第一章 土力學緒論

土力學

2010年9月第一章

緒論

一．土的概念土是地殼表層母巖經(jīng)受強烈風化（包括物理的，化學的和生物的風化作用）的產(chǎn)物，是各種礦物顆粒（土粒）的集合體。

二．土的特征多孔性和散體性。

三．土的用途基土：在土層上修堤壩，涵閘，渡槽橋梁，碼頭等建筑物時土就被用作為地基（稱基土）。土料：如修筑土質(zhì)堤壩，路基和其它土工建筑物時，土就被用作為建筑材料（稱土料）。此外，如修建運河，渠道，隧洞，地下廠房以及地下管道等，則常會遇到將土用作為建筑物周圍的介質(zhì)或護層的情況。

四．土力學的概念

土力學是利用力學的知識和土工試驗技術(shù)來研究土的強度和變形及其規(guī)律的一門科學。

第二節(jié)土力學的內(nèi)容、學習方法及與其它課程的關(guān)系

一．學習本課程的基本要求

1.了解土的基本物理力學性質(zhì)，掌握若干主要土工試驗的基本原理和一般方法。

2.了解土體在承受荷載后或改變其周圍環(huán)境后的性能及變化規(guī)律。3、

掌握一般水工建筑物設(shè)計中有關(guān)土力學內(nèi)容的計算方法。

二．土力學的內(nèi)容

1.土的組成

2土的物理性質(zhì)及工程分類

3.土的滲透性及滲流

4.土中應(yīng)力

5.土的壓縮性

6.地基變形

7.土的抗剪強度

8.土壓力

9.地基承載力

10.土坡和地基的穩(wěn)定性

三、土力學與其它課程的關(guān)系

土力學課程屬專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它在一般基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著承上啟下的作用。它必要的先行課程有：材料力學，結(jié)構(gòu)力學，彈性理論初步；工程地質(zhì)和水文地質(zhì)學；水力學等。它的主要后續(xù)課程是：水工結(jié)構(gòu)。實際上所有水工建筑物的勘測，設(shè)計，施工和運行管理都不能缺少土力學的基本知識。土力學又是一門邊緣性學科，它所涉及的自然科學范圍很廣。除了和力學領(lǐng)域內(nèi)各鄰近學科（如彈性理論，塑性理論，流變理論和地下水動力學等）有密切關(guān)系之外，它還牽涉到普通地質(zhì)學，土質(zhì)學，物理化學等方面的知識領(lǐng)域。

第三節(jié)土力學的發(fā)展簡介

土力學是一門即古老，又新興的學科。由于生產(chǎn)的發(fā)展和生活的需要，人類很早就懂得廣泛利用土進行工程建設(shè)。如我國公元前兩世紀開始修建的萬里長城和公元六世紀開通的南北大運河等宏偉工程，以及外國古代所修造的不少具有歷史性的巨型建筑物，都證實了人類在工程實踐中積累了豐富的土力學知識，但由于受到當時生產(chǎn)實踐規(guī)模，知識水平的限制，直到十八世紀中葉，人們對土在工程建設(shè)方面的特性，還處在感性認識階段。

十八世紀產(chǎn)業(yè)革命以后，水利，道路，城市建設(shè)工程中大型建筑物的興建，提出了大量與土力學有關(guān)的問題和不少成功的經(jīng)驗，特別是以些工程事故的教訓，迫切地尋求理論的解釋，并要求用實踐檢驗的理論來指導以后的工程實踐。例如：十七世紀末葉，歐洲各國大規(guī)模的城堡建設(shè)，推動了筑城學的發(fā)展，其中城墻背后土壓力的問題引起了建設(shè)者的注意，許多工程技術(shù)人員發(fā)表了多種土壓力計算公式，為庫倫（Couiomb,C.A.1773）提出著名的土抗剪強度和土壓力理論公式打下了基礎(chǔ)。十九世紀中葉開始，大規(guī)模的橋梁，鐵路和公路建設(shè)推動了樁工和深基礎(chǔ)的理論和施工方法的發(fā)展。鐵路和公路的路堤，運河渠道邊坡。水壩的建設(shè)更迫切需要解決土坡穩(wěn)定計算方法問題?？傊耸兰o中葉到十九世紀末，人們對土的強度，變形性能以及滲流三大問題作了某些個別理論的探討，并作了某些基礎(chǔ)工程的研究。但由于當時生產(chǎn)力和科學水平的限制，以及研究者受形而上學自然觀的束縛與影響，土力學還只停留在半經(jīng)驗分析的階段，尚未形成一門完整系統(tǒng)的科學。

