大片土地，人民生命财产遭受巨大的威胁。仅湖

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北省沿江段就查出4974处险情，其中重点险情0处中，有320处属地基险情；溃口性险情34处中，除3处是涵闸险情外，其余都是地基和堤身的险情。 四、土力学研究内容与学习建议

1、土力学的主要内容有以下几部分内容：

一是土的基本性质，包括物理性质和力学性质； 二是土体受力后的变形与稳定性问题；

三是工程应用的要求和措施，主要是地基设计与处理等。 四是掌握天然地基上一般浅基础的简单设计方法或验算方法 五能正确的使用《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002） 2、学习建议

土力学的学习包括理论、试验和经验。

理论学习：掌握理式的意义和应用条件，明确理论的假定条件，掌握理论的适用范围； 试验：了解土的物理性质和力学性质的基本手段，重点掌握基本的土工试验技术，尽可能多动手操作，从实践中获取知识，积累经验；

经验在工程应用中是必不可少的，工程技术人员要不断从实践中总结经验，以便能切合实际地解决工程实际问题。 五、土力学发展历史

土力学是利用力学知识和土工试验技术来研究土的强度、变形及其规律等的一门科学。它既是一门古老的工程技术，也是一门年轻的应用科学。古人兴建的大型水利工程、宫殿、庙宇、堤坝、大运河、桥梁等，都为本学科的发展积累了丰富的经验，奠定了古典土力学的基础。然而，这些仅限于工程实践经验，未能形成系统的理论。土力学的系统理论始于18世纪兴起工业的欧洲。经过17、18世纪很多学者的研究，初步奠定了土力学的理论基础。但直到1925年美国著名科学家、土力学奠基人太沙基归纳前人的成就，发表了《土力学 》一书，比较系统地介绍了土力学的基本内容，土力学才成为一门的学科。20世纪60年代后期，由于计算机的出现、计算方法的改进与测度技术的发愤以及本构模型的建立等，以迎来了土力学发展的新时期。现代土力学主要表现为一个模型（即本构模型）、三个理论（即非饱和土的固结理论、液化破坏理论和逐渐破坏理论）、四个分支（即理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学）。其中，理论土力学是龙头，计算土力学 是筋脉，实验土力学 是基础，应用土力学是动力。未来人类的发展将面对资源与环境以人类生存的挑战，更多的岩土工程问题需要解决，青年学生作为祖国的栋梁，将要肩负起历史的重任。

教学小结：这一章的内容总体上较易理解，基本概念需详细的讲解，让学生多了解一些具体的实例，如由于基础地基引起的一些破坏。 作业：预习下节内容。

第二章 工程地质基本知识

教学目的：

1. 了解地质作用的概念、地质年代的概念。 2. 理解第四纪沉积物类型及其工程特点。

3. 了解地下水的埋藏条件；理解土的渗透性、渗流力、流土、管涌等概念。 教学重点与难点：

教学重点: 土的定义和地下水的分类

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教学难点:地质相对年代的划分。

教学方法：课堂讲授法、多媒体教学法 教学时间：2课时 教学内容： 一、概述

（一） 地质作用

建筑场地的地形、地貌和组成物质（土与岩石）的成分、分布厚度及特性取决于地质作用。

构成天然地基的物质是地壳中的岩石和土。地壳厚度为30~80km，它的物质、形态和内部构造是在不断地改造和演变的。导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质作用，可分为内力地质作用和外力地质作用。 1.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）和变质作用。 2.外力地质作用

由太阳辐射能和地球重力位能引起。 如昼夜和季节气温变化，雨雪、山洪、河流、冰川、风及生物等对母岩产生的风化、剥蚀、搬运与沉积作用。 （二） 地质年代

土与岩石的性质与其生成的地质年代有关。一般说来，生成年代越久，土与岩石的工程性质越好。

地质年代是指地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。地球形成至今大约有60亿年的历史，在这漫长的地质年代里，地壳经历了一系列复杂的演变过程，形成了各种类型的地质构造和地貌以及复杂多样的岩石和土。

二、第四纪沉积物

通常所说的土为新生代第四纪更新世（距今约100万年），更新世又分为早更新世（Q1）、中更新世（Q2）、晚更新世（Q3），其后为全新世（Q4）。

地表的岩石经风化，剥蚀成岩屑，又经搬运、沉积而成的沉积物，年代不长，未经压紧硬结成岩石之前，呈松散状态，称为第四纪沉积物，即土。 根据搬运和沉积的情况不同，可分为以下几种类型：

