土力学与基础工程摘要

1、土力学与基础工程土力学、地基、基础的基本概念是其中的重点，应牢记地基、基础，以及持力层、下卧层等的定义。地基、基础的设计与计算，与上部结构一样，必须满足变形、强度、稳定的要求，地基中的岩、土是自然产物，对于岩土的性能必须根据场地的实际情况进行调查研究，认真分析土的组成：土是由固体颗粒、水和空气组成的，称为土的三相体系。其中固相包括矿物颗粒和有机物，构成土的骨架。土粒的矿物成分对粒径大小影响较大，一般原生矿物粒径较大，次生矿物粒径较小，根据粒径大小可对岩土进行分类。土粒的级配对土的性质影响较大，工程中用不均匀系数来定量反映土的级配，土的级配一般用筛分法和比重计法来测定。土中水分为结合水与自由水，

2、结合水不能传递静水压力也不能作液体流动，自由水可传递静水压力，可流动，其中毛细水还能存在于地下水位以上的透水层中。土中的气体影响土体的压缩性。土的性质包括它的物理性质、力学性质、水理性质以及工程性质等。土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系，反映出土的不同物理性质，如干湿、轻重、松密及软硬等。土的这些物理性质又与力学性质（强度、压缩性、渗透性等）有着密切的联系。如土湿软、松散则强度低，压缩性大；土颗粒大则渗透性好，土粒大小不均匀（级配好），则在动荷载作用下，易于压实等。在进行土力学计算及处理地基基础问题时，不仅要知道土的物理性质特征及其变化规律，了解各类土的特性，还必须熟练掌握反映土三相组成

3、比例和状态的各指标的定义、试验或计算方法，以及按土的有关特征和指标确定地基土的分类方法。土的物理状态指标：土的物理状态是指土的松密和软硬状况。无粘土中砂土常用相对密度和标准贯人度来确定密实度，碎石土用综合指标确定密实度。粘性土的稠度用塑性指数与液性指数来表示。扰动土的性质与原样土有差别，与土的灵敏度和触变性有关。渗透定律和压实原理是土力学中常用的原理，掌握其基本概念及应用有助于对全书的理解和工程实践。岩土的分类：岩土按建筑地基基础设计规范(GB500072002)分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土六大类。土的自重应力可分为不再引起和会引起土体变形的两种情况;地基附加应力是引起地基变

4、形的主要原因，地基附加应力是由建筑基础底面的附加应力产生的，而基底附加压力为基底压力与基底处建前土中自重应力之差值，地基附加应力的计算公式都是只考虑柔性荷载作用下导得的。土是由固体颗粒、水和气组成的三相分散体系。在工程实践中，要计算土中应力，需建立某种理想化的计算模型。这种模型既要可能准确地模拟天然土体的主要力学性状，同时又要便于利用已有的力学、数学方法进行分析。为此，把天然土体简化为线弹性体，即假设地基土是均匀、连续、各向同性的半无限弹性体，而采用弹性理论来求解土中应力。在计算地基的自重应力时，将地基视为半无限体，因而在任一铅直面和水平面上只有正应力而无剪应力。由土体自重引起的竖向有效正应力

5、即为土的自重应力。土中一点的自重应力，等于该点以上土柱体的重量。土的自重应力分布曲线有以下规律：1、土的自重应力分布曲线是一条折线，拐点在土层分界处及地下水位处；2、同一土层的自重应力按直线分布；3、自重应力随深度的增加而增大。地基中附加应力的计算是本章重要内容。计算土中附加应力时，通常采用布辛奈斯克解答垂直集中力作用下地基附加应力。如果为分布荷载，可用等代荷载法求出地基中任意点的附加应力。工程实用中，如果计算太复杂，不方便。因此采用角点法计算附加应力，并制定一些附加应力系数表格供查取。均布条形荷载作用下地基中附加应力z的分布规律：1、z不仅分布在荷载面积范围之内，而且还分布到荷载面积范围以外

