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土力学与地基基础讲义.pdf

土力学与地基基础讲义

yunge008
2014-02-19 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《土力学与地基基础讲义pdf》,可适用于高等教育领域

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、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》。、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。、洪毓康主编《土质学与土力学》人民交通出版社。、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。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%分设计计算占%分。三、授课方式、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。、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%以上因此要认真对待每章的例题分析部分。、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。、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)。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。教材第四页图是建于年的加拿大特朗斯康谷仓(TransconaGrainElevator)地基破坏情况。该谷仓由个圆柱形筒仓组成高m宽m其下为片筏基础由于事前不了解基础下埋藏有厚达m的软粘土层建成后初次贮存谷物使基底平均压力(KPa)超过了地基的极限承载力。结果谷仓西侧突然陷入土中m东侧则抬高m仓身倾斜°。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个t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m。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kPa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。年法国的CA.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)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)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)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。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。从年在美国召开第一届国际土力学与基础工程会议起至年共计开过次国际会议。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”(GeotechnicalEngineering)。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。第章工程地质概述一、知识点:土的生成地质年代的概念地质作用的概念矿物与岩石的概念造岩矿物岩石岩石的工程分类地质构造褶皱构造断裂构造第四纪沉积物(层)残积物、坡积物和洪积物冲积物风积物其它沉积物地下水地下水的埋藏条件土的渗透性地下水的腐蚀性动水力、流砂和潜蚀二、考试内容:重点掌握内容掌握土的透水性、流砂、潜蚀、地下水升降等对建筑工程的影响。了解主要造岩矿物的物理性质岩石的分类和主要特征第四纪沉积物的类型、分布规律及特征第四纪沉积物类型及其工程特点。了解地下水的埋藏条件。三、本章内容:§土的生成我们把地球最外层的坚硬固体物质称为地壳地壳厚度一般为km人类生存与活动范围仅限于地壳表层。在漫长的地质年代中由于内动力地质作用和外动力地质作用地壳表层的岩石经历风化、剥蚀、搬运、沉积生成大小悬殊的颗粒称之为土在不同的自然环境中由各种营力的地质作用生成了不同类型的土而土历经压密固结、胶结硬化也可再生成岩石。