土力学地基基础电子书

第0章绪论

《土力学》部分

（-）土力学的概念

土力学——用力学原理去研究土的应力、应变、强度、稳定性及随时间

变化和渗透性规律的学科。

土力学是研究土体的一门力学。广义的土力学包括土的生成、组成、物理化学、

物理生物性质及分类在内的土质学。

（二）土力学的研究内容

地基与基础设计的主要理论依据是土力学。土力学研究的对象可概

括为：研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。

土的本构关系即土的应力~应变~强度~时间四个变量之间的内在关

系。

（三）本课程的特点和学习要求

学习土力学基础理论，从研究土的物理力学特性开始，土是i种特

殊的建筑材料，与钢、木材等有本质区别，土是有固体颗粒、水、气三

相组成，其受力变形机理十分复杂。现有的士力学理论很难模拟天然上

层在建筑物作用所表现的各种力学形状的全貌，所以还要借助试验、实

测，紧密结合实践经验进行合理分析。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。

（四）本学科发展概况

1.土力学理论的发展

在1773-1776年库仑提出土的抗剪强度和上压力的滑动土楔理论，土

力学进入古典理论时期，其后，彭斯莱对现行滑动土楔作了更完善的解。

郎肯从塑性应力场出发建立了新的土压力理论，对土力学的发展起了很

大影响。布新纳斯克提出了一点集中荷载作用下弹性地集中的应力和位

移的计算理论。达西通过水在砂中的渗流实验，建立了达西公式。

1925年，太沙基（集大成者）的“土力学”出版，土力学进入一个

新的时期。他提出了有效应力理论，一维固结理论，使土力学成为一门

系统的学科。

此后30年内，由于计算机的普及使用，是土力学在基本理论、计算

方法、室内和现场试验设备等诸方面都得到了革命性的发展。

在土的本构关系的研究，建立了各种应力一应变一时间的非线性数

学模型，计算土的弹塑性变形和应力应变随时间的流变过程。

在计算方法中，把数值计算方法如差分法、有限元法等直接运用到

地基和土工计算中。

在室内试验方面，改进了试验设备，并自动采集和加工实验数据。

在原位测试方面，进一步改进各种原位测试仪器，如静力触探仪、

十字板剪力仪、旁压仪等。

2.本学科今后的发展方向

本构模型的使用范围存在一定的局限性，且试验参数多，易产生误

差。

粘性土的抗剪强度的研究，有许多影响强度的因素还未搞清楚。

土的动力性质的研究

计算方法中，有些计算问题有待进一步研究：如土体在反复或周期

荷载下的变形和稳定计算问题等。

试验设备中，土工试验的离心机，许多土的重力的模拟问题，只能

靠离心机实验来解决。许多抗震问题，也要靠离心试验。

将可靠度理论应用到地基基础设计规范中。(因为地基设计参数有一

定随机性)