二十世紀初期以來，隨者生產(chǎn)建設(shè)的深度與廣度的不斷增大，遇到的工程地質(zhì)條件更復(fù)雜，促使人們?nèi)娴赜窒到y(tǒng)地對土的力學性質(zhì)作理論和實踐的研究。地基勘探和土工試驗技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場觀測資料的不斷豐富，其它科學技術(shù)的新成就都對土力學的發(fā)展提供了非常有利的條件。與此同時，世界上不少國家紛紛成立專門性的土木研究機構(gòu)，對若干擋土結(jié)構(gòu)的破壞和路堤的塌方等具普遍性的工程事故，作了重點調(diào)查勘探和試驗工作，對土的工程性質(zhì)，地基基礎(chǔ)的設(shè)計施工進行了深入的研究。及至本世紀二十年代，著名土力學家太沙基（Terzaghi,K.1925）的《土力學》專著問世，土力學方始成為獨立的較系統(tǒng)而完整的學科。自1936年以來，已召開了十一屆國際土力學和基礎(chǔ)工程學術(shù)會議。許多國家已定期出版了多種土工雜志刊物。應(yīng)該指出：近四十年來，由于尖端科學生產(chǎn)（包括軍工）發(fā)展的需要，土力學的研究領(lǐng)域又有了明顯的擴大。如土動力學，凍土力學，海洋力學，月球土力學等都是新興的土力學分支，巖石力學也已與土力學分離而獨立成為一門學科。當前，超高型的土壩和土石壩，巨型的土中洞庫和管道，連續(xù)澆注地下墻和軟土上高層建筑下的巨型基礎(chǔ)，海洋石油采鉆平臺下的巨型基礎(chǔ)等工程建設(shè)，推動著土力學向更高，更深的水平發(fā)展。我國古代勞動人民在長期與大自然作斗爭的實踐中積累了豐富的科學知識，其中也包括了土力學的知識。如兩千年前，我國四川省就廣泛采用泥漿鉆探法開采鹽井，對保護孔壁提供了寶貴經(jīng)驗。沿用至今的堤壩質(zhì)量釬探檢查方法，證明我國首先應(yīng)用了觸探技術(shù)。數(shù)千年來我國主要江河的堤壩防洪搶險工程中，曾積累了許多符合科學原理的反壓土臺、封土樁、倒濾層、減壓井和水齒墻等有效土工措施。新中國的成立，為解放我國生產(chǎn)力和促進我國科學技術(shù)的發(fā)展感開辟了一條廣泛的道路，也使土力學學科得到了迅速的發(fā)展，在勘探和現(xiàn)場觀測的技術(shù)、土的物理里學性質(zhì)研究、地基基礎(chǔ)以及土工建筑物的設(shè)計與施工等方面，都取得了顯著成績。例如：對我國各地區(qū)的特殊土類都進行了大量的勘探試驗研究和調(diào)查總結(jié)工作，積累了大量資料，指定了一些切實可行的條例和規(guī)程。對低級的強度與變形，軟粘土的流變性質(zhì)和固結(jié)理論、沙土振動液化、土的本構(gòu)特性以及深基礎(chǔ)設(shè)計等方面的理論研究，都獲得了不少有價值的成功。我們堅信，在為實現(xiàn)我國四個現(xiàn)代化的過程中，我國的土力學學科也必將會有更快的發(fā)展。三、常見軟弱土和不良土

1）軟粘土

2）人工填土

3）高壓塑性土

4）濕陷性土

5）有機質(zhì)土和泥炭土

6）垃圾土

7）膨脹土

8）鹽漬土

9）多年凍土

10）巖溶、土洞、山區(qū)地基西藏公路（多年凍土）黃土高原（濕陷性黃土）廣西膨脹土膨脹土地質(zhì)

湖南某高架灌渠支墩傾斜

（膨脹土地基吸水膨脹后產(chǎn)生上脹力，頂起支墩；支墩靠近河道一側(cè)的水量大，上脹力也大）巖溶景觀巖溶1992年徐州市7號區(qū)第一次、第二次塌陷現(xiàn)場（溶洞與裂隙、下大雨）三峽庫區(qū)的滑坡1972年香港寶城大廈被滑坡沖毀倒塌成廢墟當場死亡120人（山坡土質(zhì)差、罕見大暴雨、暴雨持續(xù)時間長）樂亭縣城關(guān)小學教室砂、水從裂縫中冒出圓形噴砂口群砂土液化2006年2月17日發(fā)生于菲律賓特大型泥石流軟粘土(SoftSoil)：大部分處于飽和狀態(tài)，天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0。淤泥(Muck)及淤泥質(zhì)土(MuckySoil)