而现在所见到的土是近期地质历史第四纪以来生成的尚未固结的松散物质。地质年代的概念地质年代是指从最老的地层到最新的地层所代表的时代。即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的多样的岩石和土。根据地质构造和地貌对建筑场地进行稳定性评价以及安岩石和土的性质对地基承载力和变形进行评价时也需要具备地质年代的知识。地质年代分为相对地质年代和绝对地质年代。整个历史时期地质作用在不停息地进行着。各个地质历史阶段既有岩石、矿物和生物的形成与发展也有它们的破坏和消亡。把各个地质历史时期形成的岩石结合埋藏在岩石中能反映生物演化程序的化石和地质构造按先后顺序确定下来展示岩石的新老关系这就是相对年代。相对年代只能说明各种岩石、地层的相对新老关系而不能说明某种岩石或岩层形成距今多少年。自然界中某些物质的蜕变现象被发现以后地质学家们就利用放射性同位素的蜕变规律来计算矿物和岩石的年龄称为同位素年龄或绝对年龄。相对地质年代在地史的分析中广为应用。它是根据古生物的演化和岩石形成的顺序将地壳历史划分成一些自然阶段。在地质学中根据地层对比和古生物学方法把地质年代划分为五大代(太古代、元古代、古生代、中生代和新生代)每代又分为若干纪每纪又细分为若干世和期。在新生代中最新近的一个纪称为第四纪第四纪是指约万年至今这段地质时期。由原岩风化产物碎屑物质经各种外力地质作用(剥蚀、搬运、沉积)形成尚未胶结硬化的沉积物(层)通称“第四纪沉积物(层)”或“土”。工程活动涉及的土体大都是在第四纪形成它沉积在地表覆盖在基岩之上各种建筑物往往就建造在它上面。地质作用的概念构成天然地基的物质是地壳中的岩石和土。地壳的一般厚度为~Km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。根据地质作用的能量来源的不同可分为内动力地质作用和外动力地质作用。内动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。岩浆是存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔融体(它的主要成分为SiO)富含挥发性物质和金属硫化物。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。地壳运动是指地壳的升降运动和水平运动升降运动表现为地壳的上拱和下拗形成大型的构造隆起和拗陷水平运动表现为地壳岩层的水平移动使岩层产生各种形态的褶皱和断裂。地壳运动的这种动力是巨大的。六千五百万年前整个青藏高原包括喜马拉雅山在内都是一片汪洋大海由于从这时起该地区地壳开始逐渐抬升现在这里成为世界的屋脊。在同一个地区不同时期内上升运动和下降运动常常是间歇性的河流就是在这种运动中形成的。当地壳上升水流下切原有的岩土体冲刷出一条较窄而深的河床一般呈“V”字形长江、黄河上游地壳现在就处于上升阶段故而形成绵延千里的峡谷地貌当地壳下降河水的下切能力就减弱如果没有人工治理河水泛滥河床变的宽阔接受沉积形成所谓的冲积平原如现在黄河下游的华北平原长江中下游平原。我们把在洪水期能够淹没的部分叫河漫滩枯水期能够淹没的部分叫河床。如地壳再一次抬升河流会进一步下切河床原有的冲积层遭受侵蚀以前的河床和漫滩即使在洪水期也不能被水淹没在河流两岸形成平坦的台地我们称之为阶地。地壳的间歇性上升导致河流从新到老有一级、二级、三级甚至更多的阶地。目前黄河在兰州附近就有六级阶地渭河在西安有三级阶地。因此地壳运动的结果形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。在岩浆活动和地壳运动过程中原岩(原来生成的各种岩石)在高温高压及渗入挥发性物质如SOHOCO等)的变质作用下生成的另一种类型岩石称为变质岩。外动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。使地表形态发生变化形成新的产物。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。这种外力(包括大气、水生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用统称为风化作用。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称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物也就是通常所说的“土”。