《基础工程》部分

(―)地基及基础的概念

关于地基及基础，有人分不清楚，常常把地基称为基础。实际上，

两者是完全不相同的。

1.地基一一承受建筑物荷载的地层。

地基的分类：

按地质情况分：

〔右基

天然地基［浅基

按设计施工情况分：［深基

人工地基

2.基础——建筑物向地基传递荷载的下部结构，即建筑物最底下的一部

分，由钢筋混凝土、混凝土或石专等建材筑成，其作用是扩散上部结构荷

载，减小应力强度，传给地基。

基础的分类：

摩擦桩

按岩层埋藏深浅夕去能

籁件及施工技术

基础

基础

蔡|饕深度分

探群基

.也下连续墙等

基础一般施工工序是：

1.开挖基坑2.基坑支护3.基坑排水（井点降水等）4.基底处理5.基础砌

筑

（-）地基与基础设计的主要理论依据

地基与基础设计的主要理论依据是土力学。土力学研究的对象可概

括为：研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。土的本构关

系即土的应力~应变~强度~时间四个变量之间的内在关系。

（三）基础工程内容及地基基础设计技术条件

基础工程包括基础的设计、施工和监测。本课程主要介绍地基和基

础的设计原理。

基础工程设计——包括基础设计和地基设计两部分。

基础设计——基础形式的选择、基础埋置深度及基底面积大小、基

础内力和断面计算等。如果地下部分是多层的结构，基础设计还包括地

下结构的计算。

地基设计——地基土的承载力确定、地基变形计算、地基稳定性计

算等。当地基承载力不足或压缩性很大而不能满足设计要求时，需要进

行地基处理。

为了保证建筑物的安全和正常使用，在地基基础设计中，须满足以

下两个技术条件：

1.变形条件:要求建筑物的沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜都不能大

于地基容许变形值。

2.强度条件:作用于地基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。

3.上部结构的其他要求:除满足上述要求，还应满足上部结构对基础结

构的强度、刚度和耐久性要求。

地基基础是建筑物的根基，它的勘察、设计和施工质量直接关系着

建筑物的安危。据统计，众多工程事故中，很多与地基基础问题有关。

而且，一旦发生地基基础事故，补救非常困难。

（四）国内外地基基础工程成败实例

1.建筑物倾斜

众所周知的意大利比萨斜塔。该塔1173年动工修建，筑至24米时

发生倾斜。一百年后续建该塔至塔顶，高约55米。目前，塔北侧沉降1

米，南侧下沉近3米，沉降差达1.8米。基础地面倾斜值经计算为0.093,

而我国国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002中规定，

504砥4100米，其允许值为0.005,倾斜达极危险状态。

2.地基滑动

最出名的例子当数加拿大的朗斯康谷仓：该谷仓长59.4米，宽23.5

米，高31.0米，容积36500立方米。基础为钢筋混凝土筏基，厚0.6米,

埋深3.6米。

该谷仓完工后初次存谷物，谷仓下沉30厘米，未引起重视，24小时

内，西端下沉7.3米，东端上抬1.5米，整个谷仓倾斜26度53分。

1.墙体开裂

2.基础断裂

3.地基液化失效

日本新泻公寓在1964年6约16日，新泻发生7.5级大地震，打面

积沙土地基产生液化，失去承载力。

1.山坡滑动

以上都是一些工程事故，但也有地质条件不良，工程有预处理得当

而获的成功：

广州的白云宾馆：该宾馆为高层建筑，地面以上33层，高114.05米。

总重近100万KN,地基覆盖层厚薄相差悬殊，最浅10米，最深27.75

米，为适应抗震、抗台风要求，采用桩基与墩基287根。所用钢筋混凝

土灌注桩直径1米，单桩承载力4500KN,混凝土直径2米多。建成后

使用良好，沉降小于4毫米。

总之，在设计满足变形和强度这两个技术条件后，在工程实践中，严

格遵循基本建设原则，按照勘察一设计一施工的先后程序，切实抓好这

三个环节，地基基础事故一般是可以避免的。

（五）本课程的内容与学习要求

本课程共分8章，前五章为土力学部分，学习土力学的基本理论。

第1章工程地质

主要介绍矿物与岩石，第四纪沉积层及不良地质条件，地下水对工

程的影响

第2章土的物理性质及工程分类

主要介绍土的生成、土的组成、土的三相比例指标、无粘性土的密

实度、粘性土的物理特征以及地基土（岩）的分类。

第3章士的压缩性和地基沉降计算

主要讲述了土的自重应力的计算、基底压力的计算、地基附加应力

的计算，土的压缩性以及地基的最终沉降量的计算。并介绍了土的固结

理论和应力历史对地基沉降的影响。

第4章士的抗剪强度与地基承载力

主要介绍了库伦公式、莫尔库伦强度理论、抗剪强度的测定方法、

饱和粘性土的抗剪强度、无粘性土的抗剪强度等内容。地基破坏型式和

地基承载力、临塑荷载、极限荷载、地基极限承载力的计算。

第5章土压力与土坡稳定

主要介绍挡土墙的土压力，郎肯土压力理论和库伦土压力理论两种

经典理论。挡土墙的类型、挡土墙的设计计算；土坡的稳定性分析和地

基的稳定性分析。

第6章工程建设的岩土工程勘察

主要介绍岩土工程勘察的任务和内容、岩土工程勘察方法、勘探工

作、测试工作及指标整理；岩土工程勘察成果报告的编制、阅读和使用。

第7章天然地基上浅基础的设计

理解地基、基础与上部结构相互作用的概念，掌握浅基础（无筋扩

展基础、扩展基础设计、柱下条形基础设计）的设计计算步骤：基础埋

置深度的选择、地基承载力设计值的计算，按地基承载力确定基础底面

尺寸，地基特征变形的验算和基础底面尺寸的调整等内容。了解十字交

叉基础、筏形基础、箱形基础设计计算。

第8章桩基础与深基础

介绍桩基础的适用性、设计内容及设计原则。讲述了单桩轴向荷载

的传递、单桩竖向承载力的确定、群桩效应、桩基承载力和沉降验算、

桩的水平承载力与位移。要求掌握桩基础设计过程。简介沉井基础、地

下连续墙等内容。

第一节第四纪沉积层

（-）土的沉积类型

土的历史在地质年代中一般较短，多数在一百万年内，属第四纪沉

积。