残积层、坡积层、洪积层、冲积层、海相沉积层、湖沼沉积层。

不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特性。 （一） 残积物

定义：残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化产物。

特点：颗粒未被磨圆或分选，多为棱角状粗颗粒土。残积物与基岩之间没有明显界限，通常经过一个基岩风化带而直接过渡到新鲜岩石，其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。

分布：残积物主要分布在岩石出露地表，经受强烈风化作用的山 区、丘陵地带与剥蚀平原。

由于残积物没有层理构造，裂隙多，均质性很差，作为建筑物地基应注意不均匀沉降和土坡稳定性问题。 （二）坡积物 定义：雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地冲刷剥蚀、顺着斜坡向下

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移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。 特点：自上而下呈现由粗而细的分选现象。其矿物成分与下卧基岩没有直接关系。由于坡积物形成于山坡，常常发生沿下卧基岩倾斜面滑动；还由于组成物质粗细颗粒混杂，土质不均，厚度变化大。新近堆积物土质疏松，压缩性较大。 （三） 洪积层

定义：由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲口或山前倾斜平原而形成洪积层。

特点:离山渐远，颗粒变细，分布范围逐渐扩大。其地貌特征是靠山近处窄而陡，离山远处宽而缓，形如锥体，故称为洪积锥（扇）。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。 （四） 冲积层 定义：冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。 特点：呈现明显的层理构造。由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则沉积物质越细。典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为平原河谷冲积层和山区河谷冲积层等。 三、地下水

地下水：存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水。

建筑场地的水文地质条件主要包括地下水的埋藏条件，地下水位及其动态变化，地下水化学成分及其对混凝土的腐蚀性等。 （一）地下水分类

按埋藏条件不同，分为三类：

1.上层滞水：地表水下渗积聚在局部透水性小的黏性土隔水层上的水。为雨水补给，有季节性。

2.潜水：埋藏在地表以下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。为雨水、河水补给，水位有季节性变化。一般埋藏在第四纪沉积层及基岩的风化层中。水面标高称为地下水位。

3.承压水：埋藏在两个连续分布的隔水层之间，完全充满的有压地下水。通常存在于卵石层中，承受一定的静水压力。其埋藏区与地表补给区不一致。因此，承压水的动态变化受局部气候因素影响不明显。 （二） 地下水对工程的影响

1.基础埋深：通常设计基础埋深D应小于地下水位深度 hw。

2.施工排水：当地下水位高，基础埋深D大于地下水位深度时，基槽开挖与基础施工必须进行排水。中小工程可以采用挖排水沟与集水井排水；重大工程应采用井点降低地下水位法。

3.地下水位升降：湿陷性黄土、膨胀土遇水时；地下水位大幅下降时。 4.地下室防水。

5.地下水水质侵蚀性。 6.空心结构物浮起。 7.承压水冲破基槽。 （三） 土的渗透性 1.土的渗透性概念

地下水通过土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的透水性。

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它表明水通过孔隙的难易程度。

工程应用：工程设计中，计算地基沉降速率，或地下水位以下施工需计算地下水的涌水量，选择排水措施等均应用渗透性指标。 2.土的渗透性规律

（1）渗透实验与达西定律

法国学者达西（Darcy,H. ）1856年做砂土的渗透实验，发现达西定律。 Q/t=q=kFh/L=kFi

v=k × i

q——单位时间内通过砂层渗流出的水量； i=h/L——水力坡降；

v ——渗透速度，cm/s； k—— 土的渗透系数，cm/s。 影响土渗透性因素： 1）土孔隙大小。

2）土粒的大小、形状、级配以及颗粒的排列和土的结构等。 3）地下水温度、密度及其粘滞性（即内摩阻力）。 4）地下水的饱和度。 3.动水力GD（kN/m3）

动水力：水流动时，水对单位体积土的骨架作用的力。是水流对土体施加的体积力。与水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。 静水力：静水作用在水下物体上的力。 （四） 渗流破坏及防治措施

1.流土：当水流自下而上流动时，动水力方向与重力方向相反，使土颗粒悬浮。当动水力等于或大于土的浮重度时，土粒之间毫无压力，土随水流动。 防治流砂的原则：

（1）减少或消除坑内外地下水的水头差。 （2) 增长渗流路径。

（3) 在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡动水力。 2．管涌

当土中渗流的水力坡降小于临界水力坡降时，虽不致诱发流土，但在渗流力作用下，无黏性土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以致流失，逐渐在土体中形成贯通的渗流管道，造成塌陷，这种现象称为管涌或潜蚀。管涌可能发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部。 防治管涌的措施主要有：

（1）降低水力坡降，如打板桩。 （2）在渗流逸出部位铺设反滤层。 基坑开挖防渗措施 1.工程降水

采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位 2.设置板桩

沿坑壁打入板桩。一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降。 3.水下挖掘

在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加

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砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘。