6、，这就是地基中附加应力的扩散现象；2、在荷载面积范围之内，z在竖直方向上随深度增加逐渐减少。在荷载面积范围之外，在基底处z为零，然后随深度增加而逐渐增大，z达某一值时，又随深度增加而逐渐减少;3、在基础底面下不同深度z处的各个水平面上，基底中心轴线处z最大，距离轴线越远处z越小。土中附加应力的计算，是建立在将地基作为均质的、连续的各向同性的半无限直线变形体这一假定的基础上，采用弹性理论推导求解。而实际情况并非如此，大多数地基并不是各向同性和均质的。例如，天然地基常由不同地质时期沉积的土层组成，不同的土层具有不同的物理力学特征和结构特征；另外地基中土的变形模量常随深度而增大。因此，使得前述计算附

7、加应力的理论和方法与实测结果存在差别。有效应力原理是土力学最重要的原理之一，掌握其基本概念及应用有助于对全书的理解和工程实践。本章主要讨论土的压缩性、土的压缩性指标的确定方法以及计算基础沉降的分层总和法和规范方法，应力历史对地基沉降的影响及地基变形与时间的关系。在建筑物荷载作用下，地基变形的根本原因是土具有压缩性。而土压缩性的大小及其特征，是土变形性能研究中最重要的内容。由于土是由土粒、水和气所组成的非连续介质，受力后的压缩变形性能比钢材、混凝土等其它建筑材料要复杂得多，不仅变形量大，在受力的不同时期其压缩性亦不相同。而且变形稳定也有一个时间过程，并随荷载大小等条件的不同，不同种类的土所需的时

8、间也不相同。因此，研究地基变形与时间关系亦是土力学的重要内容之一。土的孔隙比与压力之间的关系，可通过室内压缩试验来确定。测得土样在各级压力pi作用下的稳定压缩量si后，就可算出相应的孔隙比ei，从而建立压力与孔隙比的关系曲线，称为土的压缩曲线。压缩曲线反映了土的压缩特性，不同的土，压缩曲线的形状不同。曲线陡者表示压力变化时孔隙比变化大，即土的压缩性大；反之，压缩性小。因此，可用曲线的斜率来衡量土的压缩性，ep曲线上任一点的斜率称为土的压缩系数。半对数压缩曲线elogp曲线的后段，对于软土近似于直线，其斜率Cc称为压缩指数。土的压缩模量Es定义为：在侧限条件下土的竖向附加应力z与相应竖向应变z之

9、比。根据侧限压缩试验结果，可推导出压缩模量Es与压缩系数a之间的关系。应当注意，Es与其它建筑材料的弹性模量相似，都是受力方向的应力与应变之比。但土在压缩试验时不能侧向膨胀，所以土的压缩模量Es与其它材料在无侧限条件下的弹性模量E有本质区别。在室内压缩试验时，如果在加载后，逐级进行卸载，可得土的回弹曲线。为更确切地评定土在天然状态下的压缩性，可在现场进行原位载荷试验。载荷试验一般在现场试坑内进行。试坑通常布置在取土样的勘察点附近，并设在所要求试验土层的标高上，同时注意保持土的原状结构和天然湿度，宜在拟压表面用不超过20mm厚的粗、中砂找平。试坑的宽度一般规定不小于承压板宽度或直径的三倍，以满足

10、半空间地基表面受荷边界条件的要求。试验设备由加荷稳压装置、反力装置和量测装置三部分组成。土的变形模量E0是指土在无侧限条件下竖向压力z与相应应变z之比。土的变形模量和压缩模量都是衡量土压缩性和计算地基变形量的重要指标，不同之处在于两者在压缩时的侧限条件不同。变形模量是在现场无侧限条件下求得的，能较真实地反映地基的变形性质，而土的压缩模量则是在侧限条件下求得的。二者之间在理论上是可以换算的。从土的回弹和再压缩曲线中可以看出，再压缩曲线比压缩曲线要平缓得多，这表明土经历的应力历史不同将使它具有不同的压缩性，根据这一性质可以将士分为三种类型正常固结土、超固结土、欠固结土。分层总和法假定地基土层在荷载

