土力学与基础工程

土力学与基础工程摘要：本文详细介绍了土力学与基础工程的相关知识。首先阐述了土的基本性质，包括土的三相组成、物理性质指标等。接着讲述了土的渗透性、压缩性等力学性质及其影响因素。然后对基础工程的类型、设计原则、承载力计算等方面进行了深入探讨。通过学习土力学与基础工程知识，有助于合理进行地基处理和基础设计，确保工程的安全与稳定。

一、引言土力学与基础工程是土木工程专业的重要学科领域。土作为工程建设的地基材料，其性质复杂多样，对建筑物的安全和正常使用有着至关重要的影响。基础工程则是将上部结构的荷载安全可靠地传递到地基上的工程措施。掌握土力学与基础工程的知识，对于保障各类土木工程的质量和稳定性具有关键意义。

二、土的基本性质

（一）土的三相组成土是由固相、液相和气相三相组成的集合体。固相主要是土颗粒，其大小、形状和矿物成分各不相同。液相为土中的水，可分为结合水和自由水。气相是存在于土孔隙中的空气。三相的比例关系决定了土的物理状态和工程性质。

（二）土的物理性质指标1.粒度成分用于描述土颗粒大小的分布情况，常用筛分法和沉降分析法测定。通过粒度分析可以得到土的颗粒级配曲线，从而确定土的不均匀系数和曲率系数等指标，反映土颗粒级配的均匀程度。2.密度土的密度包括天然密度、干密度和饱和密度等。天然密度反映土在天然状态下的质量与体积之比；干密度是土烘干后的质量与体积之比，可用于评价填土压实质量；饱和密度是土孔隙完全被水充满时的密度。3.含水量土的含水量是指土中水的质量与干土质量之比，它对土的性质有显著影响，如影响土的压实性、强度和压缩性等。4.孔隙比和孔隙率孔隙比是土中孔隙体积与土颗粒体积之比，孔隙率是土中孔隙体积与总体积之比。它们反映了土的孔隙特征，孔隙比和孔隙率越大，土越疏松，压缩性越高。5.饱和度饱和度是土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，饱和度越高，土的透水性可能越低，压缩性也可能有所变化。

三、土的渗透性

（一）渗透定律达西定律是描述土中渗流规律的基本定律，即土中渗流速度与水力梯度成正比，表达式为$v=ki$，其中$v$为渗流速度，$k$为渗透系数，$i$为水力梯度。渗透系数反映了土的渗透能力，其大小与土的颗粒级配、孔隙比等因素有关。

（二）影响渗透系数的因素1.土的粒度成分粗颗粒土的渗透系数较大，细颗粒土（如黏土）的渗透系数较小。2.孔隙比孔隙比越大，土的渗透系数一般也越大。3.土的结构土的结构对渗透系数也有影响，如原状土和扰动土的渗透系数可能不同。4.水的温度水的温度升高，其黏滞性降低，渗透系数增大。

（三）渗透系数的测定方法常水头试验适用于透水性较大的土，变水头试验适用于透水性较小的土。通过试验测定土样在一定条件下的渗流量等参数，进而计算出渗透系数。

四、土的压缩性

（一）压缩性指标1.压缩系数$a$反映土在压力作用下压缩性的大小，$a=\frac{e_1e_2}{p_2p_1}$，其中$e_1$、$e_2$分别为压力$p_1$、$p_2$作用下土的孔隙比。$a$值越大，土的压缩性越高。2.压缩模量$E_s$与压缩系数互为倒数关系，$E_s=\frac{1+e_1}{a}$，它也是衡量土压缩性的指标，$E_s$越大，土的压缩性越低。

（二）压缩性的影响因素1.土的类型黏性土的压缩性一般比无黏性土高。2.含水量含水量较高时，土的压缩性较大。3.压力随着压力的增加，土的压缩性逐渐减小，但当压力达到一定程度后，压缩性趋于稳定。

（三）压缩性试验室内压缩试验是测定土压缩性指标的常用方法。将土样置于压缩仪中，在不同压力下测定土样的压缩变形，从而得到压缩系数和压缩模量等指标。

五、土的抗剪强度

（一）抗剪强度理论1.库仑定律土的抗剪强度可表示为$\tau_f=c+\sigma\tan\varphi$，其中$\tau_f$为抗剪强度，$c$为黏聚力，$\sigma$为剪切面上的法向应力，$\varphi$为内摩擦角。库仑定律适用于一般的土。2.摩尔库仑强度理论该理论认为土的破坏是由于剪切面上的剪应力达到土的抗剪强度所致，通过绘制摩尔应力圆和抗剪强度包线来分析土的强度特性。

（二）影响抗剪强度的因素1.土的性质包括粒度成分、含水量、密度等。例如，粗颗粒土内摩擦角较大，抗剪强度较高；含水量增加，土的抗剪强度降低。2.试验方法不同的抗剪强度试验方法（如直剪试验、三轴压缩试验等）得到的结果可能有所差异，因为试验条件不同。3.排水条件排水条件对抗剪强度有显著影响。在不排水条件下，土的抗剪强度较低；在排水条件良好时，土的抗剪强度较高。

（三）抗剪强度试验方法1.直剪试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。快剪试验在试样不排水的情况下进行，固结快剪试验先使试样固结然后在不排水条件下剪切，慢剪试验使试样在充分排水条件下剪切。2.三轴压缩试验分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验（CU）和固结排水试验（CD）。通过对试样施加周围压力和轴向压力，测定土样在不同排水条件下的强度。