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。下面分别介绍主要的几种类型。

1.残积物、坡积物和洪积物

（1）残积物（Q"）——岩层表面经风化破坏后未被搬运带走而残留原

地的碎屑堆积物。

特征：颗粒大小不均、多棱角、没有层理构造、孔隙度较大。作为建筑

物地基易引起不均匀沉降。残积物中残留碎屑的矿物成分与下卧基岩基

本一致。

（2）坡积物（。“）——由于水和融雪将山坡高处的岩石风化产物洗刷、

剥蚀，顺坡向下搬运的堆积物。

特征：一般分布在坡腰上或坡脚下，其上部与残积物相接。

随斜坡自上而下呈现又粗而细的分选现象，其矿物成分与下卧基岩

没直接关系。

土质不均匀，厚度变化很大，土质疏松，压缩性高。

（3）洪积物（Qj——暂时性山洪激流将其冲蚀地表时形成大量

泥沙和石块等挟带到沟谷口或山麓平原堆积而成的沉积物。

特征：有不规则的层理构造，例如：夹层尖灭、透镜体等

近山地洪积物的颗粒较粗，地下水埋藏较深，土承载力较高,

为良好天然地基。

远山地洪积物的颗粒较细，成份均匀，厚度较大，土质较密

实，良好天然地基。

上述两部分的过渡地带，常为沼泽地带，土质软弱，承载力

低。

2.冲积物（Q"）

冲积物——由江河水流搬运的岩石风化产物在沿途沉积而成。冲积土分

布范围很广，可分为山区河谷冲积土、平原河谷冲积土、三角洲冲积土

等类型。

冲积物特征：有明显的层理构造和分选现象。

砂石有较好的磨圆度。

山区到平原，河床坡度由陡转平，水流速由急变缓，故沉积物厚度有小

变大，粒度由粗变细，土的力学性质逐渐变差。

（1）平原河谷冲积物——平原河谷除河床外，多有河漫滩和阶地。

河漫滩不宜做地基。阶地位置越高，其形成年代越早。高阶地做地基，

工程地质条件很好。

（2）山区河谷冲积物——沉积物较粗，分选性较差，具有透镜体

和倾斜层理构造，厚度不大。

3.其他沉积物

海洋沉积物（Q'”）、湖泊沉积物（°,）、冰川沉积物（）及风积物（Qei"）

（1）海洋沉积物——分四种海相沉积物：滨海沉积物、浅海沉积物、陆

坡沉积物、深海沉积物。

1）滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂等粗碎屑物质组成，具有基本水平

或缓倾斜的层理构造。作为地基，其强度较高，但透水性较大。

2）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，具

有层理构造，压缩性高且不均匀。

3）陆坡和深海沉积物主要为有机质淤泥，成份均一。

（2）湖泊沉积物——湖边沉积物和湖心沉积物。

第二节不良地质条件

良好的地质条件对建筑工程是有利的，不良的地质条件导致建筑物

地基基础的事故。下面介绍几种建筑工程中常见的不良地质条件。

（一）断层

岩层在地应力作用下发生破裂，断裂面两侧的岩体发生显著的相对

位移，称为断层。断层显示地壳大范围的错断。

断层对建筑工程的危害极大。对于一般的中小断层来说，断层形成

的年代越新，则断层的活动可能性越大。永久性建筑物应避免横跨在断

层上，否则，一旦断层活动，后果不堪设想。

（-）断层节理发育的场地

断层在地应力作用下形成断裂构造，但未发生相对位移时称为节理。

节理发育时，岩体被节理切割成碎块，破坏了岩层的整体性。

（三）滑坡

山坡的稳定性对建筑物的安危具有重要的意义。

山坡失稳的原因：

1.人类活动因素

（1）在山麓建房，为利用土地削去坡脚；

（2）在坡上建房，增加坡面荷载；

（3）生产与生活用水大量渗入坡体内，降低了土的抗剪强度。

2.自然环境因素

（1）坡脚被河流冲刷，使原天然边坡变陡；

（2）连降暴雨，大量雨水渗入坡体内，降低土的抗剪强度。

（四）河床冲淤

平原河道往往有弯曲，凹岸受水流的冲刷产生坍岸，危及岸上建筑

物的安全；凸岸水流的流速慢，产生淤积，使当地抽水站无水可抽。

（五）岸坡失稳

河、湖、海岸在自然环境中通常是暂时稳定的，若在岸边修建建筑

物，由于增加了工程的荷重，可能使岸坡失稳。若地基土质软弱，还应

考虑在地震动荷作用下，土的抗剪强度降低，岸坡可能产生滑动。

（六）河沟侧向位移

在靠近河沟修建建筑物，若地基土为含水量高、密度低的粘性土，

则此建筑物地基可能向河沟方向侧向位移，导致工程发生倾斜或墙体开

裂事故。

第三节地下水

（-）地下水对工程的影响

地下水对工程的设计方案、施工方法与工期、工程投资以及工程长

期使用，都有密切的关系。而且，若对地下水处理不当，还可能产生不

良影响，甚至发生工程事故。地下水对建筑工程的主要影响如下：

1.基础埋深

通常设计基础的埋置深度d应小于地下水位深度h,。当寒冷地区基

础底面的持力层为粉砂或粘性土，若地下水位埋藏深度低于冻深小于

1.5~2.0m,则冬季可能因毛细水上升而使地基冻胀，顶起基础，导致墙

体开裂。

2.施工排水

当地下水位埋藏浅，基础埋置深度大于地下水位深度时，基槽开挖

与基础施工必须进行排水。中小型工程水量不大，可以采用挖排水沟与

集水井排水。重大工程地下水深度大、涌水量多时，应采用井点降低地

下水位法，根据具体情况，选用轻型井点、管井井点或深井井点等。

3.地下水位升降

地下水在地基持力层中上升，将使粘性土软化，增大压缩性；湿陷

性黄土则产生严重湿陷；膨胀土地基吸水膨胀，将基础顶起。

反之，如地下水位在地基持力层中大幅度下降，则将使建筑物产生

附加沉降。

4.地下室防水

建筑物的地下室可用作文化娱乐、商店、人防等活动场所。当地下

室常年或雨季处在地下水位以下，则必须做好防水层。

5.水质侵蚀性

当地下水中含有害的化学物质时，则对建筑基础具有侵蚀性，需采

取必要的措施。

6.空心结构物浮起

地面下的水池与油罐等空心结构物，位于地下水位埋藏浅的场地，

在竣工使用前，因地下水的浮力，可能将空心结构物浮起，需要进行计

算并采取适当的措施来解决。

7.承压水冲破基槽

存在承压水的地区，基槽开挖的深度要计及承压水上面的隔水层的

自重应力应大于承压水的压力，否则，承压水可能冲破基槽底部的隔水

层，使承压水涌上基槽造成流土破坏。

（二）地下水分类

1.上层滞水