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拗陷从而改变了外力地质作用的过程。一般说来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。错综复杂的地质作用形成了各种成因的地形称为地貌。因此从地质学的观点出发地表形态可按其不同的成因划分为各种相应的地貌单元。位于各种地貌单元之下总会遇到原来生成的、具有一定连续性的岩石称为基岩而覆盖在基岩之上的各种成因的沉积物则称为覆盖土。在山区覆盖土层较薄基岩常露出地表而在平原地区覆盖层则往往很厚。§矿物与岩石的概念岩石是一种或多种矿物的集合体。岩石的特征及其工程性质在很大程度上决定于它的矿物成分。组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物是地壳中天然生成的自然元素或化合物它具有一定的物理性质、化学成份和形态。造岩矿物地壳上已被发现的矿物有三千多种但最主要的造岩矿物只有三十几种如石英长石、辉石角闪石、云母、方解石高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。矿物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生成如石英、长石、辉石、角闪石、云母等次生矿物一般由原生矿物经风化作用直接生成如由长石风化而成的高岭石、由辉石或角闪石风化而成的绿泥石等或在水溶液中析出生成如水溶液中析出的方解石CaCO和石膏CaSO·HO等。矿物的主要物理性质.形状:指矿物的外表形态。结晶体大多呈规则的几何形状。非晶体则呈不规则的几何形状。.颜色:指矿物新鲜表面所呈现的颜色它取决于矿物的化学成分及其所含的杂质一般分为浅色(白、浅灰、玫瑰、红黄等色)和深色(深灰、深绿、灰黑、黑等色)二大类。.光泽:指矿物表面反射光线的强弱程度可分为金属光泽和非金属光泽。后者包括玻璃、金刚、油脂、珍珠、丝绢等光泽。.硬度:指矿物抵抗外力刻划的能力。通常选定滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚石和金刚石十种矿物以它们的硬度作为标准定出十个硬度等级以便把其它矿物与表中所列的矿物相刻划从而定出被试矿物的硬度等级。.解理:指矿物受外力作用后沿一定方向裂开成光滑平面(解理面)的性能。解理面常与结晶体的晶面平行。一般可分为极完全解理(极易裂开成极薄片状)、完全解理(裂开成鳞片状、板状或块状)、不完全解理(裂开面只具有局部的光滑平面)及无解理(裂开成不规则的碎块)。·.断□:指矿物受外力作用后不沿一定方向破裂时断开面的形态。常见的断口有贝壳状、平坦状、参差状、锯齿状等。岩石岩石按成因可划分为三大岩类:岩浆岩(火成岩)、沉积岩和变质岩。岩石的主要特征一般包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的结构是指岩石中矿物颗粒的结晶程度大小和形状及其彼此间的组合方式等特征。岩石的构造则是由岩石中矿物排列方式及填充方式决定的。不同类型的岩石由于它们生成的地质环境和条件的不同就产生了各种不同的结构和构造。岩石的工程分类作为建筑场地和建筑物地基的岩石是根据它的坚固性和风化程度进行分类的。岩石按坚固性分类岩石根据坚固性可分为硬质岩石和软质岩石二类。风化作用及岩石按风化程度分类风化作用是一种使岩石在原地产生物理和化学变化的破坏作用。岩石经风化后结构破坏变成松散甚至碎粉状的物质以致使它的强度降低、透水性增强。在岩石严重风化的地区由于风化层很厚建造高大建筑物时常不得不将风化层全部或部分清除而把基础砌置在比较新鲜的基岩上这就会增加造价延长工期。所以岩石的风化程度不仅是工程地质勘察中的重要内容之一而且是岩石工程分类的重要依据。.风化作用的类型风化作用根据其性质和影响因素的不同分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。(I)物理风化作用地表岩石由于温度变化和裂隙中水的冻结以及盐类的结晶而逐渐破碎崩解但其化学成分尚未发生变化这种过程称为物理风化作用。例如由于温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所产生的拉应力的频繁交替遂使岩石表层产生裂缝而崩解。另一方面岩石中的不同矿物各有其不同的膨胀系数所以当温度反复变化时岩石内部就会产生不均匀的胀缩变形导致裂缝的产生久而久之坚硬完整的岩石就逐渐崩解成碎块了。