地基基礎(chǔ)指導(dǎo)

緒論一、土力學(xué)、地基及基礎(chǔ)

1、土力學(xué)：土力學(xué)的研究對象是“工程土”。土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，是巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運、沉積而形成的松散堆積物，顆粒之間沒有膠結(jié)或弱膠結(jié)。土的形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史過程，其性質(zhì)隨著形成過程和自然環(huán)境的不同而有差異。因此，在建筑物設(shè)計前，必須對建筑場地土的成因、工程性質(zhì)、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地下水狀況和場地的工程地質(zhì)等進行評判，密切結(jié)合土的工程性質(zhì)進行設(shè)計和施工。否則，會影響工程的經(jīng)濟效益和安全使用。

土力學(xué)是工程力學(xué)的一個分支，是利用力學(xué)原理研究土的應(yīng)力、應(yīng)變、強度和穩(wěn)定性等力學(xué)問題的一門應(yīng)用學(xué)科。由于土的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)與一般剛體、彈性固體和流體有所不同，因此，土的工程性質(zhì)必須通過土工測試技術(shù)進行研究。

2、地基：建筑物都是建造在土層或巖層上的，通常把直接承受建筑物荷載的土層或巖層稱為地基。未經(jīng)人工處理就能滿足設(shè)計要求的地基稱為天然地基；需要對地基進行加固處理才能滿足設(shè)計要求的地基稱為人工地基。

3、基礎(chǔ)：建筑物上部結(jié)構(gòu)承受的各種荷載是通過基礎(chǔ)傳遞給地基的，所謂基礎(chǔ)是指承受建筑物各種荷載并傳遞給地基的下部結(jié)構(gòu)。通常情況下，建筑物基礎(chǔ)應(yīng)埋入地面以下一定深度進入持力層，即基礎(chǔ)的埋置深度。按照基礎(chǔ)的埋置深度的不同，基礎(chǔ)可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。

在建筑物荷載作用下，地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)三部分是彼此聯(lián)系、相互影響和共同作用的，如圖1所示。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)場地的工程地質(zhì)條件，綜合考慮地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)三部分的共同作用和施工條件，并通過經(jīng)濟、技術(shù)比較，選取安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的地基基礎(chǔ)方案。二、土力學(xué)的發(fā)展簡史

生產(chǎn)的發(fā)展和生活的需要，使人類早就懂得了利用土進行建設(shè)。西安半坡村新石器時代的遺址就發(fā)現(xiàn)了土臺和石礎(chǔ)；公元前兩世紀修建的萬里長城及隨后修建的京杭大運河、黃河大堤等都有堅固的地基與基礎(chǔ)。這些都說明我國人民在長期的生產(chǎn)實踐中積累了許多土力學(xué)方面的知識。

十八世紀產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著城市建設(shè)、水利工程及道路工程的興建，推動了土力學(xué)的發(fā)展。1773年，法國的Coulomb根據(jù)實驗提出了砂土的抗剪強度公式和土壓力理論；十九世紀中葉，大規(guī)模的橋梁、鐵路和公路的建設(shè)，促進了樁基礎(chǔ)理論和施工方法的發(fā)展；1957年，英國的Rankine根據(jù)不同假設(shè)提出了土壓力理論；1885年，法國的Boussinesq求出了半無限彈性體在垂直集中力作用下應(yīng)力和變形的理論解答；1922年，瑞典的Fellenius為解決鐵路塌方問題，研究并提出了土坡穩(wěn)定分析法；直到1925年，美國土力學(xué)專家Terzaghi發(fā)表了第一本《土力學(xué)》專著，從此，土力學(xué)成為一門獨立的學(xué)科。

此后，隨著大量引用彈性力學(xué)的研究成果，土體變形和破壞問題的研究得到了迅速發(fā)展。1927年～1955年，F(xiàn)ellenius，Taylor和Bishop等建立與完善了滑弧穩(wěn)定分析方法；1936年，Mindlin公式的提出并在樁基沉降計算中得到應(yīng)用；1943年，Terzaghi關(guān)于極限土壓力的研究并提出了承載力公式；1941年～1956年，Biot固結(jié)理論的提出和完善等。

1963年，Roscoe發(fā)表了著名的劍橋模型，標(biāo)志著現(xiàn)代土力學(xué)的開端。經(jīng)過30多年的努力，現(xiàn)代土力學(xué)已逐漸趨于成熟，并在下列幾方面取得了重要進展：(1)非線性模型和彈塑性模型的深入研究和大量應(yīng)用；(2)損傷力學(xué)模型的引入和結(jié)構(gòu)性模型的初步研究；(3)非飽和土固結(jié)理論的研究；(4)砂土液化理論的研究；(5)剪切帶理論及漸進破損問題的研究；(6)土的細觀力學(xué)的研究等。

我國學(xué)者對土力學(xué)的研究始于1945年黃文熙在中央水利實驗處創(chuàng)立的第一個土工實驗室，40多年來，各方面都得到了長足的進展，取得了許多重要研究成果，為土力學(xué)的發(fā)展和完善作出了積極的貢獻。

現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，使土力學(xué)的研究領(lǐng)域得到了明顯的擴大，如土動力學(xué)、凍土力學(xué)、月球土力學(xué)、海洋土力學(xué)等都是新興的土力學(xué)分支。三、本課程的研究內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法

土力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，主要側(cè)重于對土的力學(xué)分析，是研究土在力的作用下引起的應(yīng)力、應(yīng)變、強度和穩(wěn)定性的一門學(xué)科。由于土是自然歷史的產(chǎn)物，其性狀變化很大。因此，在土力學(xué)研究過程中，除運用一般連續(xù)體力學(xué)的基本原理，還應(yīng)密切結(jié)合土的實際情況進行研究。在處理工程中的土力學(xué)問題時，不能單憑數(shù)學(xué)和力學(xué)的方法，必須通過的土的現(xiàn)場勘察及室內(nèi)土工試驗測定土的計算參數(shù)。因此，土力學(xué)是一門實踐性很強的學(xué)科。

地基與基礎(chǔ)統(tǒng)稱為基礎(chǔ)工程，基礎(chǔ)工程是研究建筑物地基與基礎(chǔ)受到上部結(jié)構(gòu)荷載作用后的性狀的，主要包括是地基的受力性狀、地基處理方法、基礎(chǔ)型式等。由于基礎(chǔ)工程為建筑物的隱蔽工程，一旦失事，不僅損失巨大，且難以補救，如圖2所示。因此，基礎(chǔ)工程的研究十分重要。

土木工程中，會遇到各種有關(guān)土的工程地質(zhì)問題。包括土作為建筑物地基、用作填筑材料及作為建筑物的介質(zhì)等三個方面。特別是軟土地基，常會遇到土質(zhì)改良、沉降及不均勻沉降等問題。為保證建筑物的安全可靠、經(jīng)濟合理和技術(shù)可行，很好地解決這些問題，必須對地基土的物理力學(xué)性質(zhì)有較深入的了解，從而提出合理的地基基礎(chǔ)方案。如以土作為填筑材料的堤、壩，常用碾壓的方法將填土壓實，以提高填土的強度，增加填土的穩(wěn)定性，這就要求研究動力作用下土的壓實性狀。

根據(jù)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的研究內(nèi)容，學(xué)習(xí)中力求掌握以下幾點：(1)要有工程的觀點，不僅要掌握本課程的基本原理，還應(yīng)掌握基礎(chǔ)工程的實用工藝和設(shè)計施工方法；(2)要有遵守規(guī)范的觀點，規(guī)范是工程經(jīng)驗的總結(jié)，規(guī)范是技術(shù)應(yīng)用的依據(jù)，規(guī)范是法規(guī)，應(yīng)該遵守。由于本教材涉及的規(guī)范較多，且各部門的規(guī)范又不統(tǒng)一，應(yīng)用時應(yīng)加以區(qū)分；(3)要培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，理論是實踐的基礎(chǔ)，沒有正確的理論，就沒有正確的實踐。通過對基本概念、基本理論和基本技能的培養(yǎng)，結(jié)合工程實踐，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