积聚在局部隔水层上的水称为上层滞水。这种水靠雨水补给，有季

节性。上层滞水范围不大，存在于雨季，旱季可能干涸。

2.潜水

埋藏在地表下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的

重力水称为潜水。自由水面为潜水面，水面标高称为地下水位。地面至

潜水面的铅直距离h,为地下水的埋藏深度。

潜水由雨水与河水补给，水位也有季节性变化。

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称为承压

水，它通常存在于砂卵石层。

(三)地下水的运动

土的渗透——地下水从物质微孔中透过的现象叫渗透。土具有被液体

透过的性质称为土的渗透性。

渗流——液体在土孔隙中流动问题称为渗流。

1.达西公式

设土的全断面为A,通过A单位时间流量为Q,则土的全断面的平均

v=2

流速A0

试验证明v与水力梯度i成正比，即v=ki

k为渗透系数。由量纲分析知，k单位为m/s或cm/so此即达西公式,

表明在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度i的一次方成正比。

在较大的水力梯度下，水呈紊流状态，呈非线性关系，达西公式不

适用。

2.渗透实验与渗透系数

渗透系数k是反映土的渗透能力的定量指标。可以通过试验直接测

得。测定方法分为室内渗透试验和现场试验

(1)室内渗透试验

从试验原理上可分为：常水头法和变水头法

图2-1常水头试验装置示意图图2-2变水头试验装置示意图

1)常水头法——整个试验过程中，水头保持不变。

QL

k=

A\Ht

2)变水头法——整个试验过程中，水头随着时间变化。

dQ=fdha——细玻璃管的内截面积。

hh

dQ=k-Adtk-Adt=-adh

将L代入上式，得L积分得

I。谷哈

(2)现场测定渗透系数

现场打一口试验井，贯穿要测定k值的土层，在距井中心不同距离

处设置一个或两个观测孔。自井中以不变的速度连续进行抽水。形成一

个以井孔为轴心的降落漏斗状地下水面。测定试验井和观测孔中稳定水

位，画出测压管水位变化图。待出水量和井中动水位稳定一段时间后，

若测得抽水量为q,观测孔距井轴线距离分别为n、n,孔内的水位高度

为N、h2,通过达西定律即可求出土层的平均k值。

A=27irhi=dh/drq=Aki=27trkdh/dr

3.影响渗透系数的主要因素：

(1)土的粒度成分：土粒越粗，大小越均匀，形状越圆滑，k值越大。

⑵土的密实度：土越密实，k值越小。砂土k值与土的孔隙比e的二次

方成正比。

(3)土的饱和度：一般情况下饱和度越低，k值越小。因为低饱和土的孔

隙中存在较多气泡会减小过水断面积，甚至堵塞细小孔道。

(4)土的结构：扰动土样与击实土样的k值通常均比同一密度原状土样的

k值小。

(5)水的温度：渗透系数与水的重度以及粘滞度有关。

(6)土的构造：土的构造对k值的影响也很大。层理构造的土会使土在水

平方向的口值比垂直方向k,值大很多。

2345

110110-10-10'10-10"10-710-810-9

好透水性弱透水性实际上不透水1

清洁的砾和砂细砂、粉砂、粉土均质粘土

常水头试验测定11

降水头试验测定

时间沉降曲线测定

图1-3各种土渗透系数及测定方法

4.渗透破坏与控制

渗流引起的渗透破坏问题主要是：一是渗流力作用使土体产生移动,

如流砂、管涌。二是渗流作用导致土体失稳。

(1)渗流力

J=yJ渗流力是体积力，量纲与容重同。大小与水力梯度成正比,

方向与渗流方向一致。

(2)流砂

在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零时，颗粒出现悬浮、移

动现象称为流砂现象。这种现象多发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂

和粉土层中。它的产生与渗流力大小、土粒级配、密度及透水性有关。

临界水力梯度i"=(GsT)(l-〃),其值大小与不均匀系数C,、细

颗粒含量、渗透系数等有关。

流砂防治原则：1)减小水头差；2)增长渗流路径；3)在向上渗流

出口处增加可透水的覆重以平衡渗流力；4)土层加固处理：冻处理等。

(3)管涌现象和潜蚀作用

1)定义：

管涌一一在渗透水流作用下，细颗粒流失，土的孔隙不断增大，产

生贯通的渗流管道，造成土体塌陷。

潜蚀——机械潜蚀和化学潜蚀

2）管涌产生条件一一几何条件：孔隙直径大于细颗粒直径。不均

匀系数大于10。水力条件：渗流力能带动细颗粒移动。

3）防治措施——改变儿何条件：如设反滤层。改变水力条件：降

低水力梯度，打板桩。

第一节土的生成与特性

（-）地质作用概念

地质作用——导致地壳成分变化和构造变化成为地质作用。

按能量来源不同，可分为内力地质作用和外力地质作用。

1.内力地质作用——由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、地壳运动等。

2.外力地质作用——由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质

作用。其中风化作用是由于气温变化、大气、水分及生物活动等自然条

件使岩石破坏的地质作用。

（二）风化作用

不同的风化作用形成不同性质的土，风化作用主要有下列三种：

物理风化——岩石受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度变化，不

均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块。只改变颗粒大小与形

状，不改变矿物成分。

产物：碎石、卵石、砾石、砂土等

化学风化——岩石碎屑与水、氧气、二氧化碳等物质接触，使岩石

碎屑发生化学变化，改变原来组成矿物的成分，产生一种新的成分（次

生矿物）。如：粘土、粉质粘土。

生物风化——生物活动过程中对岩石的破坏作用。

（三）土的结构和构造

1.土的结构

土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等

