注冊巖土工程師巖體力學(xué)和土力學(xué)復(fù)習(xí)資料

第七講土的抗剪強度和特殊性土一、內(nèi)容提要：

本講主要講述①土的抗剪強度、土中一點的應(yīng)力狀態(tài)、庫侖定律、土的極限平衡條件、內(nèi)摩擦角、粘聚力直剪試驗及其適用條件、三軸試驗、總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法；②軟土、黃土、膨脹土、紅粘土、鹽漬土、凍土、填土；二、重點、難點：

土的抗剪強度、土的極限平衡條件、三軸試驗；各種特殊性土的工程特性三、內(nèi)容講解：第一節(jié)

土的抗剪強度土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強度破壞的重要特點，因此，土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題?！纠}1】當(dāng)土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，該點便發(fā)生剪切破壞，此時土產(chǎn)生相對滑動的方向為（）。

答案：A【例題2】土的強度問題實質(zhì)上是指土的（）問題。A.抗壓強度

B.抗拉強度

C.抗剪強度

D.抗疲勞強度答案：C一、土的強度理論與強度指標(biāo)

(一)抗剪強度的庫侖定律

1776年，法國學(xué)者庫侖(C。A。Coulomb)提出了土的抗剪強度表達形式：

【例題3】抗剪強度的庫侖公式為（）。答案：B

(二)土的強度理論與極限平衡條件1.土中一點的應(yīng)力狀態(tài)

2.摩爾—庫侖強度理論在一定的壓力范圍內(nèi)，土的抗剪強度可用庫侖公式表示，當(dāng)土體中某點的任一平面上的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，就認為該點已發(fā)生剪切破壞，該點也即處于極限平衡狀態(tài)。土的這種強度理論稱為摩爾—庫侖強度理論?！纠}5】當(dāng)土體中某點的任一平面上的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，該點處于極限平衡狀態(tài)，此強度理論稱為（）。A.摩爾強度理論

B.庫侖強度理論

C.摩爾—庫侖強度理論

D.太沙基理論

答案：C3.

土中應(yīng)力與土的平衡狀態(tài)將抗剪強度包線與摩爾應(yīng)力圖畫在同一張坐標(biāo)圖上，觀察應(yīng)力圓與抗剪強度包線之間

的位置變化，如圖15-7-2所示。隨著土中應(yīng)力狀態(tài)的改變，應(yīng)力圓與強度包線之間的位置關(guān)系將發(fā)生三種變化情況，土中也將出現(xiàn)相應(yīng)的三種平衡狀態(tài)：

1)當(dāng)整個摩爾應(yīng)力圓位于抗剪強度包線的下方時(圓I)，表明通過該點的任意平面上的剪應(yīng)力都小于土的抗剪強度，此時該點處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，不會發(fā)生剪切破壞；2)當(dāng)摩爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相切時(圓II)，表明在相切點所代表的平面上，剪應(yīng)力正好等于土的抗剪強度，此時該點處于極限平衡狀態(tài)，相應(yīng)的應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓。3)當(dāng)摩爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相割時(圓III)，表明該點某些平面上的剪應(yīng)力已超過了土的抗剪強度，此時該點已發(fā)生剪切破壞(由于此時地基應(yīng)力將發(fā)生重分布，事實上該應(yīng)力圓所代表的應(yīng)力狀態(tài)并不存在)；

【例題6】根據(jù)圖15-7-2進行分析，當(dāng)整個摩爾應(yīng)力圓位于抗剪強度包線的下方時(圓I)時，表明土中的某應(yīng)力點處于（）。A.穩(wěn)定平衡狀態(tài)

B.極限平衡狀態(tài)

C.剪切破壞

答案：A【例題7】隨著土中應(yīng)力狀態(tài)的改變，土中將出現(xiàn)三種平衡狀態(tài)，其中不包括（）。

A．穩(wěn)定平衡狀態(tài)

B．極限平衡狀態(tài)

C．剪切破壞

D．劈裂破壞答案：D4.土的極限平衡條件根據(jù)極限應(yīng)力圓與抗剪強度包線之間的幾何關(guān)系，可以建立土中主應(yīng)力表示的土的極限平衡條件。設(shè)土體中某點剪切破壞時的破裂面與大主應(yīng)力的作用面成a角，該點處于極限平衡狀態(tài)時的摩爾圓與抗剪強度包線相切于A點，如圖15-7-3所示。將抗剪強度線延長與軸相交于B點，由直角三角形ABO1可知：

5.土的極限平衡條件的應(yīng)用

采用應(yīng)力圓與抗剪強度包絡(luò)線相互位置關(guān)系來評判的圖解法也可以得到相同的結(jié)果。

二、土的抗剪強度指標(biāo)的試驗方法1.直接剪切試驗直剪試驗所使用的儀器稱為直剪儀，按加荷方式的不同，直剪儀可分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。前者是以等速水平推動試樣產(chǎn)生位移并測定相應(yīng)的剪應(yīng)力；后者則是對試樣分級施加水平剪應(yīng)力，同時測定相應(yīng)的位移。我國目前普遍采用的是應(yīng)變控制式直剪儀，該儀器的主要部件由固定的上盒和活動的下盒組成，試樣放在盒內(nèi)上下兩塊透水石之間。試驗時，由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石對試樣施加某一法向應(yīng)力，然后等速推動下盒，使試樣在沿上下盒之間的水平面上受剪直至破壞，剪應(yīng)力的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)測定。試驗時對同一種土取3～4個試樣，分別在不同的法向應(yīng)力不剪切破壞，可將試驗結(jié)果繪制成抗剪強度f與法向應(yīng)力之間的關(guān)系。大量的試驗結(jié)果表明，對于砂性土，抗剪強度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系是一條通過原點的直線，該直線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角；對于粘性土，抗剪強度與法向應(yīng)力之間也基本成直線關(guān)系，該直線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角，在縱軸上的截距為粘聚力c，直線方程可用庫侖公式(15-7-1)表示。(2)直剪試驗方法大量的試驗和工程實踐都表明，土的抗剪強度是與土受力后的排水固結(jié)狀況有關(guān)，故測定強度指標(biāo)的試驗方法應(yīng)與現(xiàn)場的施工加荷條件一致。直剪試驗由于其儀器構(gòu)造的局限無法做到任意控制試樣的排水條件，為了在直剪試驗中能盡量考慮實際工程中存在的不同固結(jié)排水條件，通常采用不同加荷速率的試驗方法來近似模擬土體在受剪時的不同排水條件，由此產(chǎn)生了三種不同的直剪試驗方法，即快剪、固結(jié)快剪和慢剪。1)快剪?？旒粼囼炇窃趯υ嚇邮┘迂Q向壓力后，立即以0.8mm／min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。一般從加荷到土樣剪壞只用3～5分鐘。由于剪切速率較快，可認為對于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的粘性土在剪切過程中試樣沒有排水固結(jié)，近似模擬了“不排水剪切”過程，得到的抗剪強度指標(biāo)用

表示。

2)固結(jié)快剪。固結(jié)快剪是在對試樣施加豎向壓力后，讓試樣充分排水固結(jié)，待沉降穩(wěn)定后，再0.8mm／min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞。固結(jié)快剪試驗近似模擬了“固結(jié)不排水剪切”過程，它也只適用于滲透系數(shù)小于10-6cm／s的粘性土，得到的抗剪強度指標(biāo)用表示。

3)慢剪。慢剪試樣是在對試樣施加豎向壓力后，讓試樣充分排水固結(jié)，待沉降穩(wěn)定后，以小于0.02mm／min的剪切速率施加水平剪應(yīng)力直至試樣剪切破壞，使試樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體積變形，模擬了“固結(jié)排水剪切”過程，得到的抗剪強度指標(biāo)用表示。(3)直剪試驗的優(yōu)缺點直剪試驗具有設(shè)備簡單，土樣制備及試驗操作方便等優(yōu)點，因而至今仍為國內(nèi)一般工程所廣泛使用。但也存在不少缺點，主要有：1)剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞；2)剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，且豎向荷載會發(fā)生偏轉(zhuǎn)(上下盒的中軸線不重合)，主應(yīng)力的大小及方向都是變化的；3)在剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而在計算抗剪強度時仍按土樣的原截面積計算；4)試驗時不能嚴格控制排水條件，并且不能量測孔隙水壓力；5)試驗時上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒，使試驗結(jié)果偏大?！纠}11】下列各種試驗方法中，不屬于直接剪切試驗的是（）。A.快剪

B.固結(jié)快剪

C.慢剪

D.不排水不固結(jié)剪

答案：D【例題12】直剪試驗中的快剪模擬的是（）。A.不固結(jié)不排水剪

B.固結(jié)水排水剪

C.固結(jié)排水剪

答案：A【例題13】下列關(guān)于直剪試驗的優(yōu)點，不正確的是（）。A.設(shè)備簡單

B.土樣制備方便

C.試驗操作方便

D.能量測孔隙水壓力答案：D2.三軸壓縮試驗(1)三軸壓縮試驗的原理三軸壓縮試驗所使用的儀器是三軸壓縮儀(也稱三軸剪切儀)，它主要由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、穩(wěn)壓調(diào)壓系統(tǒng)以及量測系統(tǒng)等部分所組成。常規(guī)三軸試驗一般按如下步驟進行：將土樣切制成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)，放在密閉的壓力室中，根據(jù)試驗排水要求啟閉有關(guān)的閥門開關(guān)。

向壓力室內(nèi)注入氣壓或液壓，使試樣承受周圍壓力作用，并使該周圍壓力在整個試驗過程中保持不變通過活塞桿對樣施加豎向壓力，隨著豎向壓力逐漸增大，試樣最終將因受剪而破壞。根據(jù)三軸壓縮試驗中測得的有關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)，可整理計算出土樣的強度指標(biāo)：設(shè)剪切破壞時軸向加荷系統(tǒng)加在試樣上的豎向壓應(yīng)力(稱為偏應(yīng)力)為據(jù)此可做一個極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的若干個試件(一般3～4個)分別在不同的周圍壓力下進行試驗，可得一組極限應(yīng)力圓，如圖15-7-4中的圓I、圓II和圓III。做這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強度包絡(luò)線，由此便可求得土樣的抗剪強度指標(biāo)c、值。

