一、课程介绍
《土力学与地基基础》是高等学校土建类专科专业的主干课程之一,是技术基础课和专业课的综合。该课程基本内容分为土力学和基础工程学两大块,前者是力学的一个分枝,属该专业的技术基础范畴,内容的核心是研究土的应力、应变、强度、变形及稳定性问题;后者基础工程学属专业课程之一。土力学是基础工程学的理论基础,而基础工程学则是运用土力学理论来解决基础工程问题。因此,《土力学与地基基础》课程的组成结构是具有双重性的属性不同的两大块内容。在逻辑上其前因后果关系密切,作为一个整体来学习是十分合理的,也反映了通材教育的教学特征。
二、选用教材本课程学校使用的教材是由高等教育出版社出版的《土力学与地基基础》。其他比较普遍采用的教学参考书还有
1、中国建筑工业出版社出版,由华南理工大学等四校主编《地基及基础》和由清华大学出版社出版,由陈希哲编著《土力学地基基础》。
3、吴湘兴主编,《土力学及地基基础》全国高等教育自学考试教材,武汉大学出版社,第二版,1992.10。
4、洪毓康主编,《土质学与土力学》,人民交通出版社,1995。
5、袁聚云、李镜培及楼晓明等主编,《基础工程设计原理》,同济大学出版社,2001.1。
二、考试要求及题型
试题题型有:填空题、选择题、简答题、名词解释、设计计算题等。填空、选择或判断、简答等占30—40%分,设计计算占60—70%分。
三、授课方式
1、讲述顺序:讲述每章时,首先讲明该章知识点、课程大纲、以及重点难点问题。其次具体讲述该章知识内容。最后做例题分析,布置该章的思考问题。
2、考试内容:考试的内容主要是每章的例题分析部分,例题分析部分的例题以及和例题类似的试题将占到试卷的80%以上,因此要认真对待每章的例题分析部分。
3、在计算内容较多的章节或者重点难点较多的章节讲述后,会有一节试题课。
4、会结合工程实际讲述一下工程实验和实例分析。
绪 论一、课程大纲:
土力学、地基及基础的概念。地基与基础在建筑工程中的重要性。本课程的特点、要求和学习方法。本学科简史及发展方向。
二、考试内容:
重点掌握土力学、地基及基础的概念。掌握本课程的特点、要求和学习方法。
了解地基与基础在建筑工程中的重要性及本学科简史及发展方向。
三、本章内容:
(一)、地基及基础的概念
建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担,受建筑物影响的那一部分地层称为地基;建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础(参看第一页图0-1)。
由图中我们可以看出,在地面以上的上部结构所有的荷载都是由基础结构传入地下土层,而基础结构底下的地下土层受上部结构荷载扰动的这一部分,我们称之为地基,而把上部结构的所有荷载传给地基的这个中介结构我们称之为基础。
组成地层的土或岩石是自然界的产物。它的形成过程、物质成分、工程特性及其所处的自然环境是极为复杂多变。因此,在设计建筑物之前,必须进行建筑场地的地基勘察,充分了解、研究地基土(岩)层的成因及构造、物理力学性质、地下水情况以及是否存在(或可能发生)影响场地稳定性的不良地质现象(如滑坡、岩溶、地震等),从而对场地的工程地质条件作出正确的评价。这是做好地基基础设计和施工的先决条件。以上涉及的工程地质学和土力学的部分内容是学好本课程的基本知识。
建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化。这就必须运用力学方法来研究荷载作用下地基土的变形和强度问题。
地基基础设计应满足以下二个基本条件,
要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力,保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。
控制基础沉降,使之不超过地基的变形允许值,保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。
研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。它是本课程的理论基础。
基础结构的型式很多。设计时应该选择能适应上部结构、符合使用要求、满足地基基础设计两项基本要求以及技术上合理的基础结构方案。通常把埋置深度不大,只须经过挖槽、排水等普通施工程序就可以建造起来的基础统称为浅基础(各种单独的和连续的基础)。反之,称为深基础。当浅层土质不良,而须把基础埋置于深处的好地层时,就要借助于特殊的施工方法,建造各种类型的深基础(桩基础、沉井和地下连续墙等)。
选定适宜的基础型式后,地基不加处理就可以满足要求的,称为天然地基,否则,就叫做人工地基(例如采用换土垫层、深层密实、排水固结、化学加固、土工聚合物加筋等方法处理过的地基)。