因素形成的综合特征。

土的结构分为单粒结构、蜂窝结构、絮状结构。

(1)单粒结构

粗大颗粒下沉而形成的。全部由砂砾或更粗土粒组成的土都具有单

粒结构。单粒结构可疏松也可紧密。紧密状单粒结构的土，强度大，压

缩性小，是较良好的天然地基。疏松状单粒结构的土，强度小，压缩性

大，不宜做建筑物的地基。

(2)蜂窝结构

由粉粒(0.075—0.005mm)组成的上的结构形式。

(3)絮状结构

粘粒(<0.005mm)集合体组成的结构形式，类似蜂窝且孔隙很大的絮状结

构。

工程性质

以上三种结构中以密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构

如被扰动破坏天然结构，则强度低、压缩性高。不可作天然地基。

2.土的构造

土的构造指同一土层中，土颗粒之间相互作用关系的特征。

(1)层状构造

土层由不同颜色或不同的粒径的土组成层理，一层一层互相平行。层理

一般呈水平方向。

(2)分散构造

土层中土粒分布均匀，性质相近。如砂与卵石层为分散构造。

(3)结核状构造

(4)裂隙构造

土体中有许多不连续的小裂隙。如硬塑或坚硬状态的粘土为裂隙构造。

工程性质

一般分散构造的工程性质最好。结核状构造工程性质好坏取决于细

粒土部分。裂隙构造类土强度低、渗透性大，工程性质差。

(四)土的工程特性

±——土是地壳表层的岩石长期经受风化作用和水流、冰川、风等

自然力的剥蚀、搬运及堆积作用而生成的松散沉积物。

土的三大工程特性——压缩性、碎散性、渗透性

1.压缩性大——反映压缩性大小的指标弹性模量

2.强度低——土的强度指抗剪强度。无粘性土的强度主要为土粒表面粗

糙不平的摩擦力，粘性土还有粘聚力，其大小远小于材料本身强度。

3.透水性大——土中固体颗粒之间有无数孔隙，孔隙是透水的，因此土

的透水性大。

（五）土的生成与工程特性的关系

各类土的生成条件不同，它们的工程特性也不同。

1.搬运、沉积条件

通常流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。

2.沉积年代

通常土的沉积年代越长，土的工程性质越好。

第四纪晚更新世及以前沉积的粘性土，即老粘土，密度大、强度高、

压缩性低，为良好的天然地基。

第四纪全新世沉积的粘性土为常见粘性土，其工程性质需通过试验

进行分析。

新近沉积粘性土强度低、压缩性高，工程性质差。

3.沉积的自然地理环境

自然地理环境不同所生成的土的工程性质差异很大。土的性质具有

区域性。

第二节土的三相组成

土的组成——土的物质成分包括固态矿物颗粒、孔隙中的水及气体。

即由土颗粒（固相）、水（液相）、气（气相）组成的三相体系。

（―）土的固体颗粒

土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主

要成分。

1.土粒的矿物成分

（1）原生矿物

由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同，包括单矿物颗粒和多

矿物颗粒。矿物成分为：石英、长石、云母、角闪石、辉石等。

(2)次生矿物

母岩岩屑经化学风化，改变原来的化学成分，成为一种很细小的新

矿物，主要是粘土矿物。如：蒙脱石、伊利石、高岭石。其中蒙脱石亲

水性最大，伊利石居中，高岭石最小。

(3)腐殖质

2.土颗粒大小与形状

土中固体颗粒的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力

学性质重要因素。

土粒常被分成六组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。界限粒径为

200,60,2,0.075,0.005mmo

0.000.010.070.10.250.5252060200

细1粗11粗1中T

粗中细极细细卵石y

粘粒粉粒砂粒圆砾碎石i

—p.1.

通常粗粒土的压缩性低，强度高、渗透性大。

通常带棱角的土抗剪强度比表面光滑的高。

3.土的粒径级配

土的粒径级配指的是土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来

表示。

这是无粘性土的重要指标，是粗粒土的分类定名的标准。

试验：土的粒径级配是通过土的颗粒大小分析试验确定。

(1)粒径大于0.075mm的粗粒组可用筛分法测定。

实验室将风干松散的代表性土样通过一套孔径不同的标准筛(20,

10,5,2.0,1.0,0.5,0,25,0.075mm),称出留在各个筛子上的土重，

即可算出个各粒组的相对含量。

(2)粒径小于0.075mm的粉粒和粘粒用比重法或移液管法

粉粒和粘粒粒径小难以筛分，一般可根据土粒在水中匀速下沉时的

速度与粒径的理论关系，用比重法或移液管法测得颗粒级配。

(3)绘制颗粒级配累计曲线。横坐标表示粒径，用对数坐标表示。

纵坐标表示小于某颗粒的土中含量（％）

缓粒径大小悬殊，土粒不均匀，级配良好

由曲线坡度大致判断土的均匀程度

陡粒径大小相差不大，土粒均匀，级配不好

有效粒径4。——小于某粒径的土粒质量累计百分数为10%时相应

的粒径。

限定粒径——小于某粒径的土粒质量累计百分数为60%时相应

的粒径。

中值粒径40——小于某粒径的土粒质量累计百分数为30%时相应的粒

径。

C

不均匀系数“4。

曲率系数'4。々60

不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况。值越大，土粒大小分布

范围越大，级配良好。作为填方土料时，能有较大的密实度。

曲率系数是反映曲线的整体形状，表示累积曲线的分布范围。

对于级配良好的土，较粗颗粒之间的孔隙被较细的颗粒填充，因而

土的密实度较好，相应的地基土强度和稳定性也较好，透水性和压缩性

也较小，可作堤坝或其他工程的填方土料。

（二）土中的水

水分为结合水（矿物内部）、自由水（孔隙中的水）

1.结合水——小土粒因表面的静电引力而在其周围吸附的水。分为强结

合水和弱结合水.