六、基础工程概述

（一）基础的类型1.浅基础独立基础：常用于柱下，承受柱传来的荷载。条形基础：一般用于墙下，将墙体荷载均匀分布到地基上。筏板基础：当建筑物荷载较大，地基承载力较低时采用，能有效减小基底压力。箱形基础：由钢筋混凝土顶板、底板和纵横隔墙组成，具有较大的刚度和整体性，适用于高层建筑等对地基沉降要求较高的情况。2.深基础桩基础：由桩身和承台组成。根据桩的受力特点可分为摩擦桩和端承桩。摩擦桩主要通过桩侧摩阻力承受荷载，端承桩主要通过桩端阻力承受荷载。沉井基础：是一种井筒状的深基础，通过在井内挖土下沉，然后封底并浇筑钢筋混凝土顶盖，作为建筑物的基础。

（二）基础工程的设计原则1.安全可靠确保基础能够承受上部结构传来的荷载，不发生破坏，保证建筑物的安全。2.经济合理在满足安全要求的前提下，选择合理的基础类型和尺寸，降低工程造价。3.施工方便基础的设计应考虑施工条件，便于施工操作，保证施工质量和进度。

（三）基础工程的设计步骤1.工程地质勘察了解场地的地质条件，包括土层分布、地基承载力、地下水位等，为基础设计提供依据。2.上部结构荷载分析确定上部结构传递给基础的荷载大小、分布和性质。3.基础类型选择根据地质条件、荷载情况和工程要求等选择合适的基础类型。4.基础尺寸计算按照所选基础类型的设计方法，计算基础的尺寸，确保地基承载力满足要求，同时控制基础沉降在允许范围内。5.基础配筋计算对于钢筋混凝土基础，进行配筋计算，保证基础具有足够的强度和耐久性。

七、地基承载力

（一）地基承载力的概念地基承载力是指地基土承受荷载的能力。当地基中某点的剪应力达到土的抗剪强度时，该点将发生破坏，此时作用在基底的压力称为地基承载力特征值。

（二）地基承载力的确定方法1.原位试验法静力触探试验：通过将探头匀速压入土中，测定探头阻力，从而估算地基承载力。标准贯入试验：用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm的落距自由下落，将标准贯入器打入土中15cm，再打入30cm的锤击数，可用于评价砂土的密实度和黏性土、粉土的承载力等。2.理论公式法根据土的抗剪强度理论，利用极限平衡条件推导出地基承载力公式，如太沙基公式等。但这些公式应用时需结合实际情况进行修正。3.规范经验法根据工程经验和规范表格，结合场地的地质条件和基础类型等确定地基承载力特征值。例如，根据土的类别、状态和孔隙比等因素，直接查规范中的承载力表。

（三）地基承载力修正当基础宽度$b>3m$或埋置深度$d>0.5m$时，应对地基承载力特征值进行修正。修正公式考虑了基础宽度和埋深对地基承载力的影响，通过修正系数进行调整，以更准确地反映实际地基的承载能力。

八、地基变形计算

（一）地基变形的类型1.沉降量基础的竖向位移，反映基础的下沉程度。2.沉降差相邻两基础的沉降量之差，可能导致建筑物产生不均匀沉降，引起墙体开裂等问题。3.倾斜基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，过大的倾斜会影响建筑物的正常使用。4.局部倾斜砌体承重结构沿纵向610m内基础两点的沉降差与其距离的比值，主要用于评估砌体结构的不均匀沉降情况。

（二）地基变形计算方法1.分层总和法将地基分为若干层，分别计算各层土的压缩量，然后求和得到地基的总沉降量。计算时需考虑土的压缩性指标、附加应力分布等因素。2.规范法根据规范提供的经验公式和表格，结合地基土的性质、基础类型和尺寸等计算地基变形。规范法考虑了多种因素的综合影响，计算相对简便且具有一定的可靠性。

（三）减小地基变形的措施1.选择合适的基础类型和尺寸如采用刚度较大的基础（如筏板基础、箱形基础），增大基础底面积，减小基底压力，从而减小地基变形。2.进行地基处理如对软弱地基进行夯实、挤密、置换等处理，提高地基的承载力和压缩模量，减少地基变形。3.合理安排施工顺序避免建筑物各部分荷载差异过大，防止因施工顺序不当导致地基不均匀沉降。

九、地基处理

（一）地基处理的目的1.提高地基承载力通过地基处理，如加固软弱土层，使地基能够承受更大的荷载。2.减少地基沉降改善地基土的压缩性，减小建筑物的沉降量和不均匀沉降。3.增强地基稳定性防止地基土发生滑动破坏，保证地基的稳定。

（二）常见的地基处理方法1.换填垫层法将基础下一定深度范围内的软弱土挖去，换填强度较高、压缩性较低的材料（如砂、碎石、灰土等），分层夯实。可提高地基承载力，减少沉降量。2.强夯法用重锤从高处自由落下，对地基进行强力夯实，使地基土密实，提高地基承载力和压缩模量。适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土等。3.水泥土搅拌法分为深层搅拌法（湿法）和粉体喷射搅拌法（干法）。通过将水泥等固化剂与地基土搅拌混合，形成具有一定强度的水泥土桩体或水泥土帷幕，提高地基承载力和稳定性。4.砂石桩法在地基中沉入砂桩或碎石桩，挤密桩间土，提高地基的密实度和承载力，同时可改善地基的排水性能。

（三）地基处理方法的选择应根据地基土的性质、建筑物的要求、施工条件和经济因素等综合考虑选择合适的地基处理方法。例如，对于软土地基，可根据具体情况选择换填垫层法、水泥土搅拌法或强夯法等。

十、结论土力学与