()化学风化作用:地表岩石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下所引起的破坏过程称为化学风化作用。它不仅破坏岩石的结构而且使其化学成分改变而形成新的矿物(次生矿物)。化学风化的主要方式有下列几种:氧化作用、水化作用、水解作用、溶解作用。()生物风化作用:它是指在生物活动过程中对岩石产生的破坏作用。这种作用可以引起岩石的机械破坏如树根生长时施加于周围岩石的压力可达一kgcm穴居地下的蚯蚓鼠类等的活动破坏性也很大。此外在岩石表面的细菌、苔藓之类分泌出的有机酸溶液能分解岩石的成分促使岩石破坏。上述三种风化作用实际上不是孤立进行的。如物理风化使岩石逐渐破碎增大了岩石的孔隙率和表面积为化学风化创造了有利的条件反过来化学风化则使所形成的碎屑发生质的变化颗粒变得更小并使岩石松软、体积膨胀从而促进物理风化的进行。但在某一地区的特定自然地理坏境下。通常以一种风化作用占主导地位。.岩石按风化程度的划分:在工业与民用建筑工程地质勘察工作中一般根据岩石由于风化所造成的特征包括矿物变异、结构和构造、坚硬程度以及可挖掘性或可钻性等而将岩石的风化程度划分为微风化、中等风化和强风化三等。§地质构造在漫长的地质历史发展过程中地壳在内、外力地质作用下不断运动演变所造成的地层形态(如地壳中岩体的位置产状及其相互关系等)统称为地质构造。它决定着场地岩土分布的均一性和岩体的工程地质性质。地质构造与场地稳定性以及地震评价等的关系尤为密切因而是评价建筑场地工程地质条件所应考虑的基本因素。褶皱构造地壳中层状岩层在水平运动的作用下使原始的水平产状的岩层弯曲起来形成褶皱构造。褶皱的基本单元即岩层的一个弯曲称为褶曲。褶曲虽然有各式各样的形式但基本形式只有两种即背斜和向斜(图)。背斜由核部地质年代较老到翼部较新的岩层组成横剖面呈凸起弯曲的形态。向斜则由核部新岩层和冀部老岩层组成横剖面呈向下凹曲的形态。必须指出在山区见到的褶曲一般来说其形成的年代久远由于长期暴露地表使得部分岩层尤其是软质或裂隙发育的岩石受到风化和剥蚀作用的严重破坏而丧失了完整的褶曲形态。断裂构造岩体受力断裂使原有的连续完整性遭受破坏而形成断裂构造。沿断裂面两侧的岩层未发生位移或仅有微小错动的断裂构造称为节理反之如发生了相对的位移则称为断层。节理岩层因地壳运动引起的剪应力形成的断裂称为剪节理一般是闭合的常呈两组平直相交的X形。岩层受力弯曲时外凸部位由拉应力引起的断裂称为张节理其裂隙明显节理面粗糙。此外由于岩浆冷凝收缩或因基岩风化作用产生的裂隙统称为非构造节理。在褶皱山区岩层强烈破碎顺向坡岩体易沿岩层层面和节理面滑动而丧失稳定性。此外节理发育的岩体加速了风化作用的进行从而使岩体的强度大大降低。断层分居于断层面两侧相互错动的二个断块其中位于断层面之上的称为上盘位于断层面之下的称为下盘。若按断块之间的相对错动的方向来划分:上盘下降下盘上升的断层称正断层(图)反之上盘上升下盘下降的断层称逆断层(图)如两断块水平互错则称为平移断层(图)。断层面往往不是个简单的平面而是有一定宽度的断层带。断层规模越大这个带就越宽破坏程度也越严重。工程设计原则上应避免将建筑物跨放在断层带上尤其要注意避开近期活动的断层带。所以调查活动断层的位置、活动特点和强烈程度对于工程建设有着重要的实际意义。§第四纪沉积物(层)由原岩风化产物经各种外力地质作用而成的沉积物至今其沉积历史不长所以只能形成未经胶结硬化的沉积物也就是通常所说的“第四纪沉积物”或“土”。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征以下分别介绍其中主要的几种成因类型。残积物、坡积物和洪积物残积物(Qel)(Qel为第四纪地层的成因类型符号下同此。)残积物是由岩石风化后未经搬运而残留于原地的土而另一部分则被风和降水所带走。它处于岩石风化壳的上部是风化壳中的剧风化带向下则逐渐变为半风化的岩石。它的分布主要受地形的控制在宽广的分水岭上由雨水产生地表径流速度小风化产物易于保留的地方残积物就比较厚。在平缓的山坡上也常有残积物覆盖。(见书第页图-)在不同的气候条件下、不同的原岩将产生不同矿物成份、不同物理力学性质的残积土。由于风化剥蚀产物是未经搬运的颗粒不可能被磨圆或分选没有层理构造。残积物与基岩之间没有明显的界限通常经过一个基岩风化层(带)而直接过渡到新鲜岩石。残积物有时与强风化层很难区分。一般说来残积物是由于雨雪水流将细颗粒带走后残留的较粗颗粒的堆积物。风化层则虽受风化作用的影响但它是未被剥蚀搬运的基岩风化产物。残积物中残留碎屑的矿物成分很大程度上与下卧基岩相一致这是鉴定残积物的主要根据。