11、作用下只产生竖向压缩，而无侧向膨胀；按基础中心点下的附加应力计算土层的压缩量；（3）基础的平均沉降量，是由基底下地基变形计算深度范围内，土的压缩量总和而成。分层总和法的计算是建立在侧限压缩试验所得的压缩曲线（ep曲线）的基础上的。计算时，假定土在自重应力下已完成固结，压缩变形主要是由附加应力引起的。分层总和法确定zn采用应力比控制。沉降计算分层的原则天然土层的交界面和地下水位面应为分层面，因为不同的土层压缩性不同，地下水位上下土的重度不同。（2）同一类土层中分层厚度hi0b，（b基础底面的宽度），因为z沿深度是非线性变化的，为避免较大的误差，故计算分层不宜过大。规范法是另一种形式的分层总和法。

12、它也采用室内试验的压缩性指标，运用平均附加应力系数将分层厚度扩大到自然土层厚度，并引入沉降计算经验系数，对计算结果进行修正。规范法在总结我国工程建设中大量建筑物沉降观测资料的基础上，引入修正系数s来反映沉降计算值与实测值的差别。地基沉降按其发生的次序，通常可以分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降是加荷后立即发生的沉降，此时土中水还来不及排出，是地基在无体积应变状态下由土体形变（或畸变）引起的。固结沉降是由于地基中孔隙水排出而引土体体积减小所造成的，占沉降量的主要部分。次固结沉降则是固结后期孔隙水排出之后土骨架的蠕变而产生的。关于沉降与时间的关系，目前均以饱和土体单向固结理论为基础

13、。饱和粘性土在压力作用下，只有排出孔隙中的自由水，才能使其体积减少，产生压缩变形，这一过程称为饱和土的渗透固结。单向固结理论是以土体受到单向加荷，从而产生同向的渗透固结压缩这一基本力学模型为基础的。固结理论的目的在于求解土体中某点的孔隙水压力随时间和深度变化的规律，即（，t）。当地基的固结情况为已知时，就可根据地基中应力的分布和排水条件，解决下面两类问题：（1）给定某固结历时t，求该历时的沉降量st。（2）给定固结度U，求达到该固结度所需的时间t。许多高层建筑和重要工程，一般都需要进行长期的沉降观测，以分析研究建筑物的沉降规律及发展趋势，推算最终沉降量。由于单向固结理论在很多情况下与实际情况有

14、出入，因此，利用沉降观测资料推算后期沉降量，有其重要的现实意义。在积累实测资料的基础上，认为大多数情况下，沉降与时间的关系可用双曲线式或对数式表示。本章主要讨论库仑公式和莫尔-库仑强度理论，土的剪切破坏，极限平衡状态及条件，抗剪强度指标的测定方法，饱和粘性土在不同固结和排水条件下的土的抗剪强度，无粘性土的抗剪强度及土抗剪强度指标的选择。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一，在土木工程中的地基承载力，挡土墙侧土压力，土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接有关。库仑公式和莫尔-库仑强度理论是土力学中广泛采用的抗剪强度理论。土的抗剪强度有两种表达方法，即抗剪强度总应力法，抗

15、剪强度有效应力法，相应的C，卬和C，卬分别称为总应力强度指标和有效应力强度指标。试验研究表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力，然而，由于实际工程中的孔隙水压力很难准确计算和量测，因而有许多土工问题仍采用总应力分析计算方法。当土体中任意一点在某一平面发生的剪应力等于土的抗剪强度时，该点即濒于破坏的临界状态，称为极限平衡状态。根据莫尔-库伦强度理论，可得到土体中一点剪切破坏的条件，即土的极限平衡条件。在公丁直角坐标系中，代表土中一点的莫尔应力圆与莫尔-库伦抗剪强度包线相切，说明切点所代表的平面上的剪应力正好等于抗剪强度，该点就处于极限平衡状态，该莫尔圆称为极限应力圆。根据极限应力圆与抗剪强度包