建筑物的地基、基础和上部结构三部分,虽然各自功能不同、研究方法相异,然而,对一个建筑物来说,在荷载作用下,这三方面却是彼此联系、相互制约的整体。目前,要把三部分完全统一起来进行设计计算还有困难。但在处理地基基础问题时,应该从地基基础-上部结构相互作用的整体概念出发,全面地加以考虑,才能收到比较理想的效果。
地基和基础是建筑物的根本,又属于地下隐蔽工程。它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。实践表明,建筑物事故的发生,很多与地基基础问题有关,而且,地基基础事故一旦发生,补救并非容易。此外,基础工程费用与建筑物总造价的比例,视其复杂程度和设计、施工的合理与否,可以变动于百分之几到几十之间。因此,地基及基础在建筑工程中的重要性是显而易见的。工程实践中,地基基础事故的出现固然屡见不鲜,然而,只要严格遵循基本建设原则,按照勘察—设计—施工的先后程序,切实抓好这三个环节,那末,地基基础事故一般是可以避免的。以下举个可以借鉴的实例。
教材第四页图0-2是建于1941年的加拿大特朗斯康谷仓(Transcona Grain Elevator)地基破坏情况。该谷仓由65个圆柱形筒仓组成,高31m,宽23m,其下为片筏基础,由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软粘土层,建成后初次贮存谷物,使基底平均压力(320KPa)超过了地基的极限承载力。结果谷仓西侧突然陷入土中8.8m,东侧则抬高1.5m,仓身倾斜27°。这是地基发生整体滑动、建筑物丧失了稳定性的典型例子。 该谷仓的整体性很强,筒仓完好无损。事后在下面做了七十多个支承于基岩上的混凝土墩,使用388个50t千斤顶以及支撑系统,才把仓体逐渐纠正过来,但其位置比原来降低了4m。
某火车站服务楼建于淤泥层厚薄不匀的软土地基上。在上部混合结构的柱下和墙下分别设置了一般的扩展基础和毛石条形基础。设计时未从地基—基础—上部结构相互作用的整体概念出发进行综合考虑,以致结构布局不当。中间四层的隔墙多、采用钢筋混凝土楼面,其整体刚度和重量都较大,而与之相连的两翼,内部空旷,其三层木楼面通过钢筋混凝土梁支承于外墙和中柱上,重量轻而刚度不足。由于建筑物各部分的荷载和刚度悬殊,建成后不久,便出现了显著的不均匀沉降。两翼墙基向中部倾斜,致使墙体、窗台、窗顶和钢筋混凝土梁面都出现相当严重的裂缝,影响使用和安全。在处理时,起先曾将中部基础加宽,继之又一再加固,都未收到预期的效果,后来只得将两翼木楼面改成钢筋混凝土楼面、拆除严重开裂的墙体、更换部分钢筋混凝土梁,才算基本解决问题。
(二)、本课程的特点和学习要求
地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域,所以内容广泛、综合性强,学习时应该突出重点,兼顾全面。从本专业的要求出发,学习本课程时,应该重视工程地质的基本知识,培养阅读和使用工程地质勘察资料的能力,同时必须牢固地掌握土的应力、变形,强度和地基计算等土力学基本原理,从而能够应用这些基本概念和原理,结合有关建筑结构理论和施工知识,分析和解决地基基础问题。
土是岩石风化产物或再经各种地质作用搬运、沉积而成的。土粒之间的孔隙为水和气体所填充,所以,土是一种由固态、液态和气态物质组成的三相体系。与各种连续体(弹性体、塑性体、流体等)比较,天然土体具有一系列复杂的物理力学性质,而且容易受环境条件(温度、湿度、地下水等)变动的影响。现有的土力学理论还难于模拟、概括天然土层在建筑物作用下所表现的各种力学性状的全貌。因此,土力学虽是指导我们从事地基基础工程实践的重要理论基础,但还应通过实验、实测并紧密结合实践经验进行合理分析,才能实现对实际问题的妥善解决。而且,也只有在反复联系工程实践的基础上,才能逐步提高、丰富对理论的认识,不断增强处理地基基础问题的能力。
天然地层的性质和分布,不但因地而异,而且在较小范围内也可能有很大的变化,在进行地基基础设计和土力学计算之前,必须通过勘察和测试取得有关土层分布以及土的物理力学性质指标的可靠资料。因此,了解地基勘察和原位测试技术以及室内土工试验方法也是本课程的一个重要方面。
我国地域辽阔,由于自然地理环境的不同,分布着多种多样的土类。某些土类(如湿陷性黄土、软土、膨胀土、红粘土和多年冻土等)还具有不同于一般土类的特殊性质。作为地基,必须针对其特性采取适当的工程措施。此外,建国以来,由于大量建设工程进入山区,还出现了许多山区常见的地基问题。因此,地基基础问题的发生和解决带有明显的区域性特征。
(三)、本学科发展概况
地基及基础既是一项古老的工程技术,又是一门年青的应用科学。追本溯源,世界文化古国的远古先民,在史前的建筑活动中,就已创造了自己的地基基础工艺。我国西安半坡村新石器时代遗址和殷墟遗址的考古发掘,都发现有土台和石础。这就是古代“堂高三尺、茅茨土阶”(语见《韩非子》)建筑的地基基础型式。历代修建的无数建筑物都出色地体现了我国古代劳动人民在地基基础工程方面的高度水平。举世闻名的长城,大运河,蜿蜒万里,如不处理好有关岩土问题,哪得穿越各种地质条件的广阔地区,而被誉为亘古奇观,宏伟壮丽的宫殿寺院,要依靠精心设计建造的地基基础,才能逾千百年而留存至今,遍布各地的巍巍高塔,是由于奠基牢固,方可历多次强震强风的考验而安然无恙。下面主要按文献记载,略举我国古代地基基础的点滴做法。