第一章

土的物理性質(zhì)與工程分類

土是由固體顆粒、水和氣體組成的三相體系。其三相之間的比例關(guān)系、土的顆粒組成、大小、土的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造等會直接影響到其工程性質(zhì)。第一節(jié)

土的形成一、第四紀沉積物（層）

土是巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕、搬運和沉積作用形成的松散堆積物，顆粒之間沒有膠結(jié)或弱膠結(jié)，絕大部分土形成于第四紀，故稱為第四紀沉積物。二、按成因分類根據(jù)搬運和沉積方式不同，第四紀沉積物主要分為以下幾種：名稱成因特征與分布工程特征殘積土巖石風(fēng)化所形成的碎屑，殘留在原地的堆積物。顆粒粗細不均，多棱角，無分選性，無層理，其礦物成分與下伏母巖相同。殘積土厚度變化大，作為建筑物地基時，應(yīng)注意不均勻沉降。坡積土風(fēng)化產(chǎn)物在重力、雨雪水流等作用下，沿斜坡移動，沉積在坡面和坡腳的堆積物。坡積土自坡面至坡腳，顆粒由粗到細，表現(xiàn)出輕微的分選性，其礦物成分與下伏母巖無關(guān)。厚度變化大，薄者僅數(shù)厘米，厚者可達數(shù)十米。常沿下伏巖層斜面滑動，顆粒粗細變化大、土質(zhì)不均，其強度及壓縮性差異也較大，為不良地基土。

洪積土由山洪暴雨和大量融雪形成的暫時性洪水，把大量殘積土、坡積土剝蝕、搬運到山谷或山麓平原沿途堆積而成。洪積土呈扇形分布，土顆粒從近到遠由粗變細，表現(xiàn)出一定的分選性，因搬運距離不遠，顆粒磨圓度較差，土中常有不規(guī)則交替層理構(gòu)造，并具有夾層、尖滅或透鏡體等。山洪不規(guī)則周期性暴發(fā)所形成的堆積物各不相同。一般離山前較近的洪積土強度較高，是較好地基。離山前較遠地段，洪積物顆粒較細，成分均勻，厚度大，是較好地基。在過渡地段，常為寬廣的沼澤，是不良地基。沖積土河流流水的作用將兩岸巖石及上覆殘積、坡積、洪積土剝蝕后搬運、沉積在河流坡降平緩地帶形成的堆積物。具有明顯的層理構(gòu)造和分選性，加上水中長距離搬運時的碰撞和摩擦，沖積土中的粗顆粒有較好的磨圓度。河流上游土顆粒較粗，下游的顆粒較細。在河流上游修建水工建筑物時，應(yīng)考慮滲透和滲透變形問題。對于河流下游的建筑物，常要沉降和穩(wěn)定等問題。風(fēng)積土

由風(fēng)力搬運形成的堆積物。我國西北地區(qū)廣泛分布的黃土是一種典型的風(fēng)積土。其主要特征是組成黃土的顆粒十分均勻，以粉粒為主，沒有層理，有肉眼可以分辨的大孔隙，垂直裂隙發(fā)育，能形成直立的陡壁。黃土在干燥條件下有較高的承載力和較小的變形，但遇水后會產(chǎn)生濕陷，變形顯著增大。因此，黃土地區(qū)修建水工建筑物應(yīng)當(dāng)謹慎。

第二節(jié)

土的組成

土與連續(xù)的固體物質(zhì)不同，是一種松散顆粒堆積物，固體顆粒（固相）構(gòu)成了土的骨架，水和氣體為粒間孔隙的充填物。各相屬性及三相關(guān)系對土的工程性質(zhì)有重要影響。一、土的固相(一)土的礦物成分：土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，土顆粒的礦物成分取決于成土母巖的成分和風(fēng)化作用的類型。土中礦物顆粒的成分根據(jù)形成條件可分為原生礦物和次生礦物。名稱成因礦物成分特征原生礦物巖漿在冷凝過程中形成。石英、長石、云母、角閃石、輝石等是母巖物理風(fēng)化的產(chǎn)物，礦物成分與母巖相同，如漂石、卵石、圓礫等顆粒較粗，性質(zhì)穩(wěn)定，吸水能力很弱，無塑性。

次生礦物原生礦物進一步因氧化、水化、水解及溶解等化學(xué)風(fēng)化作用后形成。高嶺石、綠泥石、方解石、石膏等顆粒極細，種類很多，以晶體礦物為主。如粘土礦物的基本構(gòu)成單元為硅氧晶片和鋁氫氧晶片。粘土礦物具有顆粒小，呈片狀，比表面積大，吸水能力強，具塑性，性質(zhì)活潑等特點。

四面體和八面體的不同組合堆疊重復(fù)，形成了具有不同性質(zhì)的各種粘土礦物，其代表礦物有高嶺石，伊利石，蒙脫石。原生礦物中，其吸水膨脹和失水收縮性，蒙脫石最顯著，伊利石次之，高嶺石最差。（二）土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.土的結(jié)構(gòu)：指土顆粒的大小、形狀、排列及聯(lián)結(jié)方式等所表現(xiàn)出的綜合特征。它對土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響。土的主要結(jié)構(gòu)類型及其性質(zhì)如下表。名稱成因和特點分布工程特性單粒結(jié)構(gòu)(見圖1-2a)粗顆粒在沉積過程中受重力控制，粒間以點接觸為主，土粒間的分子吸引力較小，顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，偶爾可能具有微弱的毛細水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)主要存在于由礫、砂等所組成的粗粒土中。緊密結(jié)構(gòu)：在外載作用下壓縮性小，承載力較高，是良好的天然地基。疏松結(jié)構(gòu)：骨架不穩(wěn)定，當(dāng)受震動或其它外力時，會產(chǎn)生很大變形，未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物地基。蜂窩結(jié)構(gòu)(見圖1-2b)粉粒在水中下沉?xí)r，基本上以單個土粒下沉，當(dāng)碰到已沉土粒時，由于粒間的相互引力大于重力，土粒就停留在最初的位置不再下沉，形成具有較大孔隙的蜂窩結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)在由粉粒(0.05～0.005mm)為主的細粒土中?？紫洞?、壓縮性高、強度低，土粒之間的聯(lián)結(jié)強度(結(jié)構(gòu)強度)在長期壓密影響下有所提高。

絮凝結(jié)構(gòu)(見圖1-2c)粘粒能在水中長期懸浮不下沉。當(dāng)懸浮粘粒被帶至濃度較大電解質(zhì)中(如海水)時，粘粒凝聚成絮狀集合體下沉，并和先期下沉的絮狀集合體接觸，形成如絨絮一樣的絮凝結(jié)構(gòu)。多見于由粘粒(粒徑d<0.005mm)為主的粘性土中?？紫洞蟆嚎s性高、強度低，土粒之間的聯(lián)結(jié)強度在長期壓密影響下有所提高，但土粒間聯(lián)結(jié)較弱，在施工擾動影響下，土的結(jié)構(gòu)一旦遭到破壞，強度會降低很快。2.土的構(gòu)造：同一土層中的物質(zhì)成分和顆粒大小等相近的各部分之間的相互關(guān)系特征稱為土的構(gòu)造。名稱特征工程性質(zhì)層理構(gòu)造土在形成過程中，由于不同階段所形成的沉積物在礦物成分、粒度成分、顏色等方面的差異表現(xiàn)出成層的特性。土的主要構(gòu)造特征是層理構(gòu)造裂隙構(gòu)造裂隙性，如黃土中的垂直裂隙，某些堅硬或硬塑粘土(如長江下游的下蜀粘土)中有不連續(xù)小裂隙。裂隙的存在，破壞了土的整體性，增大了透水性，對工程建設(shè)往往不利。其它在構(gòu)造上還有一些特征，如某些土中含有結(jié)核(礓石)和天然土洞等使得土質(zhì)不均勻，對工程建設(shè)往往不利。(三)土粒大小和土的級配1.粒組劃分一、定義