(2)三軸試驗方法通過控制土樣在周圍壓力作用下固結(jié)條件和剪切時的排水條件，可形成如下三種三軸試驗方法：不固結(jié)不排水剪(UU試驗)：試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都不允許排水，即從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不會消散。UU試驗得到的抗剪強度指標(biāo)用表示，這種試驗方法所對應(yīng)的實際工程條件相當(dāng)于飽和軟粘土中快速加荷時的應(yīng)力狀況。固結(jié)不排水剪(CU試驗)：在施加周圍壓力時，將排水閥門打開，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，然后再施加偏應(yīng)力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。在剪切過程中，試樣沒有任何體積變形。若要在受剪過程中量測孔隙水壓力，則要打開試樣與孔隙水壓力量測系統(tǒng)間的管路閥門。CU試驗得到的抗剪強度指標(biāo)用表示，其適用的實際工程條件為一般正常固結(jié)土層在工程竣工或在使用階段受到大量、快速的活荷載或新增荷載的作用下所對應(yīng)的受力情況，在實際工程中經(jīng)常采用這種試驗方法。

固結(jié)排水剪(CD試驗)：在施加周圍壓力及隨后施加偏應(yīng)力直至剪壞的整個試驗過程中都將排水閥門打開，并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散。CD試驗得到的抗剪強度指標(biāo)用表示。【例題14】三軸試驗方法中不包括（）。A.不固結(jié)不排水剪

B.固結(jié)不排水剪

C.固結(jié)排水剪

D.固結(jié)快剪答案：D

【例題15】某三軸試驗在施加周圍壓力時，將排水閥門打開，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，然后再施加偏應(yīng)力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞，該試驗方法為（）。A．不固結(jié)不排水剪

B．固結(jié)不排水剪

C．固結(jié)排水剪

D．固結(jié)快剪答案：B【例題16】在飽和軟粘土地基上進行快速土建施工，為模擬實際情況，在對土樣進行三軸試驗時應(yīng)采用哪種方法（）。A．不固結(jié)不排水剪

B．固結(jié)不排水剪

C．固結(jié)排水剪

D．固結(jié)快剪答案：A【例題17】如在進行三軸試驗時需測定孔隙水壓力，采用的試驗方法為（）。A．不固結(jié)不排水剪

B．固結(jié)不排水剪

C．固結(jié)排水剪

D．固結(jié)快剪答案：B

(3)三軸試驗的優(yōu)缺點三軸試驗的突出優(yōu)點是能夠控制排水條件以及可以量測土樣中孔隙水壓力的變化。此外，三軸試驗中試樣的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，剪切破壞時的破裂面在試樣的最弱處，而不像直剪試驗?zāi)菢酉薅ㄔ谏舷潞兄g。一般來說，三軸試驗的結(jié)果還是比較可靠的，因此，三軸壓縮儀是土工試驗不可缺少的儀器設(shè)備，三軸壓縮試驗的主要缺點是試驗操作比較復(fù)雜，對試驗人員的操作技術(shù)要求比較高。另外，常規(guī)三軸試驗中的試樣所受的力是軸對稱的，與工程實際中土體的受力情況不太相符，要滿足土樣在三向應(yīng)力條件下進行剪切試驗，就必須采用更為復(fù)雜的真三軸儀進行試驗。3.抗剪強度試驗方法與指標(biāo)的選用在實際工程中，地基條件與加荷情況不一定非常明確，如加荷速度的快慢、土層的厚薄、荷載大小以及加荷過程等都沒有定量的界限值，而常規(guī)的直剪試驗與三軸試驗是在理想化的室內(nèi)試驗條件下進行，與實際工程之間存在一定的差異。因此，在選用強度指標(biāo)前需要認真分析實際工程的地基條件與加荷條件，并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗加以判斷，選用合適的試驗方法與強度指標(biāo)。(1)試驗方法相對于三軸試驗而言，直剪試驗的設(shè)備簡單，操作方便，故目前在實際工程中使用比較普遍。然而，直剪試驗中只是用剪切速率的“快”與“慢”來模擬試驗中的“不排水”和“排水”，對試驗排水條件的控制是很不嚴格的，因此在有條件的情況下應(yīng)盡量采用三軸試驗方法。另外，《土工試驗方法標(biāo)準》(GB／T50123—1999)規(guī)定直剪試驗的固結(jié)快剪和快剪試驗只適用于滲透系數(shù)小于10-6cm【例題18】適用固結(jié)快剪或快剪試驗進行抗剪指標(biāo)測定的土類為（）。A.滲透系數(shù)小于10-6cm／s的粘土

B.滲透系數(shù)大于10-7C.滲透系數(shù)小于10-8cm／s的粘土

D.滲透系數(shù)小于10-5答案：A(2)有效應(yīng)力強度指標(biāo)用有效應(yīng)力法及相應(yīng)指標(biāo)進行計算，概念明確，指標(biāo)穩(wěn)定，是一種比較合理的分析方法，只要能比較準確地確定孔隙水壓力，則應(yīng)該推薦采用有效應(yīng)力強度指標(biāo)。當(dāng)土中的孔隙水壓力能通過實驗、計算或其他方法加以確定時，宜采用有效應(yīng)力法。有效應(yīng)力強度指標(biāo)可用三軸排水剪成三軸固結(jié)不排水剪(測孔隙水壓力)測定。(3)不固結(jié)不排水剪指標(biāo)土樣進行不固結(jié)不排水剪切時，所施加的外力將全部由孔隙水壓力承擔(dān)，土樣完全保持初始的有效應(yīng)力狀況，所測得的強度即為土的天然強度。在對可能發(fā)生快速加荷的正常固結(jié)粘性土上的路堤進行短期穩(wěn)定分析時，可采用不固結(jié)不排水的強度指標(biāo)；對于土層較厚、滲透性較小、施工速度較快工程的施工期或竣工時，分析也可采用不固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)。(4)固結(jié)不排水剪指標(biāo)土樣進行固結(jié)不排水剪試驗時，周圍固結(jié)壓力，將全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力而施加的偏應(yīng)力將產(chǎn)生孔隙水壓力。在對土層較薄、滲透性較大、施工速度較慢的工程進行分析時，可采用固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)?！纠}19】當(dāng)需采用有效應(yīng)力法進行計算時，對土樣進行試驗時應(yīng)采用的方法為（）。A.不固結(jié)不排水剪

B.固結(jié)不排水剪

C.固結(jié)排水剪

D.固結(jié)快剪答案：B第二節(jié)

特

殊

性

土由于成土環(huán)境的不同，會造成具有不同性質(zhì)的特殊性土。這些特殊性土在分布上都具有區(qū)域性的特點，故也稱為區(qū)域性土或環(huán)境土。我國自然環(huán)境變化大，世界上幾種主要的特殊性土類在我國都有分布，包括軟土、黃土、紅粘土、膨脹土、凍土、鹽漬土和填土一、軟土軟土是指分布于沿海的濱海相、三角洲相、溺谷相和內(nèi)陸平原或山區(qū)的河流相、湖泊相、沼澤相等主要由細粒土組成的孔隙比大(一般大于1.0)、天然含水量高(接近或大于液限)、壓縮性高(1－2>0.5Mpa-1)和強度低的土層。多數(shù)軟土還具有高靈敏度的結(jié)構(gòu)性。工程實際中經(jīng)常遇到的軟土主要是淤泥和淤泥質(zhì)土，包括淤泥、淤泥質(zhì)粘性土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等。淤泥是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，天然含水量大于液限、天然孔隙比e≥1.5的粘性土。淤泥質(zhì)土是在同樣的沉積條件下形成，但天然孔隙比符合1.0≤e<1.5的粘性土。當(dāng)土的有機質(zhì)含量大于5％時則稱為有機質(zhì)土；大于60％時則稱為泥炭土。泥炭土是在潮濕和缺氧環(huán)境中未經(jīng)充分分解的植物遺體堆積而成的一種有機質(zhì)土，呈深褐色—黑色。其含水量極高，壓縮性很大，且不均勻?！纠}20】軟弱土的工程特性有(

)。A.含水量高、孔隙比大；

B.壓縮模量值大；

C.滲透系數(shù)值大；

D.壓縮系數(shù)值大，靈敏度高。

答案：A、D【例題21】當(dāng)土的有機質(zhì)含量大于60％時則稱為（）。A.淤泥B.淤泥質(zhì)土

C.機質(zhì)土

D.泥炭土

答案：D二、黃土黃土是我國地域分布最廣的一種特殊性土類，它是第四紀時期形成的一種特殊堆積物。其主要特征為：顏色以黃為主，有灰黃、褐黃等；含有大量粉粒(0.075～0.005mm)，含量一般在55％以上；具有肉眼可見的大孔隙，孔隙比在1.0左右；富含碳酸鹽類；無層理，垂直節(jié)理發(fā)育；具有濕陷性和易溶性、易沖刷性等，對工程建設(shè)有其特殊的危害性。(一)黃土的濕陷性及其評價1.黃土濕陷的機理濕陷性是黃土最主要的工程特性。所謂濕陷性就是黃土浸水后在外荷載或自重的作用下發(fā)生下沉的現(xiàn)象。濕陷性黃土又可分為自重濕陷性和非自重濕陷性兩類。自重濕陷性黃土是指土層浸水后在土層自重作用下也能發(fā)生濕陷的黃土。黃土濕陷的機理通常認為是由于黃土的結(jié)構(gòu)特性和膠結(jié)物質(zhì)的水理特性決定的。黃土是在干旱或半干旱的氣候條件下形成的，可溶鹽逐漸濃縮沉淀而成為膠結(jié)物，這些因素增強了土粒之間抵抗滑移的能力，阻止了土體的自重壓密。黃土受水浸濕時，結(jié)合水膜增厚楔入顆粒之間，可溶性鹽類溶解和軟化，骨架強度降低，土體在上覆土層的自重壓力或附加壓力共同作用下土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，土粒滑向大孔隙，粒間孔隙減少，這就是黃土濕陷的機理。