隋朝石工李春所修赵州石拱桥,不仅因其建筑和结构设计的成就而著称于世,就论其地基基础的处理也是颇为合理的。他把桥台砌置于密实粗砂层上,一千三百多年来估计沉降仅约几厘米。现在验算其基底压力约500—600kPa,这与以现代土力学理论方法给出的承载力值很接近。根据宋代古籍《梦溪笔谈》和《皇朝类苑》的记载,北宋初著名木工喻皓(公元989年)在建造开封开宝寺木塔时,考虑到当地多西北风,便特意使建于饱和土上的塔身稍向西北倾斜,设想在风力的长期断续作用下可以渐趋复正。由此可见,古人在实践中早已试图解决建筑物地基的沉降问题了。
我国木桩基础的使用,由来已久。郑州的隋朝超化寺是在淤泥中打进木桩形成塔基的(《法苑珠林》第51卷)。杭州湾的五代大海塘工程也采用了木桩和石承台。在人工地基方面,秦代在修筑驰道时,就已采用了“稳以金堆”的路基压实方法,至今还采用的灰土垫层、石灰桩、瓦渣垫层,撼砂垫层等,都是我国自古已有的传统地基处理方法。此外,北宋李诫所著《营造法式》记载了古代地基基础的某些具体做法。
封建时代劳动人民的无数地基基础实践经验,集中体现于能工巧匠的高超技艺,但是,由于当时生产力发展水平的限制,还未能提炼成为系统的科学理论。
作为本学科理论基础的土力学的发端,始于十八世纪兴起了工业革命的欧洲。那时,资本主义工业化的发展,工场手工业转变为近代大工业,建筑的规模扩大了。为了满足向国内外扩张市场的需要,陆上交通进入了所谓“铁路时代”。因此,最初有关土力学的个别理论多与解决铁路路基问题有关。1773年,法国的C.A.库伦(Coulomb)根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式,提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。九十余年后,英国的W.J.M.朗肯(Rankine,1869)又从不同途径提出了挡土墙土压力理论。这对后来土体强度理论的发展起了很大的作用。此外,法国J.布辛奈斯克(Boussinesq,1885)求得了弹性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解答,瑞典W.费兰纽斯(Fellenius,1922)为解决铁路坍方问题作出了土坡稳定分析法。这些古典的理论和方法,直到今天,仍不失其理论和实用的价值。
在长达一个多世纪的发展过程中,许多研究者承继前人的研究,总结了实践经验,为孕育本学科的雏形而作出贡献。1925年,K.太沙基(Terzaghi)归纳发展了以往的成就,发表了《土力学》(Erdbaumechanik)一书,接着,于1929年又与其他作者一起发表了《工程地质学》(Ingenieurgeologie)。这些比较系统完整的科学著作的出现,带动了各国学者对本学科各个方面的探索。从此,土力学及地基基础就作为独立的科学而取得不断的进展。从1936年在美国召开第一届国际土力学与基础工程会议起,至1989年,共计开过12次国际会议。其间,世界各地区(如亚洲、欧洲、非洲、泛美、澳新、东南亚等)以及包括新中国在内的许多国家也都开展了类似的活动,交流和总结了本学科新的研究成果和实践经验。
从五十年代起,现代科技成就尤其是电子技术渗入了土力学及基础工程的研究领域。在实现实验测试技术自动化、现代化的同时,人们对土的基本性质又有了更进一步的认识。土力学理论和基础工程技术也出现了令人瞩目的进展。因此,有人认为,1957年召开的第四届国际土力学与基础工程会议标志着一个新时期的开始。正当这个时期,年青的中华人民共和国也以朝气蓬勃的姿态步入了国际土力学及基础工程科技交流发展的行列。从1962年开始的全国土力学及基础工程学术讨论会的定期召开,已成为本学科迅速进展的里程碑。纵观横览我国在土力学与基础工程各个领域的理论与实践的新成就,已达到难以尽述的境地。
时至今日,土建,水利、桥梁、隧道、道路、港口、海洋等有关工程中,以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域,因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性,已融合为一个自成体系的新专业——“岩土工程” (Geotechnical Engineering)。它的工作方法就是:调查勘察、试验测定、分析计算、方案论证,监测控制、反演分析,修改定案;它的研究方法是以三种相辅相成的基本手段,即数学模拟(建立岩土本构模型进行数值分析)、物理模拟(定性的模型试验,以离心机中的模型进行定量测试和其它物理模拟试验)和原体观测(对工程实体或建筑物的性状进行短期或长期观测)综合而成的。我国的地基及基础科学技术,作为岩土工程的一个重要组成部分,已经、也必将继续遵循现代岩土工程的工作方法和研究方法进行发展。