天然土是由無數(shù)大小不一、形狀各異且變化懸殊的土粒組成。各種不同粒徑的土粒在土中的比例不同，直接影響著土的性質(zhì)。工程上通常把大小相近、性質(zhì)相似的土粒劃分成若干組，這種組別稱為粒組，劃分粒組的分界粒徑稱為界限粒徑。2）粒組劃分

按照界限粒徑的大小，將土粒劃分為六個粒組：

漂石（塊石）、卵石(碎石)、礫粒、砂粒、粉粒、粘粒。

粒徑由大到小

其粒組名稱和粒徑范圍見下表表1-1土粒粒組的劃分粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑范圍（mm）一般特性巨粒組漂石或塊石顆粒>200透水性大，無粘性，無毛細水。卵石或碎石顆粒200～60透水性大，無粘性，無毛細水。粗粒組圓礫或角礫顆粒60～2透水性大，無粘性，毛細上升高度很小。砂粒2～0.075易透水，當(dāng)混入云母等雜物時，透水性減小，壓縮性增加；無粘性，遇水不膨脹，干燥時松散；毛細上升高度小，隨粒徑變小而增大。細粒組粉粒0.075～0.005透水性小；濕時稍有粘性，遇水不膨脹，干時稍有收縮；毛細上升高度較大且較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。粘粒<0.005透水性很??；濕時有粘性，可塑性，遇水膨脹大，干時收縮顯著；毛細上升高度大，且速度較慢。2.土的級配：土的級配是指土中各粒組相對含量的組成

一、定義

土的級配是指土中各粒組相對含量的組成。粒組的相對含量是通過顆粒分析試驗測定的，土的顆粒分析試驗主要有篩分析法和比重計法。

篩分析法適用于粒徑大于0.075mm的粗粒土，試驗時取一定量的風(fēng)干、分散土樣放在一套標(biāo)準篩(孔徑為2.0、1.0、0.5、0.25、0.15、0.075mm)上震蕩一定時間后，稱出留在各篩孔上土的質(zhì)量，即可算得各個粒組的相對含量。

比重計法是根據(jù)Stokes原理，測定粒徑小于0.075mm的細粒土中各個粒組的相對含量。通常兩種試驗方法需聯(lián)合使用。2）土的級配曲線

顆粒分析試驗的結(jié)果，可以繪制出如圖1-3所示的級配曲線。其橫坐標(biāo)表示粒徑，因為土粒粒徑相差甚大，用普通標(biāo)難以表示，常采用對數(shù)坐標(biāo)。縱坐標(biāo)表示小于某粒徑土粒的百分含量。

土的級配曲線有兩種用途：(1)評價土的級配好壞并藉此選擇土料；(2)利用級配曲線對粗粒土進行分類。

不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc兩個指標(biāo)反映了土顆粒分布的均勻程度，其定義式為：式中：d10、d30、d60分別為級配曲線上顆粒含量小于10%、30%和60%的粒徑（mm）。工程上，將d10稱為有效粒徑，d60稱為控制粒徑。

Cu值愈大，表示級配曲線愈平緩，土粒粒徑分布范圍愈廣，土粒愈不均勻，土愈易于壓實；

Cu值愈小，級配曲線愈陡峻，土粒粒徑分布范圍愈狹窄，土粒愈均勻，土愈不易壓實。

通常情況下，不均勻系數(shù)可以反映土的級配好壞，但無法反映土粒粒徑的連續(xù)狀況，如土中缺乏中間粒徑，在級配曲線表現(xiàn)為臺階狀（圖1-3中c線），這時僅用不均勻系數(shù)來反映，就可能得出錯誤的結(jié)論，此時，曲率系數(shù)Cc能反映土中顆粒之間的搭配好壞。

Cu≥5土的級配好壞需用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)共同加以判別，同時滿足Cc=1～3的土，級配是良好的，用作填土用料，可得到較高的密實度；

不能同時滿足上述條件的土，稱為級配不良的土。二、土的液相結(jié)合水

液態(tài)水：土中液態(tài)水指存在于土體孔隙中的水，可分為自由水

土中水的存在形式固態(tài)水：根據(jù)對土工程性質(zhì)的影響，固態(tài)水可作為土礦物顆粒的一部分。氣態(tài)水：氣態(tài)水作為土中氣體的一部分。（一）結(jié)合水

1、定義：粘土顆粒表面通常帶負電荷，在土粒電場范圍內(nèi)，極性分子的水和水溶液中的陽離子，在靜電引力作用下，被牢牢吸附在土顆粒周圍，形成一層不能自由移動的水膜，這種水稱為結(jié)合水，如圖1-4所示。（見武工大編P9，圖2-8）2、分類在土粒形成的電場范圍內(nèi)，隨著距離土顆粒表面的遠近不同，水分子和水化離子的活動狀態(tài)及表現(xiàn)性質(zhì)也不相同。根據(jù)水分子受到靜電引力作用的大小，結(jié)合水分為強結(jié)合水定義：指緊靠粘土顆粒表面的水，顆粒表面的靜電引力最強，把水化離子和極性水分子牢固地吸附在顆粒表面，形成固定層。性質(zhì)：近于固體，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度，熔點：105℃左右時。當(dāng)粘土中只含強結(jié)合水時，粘土呈固體狀態(tài)，磨碎后呈粉末狀態(tài)。2）.弱結(jié)合水定義：弱結(jié)合水位于強結(jié)合水的外圍，仍受到一定程度的靜電引力作用，占有結(jié)合水膜的大部分。性質(zhì)：呈粘滯體狀態(tài)。不能傳遞靜水壓力，但當(dāng)相鄰?fù)令w粒水膜厚度不等時，水能從水膜較厚的顆粒移向水膜較薄的顆粒。當(dāng)土中含有較多的弱結(jié)合水時，即表現(xiàn)為高塑性、易膨脹收縮性、低強度和高壓縮性。結(jié)合水在土中的含量主要取決于土的比表面的大小。要理解水的相互作用關(guān)系，才能掌握土的工程性質(zhì)。例1：粘土礦物的顆粒細，比表面大，能大量吸附結(jié)合水。結(jié)合水使粒間透水的孔隙大為縮小，甚至充滿，導(dǎo)致粘性土透水性差。另外，存在的結(jié)合水使顆?；ゲ唤佑|，便具有滑移的可能；同時相鄰?fù)亮ｉg的結(jié)合水因受顆粒引力的吸附，使粒間具有一定的聯(lián)結(jié)強度，所以粘性土又具有粘性和可塑性。例2：砂粒、礫石等，顆粒粗，比表面小，孔隙大，孔隙水中結(jié)合水的數(shù)量可忽略不計。故粗粒土的性質(zhì)主要取決于土粒的形狀、級配和排列方式（結(jié)構(gòu)）。(二)自由水：1．定義：指存在于土粒形成的電場范圍以外能自由移動的水。2．性質(zhì)：和普通水相同，有溶解能力，能傳遞靜水壓力。3．分類：按自由水移動時所受作用力的不同，自由水可分為1）重力水定義：指在重力或壓力差作用下，能在土中自由流動。性質(zhì)：一般指地下水位以下的透水土層中的地下水，它對土粒有浮力作用。重力水直接影響土的應(yīng)力狀態(tài)，并應(yīng)注意建筑物的防滲要求和基坑（槽）開挖時采取降（排）水措施。2.毛細水定義：指受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。性質(zhì)：存在于地下水位以上的透水層中，毛細水上升高度對建筑物底層的防潮有重要影響。當(dāng)土孔隙中局部存在毛細水時，，使土粒之間由于毛細壓力互相靠近而壓緊（圖1-5），土因此會表現(xiàn)出微弱的凝聚力，稱為毛細凝聚力。如這種凝聚力的存在，使潮濕砂土能開挖成一定的高度，但干燥以后，就會松散坍塌。三、土的氣相土中的氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分。

第三節(jié)