（1）强结合水（附着水）——紧靠土粒表面的结合水，无溶解盐类能力,

不传递静水压力

（2）弱结合水（薄膜水）一一紧靠强结合水外围形成的一层结合水模。

不能传递静水压力，但可缓慢移动。

2.自由水——存在土粒表面电场影响范围以外的水。能传水压，有溶解

能力。

(1)重力水：存在于地下水位以下透水土层中的地下水。重力水对土中

应力状态、排水防水措施有重要影响。

(2)毛细水：受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。

按存在形式分为毛细上升水——毛细水下部与地下水面相连。

毛细悬挂水——毛细水下部悬空而不与地下水

面相连。

毛细水上升高度：在粗粒土中高度很小，在细粒土中较大。

寒冷地区毛细水上升可能加剧冻胀现象。冻胀现象是土体因土中水

冻结形成冻土。某些细颗粒土在冻结时发生体积膨胀。融陷现象是土层

解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，称为融陷现象。

(三)土中气

土中气体主要是空气和水气，有时可能有沼气、二氧化碳、硫化氢

等。

土中气体对土的工程性质的影响较小。在某些情况下有影响，如：

封闭气体使土不易压实，在受压状态下可能冲破土层溢出造成突然沉陷。

第三节土的物理性质指标

(-)土的三项基本物理性质指标

1.土粒比重(土的相对密度)Gs

(1)定义——土粒质量与同体积4摄氏度纯水质量之比

G」加$=P,

(2)表达式：'匕"Av"P.无量纲数值上等于土粒

密度

(3)常见值：26—2.8

(4)测定方法：比重瓶法或经验法

2.土的含水量w

(1)定义——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数计

w=^-xlOO%

（2）表达式：叫

（3）常见值：砂土（0-0）%粘性土（20—60）%

（4）测定方法：烘干法、炒干法、酒精燃烧法等

3.土的密度p

（1）定义——土单位体积的质量，单位g/cn?或"m3

m

p——

（2）表达式：v

（3）常见值：砂土1.6—2.0粘性土1.8—2.0

（4）测定方法：环刀法、蜡封法等

以上三个为土的基本物理指标，均可由实验室直接测定其数值。

（二）反映土的松密程度的指标

1.孔隙比e

（1）定义——土中孔隙体积与土粒体积之比

（2）表达式：匕

（3）常见值：砂土0.5—1.0,当e<0.6时，呈密实状态，为良好地

t

粘性土0.5—1.2,当e>1.0时，疏松高压缩性土，为软弱地基

（4）确定方法：据p、Gs、w实测值计算

2.孔隙率n

（1）定义——土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示

V

〃=ixl00%

（2）表达式：v

（3）常见值：n=（30~50）%

（4）确定方法：据p、Gs、w实测值计算

（三）反映土中含水程度的指标

1.含水量w（前已述）

2.土的饱和度Sr

（1）定义——土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比

V

sr=­X100%

（2）表达式：。

（3）常见值：S=（0~100）%----------1---------1------

r稍湿|很湿|饱和

（4）确定方法：据p、Gs、w实测值计算50%80%

（5）工程应用：砂土与粉土以饱和度作为湿度划分标准。

（四）特定条件下土的密度（重度）

1.土的干密度Pd、干容重汽

（1）定义---土单位体积中固体颗粒的质量，单位g/cn?或t/m3

_ms

Pd

（2）表达式：vyd=pd-g

（3）常见值：1.3—2.0g/cm3

（4）测定方法：环刀法

（5）工程应用：土的干密度通常用作填方工程，包括土坝、路基和

人工压实地基，土体压实质量控制的标准。pd越大，表明土体压得越密

实，即工程质量越好，但花费的压实费用也越大。

2.饱和密度Psat、饱和容重Ysat

（1）定义——孔隙中全部充满水时单位体积中的土质量,单位g/cm3

或t/m，

（2）表达式：sa，~v~v

3

（3）常见值：psat1.8—2.3g/cm

3.有效密度p:有效容重父

（1）定义——地下水位以下，土体受水的浮力作用时单位体积中的

土质量，单位g/cm3或t/m3

叫-一匕ms-（v-v）■/?„.