天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低，壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。荷載作用下，軟粘土地基承載力低，地基沉降變形大，不均勻沉降也大，沉降穩(wěn)定歷時比較長。廣泛分布在沿海以及內(nèi)地河流兩岸和湖泊地區(qū)。2.人工填土：素填土、雜填土、充填土3.部分砂土和粉土：主要指飽和粉砂土、飽和細砂土和砂質(zhì)粉土。在機械振動、車輛荷載、波浪或地震力作用下有可能液化或產(chǎn)生大量沉陷變形。4.濕陷性土：濕陷性黃土、粉砂土和干旱或半干旱地區(qū)具有崩解性的碎石土。濕陷性黃土(CollapsibleLoess)是指在覆蓋土層的自重應(yīng)力或自重應(yīng)力和建筑物附加應(yīng)力綜合作用下，受水浸濕后，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著的附加沉降，其強度也迅速降低的黃土。

5.有機質(zhì)土和泥炭土：土中有機質(zhì)含量大于5%時稱為有機質(zhì)土，大于60%時稱為泥炭土。強度低、壓縮性大6.垃圾土：城市廢棄的工業(yè)垃圾和生活垃圾形成的地基土。垃圾填埋場的設(shè)計與施工、垃圾樁復(fù)合地基、垃圾場的再利用7.膨脹土(ExpansiveSoil)：粘粒成分主要由親水性黏土礦物組成的黏性土。

膨脹土在環(huán)境的溫度和濕度變化時會產(chǎn)生強烈的脹縮變形。8.鹽漬土：土中含鹽量超過一定數(shù)量的土

浸水后，鹽溶解產(chǎn)生地基溶陷。某些鹽漬土在環(huán)境的溫度和濕度變化時會產(chǎn)生體積膨脹。9.多年凍土(FrozenClay)：溫度連續(xù)3年或以上保持在0℃或以下，并含有冰的土層。長期荷載作用下有強烈的流變性?？赡墚a(chǎn)生融化10.巖溶、土洞和山區(qū)地基：

可溶性巖層受水的化學和機械作用而形成的溶洞、溶溝、裂隙等稱為巖溶。土洞是巖溶地區(qū)上覆土層被地下水沖蝕或潛蝕所形成的洞穴。巖溶和土洞造成：地面變形、地基陷落、水的滲漏、涌水等。山區(qū)地基：地基不均勻、場地不穩(wěn)定（滑坡、崩塌、泥石流）等。七、關(guān)于地基承載力表達式的說明1、地基極限承載力pu（ultimatesubsoilbearingcapacity）:地基剪切破壞發(fā)展即將失穩(wěn)時所能承受的極限荷載。

a.按載荷試驗確定pu，拐點法。

b.按理論公式確定pu：

Prandtl公式、Skempton公式、Terzaghi公式、Vesic公式、Hansen公式。2、地基承載力允許值（allowablesubsoilbearingcapacity）：地基穩(wěn)定有足夠安全度的承載能力，相當于pu/k，k為安全系數(shù)。3、地基承載能力特征值fa（characteristicvalueof

subgradebearingcapacity）：在保證地基穩(wěn)定的條件下，使建筑物的沉降量不超過允許值的地基承載力。

fa=α·pu/k

α是地基允許變形值控制的系數(shù)，0<α≤1.

地基變形控制愈嚴，α值愈小；對于允許產(chǎn)生較大地基變形的建筑物，可取α＝1。荷載沉降關(guān)系曲線4.

地基承載力的特征值的確定

1）按土的抗剪強度指標確定2）按地基載荷試驗確定3）按規(guī)范承載力表確定4）按建筑經(jīng)驗確定1）按土的抗剪強度指標確定

a.地基極限承載力

fa=Pu/KK——安全系數(shù)K=2~3，取值與地基基礎(chǔ)設(shè)計等級、荷載的性質(zhì)、土的抗剪強度指標的可靠程度以及地基條件等因素有關(guān)。