土的物理性質(zhì)指標(biāo)土的三相組成比例關(guān)系，能直接反映土的狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)，間接反映土的工程性質(zhì)。土的物理性質(zhì)指標(biāo)中：一種是可以通過試驗直接測定，稱為實測指標(biāo)（試驗指標(biāo)），僅有一種是可通過實測指標(biāo)進行推算的，稱為換算指標(biāo)，包括孔隙比、孔隙率、飽和度、飽和密度、有效密度和干密度等。首先用土的三相圖來表示土的組成。一、試驗指標(biāo)1.土粒比重土粒比重定義為土粒質(zhì)量與同體積4℃時純水的質(zhì)量的比值，即:土粒比重數(shù)值一般為2.6～2.8，決定于土的礦物成分，變化較小，可參考表1-2取值。土粒比重常用比重瓶法測定，土粒質(zhì)量用天平測出，土粒的體積就是土粒排開水的體積。表1-2常見土粒比重土的名稱砂土粉土粘性土有機質(zhì)體泥炭粉質(zhì)粘土粘土土粒比重2.65～2.692.70～2.712.72～2.732.74～2.762.4～2.51.5～1.82.含水率土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量的比值，稱為土的含水率，以百分比計。天然土層的含水率變化范圍很大，含水率大小與土類、埋藏條件及所處的自然環(huán)境有關(guān)。含水率ω是標(biāo)志土的濕度的一個重要物理指標(biāo)。對于同一類土，土的含水率高，其力學(xué)性質(zhì)就差。土顆粒愈粗，含水率對土的性質(zhì)的影響就愈小。土的含水率一般采用烘干法測定，就是稱取一定質(zhì)量的試樣，放入烘箱內(nèi)，保持恒溫105～110℃，直至恒重后，稱取干土質(zhì)量，從而求出水和干土的質(zhì)量，兩者的比值即為含水率。對有機質(zhì)含量超過5%的土，應(yīng)將溫度控制在65～70℃的恒溫下烘至恒重。3.土的密度(土的重度)

土的密度定義為單位土體體積中土體的質(zhì)量，土的密度，也稱為天然密度。

工程中常用的重度γ與密度ρ的關(guān)系為：γ=ρg(下同)。γ的單位是kN/m3，ρ的單位是g/cm3；g是重力加速度，g=9.8m/s2，為簡便計算，工程中常取值10m/s2。

土的密度試驗常用環(huán)刀法測定，將一質(zhì)量和體積都已知的環(huán)刀垂直切入土中，取出后，削平土樣兩端，測定土樣的質(zhì)量，即可求出土的密度。二、換算指標(biāo)

由于土所處的環(huán)境和狀態(tài)不同，表示土單位體積質(zhì)量的指標(biāo)除天然密度ρ外，還有飽和密度ρsat和浮密度ρ′。1.干密度

土的干密度定義為單位土體體積中土粒的質(zhì)量

干密度的大小能反映土體的密實程度，工程中常以干密度作為填土夯實質(zhì)量的控制指標(biāo)，干密度常見數(shù)值為1.4～1.7g/cm3。2.飽和密度

飽和密度定義為土體孔隙中充滿水時單位土體體積中土體的質(zhì)

土的飽和密度常見數(shù)值為1.8～2.2g/cm3。3.浮密度

浮密度定義為單位土體體積中土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差

地下水位以下，土粒受到水的浮力作用，單位體積中土粒的有效重力即土的浮重度，亦稱土的有效重度。4.孔隙比

孔隙比定義為土體中孔隙體積與土顆粒體積的比值，常以小數(shù)表示孔隙比是反映土顆粒間緊密程度的指標(biāo)之一，其數(shù)值愈小，說明土粒之間連結(jié)愈緊密；反之，則愈疏松。一般情況下，e<0.60的土是密實的，壓縮性??；e>1.0的土是松散的，壓縮性大。5.孔隙率孔隙率土中孔隙的體積與土體總體積的比值，常以百分數(shù)表示，即:孔隙率也能反映土顆粒間的緊密程度。6.飽和度飽和度定義為土體孔隙中水的體積與孔隙體積之比，常以百分數(shù)表示Sr≤50%稍濕；50%<Sr≤80%潮濕；Sr>80%飽和。上述劃分方法適用于中、粗砂，對于粉、細砂，只有當(dāng)Sr＞90%時，才認為是飽和的。三、指標(biāo)間的相互換算關(guān)系各物理性質(zhì)指標(biāo)都是量的相互比例關(guān)系。因此，就可以通過一些指標(biāo)間相互比例關(guān)系進行計算，得到另一些指標(biāo)。1.孔隙比與三個試驗指標(biāo)間的換算關(guān)系如圖1-7所示，令Vs=1，則Vv=e，V=1+e，ms=ρwGs，ms=ωρwGs，m=(1+ω)ρwGs，由土的密度、含水率、土粒比重、孔隙比的定義可推得:2.干密度與土的密度、含水率間的換算關(guān)系如圖1-7所示，令V=1，則mw=ωρd，ms=ρs，m=(1+ω)ρs，由干密度、土的密度、含水率的定義可推得:3.飽和密度與土粒比重、孔隙比間的換算關(guān)系同樣，令Vs=1，由飽和密度、土粒比重、孔隙比的定義可推得:4.浮密度與飽和密度間的換算關(guān)系由浮密度和飽和密度的定義可推得:ρ′=ρsat-ρw(1-15)5.孔隙率與孔隙比間的換算關(guān)系同樣，令Vs=1，則Vv=e，V=1+e，由孔隙率和孔隙比的定義可推得:6.飽和度與土粒比重、含水率、孔隙比間的換算關(guān)系由飽和度、土粒比重、含水率、孔隙比的定義可推得:無粘性土密實度一、定義：無粘性土主要指砂土和碎石類土。二、無粘性土性質(zhì)無粘性土的工程性質(zhì)主要與密實度有關(guān)，取決于顆粒粒徑及其級配。當(dāng)處在密實狀態(tài)時，壓縮性小，強度高，可作為天然地基；當(dāng)處在松散狀態(tài)時，壓縮性高，強度低，是一種軟弱地基。尤其是飽和粉細砂，穩(wěn)定性很差，容易產(chǎn)生流砂，在震動荷載作用下，會產(chǎn)生液化。三、密實度的評價指標(biāo)孔隙比根據(jù)天然狀態(tài)下孔隙比e的大小，將土劃分為稍松、中等密實和密實三種。相對密度但孔隙比相同也并不代表密實程度相同，在工程上一般采用相對密度Dr來評價無粘性土的密實度，它考慮了顆粒形狀、大小和級配等影響因素。其表達式為：當(dāng)Dr=0時，e=emax，說明土處于最松散狀態(tài)；，可用漏斗法和量筒法測定。當(dāng)Dr=1時，e=emin，說明土處于最密實狀態(tài)；，可用振動錘擊法測定。根據(jù)Dr值可把土的密實度狀態(tài)分為下列三種：1≥Dr>0.67密實的；0.67≥Dr>0.33中密的；0.33≥Dr>0松散的。相對密度試驗適用于顆粒粒徑小于5mm且透水性好的土，標(biāo)準貫入錘擊數(shù)由于原狀試樣（尤其是地下水位以下的飽和砂樣）難以取得，土的天然干密度難以準確確定。對此，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ7-89）中規(guī)定，砂土的密實度應(yīng)根據(jù)標(biāo)準貫入錘擊數(shù)來劃分，見表1-4。表1-4砂土密實度的劃分砂土密實度松散稍密中密密實N≤1010<N≤1515<N≤30>30標(biāo)準貫入試驗是用規(guī)定的錘重（63.5kg）和落距（76cm）把標(biāo)準貫入器打入土層中，記錄每貫入30cm深度所用的錘擊數(shù)N的一種原位測試方法。粘性土的物理特性粘性土的性質(zhì)1．土顆粒極細，比表面積很大，具有可塑性，其工程性質(zhì)與土的含水率關(guān)系密切。土的含水率小，則強度高，壓縮性低；含水率大，則強度低，壓縮性高。2．含水率差異的一種外在表現(xiàn)是土的軟硬程度不同。隨著的不同，粘性土將分別處于：固體狀態(tài)、半固體狀態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)隨含水率增加上述四種狀態(tài)及其特性如圖1-8所示。粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一狀態(tài)時的分界含水率，稱為土的界限含水率。常用的界限含水率有三個：1.液性界限（液限）ωL—土由流動狀態(tài)變成可塑狀態(tài)的界限含水率，又稱為塑性上限含水率；2.塑性界限（塑限）ωp—土由可塑狀態(tài)變成半固體狀態(tài)的界限含水率，又稱塑性下限含水率；3.收縮界限（縮限）ωs—土由半固體狀態(tài)變成固體狀態(tài)的界限含水率，即粘性土隨著含水率的減小體積開始不變的含水率。《土工試驗方法標(biāo)準》（GB/T50123－1999）中界限含水率的試驗方法：1.碟式液限儀法測定粘性土的液限（見四校合編P29，圖1-23）2.搓滾法測定粘性土的塑限：是將接近塑限的試樣，先用手搓成橢圓形，然后用手掌在毛玻璃板上滾搓成細條，當(dāng)細條直徑達3mm時，產(chǎn)生裂縫并開始斷裂，這時土條的含水率定為塑限。以上兩種方法系手工操作，人為因素較大，對試驗精度有一定的影響。3.聯(lián)合試驗法用儀器測定粘性土的液限和塑限：測定不同含水率所對應(yīng)圓錐儀的下沉深度，圓錐下沉深度和含水率的關(guān)系繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上成直線，將直線上圓錐下沉深度為17mm處的相應(yīng)含水率定為液限，下沉深度為2mm處相應(yīng)的含水率定為塑限。如圖1-9所示。4.收縮皿法測定土的縮限：把含水率調(diào)制到大于液限的土料填實到一定容積的容器，烘干后測出干試樣的體積，按下式求得土的縮限:二、塑性指數(shù)與液性指數(shù)（一）塑性指數(shù)塑性指數(shù)為液限與塑限的差，用Ip表示，即