,c、Psa,=~~~~------------r------=P,~P

（2）表达式：vvSaW

（3）常见值：p'0.8—1.3g/cm3

综上所述，土的物理性质指标共9个，土粒比重G5、、土的密度p、

土的含水量w、土的干密度pd、饱和密度Psat、有效密度P'、土的孔隙

比e、孔隙率n、土的饱和度工。

思考:这9个物理性质指标是否各自独立,互不相关呢?（不是,

其中Gs、p、w由实验室测定,其余6个物理性质指标可通过三项草图

换算求得）

三相图计算物理指标的方法，先绘制三相图，再根据三个基本指标与其

他各指标之间的关系进行计算。

【例2-1】已知某钻孔原状土试样结果为：p,w,Gs，求其余6个物

理性质指标。

第四节土的物理状态指标

上节已知土的9个物理性质指标，这两节讲土的物理状态指标。为进一

步研究土的松密和软硬，将土分两大类分别进行阐述（无粘性土和粘性

土）。

（-）无粘性土的密实度

无粘性土如砂、卵石均为单粒结构，它们最主要的物理状态指标是

密实度。那么工程中以什么作为划分密实度的标准呢？

1.用孔隙比e（很少用）

优点：应用方便。同一种土，密砂孔隙比e”松砂孔隙比e2,必然

ei<e2

缺点：无法反映上粒级配因素。

例如：两种级配不同的砂，一种颗粒均匀密砂el,一种级配良好的松砂

e2,结果el反而大于e2。

2.以相对密实度Dr为标准

为了克服上述用一个指标e,对级配不同的砂土的难以准确判别的缺

陷，可用天然孔隙比与同一种砂的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔

隙比emin进行对比，看e接近emax或接近emin。以此来判断它的密实度，

即相对密实度法。

D,max

p-P

maxmin

松II中II密

-M./.,

1/32/3

相

一t

优点：用Dr来判别，计入土的级配因素理论上完善

缺点：e,“ax、emin测定主观性较大，即数值与测试人员的因素等有关,

难获得科学数据。

3

【例2—2］某细砂土测得w=23.2%,y=16kn/m,ds=2.68,取yw=

10kn/m3,将砂样放入振动器中，振动后砂样质量为0.415kg,体积为

0.22Lo松散时质量为0.42kg的砂样，体积为0.35Lo求砂土的天然

孔隙比和相对密实度。

3.以标准贯入试验N为标准

标准贯入试验是现场进行的一种原位测试。

方法：用卷扬机把质量为63.5kg的钢锤，提升76cm高，让钢锤自

由下落，打击贯入器，使贯入器入土中深30cm所需的锤击数，记N63.5。

N值大小反映士的贯入阻力大小，即密实度大小。N越大，显然土

越密实。

101530N

w~I_ss।~s~।密实―

以标

准贯

(-)粘性土的物理状态指标

粘性土的物理特征是不是与砂土相似？是否可用孔隙比e、相对密实

度口和标准贯入锤击数N作标准测其密实度呢？回答这两个问题,需从

粘性土和砂土的颗粒大小，土粒与土中水相互作用来分析。

砂土颗粒粗，砂粒粒径d=0.075mm~2.0mm单粒结构。土中结合水含

量较少，土粒与土中水相互作用不明显，所以砂土用e、Dr、N反映其

密实度明确定砂土的工程性质。而粘性土颗粒细，粘粒粒径d<0.005mm,

细土粒周围形成电场，吸引水分子定向排列，形成粘结水膜，土粒与土

中水相互作用显著，例如：同一种粘性土，含水量小时，呈坚固态，含

水量增加，土粒间距增大。呈可塑态。含水量再增加，出现较多自由水

时，粘性土呈流动态。相应的承载力急剧减小。可见土粘性土的最主要

的物理特征不是e、D”而是土与水相互作用的稠度。

1.粘性土的界限含水量

（1）定义：同一种粘性土随其含水量不同，分别处于固态、半固态、

可塑状态及流动状态。

可塑性—当粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而

不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状土的这种性质称可塑

性。

界限含水量——粘性土由一种状态转到另一状态的分界含水量

缩限Ws塑限Wp液限WL

-------1-------------1------------1--------------►含水量w

»।半固态।可塑态1流动态

WL液限——土由可塑状态转到流动状态界限含水量。亦称塑性上限

含水量，用符号WL表示。

Wp塑限——土由半固态状态转到可塑状态的界限含水量。亦称塑性

下限含水量，用符号Wp表示。

Ws缩限——士由半固态不断蒸发水分，直到体积不再缩小时土的界

限含水量。用符号Ws表示。

界限含水量都以百分数表示。

（2）界限含水量测定

WL液限用锥式液限仪或碟式液限仪。Wp塑限用“搓条法”测定。

用联合测定法液限WL塑限Wp。Ws缩限用收缩皿法测定。

2.粘性土的塑性指数和液性指数

（1）塑性指数——液限和塑限的差值（省去％）,即土处在可塑状态的

含水量变化范围，用符号IP表示

Ip=WL-Wp

物理意义：土处在可塑状态的含水量变化范围。即Ip增大，土处在

可塑状态的含水量变化范围增大。

工程应用：用塑性指数划分粘性土与粉土。

《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)粘性土按塑性指数》值

flO</p<17粉质粘土

可划分为i%>17粘土

(2)液性指数——粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，

用符号II表示

,W-WW-W

11=---------p=---------p-

%-%Ip

物理意义：将土的含水量W与WI与Wp相比较，以反映土的软硬不同。

IL<0时，天然土处坚硬状态

IL>1时，天然土处流动状态

IL在。~1时，天然土处可塑状态

•••IL来表示粘性土所处软硬状态，IL越大，土愈软，L越

小，土愈硬。