黃土中膠結(jié)物的含量和成分以及顆粒的組成和分布，對于黃土的結(jié)構(gòu)特點和濕陷性的強弱有著重要的影響。膠結(jié)物含量大，粘粒含量多，黃土結(jié)構(gòu)則致密，濕陷性降低，并使力學(xué)性質(zhì)得到改善；反之，結(jié)構(gòu)疏松、強度降低、濕陷性強。此外，對于黃土中的鹽類，如以難溶的碳酸鈣為主，則濕陷性弱；若以石膏及易溶鹽為主，則濕陷性強。黃土的濕陷性還與孔隙比、含水率以及所受壓力的大小有關(guān)。天然孔隙比越大或天然含水率越小則濕陷性越強。在天然孔隙比和含水率不變的情況下，壓力增大，黃土濕陷量也增加，但當(dāng)壓力超過某一數(shù)值后，再增加壓力，濕陷量反而減少。【例題22】下列關(guān)于黃土的濕陷性強弱的敘述，正確的是（）。A.含水量越大孔隙比越小濕陷性越強

B.含水量越大孔隙比越大濕陷性越強C.含水量越小孔隙比越小濕陷性越強

D.含水量越小孔隙比越大濕陷性越強

答案：D【例題23】原始黃土的成因，是由(

)形成的。A.沖洪積

B.風(fēng)積

C.殘積

D.冰積

答案：B2.黃土濕陷性評價

【例題24】當(dāng)黃土的濕陷性系數(shù)為（）可判斷該黃土為濕陷性黃土。A.≥0.015

B.≥0.030

C.<0.015D.>0.07答案：A

(二)黃土地基的工程措施濕陷性黃土地基的設(shè)計和施工，除了必須遵循一般的設(shè)計和施工原則外，還應(yīng)針對濕陷性特點，采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，包括以下三個方面：①地基處理，以消除產(chǎn)生濕陷性的內(nèi)在原因；②防水和排水，以防止產(chǎn)生引起濕陷的外界條件；③采取結(jié)構(gòu)措施，以改善建筑物對不均勻沉降的適應(yīng)性和抵抗的能力。1.地基處理濕陷性黃土地基處理的原理，主要是破壞濕陷性黃土的大孔隙結(jié)構(gòu)，以便全部或部分消除地基的濕陷性，目前對于濕陷性黃土常用的地基處理方法詳見表15-8-1。2.防水措施防水措施包括以下三方面：1)場地防水措施盡量選擇具有排水暢通或利于場地排水的地形條件，避開受洪水或水庫等可能引起地下水位上升的地段，確保管道和貯水構(gòu)筑物不漏水，場地內(nèi)應(yīng)設(shè)排水溝等。2)單體建筑物的防水措施建筑物周圍必須設(shè)置具有一定寬度的混凝土散水，以便排泄屋面水。確保建筑物地面嚴密不漏水。室內(nèi)的給水，排水管道應(yīng)盡量明裝，室外管道布置應(yīng)盡量遠離建筑物，檢漏管溝應(yīng)做好防水處理。3)施工階段的防水措施施工場地應(yīng)平整，做好臨時性防洪、排水措施。大型基坑開挖時應(yīng)防止地面水流入，坑底應(yīng)保持一定坡度便于集水和排水。盡量縮短基坑暴露時間。3.結(jié)構(gòu)措施1)加強建筑物的整體性和空間剛度；2)選擇適宜的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)形式；

3)加強砌體和構(gòu)件的剛度。在濕陷性黃土地基的設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)建筑物的類別，場地濕陷類型、結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?jīng)驗，施工與維護管理等條件結(jié)合確定。三、膨脹土

(一)膨脹土的成因及其分布膨脹土一般指粘粒成分主要由強親水性的蒙脫石和伊利石礦物組成，同時具有吸水膨脹和失水收縮兩種性能的粘性土。膨脹土的成因環(huán)境主要為溫和濕潤且具備化學(xué)風(fēng)化的良好條件，在這種環(huán)境條件下，硅酸鹽為主的礦物不斷分解，鈣被大量淋失，鉀離子被次生礦物吸收形成伊利石和伊利石—蒙脫石混合物為主的粘性土。膨脹土在我國分布廣泛，與其他土類不同的是，膨脹土主要呈島狀分布，根據(jù)現(xiàn)有資料，膨脹土在廣西、云南、貴州、湖北、河北、河南、四川、安徽、山東、陜西、江蘇和廣東等地均有不同范圍的分布，在國外則主要分布在非洲和南亞地區(qū)。

【例題25】膨脹土主要呈（）分布。

A.島狀

B.片狀

C.塊狀

D.層狀

答案：A

【例題26】膨脹土的礦物成分以（）為主。A.蒙脫石

B.伊利石

C.石膏D.氧化亞鐵

答案：A、B

(二)膨脹土的工程特性及對工程的危害

膨脹土的工程特性主要表現(xiàn)在以下方面：

1.脹縮性膨脹土吸水后體積膨脹，使其上的建筑物隆起，如果膨脹受阻即產(chǎn)生膨脹力；膨脹土失水體積收縮，造成土體開裂，并使其上的建筑物下沉。土中蒙脫石含量越多，其膨脹量和膨脹力也越大；土的初始含水率越低，其膨脹量與膨脹力也越大；擊實膨脹土的膨脹性比原狀膨脹土大，密實越高，膨脹性也越大。

2.崩解性

膨脹土浸水后體積膨脹，發(fā)生崩解。強膨脹土浸水后幾分鐘即完全崩解；弱膨脹土則崩解緩慢且不完全。3.多裂隙性膨脹土中的裂隙，主要可分垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三種類型。這些裂隙將土層分割成具有一定幾何形狀的塊體，從而破壞了土體的完整性，容易造成邊坡的塌滑。4.超固結(jié)性膨脹土大多具有超固結(jié)性，天然孔隙比小，密實度大，初始結(jié)構(gòu)強度高。5.風(fēng)化特性膨脹土受氣候因素影響很敏感，極易產(chǎn)生風(fēng)化破壞作用?；娱_挖后，在風(fēng)化作用下，土體很快會產(chǎn)生破裂、剝落，從而造成土體結(jié)構(gòu)破壞，強度降低。受大氣風(fēng)化作用影響的深度各地不完全一樣，云南、四川、廣西地區(qū)約至地表下3～5m，其他地區(qū)2m左右。強度衰減性膨脹土的抗剪強度為典型的變動強度，具有峰值強度極高而殘余強度極低的特性。由于膨脹土的超固結(jié)性，初期強度極高，現(xiàn)場開挖很困難，然而隨著脹縮效應(yīng)和風(fēng)化作用時間的增加，其抗剪強度又大幅度衰減。在風(fēng)化帶以內(nèi)，濕脹干縮效應(yīng)顯著，經(jīng)過多次濕脹干縮循環(huán)以后，特別是粘聚力c大幅度下降，而內(nèi)摩擦角變化不大，一般反復(fù)循環(huán)2～3次以后趨于穩(wěn)定。

膨脹土對工程造成的危害主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1.對建筑物的影響

膨脹土地基上易遭受破壞的大多為埋置較淺的低層建筑物，一般為三層以下的民房。房屋損壞具有季節(jié)性和成群性兩大特點，房屋墻面角端的裂縫常表現(xiàn)為山墻上的對稱或不對稱的倒八字形縫，外縱墻下部出現(xiàn)水平縫，墻體外側(cè)并有水平錯動，由于土體的脹縮交替，還會使墻體出現(xiàn)交叉裂縫。2.對道路交通工程的影響

膨脹土地區(qū)的道路，由于路幅內(nèi)土基含水率的不均勻變化，從而引起不均勻收縮，并產(chǎn)生幅度很大的橫向波浪形變形。雨季路面滲水，路基受水浸軟化，在行車荷載下形成泥漿，并沿路面的裂縫和伸縮縫濺漿冒泥。3.對邊坡穩(wěn)定的影響膨脹土地區(qū)的邊坡坡面最易受大氣風(fēng)化的作用。在干旱季節(jié)蒸發(fā)強烈，坡面剝落；雨季坡面沖蝕，沖蝕溝深一般為0.1～0.5m，最大可達1.0m，坡面變得支離破碎。土體吸水飽和，在重力與滲透壓力作用下，沿坡面向下產(chǎn)生塑流狀溜塌。當(dāng)雨季雨量集中時還會形成泥流，堵塞涵洞，淹埋路面，甚至引發(fā)出破壞性很大的滑坡?！纠}27】某房屋墻面角端的裂縫為：山墻上的對稱或不對稱的倒八字形縫，外縱墻下部出現(xiàn)水平縫，墻體外側(cè)并有水平錯動；試根據(jù)以上現(xiàn)象判斷該建筑物地基為（）地基。A.黃土

B.填土C.不均勻

D.膨脹土

答案：D【例題28】膨脹土地區(qū)房屋損壞具有的特點為（）。A.季節(jié)性

B.