b.規(guī)范推薦的理論公式。

c.按理論公式計算幾點說明a）影響最大的是抗剪強度指標的取值。應(yīng)選擇原狀土樣以三軸壓縮實驗中的不固結(jié)不排水試驗。每層土實驗數(shù)量不得少于6組。b）地基承載力還與基礎(chǔ)的大小、形狀、埋深以及荷載情況有關(guān)。對飽和軟土當φk>0，增大b可提高承載力。c）與埋深d有關(guān)，但對實體基礎(chǔ)，增加的承載力將被基礎(chǔ)和回填土重量的相應(yīng)增加抵消。特別是飽和土Md=1。d）進行地基變形驗算。e）內(nèi)磨擦角標準值和粘聚力標準值。2）按地基載荷試驗確定載荷試驗包括淺層平板載荷試驗、深層平板試驗及螺旋板載荷試驗。前者適用于淺基，后二者適用于深基。根據(jù)載荷試驗成果p-s曲線確定地基承載力特征值分二種情況。按荷載試驗成果確定地基承載力特征值（a)低壓縮性土（b）高壓縮性土a.對密實砂土、硬塑粘土等低壓縮性土，由強度安全控制，按規(guī)范規(guī)定以直線段末點把對應(yīng)的壓力p1（比例界限荷載）作為承載力特征值。對于呈脆性破壞的土，pl與pu很近，pu∠2pl時，取pu/2作為特征值。b.對松砂、填土、可塑粘土等中、高壓縮性土，由允許沉降量控制。當壓板面積為0.25--0.5平方米時，規(guī)范規(guī)定可取沉降s=(0.01--0.015)b所對應(yīng)的荷載作為承載力特征值。此值不大于最大加載量的一半。同一層土要有三個以上試驗點，當極差不超過平均值30%時取平均值為fak。3）按規(guī)范承載力表確定規(guī)范給出了按野外鑒別結(jié)果、室內(nèi)物理、力學指標，或現(xiàn)場動力觸探試驗錘擊數(shù),查取地基承載力特征值的表格，可查得fak。N=μ-1.645σ

當基礎(chǔ)寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，從載荷試驗或其它原位測試、規(guī)范表格等方法確定的承載力特征值，應(yīng)修正

地基處理規(guī)范（JGJ79-2002）第3.0.4條：經(jīng)處理后的地基，當按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積及埋深而需要對本規(guī)范確定的地基承載力特征值進行修正時，應(yīng)符合下列規(guī)定：基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)應(yīng)取零；基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)應(yīng)取1.0。經(jīng)處理后的地基，當在受力層范圍內(nèi)仍存在軟弱下臥層時，尚應(yīng)根據(jù)修正后的復(fù)合地基承載力特征值，進行樁身強度驗算。八、載荷試驗載荷試驗是最常用的一種地基土或基樁的原位試驗方法。主要用于確定天然地基、或復(fù)合地基、或基樁的承載力及壓縮模量。（一）試驗設(shè)備

1、反力裝置

地錨法：以若干個地錨作為反力裝置；

堆載法：以鐵塊、砼塊放置在承載臺上作為反力；

錨樁法：把加壓架固定在基樁上作為反力。百分表堆載荷載板主梁平臺千斤頂堆載平臺系統(tǒng)的設(shè)備布置錨樁反力梁系統(tǒng)的設(shè)備布置鋼絞線錨樁基準梁千斤頂承壓板支墩鋼板工字鋼錨具反力梁粉噴樁單樁載荷試驗（地錨法）（中國人民解放軍285醫(yī)院病房樓）地錨千斤頂（1999年12月）CFG樁載荷試驗（堆載法）

（邯鄲建行陵西辦辦公大樓，1996年）砼板鋼錠砼板鋼錠載荷架鋼筋砼預(yù)制樁載荷試驗（堆載法）

（邯鄲鋼鐵公司2000m2高爐，1998年）載荷試驗架荷載塊（鋼錠）4000kN鋼筋砼灌注樁載荷試驗（錨樁法）

（邯鄲人民銀行人民路辦公大樓，1995年）主梁次梁錨樁連接2、加壓裝置

油泵---千斤頂施加荷載---地基土變形---油泵油壓自動反饋儀器記錄儀②①③④千斤頂千斤頂內(nèi)油壓變小---補油---記錄。循環(huán)進行。

3、記錄裝置百分表、位移傳感器等。記錄儀表。

4、承載板（圓形或方形）地基土0.25--0.5m2；基樁直徑一致；復(fù)合地基與單樁加固的地基土面積相同。（二）試驗方法

1、試坑的大小不小于承壓板直徑的3倍。

2、加荷等級不少于8級，最大加荷不小于設(shè)計荷載的2倍（試驗樁）。第一級荷載可加等級荷載的2倍。

3、試驗方法

快速法：2h加一級荷載，共加8級；

穩(wěn)定法；<0.1mm/h后開始加下級荷載。

4、終止試驗的條件：

a.