例如砂岩风化剥蚀后生成的残积物多为砂岩碎块。根据这个道理可按地面残积物的成分推测下卧基岩的种类。反之也可按基岩分布的规律推测其风化产物的特征。山区的残积物因原始地形变化很大且岩层风化程度不一所以其厚度在小范围内变化极大。由于残积物没有层理构造均质性很差因而土的物理力学性质很不一致同时多为棱角状的粗颗粒土其孔隙度较大作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。不同岩类具有不同的风化特征如块状构造的花岗岩多以沿节理裂隙风化风化厚度大且以球状风化为主。当岩石在大气水、生物等外力地质作用下发生风化使其结构、矿物成分、物理、力学、化学性质等产生不同程度的变异则称为风化岩。岩石已达到完全风化而未经搬运的碎屑物称为残积土。我国南方花岗岩分布较广如深圳地区约占%的面积花岗岩残积土的厚度在m之间是该区城市建筑物基础的主要持力层。花岗岩残积土是在化学风化作用下淋滤形成的产物其矿物成分与原岩虽有本质的改变但多保留在原位并具有它的原始形状其中不易风化的石英颗粒更是如此。所以花岗岩残积土一般仍保持其原岩粒状结构具有相当高的结构强度外表看起来很象岩石。对其采用一般的室内土工试验方法测得的物理力学性质分析其工程性质是较差的表现在高孔隙比、高压缩性等方面。但从原位测试分析它表现为承载力较高、压缩性较低。坡积物(Qdl)(书页-)坡积物是残积物经水流搬运顺坡移动堆积而成的土。即是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。其成份与坡上的残积土基本一致。由于地形的不同其厚度变化大新近堆积的坡积土土质疏松压缩性较高。它一般分布在坡腰上或坡脚下其上部与残积物相接。坡积物底部的倾斜度决定于基岩的倾斜程度而表面倾斜度则与生成的时间有关时间越长搬运、沉积在山坡下部的物质就越厚表面倾斜度就越小。坡积物质随斜坡自上而下呈现由粗而细的分选现象。其成份与坡上的残积土基本一致。与下卧基岩没有直接关系这是它与残积物明显的区别。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匀且其厚度变化很大(上部有时不足一米下部可达几十米)尤其是新近堆积的坡积物土质疏松压缩性较高。洪积物(Qpl)(书页-)洪积土是山洪带来的碎屑物质在山沟的出口处堆积而成的土。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和搬运能力。它冲刷地表挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物。山洪流出沟谷口后由于流速骤减被搬运的粗碎屑物质(如块石、砾石、粗砂等)首先大量堆积下来离山渐远洪积物的颗粒随之变细其分布范围也逐渐扩大。其地貌特征靠山近处窄而陡离山较远宽而缓形如锥体故称为洪积扇(锥)。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。如果逐渐扩大以至连接起来则形成洪积冲积平原的地貌单元。洪积物的颗粒虽因搬运过程中的分选作用而呈现上述随离山远近而变的现象但由于搬运距离短颗粒的磨圆度仍不佳此外山洪是周期性产生的每次的大小不尽相同堆积下来的物质也不一样。因此洪积物常呈现不规则交错的层理构造如具有夹层尖灭或透镜体等产状。冲积物(Qal)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、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。即是由于河流的流水作用将碎屑物质搬运堆积在它流经的区域内随着从上游到下游水动力的不断减弱搬运物质从粗到细逐渐沉积下来一般在河流的上游以及出山口,沉积有粗粒的碎石土、砂土,在中游丘陵地带沉积有中粗粒的砂土和粉土,在下游平原三角洲地带沉积了最细的粘土。冲积土分布广泛,特别是冲积平原是城市发达、人口集中的地带。对于粗粒的碎石土、砂土是良好的天然地基但如果作为水工建筑物的地基由于其透水性好会引起严重的坝下渗漏而对于压缩性高的粘土一般都需要处理地基。冲积物的特点是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(块石碎石及角砾)经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆形或圆形颗粒(漂石、卵石、圆砾)其搬运距离越长则沉积的物质越细典型的冲积物是形成于河谷(河流流水侵蚀地表形成的槽形凹地)内的沉积物可分为平原河谷冲积物和山区河谷冲积物等类型。