成群性

C.不確定性D.高層較多

答案：A、B(三)建筑施工注意事項1.建筑規(guī)劃措施1)正確選擇場地。當(dāng)?shù)匦纹教箷r應(yīng)避免大挖大填，坡度應(yīng)小于14°，并有可能設(shè)置低擋墻以防止土體溜滑發(fā)生。2)場地內(nèi)綠化布置。應(yīng)根據(jù)氣候條件，膨脹土條件等，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，種植草皮，并采用蒸發(fā)量小的樹木綠化。2.結(jié)構(gòu)措施結(jié)構(gòu)措施的目的是要提高建筑物適應(yīng)地基變形的能力。方法主要有：設(shè)置圈梁或設(shè)置暗柱與圈梁形成框架結(jié)構(gòu)，提高砌體強度，采用懸挑結(jié)構(gòu)等。3.地基處理措施

1)用足地基強度，增大基底壓力；

2)采用換土、砂石墊層等措施，改良土性；3)改變基礎(chǔ)形式，可采用樁基、墩基等。4.消除局部熱源和水源的影響四、紅粘土(一)紅粘土的成因及其分布紅粘土是碳酸鹽巖系出露區(qū)的巖石，經(jīng)過更新世以來在濕熱的環(huán)境中，由巖變土一系列的紅土化作用，形成并覆蓋于基巖上，呈棕紅、褐黃等色的高塑性粘土。其液限WL一般大于50％，在垂直方向的濕度上有上部小下部大的明顯變化規(guī)律，失水后有較大的收縮性，土中裂隙發(fā)育。所謂紅土化作用是碳酸鹽系巖石在濕熱氣候環(huán)境條件下，逐漸由巖石演變成土的過程。已經(jīng)形成的紅粘土，經(jīng)后期水流搬運，土中成分相對調(diào)整，仍然保留著紅粘土的基本特征，其WL一般大于45％，稱為次生紅土。根據(jù)紅粘土的成土條件，這類土主要集中分布在我國長江以南，即北緯33°以南的地區(qū)，西起云貴高原，經(jīng)四川盆地南緣、鄂西、湘西、廣西向東延伸到粵北、湘南、皖南、浙西等丘陵山地。(二)紅粘土的工程特性紅粘土的工程特性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1.高塑性和高孔隙比紅粘土呈高分散性，粘粒含量高，粒間膠體氧化鐵具有較強的粘結(jié)力，并形成團粒。因此反映出具有高塑性的特征，特別是液限WL比一般粘性土高，都在50％以上。由于團粒結(jié)構(gòu)在形成過程中，造成總的孔隙體積大，因此孔隙比常大于1.0，它與黃土的不同在于單個孔隙體積很小，粘粒間膠結(jié)力強且非親水性，故紅粘土無濕陷性，其壓縮性也低，力學(xué)性能好。紅粘土天然狀態(tài)飽和度大多在90％以上，使紅粘土成為二相體系。所以紅粘土濕度狀態(tài)的指標(biāo)也同時反映了土的密實度狀態(tài)，含水率w和孔隙比e具有良好的線性關(guān)系。紅粘土雖然其力學(xué)性能隨深度而變?nèi)酰鳛樘烊坏鼗鶗r，對一般建筑物而言，其基底附加應(yīng)力隨深度的衰弱幅度大于強度減小的幅度，因此在多數(shù)的情況下滿足了持力層也就滿足了對下臥層承載力驗算的要求。2.土層的不均勻性紅粘土厚度不均勻特性主要表現(xiàn)在以下兩方面：1)母巖巖性和成土特性決定了紅粘土厚度不大。尤其在高原山區(qū)，分布零星，由于石灰?guī)r和白云巖巖溶化強烈，巖面起伏大，形成許多石筍石芽，導(dǎo)致紅粘土厚度水平方向上變化大。常見水平相距1m，土層厚度可相差5m或更多。2)下伏碳酸鹽巖系地層中的巖溶發(fā)育，在地表水和地下巖溶水的單獨或聯(lián)合作用下，由于水的沖蝕、吸蝕等作用，在紅粘土地層中可形成洞穴，稱為土洞。只要沖蝕吸蝕作用不停止，土洞可迅速發(fā)展擴大。由于這些洞體埋藏淺，在自重或外荷作用下，可演變?yōu)榈乇硭荨?.土體結(jié)構(gòu)的裂隙性自然狀態(tài)下的紅粘土呈致密狀態(tài)，五層理，表面受大氣影響呈堅硬或硬塑狀態(tài)。當(dāng)失水后土體發(fā)生收縮，土體中出現(xiàn)裂縫，接近地表的裂縫呈豎向開口狀，往深處逐漸減弱，呈網(wǎng)狀微裂隙且閉合。由于裂隙的存在，土體整體性遭到破壞，總體強度大為減弱，此外，裂隙又促使深部失水，有些裂隙發(fā)展成為地裂?！纠}29】紅粘土的液限一般為（）。A.＞50%

B.＞45%

C.＞60%

D.＞70%答案：A

五、鹽漬土(一)鹽漬土的成因及其分布

當(dāng)土體中易溶鹽含量超過0.3％，這種土就稱為鹽漬土。鹽漬土的成因主要取決于鹽源、遷移和積聚這三個方面。1.鹽源鹽漬土中鹽的來源主要有三種：第一是巖石在風(fēng)化過程中分離出少量的鹽；第二是海水侵入、倒灌等將鹽滲入土中；第三是工業(yè)廢水或含鹽廢棄物，使土體中含鹽量增高。

2.鹽的遷移和積聚鹽的遷移積聚主要靠風(fēng)力或水流完成的。在沙漠干旱地區(qū)，大風(fēng)常將含鹽的土?；螓}的晶體吹落到遠處，積聚起來，使鹽重新分布。水流是鹽類遷移和重新分布的主要因素。地表水和地下水在流動過程中把所溶解的鹽分帶到低洼處，有時形成大的鹽湖。在含鹽量(礦化度)很高的水流經(jīng)過的地區(qū)，如遇到干旱的氣候環(huán)境，由于強烈蒸發(fā)，鹽類析出并積聚在土體中形成鹽漬土。在濱海地區(qū)，地下水中的鹽分，通過毛細作用，將下部的鹽輸送到地表，由于地表的蒸發(fā)作用，將鹽分析出，形成鹽漬土。有些地區(qū)長期大量開采地下水，農(nóng)田灌溉不當(dāng)，也會造成鹽分積聚。鹽漬土在世界各地均有分布。我國的鹽漬土主要分布在西北干旱地區(qū)的新疆、青海、西藏北部、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地勢低洼的盆地和平原中，其次分布在華北平原、松遼平原等地。另外在濱海地區(qū)的遼東灣、渤海灣、萊州灣、杭州灣以及包括臺灣在內(nèi)的諸島嶼沿岸，也有相當(dāng)面積的鹽漬土存在。有些鹽漬土中以含碳酸鈉或碳酸氫鈉為主，堿性較大，pH值一般為8～10.5，這種土稱為堿土，或堿性鹽漬土，農(nóng)業(yè)上稱為蘇打土。這種土零星分布于我國東北的松遼平原以及華北的黃、淮、海河平原。(二)鹽漬土地基的評價對鹽漬土地基的評價，主要考慮鹽漬土地基的溶陷性、鹽脹性和腐蝕性三個方面。1.溶陷性天然狀態(tài)下鹽漬土在自重壓力或附加壓力下，受水浸濕時所產(chǎn)生的附加變形稱作鹽漬土的溶陷變形。根據(jù)大量研究表明，只有干燥和稍濕的鹽漬土才具有溶陷性，且大多為自重溶陷。鹽漬土的溶陷性可以用單一的有荷載作用時的溶陷系數(shù)來衡量。2.鹽脹性鹽漬土地基的鹽脹性一般可分為兩類，即結(jié)晶膨脹和非結(jié)晶膨脹。結(jié)晶膨脹是由于鹽漬土因溫度降低或失去水分后，溶于孔隙水中的鹽濃縮并析出結(jié)晶所產(chǎn)生的體積膨脹。當(dāng)土中的硫酸鈉含量超過某一定值(約2％)時，在低溫或含水率下降時，硫酸鈉發(fā)生結(jié)晶膨脹，對于無上覆壓力的地面或路基，膨脹高度可達數(shù)十至幾百毫米，這成了鹽漬土地區(qū)的一個嚴重的工程問題。非結(jié)晶膨脹是指由于鹽漬土中存在著大量吸附性陽離子，特別是低價的水化陽離子與粘土膠粒相互作用，使擴散層水膜厚度增大而引起土體膨脹。最具代表性的是碳酸鹽漬土，含水率增加時，土質(zhì)泥濘不堪。鹽漬土地基造成的破壞主要表現(xiàn)在，室內(nèi)外地坪、路面、路沿石、臺階、花壇，室外球場，機場跑道等。在進行建設(shè)時，如果未受用有效的防膨脹措施，造成的危害是相當(dāng)嚴重的。3.腐蝕性鹽漬土的腐蝕性是一個十分復(fù)雜的問題。鹽漬土中含有大量的無機鹽，它使土具有明顯的腐蝕性，對建筑物基礎(chǔ)和地下設(shè)施構(gòu)成一種嚴重的腐蝕環(huán)境，影響其耐久性和安全使用。(三)鹽漬土地區(qū)施工及防腐措施在鹽漬土地區(qū)進行工程建設(shè)，首先要注意提高建筑材料本身的防腐能力，如選用優(yōu)質(zhì)水泥，提高密實性，增大保護層厚度，提高鋼筋的防腐能力等，同時還可采取在混凝土或磚石砌體表面做防水層和防腐涂層等方法。防鹽類侵蝕的重點部位是在接近地面或地下水干濕交替區(qū)段。此外，對攪拌混凝土或砂漿的用水和砂石料的含鹽量也必須嚴格控制，應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)定?！纠}30】對鹽漬土地基的評價，主要考慮的幾個方面中不包括（）。

A.溶陷性

B.鹽脹性

C.腐蝕性

D.崩解性答案：D六、凍土(一)凍土的特征及分布凡溫度等于或低于攝氏零度，且含有固態(tài)冰的土稱為凍土。凍土按其凍結(jié)時間長短可分為三類：瞬時凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土。瞬時凍土，凍結(jié)時間小于一個月，一般為數(shù)天或幾個小時(夜間凍結(jié))，凍結(jié)深度從幾毫米至幾十毫米。季節(jié)凍土，凍結(jié)時間等于或大于一個月，凍結(jié)深度從幾十毫米至1～2m，它是每年冬季發(fā)生的周期性凍土。多年凍土，凍結(jié)時間連續(xù)二年或二年以上。多年凍土在我國主要分布在青藏高原和東北大小興安嶺，在東部和西部地區(qū)一些高山頂部也有分布。多年凍土占我國總面積的20％以上，占世界多年凍土總面積的10％。(二)凍土的評價我國多年凍土地區(qū)，建筑物基底融化深度約3m左右，所以對多年凍土融陷性分級評價也按3m考慮，根據(jù)計算融陷量及融陷系數(shù)A0對凍土的融陷性分成5級：I—少冰凍土(不融陷土)：為基巖以外最好的地基土，一般建筑物可不考慮凍融問題。II—多冰凍土(弱融陷土)：為多年凍土中較良好的地基土，一般可直接作為建筑物的地基，當(dāng)最大融化深度控制在3m以內(nèi)時，建筑物均未遭受明顯破壞。III—富冰凍土(中融陷土)：這類土不但有較大的融陷量和壓縮量，而且在冬天回凍時有較大的凍脹性，作為地基，一般應(yīng)采取專門措施，如深基、保溫、防止基底融化等。Ⅳ—飽冰凍土(強融陷土)：作為天然地基，由于融陷量大，常造成建筑物的嚴重破壞。這類土作為建筑物地基，原則上不允許發(fā)生融化，宜采用保持凍結(jié)原則設(shè)計，或采用樁基、架空基礎(chǔ)等。V—含土冰層(極融陷土)：這類土含有大量的冰，當(dāng)直接作為地基時，若發(fā)生融化將產(chǎn)生嚴重融陷，造成建筑物極大破壞。如受長期荷載將產(chǎn)生流變作用，所以作為地基應(yīng)專門處理。【例題31】多年凍土是指凍結(jié)持續(xù)時間為（）的土。A.＞1年