地基土據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》

（1）承壓板周圍的土明顯側(cè)向擠出；（2）沉降急劇增大，P--S曲線出現(xiàn)陡降段；（3）24h內(nèi)，沉降隨時間近等速或加速發(fā)展；（4）s/b≥0.06；s/b≥1/12。（5）當加載最大壓力應(yīng)達預(yù)期壓力的2倍。

b.

復(fù)合地基據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》。（1）沉降急劇增大、土被擠出或壓板周圍出現(xiàn)明顯的隆起；（2）累計沉降量大于b(ord)的6％；（3）總加載量已為設(shè)計要求的2倍以上。

c.

基樁據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》。（1）某級荷載作用下，其沉降為上級的5倍；（2）某級荷載作用下，其沉降為上級的2倍，且經(jīng)

24h尚未達到穩(wěn)定；（3）已達到錨樁的最大抗拔力或壓重平臺的最大重量時。（三）載荷試驗曲線及應(yīng)用

確定復(fù)合地基承載力特征值（JGJ79-2002附錄A)

1、拐點法：取比例界限和極限荷載的

一半的小值；（陡降型）

2、相對沉降法:按s/d取值。（緩變型）

陡降型曲線緩變型曲線粉噴樁單樁載荷試驗曲線（四）復(fù)合地基載荷試驗要點：

復(fù)合地基測試的特殊性，主要在于復(fù)合地基中存在加固體。關(guān)鍵在于壓板尺寸的選擇和壓板的安裝。

選擇壓板尺寸時應(yīng)根據(jù)地基處理時的施工圖計算。采用單樁復(fù)合地基試驗方式時，壓板在安裝時要特別注意壓板下面應(yīng)該只有一根樁，且應(yīng)該使壓板的中心與樁的中心對正。采用多樁復(fù)合地基試驗方式時，應(yīng)該使壓板的中心與樁群的中心對正。

1、單樁或多樁復(fù)合地基載荷試驗要點

一根樁承擔的荷載面積（矩形布樁方式）一根樁承擔的荷載面積（等邊三角形布樁方式）一根樁承擔的荷載面積（梅花形布樁方式）

一根樁承擔的處理面積可按如下方法計算：對于矩形布樁，一根樁承擔的處理面積等于兩個方向的樁距的乘積；對于等邊三角形布樁，一根樁承擔的處理面積等于0.866乘以樁距的平方；對于梅花形布樁，一根樁承擔的處理面積等于樁的行距與排距的乘積。

單樁或多樁復(fù)合地基靜載試驗與常規(guī)靜載試驗的差異在于：

1．壓板的面積有比較嚴格的規(guī)定。

2．壓板的定位要求不同。平面上與樁的中心或重心重合，標高與樁頂一致。

3．依據(jù)的規(guī)范不同，故試驗過程與控制標準有一些差異。

4．曲線特征多為緩變形，且平滑度較差。

一般試驗過程與常規(guī)壓板試驗相同，只是在選擇承壓板時，進行樁體測試的壓板應(yīng)與樁的截面適應(yīng)，進行土體測試的壓板可按常規(guī)地基測試的壓板選擇，但應(yīng)注意其覆蓋面內(nèi)不應(yīng)有樁體存在，且其周邊應(yīng)留有適當余地。

2、樁土分離式試驗要點

測試完成后，分別對樁體和土體進行統(tǒng)計分析，得出樁的承載力特征值和土的承載力特征值，然后按下式計算復(fù)合地基承載力特征值：fsp，k=mfp，k+(1-m)fs，km=Ap/Asp（五）試驗成果的整理分析

1、試驗成果的整理a.原始讀數(shù)的計算復(fù)核b.異常數(shù)據(jù)處理大量實測結(jié)果表明，當?shù)鼗恋木鶆蛐陨锌汕覝y試過程正常時，測試得出的主要曲線（p-s曲線）是比較光滑的。所謂異常數(shù)據(jù)是指背離這一規(guī)律性的數(shù)據(jù)。最好的辦法是防止發(fā)生數(shù)據(jù)異常。c.曲線繪制一般地，地基靜載試驗主要應(yīng)繪制p-s曲線，但根據(jù)需要，還可繪制各級荷載作用下的沉降和時間之間的關(guān)系曲線以及地面變形曲線。完整的p-s曲線包含了3個階段(①壓密階段O--A；②剪切階段A--B；③破壞階段B--C)如圖1所示：

圖1地基靜載試驗的典型p-s曲線

2、地基承載力的判斷確定地基的承載力時既要控制強度，又要能確保建筑物不致產(chǎn)生過大沉降。

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