1．它表示粘性土處于可塑狀態(tài)時含水量的變化范圍，習(xí)慣上用不帶%號的數(shù)值表示。

2．塑性指數(shù)愈大，土顆粒愈細，粘粒含量愈多，比表面和結(jié)合水含量愈高。

3．塑性指數(shù)的大小還與土粒的礦物成分有關(guān)，當(dāng)粘粒中主要成分為蒙脫石時，塑性指數(shù)較高；當(dāng)粘粒中主要成分為高嶺石時，塑性指數(shù)相對較低。

4．土的塑性指數(shù)是成分一定時土的固有屬性，當(dāng)土的組成確定以后，塑性指數(shù)值可視為常數(shù)，與土的天然含水率無關(guān)。因此，工程上常用塑性指數(shù)對粘性土進行分類。

（二）液性指數(shù)

液性指數(shù)粘性土的天然含水率和塑限的差值與塑性指數(shù)比值，即1．液性指數(shù)是表征粘性土軟硬狀態(tài)的指標(biāo)，IL以小數(shù)表示。2．從上式可知，

當(dāng)土的天然含水率ω＜ωp時，Il小于0，土處于堅硬狀態(tài)；

當(dāng)ω大于ωl時，Il＞1，土處于流動狀態(tài)；

當(dāng)ω介于ωp與ωl之間時，Il介于0～1之間，土處于可塑狀態(tài)。

3．因此，IL值愈大，土質(zhì)愈軟，IL值愈小，土質(zhì)愈硬?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：根據(jù)液性指數(shù)Il的大小，粘性土的狀態(tài)可分為：

Il≤0堅硬狀態(tài)；

0<Il≤0.25硬塑狀態(tài)；

0.25<Il≤0.75可塑狀態(tài)；

0.75<Il≤1.0軟塑狀態(tài)；

Il>1.0流塑狀態(tài)。

第六節(jié)

土的工程分類

本節(jié)將介紹我國現(xiàn)行的水利部《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）及國家建委《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GBJ7-89)中土的分類。

一、《土工試驗規(guī)程》分類法

按照該體系分類時，首先應(yīng)判別天然土屬有機土還是無機土。

有機質(zhì)含量大于10%（Ou＞10%）的土為有機土；有機土沒有固定粒徑，由分解的或部分分解的動植物殘骸和無定形物質(zhì)所組成，呈黑色、青黑色或暗色，有臭味；手觸有彈性和海綿感。典型的有機土如泥炭等。

有機質(zhì)含量5%≤Ou≤10%時，為有機質(zhì)土；

有機質(zhì)含量小于5%（Ou＜5%）就屬無機土。工程上遇到的土絕大部分屬無機土。

(一)土類代號及構(gòu)成

1.土類基本代號

漂石、塊石(B)；卵石、碎石(Cb)；礫、角礫(G)；砂(S)；粉土(M)；粘土(C)；細粒土(C、M合稱)(F)；混合土(粗、細土合稱)(SI)，；有機質(zhì)土(O)；黃土(Y)；膨脹土(E)；紅粘土(R)；鹽漬土(St)；級配良好(W)；級配不良(P)；高液限(H)；低液限(L)。

2.代號構(gòu)成

（1）1個代號表示土的名稱，如：C—粘土；M—粉土。

（2）2個代號構(gòu)成時，第1個代號表示土的主成分，第2個代號表示土的特性指標(biāo)(土的液限或級配)。如：ML—低液限粉土；SW—級配良好砂。

（3）由3個代號構(gòu)成時，第1個代號表示土的主成分，第2個代號表示土的特性指標(biāo)(土的液限或級配)，第3個代號表示土中所含次要成分。如：CLG—含礫低液限粘土

(二)粗粒土的分類

1、定義：粗粒土是試樣中粗粒組含量大于的總質(zhì)量50%的土。

2、性質(zhì)：粗粒土沒有粘性，常稱為無粘性土，其性質(zhì)由土粒級配控制。粗粒土透水性強，易于壓實，基本不受含水狀態(tài)的影響。

3、分類：粗粒土的分類列于表1-5。表1-5粗粒土的分類土類定名粒組含量土代號土名稱

礫類土（礫粒組含量＞50%總質(zhì)量）礫細粒組含量小于5%級配：Cu≥５，Cc＝１～３GW級配良好礫級配：不能同時滿足上述要求GP級配不良礫含細粒土礫細粒組含量為5%～15%GF含細粒土礫細粒土質(zhì)礫細粒組的含量為15%～50%細粒為粘土GC粘土質(zhì)礫細粒為粉土GM粉土質(zhì)礫

砂類土（礫粒組含量≤50%總質(zhì)量）砂細粒組含量小于5%級配：Cu≥５，Cc＝１～３SW級配良好砂級配：不能同時滿足上述要求SP級配不良砂含細粒土砂細粒組含量為5%～15%SF含細粒土砂細粒土質(zhì)砂細粒組的含量為15%～50%細粒為粘土SC粘土質(zhì)砂細粒為粉土SM粉土質(zhì)砂(三)細粒土的分類

1、定義：細粒土是指試樣中細粒組含量大于或等于總質(zhì)量50%的土。

2、性質(zhì)：(1)細粒類土中，當(dāng)粗粒組含量小于25%時，土體中的粗粒是分散填充在細粒土內(nèi)，對土的性質(zhì)影響不大，稱為細粒土；

(2)當(dāng)粗粒組含量大于25%時，粗粒在土體中已起骨架作用，對土的性質(zhì)有相當(dāng)?shù)挠绊懀Q為含粗粒的細粒土。

3.分類：細粒土根據(jù)塑性圖進行分類。根據(jù)塑性圖分類后，細粒土共分成八類，其代號分別為：CH、CL、CHO、CLO、MH、ML、MHO、MLO

二、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GBJ7-89）

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，作為建筑物地基的土類有巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土及特殊土等，下面主要討論碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土等土的分類。