B.≥2年

C.≥3年

D.≥5年答案：B七、填土填土是指由人類活動而堆填的土層。填土的物質(zhì)成分較雜，均勻性較差。根據(jù)其物質(zhì)組成和堆填方式，填土可分為素填土、雜填土和沖填土三類。各類填土可根據(jù)下列特征予以區(qū)別：

素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一種或幾種材料組成的填土，其中不含雜質(zhì)或含雜質(zhì)很少。按主要組成物質(zhì)又可分為碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性素填土。經(jīng)分層壓實后則稱為壓實填土。雜填土是由含大量建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾等雜物的填土。按其組成物質(zhì)成分可分為建筑垃圾土、工業(yè)廢料土和生活垃圾土。沖填土是由水力沖填泥沙形成的填土。填土還可按其堆填時間(年代)分為老填土和新填土，對于粘土以10年為界而粉土以5年為界。在工程建設(shè)中所遇到的填土變化較大。在舊城區(qū)，一般都保留有人類活動的遺物或古建筑的碎磚瓦礫(俗稱房渣土)，其分布范圍可能很廣，也可能只限于堵塞的渠道、古井或古墓。位于鄉(xiāng)村農(nóng)田中的建設(shè)場地表層多為素填土，而一般城市市區(qū)所遇到的填土往往是爐渣、建筑垃圾及生活垃圾等雜填土。

【例題32】對于以粘土為主的填土，當(dāng)其堆填時間超過（）時，可認為已是老填土。

A.5年

B.10年

C.20年D.50年

答案：B【例題33】某種土以粉土為主，含有砂、粉質(zhì)粘土，局部夾雜少量的碎磚屑，則該土為（）。

A.粉土

B.雜填土

C.沖填土D.素填土

答案：D

第五講

土中應(yīng)力分布及計算和土的壓縮性與地基沉降

一、

內(nèi)容提要：

本講主要講述

①土中應(yīng)力分布及計算部分包括土的自重應(yīng)力、基礎(chǔ)底面壓力、基底附加壓力、土中附加應(yīng)力；

②土的壓縮性與地基沉降部分包括壓縮試驗、壓縮曲線、

壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、壓縮模量、載荷試驗、變形模量、高壓固結(jié)試驗、土的應(yīng)力歷史、先期固結(jié)壓力、超固結(jié)比正常固結(jié)土、超固結(jié)土、欠固結(jié)土、沉降計算的彈性理論法、分層總和法、有效應(yīng)力原理、一維固結(jié)理論、固結(jié)系數(shù)、固結(jié)度；

二、

重點、難點：

基底與土中自重應(yīng)力與附加應(yīng)力的計算、土的壓縮試驗、利用分層總和法進行地基變形計算、有效應(yīng)力原理三、

內(nèi)容講解：

第一節(jié)

土中應(yīng)力分布及計算

一、土中應(yīng)力

土中應(yīng)力指土體在自身重力、建筑物和構(gòu)筑物荷載，以及其他因素(如土中水的滲流、地震等)作用下，土中產(chǎn)生應(yīng)力。土中應(yīng)力過大時，會使土體因強度不夠發(fā)生破壞，甚至使土體發(fā)生滑動失去穩(wěn)定。此外，土中應(yīng)力的增加會引起土體變形，使建筑物發(fā)生沉降，傾斜以及水平位移。

土是三相體，具有明顯的各向異性和非線性特征。為簡便起見，目前計算土中應(yīng)力的方法仍采用彈性理論公式，將地基土視作均勻的、連續(xù)的、各向同性的半無限體，這種假定同土體的實際情況有差別，但其計算結(jié)果尚能滿足實際工程的要求。

用面上的法向應(yīng)力方向與坐標(biāo)軸的正方向相同時，則剪應(yīng)力的方向與坐標(biāo)軸正方向一致時為正，反之為負，若剪應(yīng)力作用面上的法向應(yīng)力方向與坐標(biāo)軸正方向相反時，則剪應(yīng)力的方向與坐標(biāo)軸正方向相反時為正，反之為負。

二、土的自重應(yīng)力

由土體重力引起的應(yīng)力稱為自重應(yīng)力，自重應(yīng)力一般是自土體形成之日起就產(chǎn)生于土中。

1.均質(zhì)土的自重應(yīng)力

土體在自身重力作用下任一豎直切面均是對稱面，切面上都不存在剪應(yīng)力。因此，在深度z處平面上，土體因自身重力產(chǎn)生的豎向應(yīng)力，

(稱豎向自重應(yīng)力)等于單位面積上土柱體的重力W，如圖15-5-1所示。在深度z處土的自重應(yīng)力為：

式中

—土的重度，kN／m3；

F—土柱體的截面積，m2。

從公式(15-5-1)可知，自重應(yīng)力隨深度Z線性增加，呈三角形分布圖形。

2.成層地基土的自重應(yīng)力

地基土通常為成層土。當(dāng)?shù)鼗鶠槌蓪油馏w時，設(shè)各土層的厚度為

，重度為

，則在深度z處土的自重應(yīng)力計算公式為：

式中

n—從天然地面到深度z處的土層數(shù)。

3.土層中有地下水時的自重應(yīng)力

當(dāng)計算地下水位以下土的自重應(yīng)力時，應(yīng)根據(jù)土的性質(zhì)確定是否需要考慮水的浮力作用。通常認為水下的砂性土是應(yīng)該考慮浮力作用的。粘性土則視其物理狀態(tài)而定，一般認為，若水下的粘性土其液性指數(shù)IL>1，則土處于流動狀態(tài)，土顆粒之間存在著大量自由水，可認為土體受到水浮力作用，若IL≤0，則土處于固體狀態(tài)，土中自由水受到土顆粒間結(jié)合水膜的阻礙不能傳遞靜水壓力，故認為土體不受水的浮力作用，若0<IL<1，土處于塑性狀態(tài)，土顆粒是否受到水的浮力作用就較難肯定，在工程實踐中一般均按土體受到水浮力作用來考慮。若地下水位以下的土受到水的浮力作用，則水下部分土的重度按有效重度

計算，其計算方法同成層土體情況。

4.水平向自重應(yīng)力

土的水平向自重應(yīng)力

，

可用下式計算

式中

K0—側(cè)壓力系數(shù)，也稱靜止土壓力系數(shù)。K0值可通過室內(nèi)試驗測定。

【例題1】某土層及其物理性質(zhì)指標(biāo)如圖15-5-2所示，地下水位在地表下1.0m，計算土中a、b、c、d各點處的自重應(yīng)力。

三、基礎(chǔ)底面壓力

建筑物荷載通過基礎(chǔ)傳遞給地基的壓力稱基底壓力，又稱地基反力。

(一)地基反力分布

基底地基反力的分布規(guī)律主要取決于基礎(chǔ)的剛度和地基的變形條件。對柔性基礎(chǔ)，地基反力分布與上部荷載分布基本相同，而基礎(chǔ)底面的沉降分布則是中央大而邊緣小，如由土筑成的路堤，其自重引起的地基反力分布與路堤斷面形狀相同。對剛性基礎(chǔ)(如箱形基礎(chǔ)或高爐基礎(chǔ)等)，在外荷載作用下，基礎(chǔ)底面基本保持平面，即基礎(chǔ)各點的沉降幾乎是相同的，但基礎(chǔ)底面的地基反力分布則不同于上部荷載的分布情況。剛性基礎(chǔ)在中心荷載作用下，開始的地基反力呈馬鞍形分布；荷載較大時，邊緣地基土產(chǎn)生塑性變形，邊緣地基反力不再增加，使地基反力重新分布而呈拋物線分布，若外荷載繼續(xù)增大，則地基反力會繼續(xù)發(fā)展呈鐘形分布。

【例題2】基底地基反力的分布規(guī)律與下列哪些因素有關(guān)（）。

A.基礎(chǔ)的剛度B.地基的變形條件C.上部荷載大小D.基礎(chǔ)面積大小

答案：A、B

【例題3】剛性基礎(chǔ)在中心荷載作用下，開始的地基反力呈（）分布。

A.馬鞍形B.矩形C.三角形D.梯形答案：A

(二)地基反力的簡化計算

實用上，通常將地基反力假設(shè)為線性分布情況按下列公式進行簡化計算：

地基平均反力

地基邊緣最大與最小反力

式中

F—作用在基礎(chǔ)頂面通過基底形心的豎向荷載，kN；

G—基礎(chǔ)及其臺階上填土的總重，kN，G=

Ad，其中

為基礎(chǔ)和填土的平均重度，一般取

=20kN／m3，地下水位以下取有效重度，d為基礎(chǔ)埋置深度；

M—作用在基礎(chǔ)底面的力矩，M=(F+G)?e，e為偏心距；

W—基礎(chǔ)底面的抗彎截面模量，W=

，l、b為基底平面的長邊與短邊尺寸。

將W的表達式代入(15-5-4b)式得

【例題4】某矩形基礎(chǔ)底面尺寸為3m×6m，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的荷載為1800KN，基礎(chǔ)埋深為自然地坪下1.5m，自地表至以下5.0m均為粉質(zhì)粘土，土的天然重度為

＝18.6KN/m3，飽和重度為

＝20.1KN/m3，地下水位在自然地坪下3.0m，試確定：

1、地表下5m處土的自重應(yīng)力值為（）。

A.93kpaB.96kpa

C.78.1kpa

D.76kpa答案：D

2、按軸心荷載考慮，地基的平均反力為（）。

A.100kpaB.30kpaC.130kpaD.128kpa答案：C

【解析】基礎(chǔ)及回填土自重為：G＝

Ad＝20×3×6×1.5＝540KN，

地基平均反力為

3、如在±0.00基礎(chǔ)軸心處垂直于長邊方向上受到120KN的水平力作用，則地基邊緣最大反力為（①），最小反力為（②），偏心距為（③）。

A.