16、线的几何关系可推得土体的各种极限平衡条件的解析表达式。土的抗剪强度是决定建筑物地基和土工建筑物稳定性的关键因素，因而正确测定土的抗剪强度指标对工程实践具有重要的意义。抗剪强度的测定方法有室内常用的直接剪切试验，三轴压缩试验，无侧限抗压强度试验，现场十字板剪切试验。为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接剪切试验可分为快剪，固结快剪和慢剪三种方法。三轴压缩试验按剪切前受到周围压力的固结状态和剪切时的排水条件可分为不固结不排水试验，固结不排水试验，固结排水试验。无侧限抗压强度试验如同在三轴仪中进行周围压力为零的不排水试验，试件剪切破坏时，试样所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度。十字板剪切试

17、验时土的排水条件，受力状态与土所处的天然状态比较接近，测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果一般与无侧限抗压强度试验结果相近。饱和粘性土的抗剪强度指标，应根据剪切前的固结状态和剪切时的排水条件，通过三轴压缩不固结不排水试验，固结不排水试验，固结排水试验可分别测出饱和粘性土的不排水抗剪强度，固结不排水抗剪强度和排水抗剪强度。无粘性土的抗剪强度决定于有效法向应力和内摩擦角。不同初始孔隙比的同一种砂土在相同周围压力下受剪，密砂应力-应变关系呈应变软化型，将产生剪胀现象，松砂呈应变硬化型，将发生剪缩现象。抗剪强度指标的选择应根据工程问题的性质确定分析方法，进而决定采用总应力或有效应力

18、强度指标，然后选择测试方法，使实验室的试验条件和现场条件尽可能相同。土压力是土坡稳定性评价和挡土墙设计的重要依据，其计算的理论根据是土的抗剪强度理论和土的极限平衡原理。根据挡土墙位移的方向和土体所处的力学性态的差异，土压力可分为主动土压力、静止土压力和被动土压力。朗金土压力理论和库仑土压力理论是目前土压力计算的基本理论，工程中常用土压力的计算均建立在这两个土压力理论的基础上。重力式挡土墙是目前应用较为广泛的挡土形式，其设计核心是墙身断面形式及尺寸的确定，设计要点是墙体稳定性验算、基础设计和排水措施。载卫，4、”是按塑性区开展的深度确定的地基载力，但临塑荷载几，偏于保守，一般用作为地基的承载力。

19、地基的极限承载力是根据地基的整体剪切破坏形式建立的公式，工程中常采用太沙基公式。边坡稳定分析即是确定最危险的滑动面。各稳定验算的计算公式都是建立在一假定的滑动面上。条分法是粘性土坡稳定分析的较常用方法，需通过假定若干滑动面的计算得到最小的安全系数。无粘性土坡稳定性仅与土的内摩擦角和土坡的坡角有关。1、了解地基基础的作用，地基基础设计的两大部分内容，主要的步骤，理解地基基础设计分级和设计的基本内容。2、掌握各种浅基础的定义，力学特点和适用范围，熟练掌握无筋扩展基础的设计计算方法和构造特点。3、理解基础埋深的概念，掌握在不同的建筑结构条件，工程地质条件，水文地质条件，地基冻融条件下，确定适当的基础

20、埋深的方法。4、理解不同的地基承载力确定的方法，理解地基承载力特征值的概念。熟练掌握地基承载力深宽修正公式和承载力计算的判别标准。5、掌握根据地基承载力确定合理基底尺寸的方法。掌握软弱下卧层的验算方法。6、理解地基变形的四个特征：沉降量，沉降差，倾斜和局部倾斜。复习地基变形计算的分层总和法和规范推荐方法。7、熟练掌握扩展基础的计算方法，构造要求。8、理解地基基础与上部结构相互作用的概念。在柱下钢筋混凝土条形基础的设计方法中，应了解弹性地基梁法，掌握倒梁法和静定分析法。9、了解筏形基础的概念，了解倒楼盖法的原理。10、熟悉减轻不均匀沉降损害的建筑措施、结构措施和施工措施。1、本章主要讨论桩基础的