平原河谷冲积物平原河谷除河床外大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元(图)。平原河流常以侧向侵蚀为主因而河谷不深而宽度很大。正常流量时河水仅在河床中流动河床两侧则是宽广的河漫滩。只在洪水期中河水才溢出河床泛滥于河漫滩之上。河流(谷)阶地是在地壳的升降运动与河流的侵蚀沉积等作用相互配合下形成的位于河漫滩以上的阶地状平台。河流阶地的形成过程大致如下:当地壳下降河流坡度变小发生沉积作用河谷中的冲积层增厚地壳上升时则河流因竖向侵蚀作用增强而下切原有的冲积层在河谷内冲刷出一条较窄的河床新河床两侧原有的冲积物即成为阶地。如果地壳交替发生多次升降运动就可以形成多级阶地由河漫滩向上依次称为一级阶地、二级阶地三级阶地……等阶地的位置越高其形成的年代则越早。如黄河在兰州附近就有六级阶地。山区河谷冲积层在山区河谷两岸陡削大多仅有河谷阶地(图)地表水和地下水基本上都流向河床。山区河流流速很大故沉积物质较粗大多为砂粒所填充的卵石圆砾等。山间盆地和宽谷中有河漫滩冲积物其分选性较差具有透镜体和倾斜层理构造厚度不大在高阶地往往是岩石或坚硬土层作为地基其工程地质条件很好。风积物(Qeol)风积物是由风作为搬运动力将碎屑物由风力强的地方搬运到风力弱的地方沉积下来的土。风积土生成不受地形的控制我国的黄土就是典型的风积土。主要分布在沙漠边缘的干旱与半干旱气候带。风积黄土的结构疏松含水量小浸水后具有湿陷性。其它沉积物除了上述四种主要成因类型的沉积物(残积物、坡积物、洪积物和冲积物)外还有海洋沉积物(Qm)、湖泊沉积物(Ql)及冰川沉积物(Qgl)等它们是分别由海洋、湖泊及冰川等的地质作用形成的。下面只简略介绍海洋沉积物和湖泊沉积物。海洋沉积物(Qm)(海相沉积物)海洋按海水深度及海底地形划分为滨海带(指海水高潮位时淹没而低潮位时露出的地带)、浅海区(指大陆架水深约m宽度约km)、陆坡区(指大陆陡坡即浅海区与深海区之间过渡的陡坡地带水深约m宽度约km)及深海区(海洋底盘水深超过lm)。与上述海洋分区相应的四种海相沉积物如下:滨海沉积物主要由卵石圆砾和砂等粗碎屑物质组成(可能有粘性土夹层)具有基本水平或缓倾斜的层理构造在砂层中常有波浪作用留下的痕迹。作为地基其强度尚高但透水性较大。粘性土夹层干时强度较高但遇水软化后强度很低。由于海水大量含盐因而使形成的粘土具有较大的膨胀性。浅海沉积物主要有细颗粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物(硅质和石灰质等)。离海岸愈远沉积物的颗粒愈细小。浅海沉积物具有层理构造其中砂土较滨海带更为疏松因而压缩性高且不均匀一般近代粘土质沉积物的密度小含水量高因而其压缩性大强度低。陆坡和深海沉积物主要是有机质软泥成分均一。湖泊沉积物(Ql)湖泊沉积物可分为湖边沉积物和湖心沉积物。湖泊如逐渐淤塞则可演变成沼泽形成沼泽沉积物。湖边沉积物主要由湖浪冲蚀湖岸、破坏岸壁形成的碎屑物质组成的。在近岸带沉积的多数是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土远岸带沉积的则是细颗粒的砂土和粘性土。湖边沉积物具有明显的斜层理构造。作为地基时近岸带有较高的承载力远岸带则差些。湖心沉积物是由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成的主要是粘土和淤泥常夹有细砂粉砂薄层称为带状粘土。这种粘土压缩性高强度低。沼泽沉积物又称沼泽土主要是由含有半腐烂的植物残余体泥炭组成的。泥炭的特征是:()含水量极高(可达百分之百)这是任何其它土类所没有的因为腐殖质是吸水能力极高的物质()透水性很低()压缩性很高且不均匀承载能力很低。因此永久性建筑物不宜以泥炭层作为地基。腐殖质含量低的泥炭当其含水量稍低时则有一定的承载能力但必须注意地基沉降问题。§地下水存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水叫做地下水。一般说来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。地下水的埋藏条件地下水按其埋藏条件可分为:上层滞水、潜水和承压水三种类型上层滞水:是指埋藏在地表浅处局部隔水透镜体的上部且具有自由水面的地下水。它的分布范围有限其来源主要是由大气降水补给。因此它的动态变化与气候、隔水透镜体厚度及分布范围等因素有关。上层滞水地带只有在融雪后或大量降水时才能聚集较多的水因而只能拟作为季节性的或临时性的水源。