①140kpa；②120kpa；③0.10mB.

①140kpa；②120kpa；③0.08m

C.

①140kpa；②130kpa；③0.10mD.

①130kpa；②120kpa；③0.08m

答案：B

四、基底附加壓力

基礎(chǔ)通常是埋置在天然地面下一定深度的。由于天然土層在自重作用下的變形已經(jīng)完成，故只有超出基底處原有自重應(yīng)力的那部分應(yīng)力才使地基產(chǎn)生附加變形，使地基產(chǎn)生附加變形的基底壓力稱為基底附加壓力p0。因此，基底附加壓力是上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)傳到基底的地基反力與基底處原先存在于土中的自重應(yīng)力之差，按下式計算：

式中

P—基底地基反力，為區(qū)別于附加壓力，又稱基底總壓力；

—基底處自重應(yīng)力；

—基底標(biāo)高以上天然土層按分層厚度的加權(quán)重度；基礎(chǔ)底面在地下水位以下，地下水位以下的土層用有效重度計算；

d—基礎(chǔ)埋置深度，簡稱基礎(chǔ)埋深。

【例題5】某條形基礎(chǔ)寬度為1.5m，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載為120KN/m，基礎(chǔ)埋深為2m，持力層及以上土的天然重度為19.0KN/m3，求基底處的附加壓力p0。

五、土中附加應(yīng)力

土中的附加應(yīng)力是由建筑物荷載所引起的應(yīng)力增量，一般采用將基底附加壓力當(dāng)作作

用在彈性半無限體表面上的局部荷載，用彈性理論求解的方法計算。

(一)集中力作用下土中應(yīng)力計算

在均勻的、各向同性的半無限彈性體表面作用一豎向集中力Q時，半無限體內(nèi)任意點M的應(yīng)力(不考慮彈性體的體積力)可由布西奈斯克(J。V。Boussinesq，1885)解計算，其任意點豎向正應(yīng)力

及地表上距集中力為r處的豎向位移凹(沉降)可表示成如下形式：

供查用。E，v分別為土的彈性模量及泊松比。

(二)分布荷載作用時的土中應(yīng)力計算

對實際工程中普遍存在的分布荷載作用時的土中應(yīng)力計算，通?？刹捎萌缦路椒ㄌ幚恚?/p>

當(dāng)基礎(chǔ)底面的形狀或基底下的荷載分布不規(guī)則時，可以把分布荷載分割為許多集中力，然后用布西奈斯克公式和疊加原理計算土中應(yīng)力。當(dāng)基礎(chǔ)底面的形狀及分布荷載都是有規(guī)律時，則可以通過積分求解得相應(yīng)的土中應(yīng)力。

如圖15-5-3所示，在半無限土體表面作用一分布荷載p(x,y)，為了計算土中某點M(x，y，z)的豎向正應(yīng)力

值，可以在基底范圍內(nèi)取單元面積dF=dξdη，作用在單元面積上的分布荷載可以用集中力dQ表示，dQ=p(x，y)

dξdη。這時土中M點的豎向正應(yīng)力值

可用式(15-5-7)在基底面積范圍內(nèi)積分求得，即當(dāng)已知荷載、分布面積及計算點位置的條件時，即可通過求解上式獲得土中應(yīng)力值。

1.

圓形面積上作用均布荷載時土中豎向正應(yīng)力

的計算

為了計算圓形面積上作用均布荷載p時土中任一點M(r，z)的豎向正應(yīng)力，可采用原點設(shè)在圓心o的極坐標(biāo)，由公式(15-5-9)在圓面積范圍內(nèi)積分求得

上式可表達成簡化形式：

可由相應(yīng)表格查得。

(2)矩形面積角點下土中豎向應(yīng)力

計算

在圖15-5-5所示均布荷載作用下，計算矩形面積角點c下深度z處N點的豎向應(yīng)力

時，同樣可其表示成如下形式：

算點的豎向應(yīng)力

值。這種計算方法一般稱為角點法。

3.

矩形面積上作用三角形分布荷載時土中豎向應(yīng)力計算

當(dāng)?shù)鼗砻孀饔镁匦蚊娣e(l×b)三角形分布荷載時，為計算荷載為零的角點下的豎向應(yīng)力值

可將坐標(biāo)原點取在荷載為零的角點上；若要計算荷載最大值的角點下的豎向應(yīng)力值

，則將坐標(biāo)原點取在荷載最大值的角點上。相應(yīng)的豎向應(yīng)力值

和

用下式計算：

應(yīng)注意這里b值不是指基礎(chǔ)的寬度，而是指三角形荷載分布方向的基礎(chǔ)邊長。

4.

均布條形分布荷載下土中應(yīng)力計算

(1)豎向應(yīng)力計算

條形分布荷載下土中應(yīng)力計算屬于平面應(yīng)變問題，對路堤、堤壩以及長寬比l／b≥10的條形基礎(chǔ)均可視作平面應(yīng)變問題進行處理。

如圖15-5-7所示，在土體表面作用分布寬度為b的均布條形荷載p時，土中任一點的豎向應(yīng)力

可采用彈性理論中的弗拉曼(Flamant)公式在荷載分布寬度范圍內(nèi)積分得到：

六、成層地基中附加應(yīng)力的分布規(guī)律

在柔性荷載作用下，將土體視為均質(zhì)各向同性彈性土體時土中附加應(yīng)力的計算與土的性質(zhì)無關(guān)。但是，地基土往往是由軟硬不一的多種土層所組成，其變形特性在豎直方向差異較大，應(yīng)屬于雙層地基的應(yīng)力分布問題。對雙層地基的應(yīng)力分布問題，有兩種情況值得研究：一種是堅硬土層上覆蓋著不厚的可壓縮土層即薄壓縮層情況；另一種是軟弱土層上有一層壓縮性較低的土層即硬殼層情況。當(dāng)上層土的壓縮性比下層土的壓縮性高時(薄壓縮層情況)，即El<E2時，則土中附加應(yīng)力分布將發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。當(dāng)上層土的壓縮性比下層土的壓縮性低時(即硬殼層情況)，即El>E2，則土中附加應(yīng)力將發(fā)生擴散現(xiàn)象。在實際地基中，下臥剛性巖層將引起應(yīng)力集中的現(xiàn)象，若巖層埋藏越淺，應(yīng)力集中愈顯著。在堅硬土層下存在軟弱下臥層時，土中應(yīng)力擴散的現(xiàn)象將隨上層堅硬土層厚度的增大而更加顯著。因土的泊松比因變化不大，其對應(yīng)力集中和應(yīng)力擴散現(xiàn)象的影響可忽略。

雙層地基中應(yīng)力集中和擴散的概念有著重要工程意義，特別是在軟土地區(qū)，表面有一層硬殼層，由于應(yīng)力擴散作用，可以減少地基的沉降，故在設(shè)計中基礎(chǔ)應(yīng)盡量淺埋，并在施工中采取保護措施，以免淺層土的結(jié)構(gòu)遭受破壞。

【例題6】對于雙層地基的應(yīng)力分布，下列各項敘述中正確的選項為（）。

A.

當(dāng)El<E2時，土中附加應(yīng)力分布將發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象；

B.

當(dāng)El>E2時，土中附加應(yīng)力分布將發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象；

C.

當(dāng)El>E2時，土中附加應(yīng)力將發(fā)生擴散現(xiàn)象；

D.當(dāng)El<E2時，土中附加應(yīng)力將發(fā)生擴散現(xiàn)象；答案：A、C第二節(jié)

土的壓縮性與地基沉降

一、土的壓縮試驗與壓縮性指標(biāo)

(一)室內(nèi)壓縮試驗

土的室內(nèi)壓縮試驗亦稱固結(jié)試驗，是研究土壓縮性的最基本的方法。

室內(nèi)壓縮試驗原理

室內(nèi)壓縮試驗采用的試驗裝置為壓縮儀。試驗時將切有土樣的環(huán)刀置于剛性護環(huán)中，由于金屬環(huán)刀及剛性護環(huán)的限制，使得土樣在豎向壓力作用下只能發(fā)生豎向變形，而無側(cè)向變形。在土樣上下放置的透水石是土樣受壓后排出孔隙水的兩個界面。壓縮過程中豎向壓力通過剛性板施加給土樣，土樣產(chǎn)生的壓縮量可通過百分表量測。常規(guī)壓縮試驗通過逐級加荷進行試驗，常用的分級加荷量p為：50、100、200、300、400kPa。

根據(jù)壓縮過程中土樣變形與土的三相指標(biāo)的關(guān)系，可以導(dǎo)出試驗過程孔隙比與壓縮量

H的關(guān)系，即

這樣，根據(jù)式(15-6-1)即可得到各級荷載P下對應(yīng)的孔隙比e，從而可繪制出土樣壓縮試驗的e～p曲線及e～lgp曲線等。

(二)壓縮性指標(biāo)

1.