(一)碎石土

粒徑大于2mm的顆粒含量超過50%的土稱為碎石土。根據(jù)粒組含量及顆粒形狀可按表1-6分類。表1-6碎石土的分類土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全重50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全重50%圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全重50%

注：分類時應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小以最先符合者確定。

(二)砂土

粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重的50%、而粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重50%的土稱為砂土。砂土可分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂（表1-7）。表1-7砂土的分類土的名稱顆粒含量礫砂粒徑大于2mm的顆粒超過全重25%～50%粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全重50%中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過全重50%細砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重85%粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過全重50%

注：分類時應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小以最先符合者確定。

(三)粘性土

凡塑性指數(shù)Ip值大于10的土定名為粘性土。根據(jù)塑性指數(shù)的大小，粘性土又分為粘土和粉質(zhì)粘土，即：

Ip>17粘土；

10<Ip≤17粉質(zhì)粘土。

粘性土中有兩個亞類(淤泥和淤泥質(zhì)土、紅粘土)與工程建筑關(guān)系極為密切，它們是：

1.淤泥和淤泥質(zhì)土

淤泥是在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成的，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。當(dāng)天然孔隙比小于1.5大于或等于1.0時稱為淤泥質(zhì)土。

2.紅粘土

紅粘土是指碳酸鹽系的巖石（石灰?guī)r及白云巖等）經(jīng)紅土化作用形成的高塑性粘土。其液限一般大于50%。經(jīng)再搬移后仍保留紅粘土基本特征，液限大于45%的土定為次生紅粘土。

(四)粉土

粉土是指塑性指數(shù)Ip小于或等于10的土。其性質(zhì)介于砂土和粘性土之間。

(五)人工填土

根據(jù)組成和成因，人工填土可分為素填土、雜填土、沖填土三種。

素填土—由碎石土、砂土、粉土、粘性土等組成的填土。

雜填土－含有建筑垃圾、工業(yè)廢料、生活拉圾等雜物的填土。

沖填土－由水力沖填泥沙形成的填土。第七節(jié)

土的壓實性為了保證場地有足夠的強度，較小的透水性和壓縮性，施工時必須對填土進行壓實，以提高填土的密實度和均勻性。工程中，采用的壓實方法有碾壓、夯實和振動等。填土的壓實性在實驗室是通過擊實試驗來進行測定的。如圖1-11所示。試驗時，把制備成某一含水率的土料分層裝入擊實筒中，每層土料在一定的擊實功下，錘擊密實。根據(jù)擊實后土樣的密度和實測含水率可求出相應(yīng)的干密度。試驗應(yīng)制備不少于5個不同含水率的試樣，分別進行試驗。擊實試驗按擊錘質(zhì)量的不同分為輕型和重型擊實兩種(表1-8)。表1-8擊實試驗參數(shù)試驗方法錘質(zhì)量（kg）擊實筒體積（cm3）分層層數(shù)每層擊數(shù)輕型2.5947.4325重型4.52103.93944.52103.9556根據(jù)擊實試驗獲得的含水率ω和相應(yīng)的干密度ρd值，可繪制擊實曲線，如圖1-12所示。擊實曲線具有以下三個特點：峰值、理論飽和曲線、擊實曲線的形態(tài)。1.峰值在一定擊實功下，只有當(dāng)含水率為某一特定值(最優(yōu)含水率ωop)時，土體才能達到最密實狀態(tài)，這時的干密度即最大干密度ρdmax。當(dāng)含水率大于或小于最優(yōu)含水率ωop時，對應(yīng)的干密度都小于最大干密度ρdmax。2.理論飽和曲線假定土中氣體全部被排出，孔隙中完全充滿水，即飽和度Sr=100%，實際上擊實曲線不可能與飽和曲線相交，而是位于飽和曲線的左側(cè)(見圖1-12)。3.擊實曲線的形態(tài)從擊實曲線可以看出，最優(yōu)含水率的兩側(cè)表現(xiàn)為左陡右緩，右側(cè)大致與理論飽和曲線平行。所以，當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時，含水率對土的密實度影響更為顯著。影響土體擊實效果的因素很多，主要有含水率、擊實功和土類和級配等。1.含水率含水率對土的擊實效果的影響極大。見圖1-12土的擊實曲線大量試驗證明，粘性土的最優(yōu)含水率ωop與土的塑限ωp比較接近，大致是ωop=ωp+2(%)。2.擊實功對于室內(nèi)擊實試驗，擊實功是由擊錘質(zhì)量、落高、錘擊數(shù)和錘擊土層的厚度等反映的。同一種土在不同擊實功時，會得到一組擊實曲線，如圖1-13所示。從圖中可以看出，土料的最大干密度和最優(yōu)含水率不是常量。最大干密度隨著擊實功的增加而逐漸增大，而最優(yōu)含水率隨著擊實功的增加而逐漸減小。在含水率較低時，擊實功對擊實效果的影響更為顯著；當(dāng)含水率較高時，這種影響程度降低，以至完全消失。3.土類和級配試驗表明：（1）相同擊實功下，粘性土塑性指數(shù)愈大，壓實愈困難，最大干密度愈小，最優(yōu)含水率愈大。（2）對于無粘性土，含水率對土的壓實性的影響與粘性土有明顯的不同（見圖1-14）。

因此，無粘性土在壓實過程中應(yīng)不斷地加水，使其處于飽和狀態(tài)，通常采用振動法、水撼法加以密實，可以取得最佳效果。（3）同類土中，土的顆粒級配對土的壓實效果影響很大。顆粒不均、級配良好的土容易壓實；顆粒均勻、級配不良的土則不易壓實。目前，工程中大多采用壓實系數(shù)(密實度)P作為質(zhì)量控制標(biāo)準

第二章土中水的運動規(guī)律本章提要滲透：在水頭差作用下，水將透過土中的孔隙從高水頭處向低水頭處運動，這種現(xiàn)象稱為滲透。滲透性：土體具有被水透過的性能稱為土的滲透性。一般來說，礫類土的滲透性較大，砂土次之，粘土可視為相對不透水層。地基土的滲透性，不僅導(dǎo)致上游水量的滲漏，更嚴重的是滲透水流會帶走土體顆粒，引起土的滲透破壞，致使土體邊坡乃至建筑物失去穩(wěn)定性。如圖2-1所示。因此，需要研究下列三個問題：(1)滲流的運動規(guī)律；(2)滲透破壞的型式及其發(fā)生條件；(3)滲透穩(wěn)定條件。第一節(jié)達西滲透定律水的滲流可分為層流、紊流。層流滲透定律（達西定律）1．層流：即水流流線互相平行的流動一般土體（粘性土、砂土）的孔隙細小，水在土體孔隙中的流速較小，滲流多屬于層流。達西定律：（是法國學(xué)者達西(H.Darcy)1856年根據(jù)砂土的滲透試驗得出的），如圖2—2，在層流狀態(tài)時，水的滲流速度與水力坡降成正比。即:因為水在土中的滲流并不是通過土體的整個截面，而是通過粒間的孔隙進行的，而土中孔隙的大小和形狀極為復(fù)雜，很難直接測定通過孔隙的真正流速。而水通過土體孔隙的實際流速比假想的流速大得多，它們之間的關(guān)系為：2．紊流：對于粗粒土(如礫石、卵石等)，只有水力坡降較小時，滲流速度與水力坡降才呈線性關(guān)系。當(dāng)水力坡降較大時，水在土中的流態(tài)屬紊流，此時，滲流速度與水力坡降呈非線性關(guān)系，達西定律就不適用了。第二節(jié)滲透系數(shù)及其測定方法從達西定律中知道，滲透系數(shù)k是指當(dāng)水力坡降i=1時的滲流速度。滲透系數(shù)的大小反映了土的滲透性能，其值由滲透試驗確定。滲透試驗分為現(xiàn)場和室內(nèi)試驗兩種，現(xiàn)場常采用抽水試驗，室內(nèi)常采用常水頭及變水頭試驗兩種。一、常水頭試驗常水頭試驗適用于透水性較強的粗粒土，在整個試驗過程中試樣的上、下游水頭保持為常數(shù)，其試驗裝置如圖2—3所示?？砂催_西定律求出滲透系數(shù).滲透系數(shù)的影響因素影響土體滲透性的很多，如土類、級配、孔隙比及土中封閉氣泡等等，表2—1列出了不同土的滲透系數(shù)。表2—1不同土的滲透系數(shù)土類滲流系數(shù)k(cm/s)滲透性純礫＞10-1高滲透性純砂與礫混合物10-3～10-1中滲透性極細砂10-5～10-3低滲透性粉土、砂與粘土混合物10-7～10-5極低滲透性粘土＜10-7幾乎不透水第三節(jié)滲透力及滲透變形一、滲透力