工程应用：《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定粘性土按

液性指数值划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种软硬状态

表L14

状坚硬流

可塑软塑

态硬塑塑

0

液I<10.250.75

性LL<IL<ILIL>

指WW1.0

数00.0.751.0

25

3.灵敏度和活动度

（1）灵敏度Si

定义：灵敏度st——常用来评价粘性土结构性对强度影响的指标。

同一粘性土的原状土与重塑土在孔隙和含水量不变时土无侧限抗压强度

比。

物理意义：粘性土按灵敏度划分：St=2~4中等灵敏粘性土

St=4-8灵敏粘性土

St=8-16特别灵敏粘性土

St>16超灵敏粘性土

工程应用：粘性土的触变性——粘性土结构被破坏后（扰动土），±

的强度降低。但静置一段时间，土的强度乂逐渐增长，这种性质即为触

变性。

我国沿海地区粘性土基本属于一般粘性土和灵敏粘性土。

（2）活动度A

定义：活动度A——粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比

值。

物理意义：活动度反映粘性土所含矿物的活动性。根据活动度大小

粘土可分为三种：

A<0.75不活动粘土0.75<A<1.25正常粘土A>1.25

活动粘土

第五节地基土的工程分类

意义：地基土（岩）分类的任务是根据分类用途和土（岩）的各种性质

的差异将其划分为一定的类别

地基土的分类

残积土

‘老沉积土坡积土

一般沉积土洪积土

新近沉积土.冲积土

（1）按沉积年代分（2）按地质成因

无机土

•机土

'泥炭质土

（3）按有机质含量〔泥炭（4）按粒径级配或塑

碎石类土

砂类土

‘粉土

性指数.粘性土

（5）按上的工程性质］各种特殊土

（-）岩石的分类

1.定义

颗粒间牢固联结呈整体或具有节理、裂隙的岩体称为岩石

2.分类

rUJMZ/1_U_

石浆石

〈沉积岩

（1）按成因分〔变质岩（2）按坚硬程度分

［硬质岩石

［软质岩石

'微风化

＜中等风化

（3）按风化程度分［强风化（4）按软化系数分

「软化岩石

〔不软化岩石

3.工程性质

微风化的硬质岩石为最优良地基，美国超高层大多建造在这类岩基上。

微风化和中等风化岩石可直接作为建筑物地基或桩基的持力层。强风化岩

石情况复杂，视其风化产状，具体分析。一般情况下，强风化硬质岩层地

基也可作为建筑物良好地基。强风化软质岩石工程性质差。

（二）碎石类土

1.定义

碎石类土——粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土

2.分类依据

根据土的粒径级配中各粒组的含量和颗粒形状两者进行分类定名。

3.定名

碎石土的分类

土颗粒形状粒组含量

的

名

称

漂圆形及亚圆

石形为主粒径d>200mm的颗粒含量超过

块全重的50%

棱角形为主

石

卵圆形及亚圆

石形为节粒径d>20mm的颗粒含量超过

碎全重的50%

棱角形为主

石

圆圆形及亚圆

砾形为主粒径d>2mm的颗粒含量超过全

角重的50%

棱角形为主

砾

注意：定名时应据由大到小的顺序，先符合者即为该土的名称。

4.工程性质

常见的碎石类土，强度大，压缩性小，渗透性大，为优良的地基,

也可将桩放置在这类土层。

（三）砂类土

1.定义

砂类土——粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%,粒径大于

0.075mm颗粒超过全重50%的土

【例2一3】某住宅进行工程地质勘察时，取回一砂土试样，经筛析试

验，得到各个粒组含量的百分比如下，试定砂土名称。

>20mm占10%5~2mm占6%0.25-0.1mm占11%

20~10mm占1%2~0.5mm占41%<0.1mm

占7%定土的名称

10~5mm占3%0.5-0.25mm占21%

解：>20mm10%

>2mm10%+1%+3%+6%=20%

>0.5mm20%+41%=61%>50%,故为粗砂。

2.分类依据

根据土的粒径级配各粒组含量分类

3.定名

砂土的分类

土的粒组含量

名称

砾砂粒径d>2mm的颗粒占总质量的25%〜

50%

粗砂粒径d>0.5mm的颗粒超过总质量的50

%

中砂粒径d>0.25mm的颗粒超过总质量的

50%

细砂粒径d>0.075mm的颗粒超过总质量的

85%

粉砂粒径d>0.075mm的颗粒超过总质量的

50%

注意：定名时应据由大到小的顺序，先符合者即为该士的名称。

4.工程性质

（1）密实和中密的砾砂、粗砂、中砂为优良地基

（2）粉砂和细砂要具体分析：

密实状态为良好地基，饱和松散状态为不良地基。

稍密状态以下的粉细砂，处地下水位以下时，承载力很低，作天然

地基须谨慎。

松散的粉细砂在动荷载作用下（地震作用）极易发生液化，短时间

内地基丧失承载力，导致建筑物毁坏。如唐山大地震

（3）砂土透水性强，作为地基或桩持力层，沉降达到稳定的时间很

快。通常建筑物施工完毕，荷载全部加上后，沉降基本完成。

（四）粉土

1.定义

粉土——粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%,塑性指数

IP小于或等于10的土。

2.分类

砂质粉土（粒径＜0.005，〃加，不超过全重10%）

粘质粉土（粒径＜0.005nwi,超过全重10%）

3.工程性质

密实粉土为良好的地基。饱和稍密的粉土，地震时易液化，为不良地基。

（五）粘性土

1.定义

粘性土——塑性指数IP＞10的土。

2.分类

（1）按粘性土沉积年代分：老粘性土、一般粘性土、新近沉积粘性

±

1）老粘性土：第四纪晚更新世（Q3）及其以前沉积的粘性土

特点：较高强度、较低压缩性

分布：长江中下游、湖南湘江两岸、内蒙古包头

一般来说，老粘土与一般粘性土相比，在