21、设计计算。桩基础是通过桩身与桩周岩土的相互作用，将上部结构荷载传递到地基深部土层中，因此具有较高的承载力和较强的稳定性。2、桩基础的类型按传力方式可分为摩擦型桩、端承型桩；按施工方法可分为预制桩和灌注桩；按成桩效应可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩。3、在某些原因下桩周土可能相对于桩身发生向下的位移，此时会在桩周产生向下的摩阻力，即负摩阻力，它将使桩身轴力和桩的沉降增大，在设计中应充分重视。4、单桩承载力的确定是桩基础设计的重要内容之一，是本章的重点。单桩承载力取决于岩土对桩的支承力和桩身材料强度两个方面，设计时二者应同时兼顾。根据岩土的支承力确定单桩承载力的方法很多，目前以静载荷试验方法最为

22、可靠。5、群桩的工作特性，由于桩一土一承台的共同工作而较单桩更为复杂。对于摩擦型群桩，在设计时应考虑群桩效应的影响。6、桩基础设计原则上与其它基础一样，根据上部结构情况、场地的工程地质和水文地质情况、材料供应以及施工条件等资料，初步拟定设计方案，即选择桩的类型、桩长和桩的截面尺寸，确定单桩承载力并据此确定桩的数量，进行桩的布置和确定承台位置及尺寸，然后进行桩基础的各项计算，根据计算结果对方案作必要的修改，最后进行承台设计、单桩设计并绘制施工图。本章主要讨论基坑工程的特点、基坑工程设计原则、作用于支护结构上的荷载及土压力计算、排桩、水泥土桩墙、土钉支护结构的设计原理、基坑稳定性分析和地下水控制方

23、法。基坑工程具有很强地域性特征，较强的时空效应，对周边环境产生较大影响，支护结构通常是临时性的结构，安全储备小，风险较大，它涉及结构、岩土、工程地质及环境多门学科，而且设计、施工、检测等工作紧密相连，是一项综合性很强的系统工程。基坑支护工程设计的基本原则是确保基础施工和周围环境安全的前提下，为基础施工提供最大限度的施工方便，同时基坑支护工程应具有较好的技术经济和环境效应。作用于支护结构上最重要的荷载是土压力和水压力。其计算方法有水土分算法和水土合算法两种。对砂性土和粉土，可按水土分算法，即分别计算土、水压力，然后叠加；对粘性土可根据现场情况和经验，按水土分算或水土合算法进行，水土合算法则是采用

24、土的饱和重度计算总的水土压力，该法能较好计算渗透性较差的土侧压力。悬臂式排桩的设计常采用极限平衡法。作用在悬臂式支护结构的土压力采用三角形分布模式，当单位计算宽度桩两侧所受的净土压力相平衡时，桩则处于稳定状态，相应的桩的入土深度即为保证稳定所需的最小入土深度，可根据静力平衡条件求出。水泥土桩墙的设计可采用重力式挡土墙的方法对水泥土桩墙进行抗倾覆、抗滑移验算，采用圆弧滑动面法验算整体稳定性。土钉支护结构设计包括设计参数确定、土钉拉力设计以及土钉墙内、外稳定性分析等内容。根据土钉支护结构的侧土压力分布图形，可算出土钉抗拔力，根据土钉筋材抗拉强度验算可得到土钉所需直径，根据土钉拔出验算可得出各排土钉