教学小结：本章内容是分析与解决地基基础工程问题时所需的基本知识，主要是学生们对概念的理解。

作业：课后复习思考题第1—10题。

第三章 土的物理性质及分类 3.1土的三相组成 3.2土的物理性质指标

教学目的：

1. 掌握土的三相组成的基本概念（如土的粒组、颗粒级配）。

2. 理解并掌握土的物理性质指标、物理状态指标的含义以及指标的测定方法。

3. 了解土的压实特性，掌握土的压实标准。 4. 掌握地基土的工程分类。 教学重点与难点：

教学重点: 土的物理性质指标及地基土的工程分类 教学难点:土的物理状态指标的测定方法 教学方法：课堂讲授法、多媒体教学法 教学时间：2课时 教学内容：

一、土的三相组成 （一）土的固体颗粒 1.土粒的矿物成分

（1）原生矿物：母岩经物理风化而成。eg.石英、云母、长石。其成分与母岩相同，分为单矿物颗粒，多矿物颗粒。

（2）次生矿物：母岩经化学风化而成。eg.高岭石、伊里石、蒙脱石。其成分与母岩不同，为一种新矿物颗粒，主要是黏土矿物。D<0.005mm。

漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是母岩的碎屑，其矿物成分与母岩相同。 砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如如石英、云母、长石。

粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等难溶盐的粒。 黏土的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类，它们都是次生矿物。

2. 土颗粒的大小和形状

粒组：土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组。

界限粒径：划分粒组的分界尺寸。常用（mm）200、20、2、0.075、0.005把土粒分为六大粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。

3. 土的颗粒级配（粒径级配）

颗粒级配：土粒大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。

用途：这是决定无粘性土工程性质的主要因素，是确定土的名称和选用建筑材

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料的重要依据。

4. 粒径分析方法 颗分试验：（1）筛分法：粒径>0.075mm。

（2）比重计法或移液管法：粒径 <0.075mm。

颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配曲线，如下图。

级配良好的判别：由曲线的坡度大致可判别土的均匀程度，如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。

（二）土中的水和气 1.土中水：

结合水：强结合水:没有传递静水压力和溶解盐类的能力,不受重力作用。 弱结合水：具有较高的粘滞性和抗剪强度，不过仍不能传递静水压力。使

土具有可塑性，对粘性土影响较大，可使土由一种状态到另一种状态。

自由水：毛细水：存在地下水位以有------考虑建筑防潮

重力水：存在地下水位以下------对施工、土的力学性质影响最大。 2.土中气体：

（1）开敞气体：对土无影响。

（2）封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和拖延了土的压缩和膨胀变

形随时间的发展。

（三）土的结构和构造 1.土的结构

单粒结构：紧密状------天然地基 疏松状------人工地基 蜂窝结构

絮状结构：人工地基------存在空隙------需进行人工处理 2.土的构造

土的构造分为层理构造、分散构造和裂隙构造。

二、土的物理性质指标 （一）土的三相草图

为了便于说明和计算，用三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。 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； （二）由试验直接测定的指标（3个） 1. 土的密度 ρ和重力密度γ ρ=m/V; γ=ρg

式中: 重力加速度g工程中可取10m/s2。

天然状态下，土的密度变化范围较大，一般介于1.60～2.20 g/cm3之间 。 测定方法: 环刀法和灌水法。

环刀法适用于黏性土、粉土与砂土；灌水法适用于卵石、砾石与原状砂。 2. 土粒比重（土粒相对密度）ds

土粒的密度与40C时纯水的密度的比值（无量纲） 即

m dssswVsw

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式中：ρw=1 g/cm3。

取值：在有经验的地区可按经验值选用。一般砂土为2.65~2.69，粉土为

2.70~2.71，黏性土为2.72~2.75。

测定方法：有比重瓶法和经验法。 3. 土的含水量w

土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量，以百分数表示，即

m表示土的湿度。 ww100%ms

取值：它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。一般砂

土：0%~40%，粘性土：20%~60%。一般来说，同一类土含水量越大，则其强度就越低。

测定方法：一般采用烘干法，适用于粘性土、粉土和砂土的常规试验。 （三）换算指标 （6个）

1. 特定条件下土的密度（重度） 干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效密度（有效重度）。 2. 反映土的松密程度的指标 孔隙比、孔隙率。

3. 反映土的含水程度的指标 饱和度。

（四）指标的换算

【例3-1】

教学小结：学生对各物理指标之间的掌握与理解较难，可增加一些例子。 作业：课后复习思考题第1—2题。

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