水在土體孔隙中流動時，必須克服土粒對滲透水流的阻力，從而引起水頭損失。而滲透水流作用于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力稱為滲透力。

為了說明滲透力的存在，從圖2-5所示裝置中可以看到下列現(xiàn)象：當(dāng)容器A與容器B中的水面齊平時，無滲水現(xiàn)象；隨著容器B的提高，水自容器B經(jīng)過容器A的底部不斷地從容器A的頂緣溢出；當(dāng)容器B提升至某一高度時，容器A中原有密實的砂土將完全失去穩(wěn)定，好象沸騰的開水向上涌出，即產(chǎn)生流土現(xiàn)象。

流土現(xiàn)象的出現(xiàn)說明水在土體孔隙中流動時滲透力的存在。若容器A中砂土試樣的厚度為l，截面積為A，克服整個試樣由土粒對滲流的阻力所引起的水頭損失為h，總的水壓力損失即土粒對水流的阻力F，其值應(yīng)為：

由于水在土中的滲流速度較小，滲透水流的慣性力忽略不計。根據(jù)力的平衡條件可知，滲透水流作用于試樣上的總滲透力J與土粒對滲透水流的阻力F大小相等方向相反，即:

滲透力是一種體積力，是作用在整個試樣體積上的；則作用于單位土體體積的滲透力j應(yīng)為：

由上式知，滲透力的大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，量綱為kN/m３。二、滲透變形

滲透變形的基本形式

滲透變形可分為流土和管涌兩種基本型式。1.流土

當(dāng)土中發(fā)生自下而上的滲流，此時滲流力方向向上，與重力方向相反，將減小土粒間的壓力，一旦向上的滲透力等于土的浮重度，則土粒間的壓力將減小至零，土粒處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，土體中某一范圍內(nèi)的顆粒或顆粒群將同時發(fā)生移動，這種現(xiàn)象稱為流砂或流土。流土發(fā)生于滲流逸出處而不是土體內(nèi)部。

流砂是一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。在水下深基坑或沉井排水挖土?xí)r，常會發(fā)生流砂現(xiàn)象。流土主要發(fā)生在細砂、粉砂、亞粘土及亞砂土等土層中，而不易發(fā)生在粗粒土及粘性土中。

防治流砂的原則主要有：（1）減少或消除基坑內(nèi)外地下水的水頭差，例如采取先在基坑范圍外井點地下水，或直接進行水下挖土等施工方法；（2）增長滲流路徑；（3）在向上滲流出水口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力。2.管涌

管涌是指在滲流作用下，無粘性土體中的細小顆粒，通過粗顆粒間的孔隙被水流帶走的現(xiàn)象。管涌可以發(fā)生在滲流逸處，也可能發(fā)生土體內(nèi)部。

在河灘路堤兩側(cè)有水位差時，路堤及路基土內(nèi)將發(fā)生滲流，當(dāng)水力坡降較大時，可能產(chǎn)生管涌現(xiàn)象，致使路堤坍塌破壞。為防止管涌的發(fā)生，一般可在路基下游邊坡的水下部分設(shè)置反濾層，以防止堤基中的細小顆粒被滲透水流帶走。(二)土的臨界水力坡降

使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降稱ic為臨界水力坡降icr。它可以用試驗方法或計算方法加以確定。

根據(jù)以上分析，導(dǎo)致滲透變形的直接原因是滲透力，而滲透力的大小隨著水力坡降的增大而增大。當(dāng)豎向滲透力等于土體的有效重度時，即j=γ’，土體即處于流土的臨界狀態(tài)，，則有：

上式表明，流土的臨界水力坡降取決于土的物理性質(zhì)指標(biāo)。一般在0.8～1.2之間。按上式求得的臨界水力坡降應(yīng)給以較大的安全儲備，方可作為允許水力坡降，安全系數(shù)一般取為2～2.5。這樣，只要求出滲流逸出處的水力坡降ie，就可以判別流土發(fā)生的可能性。

當(dāng)ie＜icr時，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；

當(dāng)ie=icr時，土體處于臨界狀態(tài)；

當(dāng)ie＞icr時，土體處于流土狀態(tài)；

值得注意的是，上述公式僅適用于流土的判別。管涌發(fā)生的臨界水力坡降目前尚無合適的公式，故常采用試驗方法進行確定。第四節(jié)土在凍結(jié)過程中水分的運動一、凍土及凍害

溫度在攝氏零度以下且含有冰的土稱為凍土。根據(jù)凍融情況凍土可分為季節(jié)性凍土和多年性凍土。冬季凍結(jié)，夏季融化的凍土稱為季節(jié)性凍土；凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)多年的土稱為多年性凍土。多年性凍土主要分布在緯度較高和海拔較高的嚴寒地區(qū)，如東北的大、小興安嶺及海拔較高的青藏和甘新高原。

凍土的凍脹會使路基隆起，使柔性路面開裂，剛性路面錯縫或折斷。特別是季節(jié)性凍土地區(qū)，春暖時土層解凍融化，致使土體的含水量增加，土體軟化，強度降低。在車輛反復(fù)碾壓下，路面將變得松軟，路面開裂、翻漿，致使路面完全破壞。二、凍脹及其影響因素(一)凍脹的原因

土體產(chǎn)生凍脹的原因是因為凍結(jié)時土中水分向凍結(jié)區(qū)運移的結(jié)果。當(dāng)大氣溫度降至零度以下時，土層中的溫度隨之降低，土體孔隙中的自由水首先凍結(jié)成冰。由于結(jié)合水的冰點較低，隨著氣溫的繼續(xù)下降，弱結(jié)合水的最外層開始凍結(jié)，這樣就使得土粒周圍的結(jié)合水膜變薄，土粒產(chǎn)生剩余的分子引力，附近未凍結(jié)區(qū)水膜較厚處的結(jié)合水，將被吸引到凍結(jié)區(qū)水膜較薄處。隨著未凍結(jié)區(qū)的水分不斷地向凍結(jié)區(qū)補給，土層中將形成冰夾層，致使土體體積增加，即發(fā)生凍脹現(xiàn)象。(二)影響凍脹的因素

影響土的凍脹性有下列三個方面的因素:1.土類

凍脹現(xiàn)象常發(fā)生在細粒土中，如粉土、亞粘土及亞砂土等，這類土的顆粒較細，比表面積、毛細上升高度大，且上升速度快，因而在凍結(jié)過程中，具有通暢的水源補給，從而使大量的結(jié)合水運移并積聚。

雖然粘性土具有很大的表面能及較厚的結(jié)合水膜，但由于其孔隙很小,不利于水分的積聚和運移。所以，粘性土要比粉質(zhì)土的凍脹性小。2.土中水分

土層發(fā)生凍脹的原因是水分的遷移和積聚。因此，當(dāng)凍結(jié)區(qū)附近的地下水位較高，毛細水上升高度能夠達到或接近凍結(jié)線，使凍結(jié)區(qū)能得到外部水源的補給時，將發(fā)生比較強烈的凍結(jié)現(xiàn)象。3.溫度

當(dāng)氣溫驟降且冷卻強度很大時，土的凍結(jié)面迅速向下推移，凍結(jié)速度很快。這時，土中弱結(jié)合水及毛細水來不及向凍結(jié)區(qū)遷移就在原地結(jié)+冰，這樣，水分的遷移和積聚不會發(fā)生，在土層中看不到冰夾層，只有散布于土體孔隙中的冰晶體，這時形成的凍土一般無明顯的凍脹。