潜水:埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上的具有自由水面的地下水称为潜水。潜水一般埋藏在第四纪沉积层及基岩的风化层中。潜水直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给同时也直接由于蒸发或流人河流而排泄它的分布区与补给区是一致的。因此潜水水位变化直接受气候条件变化的影响。承压水:承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。它承受一定的静水压力。在地面打井至承压水层时水便在井中上升甚至喷出地表形成所谓自流井。由于承压水的上面存在隔水顶板的作用它的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。土的渗透性土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质或称透水性。地下水的补给与排泄条件以及在土中的渗透速度与土的渗透性有关。在计算地基沉降的速率和地下水涌水量时都需要土的渗透性指标。地下水的运动有层流和紊流二种形式。地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时属层流运动而在岩石的裂隙或空洞中流动时速度较大会有紊流发生其流线有互相交错的现象。如图。地下水在土中的渗透速度一般可按达西(Darcy)根据实验得到的直线渗透定律计算其公式如下:ki=υ()式中υ水在土中的渗透速度cm/s它不是地下水的实际流速而是在一单位时间(sec)内流过一单位土截面(cm²)的水量(cm³)i水头梯度LHHi−=即土中A和A两点的水头差(HH−)与两点间的流线长度(L)之比图中h、h为两点的压头z、z为位头则H、H为总水头k土的渗透系数cm/s与土的渗透性质有关的待定常数。在式()中当i=时υ=k即土的渗透系数其值等于水头梯度为时的地下水渗透速度k值的大小反映了土渗透性的强弱。实验证明:在砂土中水的流动符合于达西定律(图中a线)而在粘性土中只有当水头梯度超过所谓起始梯度后才开始发生渗流。如图中b线所示当水头梯度i不大时渗透速度υ为零只有当ii>(起始梯度)时水才开始在粘性土中渗透(υ≠)。在渗透速度υ与水头梯度i的关系曲线上有和二个特征点。点相应于起始梯度i在点与点之间渗透速度与水头梯度成曲线关系达到点(相应的梯度为i)后转为直线(图中直线)它与横坐标相交于点′。为了简化计算如采用该直线在横坐标上的截距'i作为计算起始梯度则用于粘性土的达西定律的公式如下:)'(iik−=υ()土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。各种土的渗透系数变化范围可以参考有关文献。地下水的腐蚀性地下水含有各种化学成分当某些成分含量过多时会腐蚀混凝土、石料及金属管道而造成危害。下面仅介绍地下水对混凝土的腐蚀作用。地下水中硫酸离子含量过多时将与水泥硬化后生成的Ca(OH)起作用生成石膏结晶CaSO·HO。石膏再与混凝土中的铝酸四钙CaO·AO起作用生成铝和钙的复硫酸盐CaO·AO·CaSO·HO。这一化合物的体积比化合前膨胀倍能破坏混凝土的结构。氢离子浓度(负对数值)PH<的酸性地下水对混凝土中Ca(OH)及CaCO起溶解破坏作用。地下水中游离的CO可与混凝土中Ca(OH)化合生成一层CaCO硬壳对混凝土起保护作用。但CO含量过多时又会与CaCO化合生成Ca(HCO)而溶于水。这种过多的、能与CaCO起作用的那一部分游离CO称为腐蚀性二氧化碳。《勘察规范》将环境水对混凝土的腐蚀性分为:结晶类腐蚀分解类腐蚀及结晶分解复合类腐蚀三类。在评价地下水是否具有腐蚀性时尚应结合场地的地质条件和物理风化条件综合考虑。《勘察规范》订有详细的评定标准和宜采用的抗腐蚀水泥品种及其它防护措施。动水力、流砂和潜蚀地下水在渗流过程中受到土骨架的阻力相应地水对土产生反力称为动水力GD表示单位为kN/m³。流砂是一种不良的工程地质现象。例如在地下水位以下开挖基坑若从基坑中排水使坑外总水头大于坑内则坑底下的地下水将向上渗流在地基土中产生自下而上的动水力。当水头差增大而使水头梯度达到时就会出现流砂现象坑底泥砂翻涌给施工带来很大困难甚至影响邻近建筑物的安全。防治流砂的原则主要是:减少或消除基坑内外地下水的水头差例如采取先在基坑范围外以井点降低地下水后开挖或在不排水基坑内以抓斗等工具进行水下挖

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