壓縮系數(shù)

通常可將常規(guī)壓縮試驗所得的e～p數(shù)據(jù)采用普通直角坐標(biāo)繪制成e～p曲線，如圖15-6-1所示。設(shè)壓力由p1增至p2，相應(yīng)的孔隙比由e1減小到e2，當(dāng)壓力變化范圍不大時，可將MlM2一小段曲線用割線來代替，用割線MlM2的斜率來表示土在這一段壓力范圍的壓縮性，即：

式中

—壓縮系數(shù)，Mpa-1；壓縮系數(shù)愈大，土的壓縮性愈高。

從圖15-6-1還可以看出，壓縮系數(shù)。值與土所受的荷載大小有關(guān)。工程中一般采用100~200kPa壓力區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的壓縮系數(shù)

1-2來評價土的壓縮性。即

1-2<0.1Mpa-1

屬低壓縮性土；

0.1

Mpa-1≤

1-2<0.5

Mpa-1

屬中壓縮性土；

1-2≥0.5

Mpa-1

屬高壓縮性土。

【例題7】已知某土樣在進行壓縮試驗時獲得如下數(shù)據(jù)：p1=100kpa時孔隙比e1=0.805，在p2=100kpa時孔隙比e1=0.755，則該土樣在100～200kpa壓力段的壓縮系數(shù)為（），并判斷該土的壓縮性屬于（）。

A.0.0005；低壓縮性土B.

0.05；低壓縮性土C.

0.15；中壓縮性土

D.0.5；高壓縮性土答案：D

【例題8】在室內(nèi)壓縮試驗時，土樣受壓后向外排出孔隙水是通過（）個界面。

A.1B.2C.3D.4答案：B

【例題9】在進行室內(nèi)壓縮試驗時，土樣受壓后將產(chǎn)生（）變形。

A.豎向B.橫向C.橫向和豎向D.不確定答案：A

2.

壓縮模量Es

根據(jù)e～p曲線，可以得到另一個重要的側(cè)限壓縮指標(biāo)—側(cè)限壓縮模量，簡稱壓縮模量，用來Es表示。其定義為土在完全側(cè)限的條件下豎向應(yīng)力增量

(如從p1增至p2)與相應(yīng)的應(yīng)變增量

的比值

式中

Es—側(cè)限壓縮模量，MPa；

H—應(yīng)力增量p內(nèi)的土樣壓縮量，mm；

H1—荷載為Pl時對應(yīng)的土樣高度，mm。

在無側(cè)向變形，即橫截面積不變的情況下，同樣根據(jù)土粒所占高度不變的條件，土樣變形量

H可用相應(yīng)的孔隙比的變化

e=e1-e2來表示：

由此還可導(dǎo)出壓縮系數(shù)

與壓縮模量Es之間的關(guān)系：

式中e0為初始孔隙比（或天然孔隙比）

同壓縮系數(shù)

一樣，壓縮模量Es也不是常數(shù)，而是隨著壓力大小而變化。因此，在運用到沉降計算中時，比較合理的做法是根據(jù)實際豎向應(yīng)力的大小在壓縮曲線上取相應(yīng)的孔隙比計算這些指標(biāo)。

【例題10】某土樣的壓縮系數(shù)為0.15Mpa-1，其天然孔隙比為0.752，則該土的壓縮模量為（）。

A.11.68Kpa

B.

1.53Mpa

C.

11.68Mpa

D.

15.3Mpa答案：C

3.

壓縮指數(shù)Cc

當(dāng)采用半對數(shù)的直角坐標(biāo)來繪制室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗e～p關(guān)系時，就得到了e～lgp曲線(見圖15-6-2)。在e～1gp曲線中可以看到，當(dāng)壓力較大時，e～1gp曲線接近直線。

將e～1gp曲線直線段的斜率用Cc來表示，稱為壓縮指數(shù)，它是無量綱量：

壓縮指數(shù)Cc與壓縮系數(shù)

不同，它在壓力較大時為常數(shù)，不隨壓力變化而變化。Cc值越大，土的壓縮性越高，低壓縮性土的Cc一般小于0.2，高壓縮性土的Cc值一般大于0.4。

【例題11】下列關(guān)于壓縮指數(shù)的敘述，正確的是（）。

A.e～p曲線直線段的斜率B.

e～p曲線割線的斜率

C.e～1gp曲線直線段的斜率D.

e～1gp曲線割線的斜率答案：C

4.

回彈指數(shù)Ce

卸載段和再壓縮段的平均斜率稱為回彈指數(shù)或再壓縮指數(shù)Ce。通常Ce<<Cc，一般粘性土的Ce≈(0.1～0.2)Cc。

5.

彈性模量

彈性模量是指正應(yīng)力

與彈性正應(yīng)變

(即可恢復(fù)應(yīng)變)的比值。一般采用三軸儀進行三軸重復(fù)壓縮試驗，得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的初始切線模量Ei或再加荷模量Er作為彈性模量。在計算飽和粘性土地基上瞬時加荷所產(chǎn)生的瞬時沉降時，一般應(yīng)采用彈性模量。

【例題12】計算飽和粘性土地基上瞬時加荷所產(chǎn)生的瞬時沉降時，一般應(yīng)采用的模量為（）。

A.壓縮模量B.變形模量C.彈性模量D.切線模量答案：C

【例題13】當(dāng)需測定土的彈性模量時，所采用的儀器為（）。

A.直剪儀B.三軸儀C.旁壓儀D.載荷試驗靜壓儀答案：B

二、現(xiàn)場載荷試驗及變形模量

1.

載荷試驗

現(xiàn)場載荷試驗是在工程現(xiàn)場通過千斤頂逐級對置于地基土上的載荷板施加荷載，觀測記錄沉降隨時間的發(fā)展以及穩(wěn)定時的沉降量s，將上述試驗得到的各級荷載與相應(yīng)的穩(wěn)定沒降量繪制成p～s曲線，即獲得了地基土載荷試驗的結(jié)果。

2.

變形模量

在p～s曲線中，當(dāng)荷載p小于某數(shù)值時，荷載p與載荷板沉降之間基本呈直線關(guān)系。在這段直線關(guān)系內(nèi)，可根據(jù)彈性理論計算沉降的公式反求地基的變形模量E0

式中

p—直線段的荷載強度，kPa；

s—相應(yīng)于p的載荷板下沉量；

b—載荷板的寬度或直徑；

—土的泊松比，砂土可取0.2～0.25，粘性土可取0.25～0.45；w—沉降影響系數(shù)，對剛性載荷板取w=0.88(方形板)；w=0.79(圓形板)。

【例題14】利用載荷試驗所測得的指標(biāo)為（）。

A.壓縮模量B.變形模量C.彈性模量D.切線模量答案：B

三、關(guān)于三種模量的討論

壓縮模量Es，是土在完全側(cè)限的條件下得到的，為豎向正應(yīng)力與相應(yīng)的正應(yīng)變的比值。該參數(shù)將用于地基最終沉降量計算的分層總和法、應(yīng)力面積法等方法中。

變形模量E0是根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗得到的，它是指土在側(cè)向自由膨脹條件下正應(yīng)力與相應(yīng)的正應(yīng)變的比值。該參數(shù)將用于彈性理論法最終沉降估算中，但載荷試驗中所規(guī)定的沉降穩(wěn)定標(biāo)準帶有很大的近似性。

彈性模量Ei可通過靜力法或動力法測定，它是指正應(yīng)力

與彈性(即可恢復(fù))正應(yīng)變

的比值。該參數(shù)常用于用彈性理論公式估算建筑物的初始瞬時沉降。

根據(jù)上述三種模量的定義可看出：壓縮模量和變形模量的應(yīng)變?yōu)榭偟膽?yīng)變，既包括可恢復(fù)的彈性應(yīng)變，又包括不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。而彈性模量的應(yīng)變只包含彈性應(yīng)變。

從理論上可以得到壓縮模量與變形模量之間的換算關(guān)系：

由于土體不是完全彈性體，加上兩種試驗的影響因素較多，使得理論關(guān)系與實測關(guān)系有一定差距。實測資料表明，E0與Es的比值并不像理論得到的在0～1之間變化，而可能出現(xiàn)E0/Es超過1的情況，且土的結(jié)構(gòu)性越強或壓縮性越小，其比值越大。

土的彈性模量要比變形模量、壓縮模量大得多，可能是它們的十幾倍或者更大。

【例題15】在土的彈性模量、變形模量和壓縮模量當(dāng)中，數(shù)值最大的是（）。

A.彈性模量B.變形模量C.壓縮模量答案：A

四、土的應(yīng)力歷史

目前工程上所謂應(yīng)力歷史是指土層在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中所形成的先期應(yīng)力狀態(tài)以及這個狀態(tài)對土層強度與變形的影響。

1.

先期固結(jié)壓力

土層在歷史上所曾經(jīng)承受過的最大固結(jié)壓力，稱為先期固結(jié)壓力，用Pc表示。目前對先期固結(jié)壓力Pc通常是根據(jù)室內(nèi)壓縮試驗獲得的e～lgp曲線來確定，較簡便明了的方法是卡薩格蘭德(Cassagrande)1936年提出的經(jīng)驗作圖法。

2.

土的固結(jié)狀態(tài)

工程中根據(jù)先期固結(jié)壓力與目前自重應(yīng)力的相對關(guān)系，將土層的天然固結(jié)狀態(tài)劃分為三

種，即正常固結(jié)、超固結(jié)和欠固結(jié)。用超固結(jié)比OCR作為反映土層天然固結(jié)狀態(tài)的定量指標(biāo)：

【例題16】某天然土的OCR>1.0，則該土屬于（）。

A.

正常固結(jié)土B.

超固結(jié)土

C.

欠固結(jié)土答案：B

【例題17】某地層自地表以下10m范圍內(nèi)均為粉土，其天然重度為18.5KN/m3,地下水位在16m處，已知該土層在10m處受到的先期固結(jié)壓力為200

kpa，則該處粉土屬于（）。

A.

正常固結(jié)土B.

超固結(jié)土

C.

欠固結(jié)土答案：B

五、地基沉降計算

(一)彈性理論法

彈性理論法計算地基沉降是基于布辛奈斯克課題的位移解，其基本假定為地基是均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的半無限體；此外還假定基礎(chǔ)整個底面和地基一直保持接觸。需要指出的是布辛奈斯克課題是研究荷載作用于地表的情形，因此可以近似用來研究荷載作用面埋置深度較淺的情況。當(dāng)荷載作用位置埋置深度較大時(如深基礎(chǔ))，則應(yīng)采用明德林課題的位移解進行彈性理論法沉降計算。

對矩形均布荷載下的角點沉降、中心點沉降和平均沉降以及圓形均布荷載下的剛性基礎(chǔ)沉降可歸納成下式表示：

式中

e—合力的偏心距

K—計算系數(shù)，可按l／b由有關(guān)圖表查得。

【例題18】地基沉降計算時所采用的彈性理論法，其基本假定為(

)。

A.