25、长度。土钉支护的内部稳定性分析可采用圆弧破裂面条分法，外部整体稳定性分析可采用重力式挡土墙的方法验算抗滑动、抗倾覆稳定性。基坑稳定性分析主要包括整体稳定性分析、基坑抗隆起稳定性分析、抗渗流稳定性分析。基坑整体稳定性采用圆弧滑动面简单条分法，按总应力法计算。基坑抗隆起稳定性分析可采用太沙基的抗隆起稳定性验算方法。基坑渗流稳定性验算包括坑底流砂稳定性验算和抗承压水验算。地下水控制方法有集水明排法、降水法、截水和回灌技术。降水的方法通常有轻型井点法、喷射井点法、管井井点法和深井泵井点法。当因降水危及基坑及周边环境安全时，宜采用截水或回灌方法。截水后，基坑中的水量或水压较大时，宜采用基坑内降水。本章主

26、要介绍了湿陷性黄土、膨胀土、红粘土、冻土、盐渍土等寺殊土地基和山区发育不良地质现象：岩溶和土洞的山区地基。这两种地基由于所处地理环境、气候条件和各自地质成因不同，与一般土的工程性质有显著区别，通常带有一定的区域性。介绍的主要内容集中在该类区域性地基土的特征和分布、特殊的工程性质和产生原因以及它们给工程建设带来的影响和危害、各自的工程评价方法和处理措施上。黄土湿陷现象的产生可用公认能比较合理解释湿陷现象的欠压密理论，溶盐假说和结构学说。尽管黄土湿陷原因的观点各异，归纳起来黄土的结构特征及物质成分是产生湿陷性的内在原因，黄土受水浸湿和荷载作用是发生湿陷的外因。黄土的湿陷性主要通过测定湿陷系数不，和

27、湿陷起始压力以M判定，建筑场地的湿陷类型，即自重湿陷类型场地和非自重湿陷类型场地是按实测自重湿陷量GF或按室内压缩试验累计计算的自重湿陷量A身判定，黄土地基的湿陷等级则据总湿陷量d和计算自重湿陷量4,判定。湿陷性黄土地基主要通过采取地基处理、防水和结构措施处理。膨胀土湿胀干缩的内在机制是膨胀土含有大量蒙脱石、伊利石等亲水性粘土矿物和普遍具有粘土矿物颗粒聚集体之间面-面接触的分散结构。而外在因素则是水的作用。判别膨胀土的主要依据是工程地质特征与自由膨胀率，判别膨胀土的膨胀潜势同样依据自由膨胀率自守，膨胀土的胀缩等级按规范规定以50kPa压力下测定土的膨胀率%计算出地基分级变形量必判定。膨胀土地基

28、采取的工程措施是在设计上场地尽量布置在地形条件比较简单、土质较均匀、胀缩性较弱的场地、建筑体系力求简单、加强隔水和排水、地基处理、基础形式选择恰当、加强建筑物的整体刚度等；在施工上则尽量减少地基含水量变化。岩溶和土洞是在岩溶地区，易溶岩层和其上覆盖的红粘土中分别发育的不良地质现象。岩溶发育的条件是可溶性岩层具有足够溶解能力和足够流量的水、地表水下渗、地下水流动有途径。土洞发育的条件是可溶性岩层上覆盖土层受地表水冲蚀或地下水潜蚀。在掌握岩溶和土洞发育规律、评价其稳定性的基础上，地基处理的措施分别是换填、梁板跨越、洞底支撑、水流排导、采用桩基或沉井、处理地表水和地下水、挖填夯实、灌填处理、梁板跨越、采用深基础。红粘土是碳酸盐岩在湿、热气候下经红土化化学风化作用形成。其工程地质特征主要表现在具有较高的力学强度；较低的压缩性和从地表向下由硬变软，顶部存在一承载力较高的硬壳层。红粘土的地基处理可采用宽基浅埋、做褥垫、低压缩材料置换、基坑开挖保温保湿、采用大直径嵌岩桩或墩基等措施。冻胀和融陷下沉与融化压缩是冻土地基对建筑物产生危害的三种不良物理力学性能。土的冻胀作用常以冻胀量、冻胀强度、冻胀力和冻结力等冻土的力学性质指标来衡量。而冻胀作用、融陷下沉、融化压缩的强弱又与冻土的含冰量和未冰冻水含量有关