地基是均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的半無限體；基礎(chǔ)整個底面和地基一直保持接觸；

B.

地基是不均質(zhì)的、各向異性的、線彈性的半無限體；基礎(chǔ)整個底面和地基一直保持接觸；

C.

地基是均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的半無限體；

D.

地基是均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的半無限體；基礎(chǔ)整個底面和地基部分保持接觸；

答案：A

(二)分層總和法

1.

基本假設(shè)

分層總和法一般取基底中心點下地基附加應(yīng)力來計算各分層土的豎向壓縮量，認為基礎(chǔ)的平均沉降量s為各分層土豎向壓縮量

si之和。在計算出

si時，假設(shè)地基土只在豎向發(fā)生壓縮變形，沒有側(cè)向變形，故可利用室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗成果進行計算。

2.

計算步驟

(1)地基土分層。成層土的層面(不同土層的壓縮性及重度不同)及地下水面(水面上下土的有效重度不同)是當(dāng)然的分層界面，分層厚度一般不宜大于0.4b(b為基底寬度)。

(2)計算各分層界面處土自重應(yīng)力。土自重應(yīng)力應(yīng)從天然地面起算。

(3)計算各分層界面處基底中心下豎向附加應(yīng)力。

(4)確定地基沉降計算深度(或壓縮層厚度)。一般取地基附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的20％(

)深度處作為沉降計算深度的限值；若在該深度以下為高壓縮性土，則應(yīng)取地基附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的10％(

)深度處作為沉降計算深度的限值。

(5)計算各分層土的壓縮量

si

式中，n為沉降計算深度范圍內(nèi)的分層數(shù)。

【例題19】某矩形基礎(chǔ)底面寬度為8m，當(dāng)采用分層總和法進行地基變形驗算時，地基土的分層厚度不宜超過（）。

A.2mB.

3.2mC.

4mD.

6m答案：B

【例題20】當(dāng)確定地基的沉降計算深度時，對于中等壓縮性土的地基，其沉降計算深度為（）。A.取地基附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的20％深度處作為沉降計算深度；

B.取地基附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的10％深度處作為沉降計算深度；

C.取地表以下基礎(chǔ)底面寬度的3倍處作為沉降計算深度；

D.取基底以下基礎(chǔ)底面寬度的3倍處作為沉降計算深度；答案：A

六、飽和粘性土地基沉降與時間的關(guān)系

碎石土和砂土的壓縮性小而滲透性大，在受荷后固結(jié)穩(wěn)定所需的時間很短，可以認為在外荷載施加完畢時，其固結(jié)變形就已經(jīng)基本完成。飽和粘性土與粉土地基在建筑物荷載作用下需要經(jīng)過相當(dāng)長時間才能達到最終沉降，例如厚的飽和軟粘土層，其固結(jié)變形需要幾年甚至幾十年才能完成。因此，工程中一般只考慮粘性土和粉土的變形與時間的關(guān)系。

(一)飽和土的有效應(yīng)力原理

作用于飽和土體內(nèi)某截面上總的正應(yīng)力

由兩部分組成：一部分為孔隙水壓力u，它沿著各個方向均勻作用于土顆粒上，其中由孔隙水自重引起的稱為靜水壓力，由附加應(yīng)力引起的稱為超靜孔隙水壓力(通常簡稱為孔隙水壓力)；另一部分為有效應(yīng)力它作用

，它作用于土的骨架(土顆粒)上，其中由土粒自重引起的即為土的自重應(yīng)力，由附加應(yīng)力引起的稱為附加有效應(yīng)力。飽和土中總應(yīng)力與孔隙水壓力、有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系：

上式稱為飽和土的有效應(yīng)力公式，加上有效應(yīng)力在土中的作用，可以進一步表述成如下的有效應(yīng)力原理：

(1)飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和；

(2)土的強度的變化和變形只取決于土中有效應(yīng)力的變化。

【例題21】飽和砂層受到外力時，由砂與水共同承擔(dān)和傳遞，并符合

，在地震作用下，下列各敘述正確的是(

)。

A.孔隙水壓力可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，有效應(yīng)力增大，但總應(yīng)力保持不變；

B.有效應(yīng)力部分甚至全部轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫端畨毫?，但總?yīng)力保持不變；

C.有效應(yīng)力保持不變，孔隙水壓力增大，使總壓力增大；

D.孔隙水壓力保持不變，有效應(yīng)力減少，使總壓力減少；

答案：B

(二)太沙基一維滲流固結(jié)理論

太沙基(K。Ter2aghi，1925)一維固結(jié)理論可用于求解一維有側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下，飽和粘性土地基受外荷載作用發(fā)生滲流固結(jié)過程中任意時刻的土骨架及孔隙水的應(yīng)力分擔(dān)量，如大面積均布荷載下薄壓縮層地基的滲流固結(jié)等。

1.

基本假設(shè)

(1)土是均質(zhì)的、完全飽和的；

(2)土粒和水是不可壓縮的；

(3)土層的壓縮和土中水的滲流只沿豎向發(fā)生，是單向(一維)的；

(4)土中水的滲流服從達西定律，且土的滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)在滲流過程中保持不變；

(5)外荷載是一次瞬時施加的。

2.

固結(jié)微分方程

太沙基一維固結(jié)微分方程可表示為如下形式：

H—孔隙水的最大滲徑，單面排水條件下為土層厚度，雙面排水條件下為土層厚度之半。

【例題22】關(guān)于太沙基一維滲流固結(jié)理論的基本假定，不包括的選項為（）。

A.土是均質(zhì)的、完全飽和的；B.土粒和水是不可壓縮的；

C.土層的壓縮和土中水的滲流只沿豎向發(fā)生，是單向(一維)的；

D.土中水的滲流服從達西定律，但土的滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)在滲流過程中變化；

答案：D

(三)固結(jié)度

土層在固結(jié)過程中，t時刻土層各點土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力圖面積與起始超孔隙水壓力(或附加應(yīng)力)圖面積之比，稱為t時刻土層的固結(jié)度，用Ut表示，即

由于土層的變形取決于土中有效應(yīng)力，故土層的固結(jié)度又可表述為土層在固結(jié)過程中任一時刻的壓縮量St與最終壓縮量Sc之比，即

為便于實際使用，一般將固結(jié)度計算公式按不同附加應(yīng)力分布圖形繪制成Ut～Tv關(guān)系曲線。在地基固結(jié)分析中，通常有二類問題：一是已知土層固結(jié)條件時可求出某一時間對應(yīng)的固結(jié)度，從而計算出相應(yīng)的地基沉降St；二是推算達到某一固結(jié)度(或某一沉降St)所需的時間t。第四講

土的組成和物理性質(zhì)

一、

內(nèi)容提要：

本講主要講述土的三相組成和三相指標(biāo)、土的礦物組成和顆粒級配、土的結(jié)構(gòu)、粘性土的界限含水量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、砂土的相對密實度、土的最佳含水量和最大干密度、土的工程分類

二、

重點、難點：

土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的計算一、土的三相組成

土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的，通常稱為土的三相組成。隨著三相物質(zhì)的質(zhì)量和體積的比例不同，土的性質(zhì)也將不同。

【例題1】土的三相組成中不包括的部分是（）。

A.水B.氣體C.固體顆粒D.礦物成分答案：D

(一)土的固相

土的固相物質(zhì)包括無機礦物顆粒和有機質(zhì)，是構(gòu)成土的骨架最基本的物質(zhì)，稱為土粒。對土粒應(yīng)從其礦物成分、顆粒的大小和形狀來描述。

1.

土的礦物成分

土中的礦物成分可以分為原生礦物和次生礦物兩大類。

原生礦物是指巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等。

次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等。

【例題2】在下列各類礦物中，屬于次生礦物的是（）。

A.石英B.長石C.云母D.蒙脫石答案：D

2.

土的粒度成分(顆粒級配)

天然土是由大小不同的顆粒組成的，土粒的大小稱為粒度。工程上常用不同粒徑顆粒的相對含量來描述土的顆粒組成情況，這種指標(biāo)稱為粒度成分。

(1)土的粒組劃分

工程上常把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。粒組間的分界線是人為劃定的，劃分時應(yīng)使粒組界限與粒組性質(zhì)的變化相適應(yīng)，并按一定的比例遞減關(guān)系劃分粒組的界限值。

對粒組的劃分，我國有關(guān)規(guī)范均將砂粒粒組與粉粒粒組的界限為0.075mm。其余粒組劃分標(biāo)準可參見《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)和《土的工程分類標(biāo)準》(GBJl45-90)等。

(2)粒度成分及其表示方法

土的粒度成分是指土中各種不同粒組的相對含量(以干土質(zhì)量的百分比表示)，它可用以描述土中不同粒徑土粒的分布特征。

常用的粒度成分的表示方法是累計曲線法，也稱顆分曲線法，它是一種圖示的方法，通常用半對數(shù)紙繪制，橫坐標(biāo)(按對數(shù)比例尺)表示某一粒徑，縱坐標(biāo)表示小于某一粒徑的土粒的百分含量，如圖15-4-1所示。

在累計曲線上，可確定兩個描述土的級配的指標(biāo)：

(3)粒度成分測定方法

對于粗粒土可以采用篩分法，而對于細粒土(粒徑小于0.075mm)則必須用沉降分析法測定其粒度成分。篩分法是用一套不同孔徑的標(biāo)準篩把各種粒組分離出來的方法。沉降分析法是根據(jù)土粒在懸液中沉降的速度與粒徑的平方成正比的司篤克斯公式來確定各粒組相對含量的方法。

【例題3】粗粒土與細粒土的粒徑界限是（）。

A.2mm

B.

0.25mm

C.

0.075mm

D.0.05mm答案：C

【例題4】在土體粒度成分的表示方法當(dāng)中，稱為有效粒徑的是（①），稱為限定粒徑的是