如氣溫緩慢下降，冷卻強度小，負溫持續(xù)的時間較長，則就能促使未凍結(jié)區(qū)水分不斷向凍結(jié)區(qū)遷移積聚，在土中形成冰夾層，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象。

上述因素是土層發(fā)生凍脹的三個必要條件，當(dāng)然，工程中可以根據(jù)影響凍脹的三個因素，采取相應(yīng)的防治措施。

第三章地基中的應(yīng)力計算本章提要按照不同的產(chǎn)生原因，地基土中應(yīng)力可分為自重應(yīng)力和附加應(yīng)力。自重應(yīng)力是由土體本身的有效重力作用所產(chǎn)生的，它在建筑物修建之前就已存在。附加應(yīng)力是由外荷載在地基土中產(chǎn)生的，是使地基失穩(wěn)和產(chǎn)生變形的主要因素。本章主要討論土中應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力計算。在計算土中應(yīng)力時，假設(shè)地基土為均質(zhì)的、各向同性的半無限彈性體，從而引用彈性理論公式進行土中應(yīng)力計算。第一節(jié)地基中的自重應(yīng)力一、均質(zhì)土因假設(shè)地基土是均勻的半無限彈性體，故在自重作用下，土體只能產(chǎn)生豎向變形而無側(cè)向位移及剪切變形。因此，地面下任一深度z處水平面上作用的豎向自重應(yīng)力等于單位面積上土柱的重力，如圖3-1所示，即：二、成層土設(shè)地基土為層狀土，各土層的厚度為hi，相應(yīng)土的重度為γi，則第n層底面處的自重應(yīng)力為各層土的自重應(yīng)力之和當(dāng)土層的重度不同時，成層土的自重應(yīng)力分布是折線型的，即在分層面處自重應(yīng)力出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。如圖3-2所示，當(dāng)γ1>γ2時，自重應(yīng)力分布為0-1-2′；當(dāng)γ1<γ2時，自重應(yīng)力分布為0-1-2。三、土層中有地下水一般情況下，當(dāng)計算點在地下水位以下時，由于地下水對土粒的浮力作用，土的重度減小，計算土的豎向自重應(yīng)力時，水下采用土的有效重度(即浮重度)。如圖3-3(a)中a點的自重應(yīng)力為但若地下水位以下埋藏有不透水層時，由于不透水層不存在水的浮力，故土的豎向自重應(yīng)力應(yīng)按上覆土層的水土總重計算。如圖3-3(b)中a點的自重應(yīng)力為尚需指出的是，大量抽取地下水，會使地下水位大幅度下降，從而引起地基土中自重應(yīng)力的變化，造成地表的大面積下沉，如圖3-3(c)所示。四、水平向自重應(yīng)力在半無限彈性體內(nèi)，土中不可能發(fā)生側(cè)向變形，因此，土中兩個水平方向的自重應(yīng)力σcx與σcy必相等，其大小可按下式計算。必須指出，上述自重應(yīng)力是指有效自重應(yīng)力，簡稱為自重應(yīng)力。一般說來，土體在漫長的地質(zhì)年代中，在自重應(yīng)力作用下已壓縮穩(wěn)定，自重應(yīng)力不再引起土的變形。但對于新近沉積土、人工填土、沖、淤積物等，應(yīng)考慮土體在自重應(yīng)力作用下的變形。

第二節(jié)基底壓力建筑物的荷載是通過基礎(chǔ)底面?zhèn)鬟f給地基土的，在基礎(chǔ)與地基之間存在著接觸壓力，這個接觸壓力，既是經(jīng)由基礎(chǔ)底面作用于地基的壓力，稱為基底壓力（方向向下）；又是地基反作用于基礎(chǔ)的反力，稱為地基反力（方向向上）。基底壓力的分布形態(tài)，與基礎(chǔ)剛度、地基土的性質(zhì)、基礎(chǔ)埋深及荷載大小等因素有關(guān)，是一個很復(fù)雜的問題，如圖3-5所示。工程中常采用簡化的辦法，近似地按線性分布來考慮基底壓力的分布，這樣就可用材料力學(xué)公式計算基底壓力。一、豎直中心荷載作用下的基底壓力作用于基礎(chǔ)上的豎向荷載，合力通過基礎(chǔ)底面形心時，可簡化為軸心受壓基礎(chǔ)，基底壓力為均勻分布（圖3.6）F為上部結(jié)構(gòu)傳至設(shè)計地面處的豎直荷載設(shè)計值(kN)；礎(chǔ)及回填土重標(biāo)準值總和(kN)，G=γGAd，其中γG=20kN/m3，為基礎(chǔ)及回填土的平均重度；d為基礎(chǔ)埋置深度，一般情況下，自室外設(shè)計地面起算，當(dāng)室內(nèi)外標(biāo)高不同時取平均埋深(m)；A為基礎(chǔ)底面積，A=b×l(ｍ2)，l為基礎(chǔ)的長度(m)，b為基礎(chǔ)的寬度(m)。（2）如基礎(chǔ)為條形（理論上l/b→∞時稱為條形基礎(chǔ)，實用上當(dāng)l/b≥10即按條形基礎(chǔ)考慮），則在長度方向上截取1m進行計算二、豎直偏心荷載作用下的基底壓力（1）若矩形基礎(chǔ)基底作用有雙向偏心荷載時(如圖3-7(a)所示)，任意點的基底壓力，可按材料力學(xué)偏心受壓公式計算.Mx=F.ey為偏心荷載對X軸的力矩(kN.m)；My=F.ex為偏心荷載對Y軸的力矩(kN.m)；Ix=bl3/12為基礎(chǔ)底面積對X軸的慣矩(m4)；Iy=lb3/12為基礎(chǔ)底面積對Y軸的慣矩(m4)；ex為荷載在X軸方向偏心矩(m)；ey為荷載在Y軸方向偏心矩(m)。（2）若偏心荷載作用于矩形基礎(chǔ)的一個主軸上(即單向偏心，如圖3-7(b)所示)，設(shè)矩形基礎(chǔ)的短邊方向與偏心方向一致，即ey=0，ex=e，則基礎(chǔ)的長邊邊緣分別取得最大壓力pmax和最小壓力pmin，基底壓力按下式計算(3)當(dāng)e>b/6時，基底壓力出現(xiàn)負值，由于基底不可能承受拉力，此時基底與地基局部脫開，不能傳遞荷載，基底壓力將重新分布。根據(jù)偏心荷載與基底反力的平衡條件，則荷載合力(F+G)應(yīng)通過三角形反力分布形心，則得基底邊緣的最大壓力為工程上，荷載偏心距e不允許太大，因此，在基礎(chǔ)平面尺寸設(shè)計時，應(yīng)盡可能使合力偏心距e滿足規(guī)范要求，以策安全。三、基底附加壓力綜上所述，土的自重應(yīng)力不引起地基變形，只有作用在地表的附加壓力，才是地基壓縮變形的主要原因。實際上，建筑物基礎(chǔ)均有一定的埋置深度，該處原有的自重應(yīng)力因開挖基坑而卸除。因此基底面處實際增加的豎向壓力（即基底的附加壓力）是基底壓力與埋深范圍內(nèi)土的自重應(yīng)力的差值，這一增量通常稱之為“基底附加壓力”或“基底凈壓力”。則基底面處的附加壓力為第三節(jié)地基中的附加應(yīng)力地基中附加應(yīng)力是由基底附加壓力在地基內(nèi)部產(chǎn)生的，通過土粒傳遞，并向深度和水平方向擴散，如圖3-8所示。地基中附加應(yīng)力的計算方法有兩種：一種是彈性理論方法；另一種是應(yīng)力擴散角法。本節(jié)主要討論彈性理論方法。彈性理論方法假定地基土為均質(zhì)的、連續(xù)的半無限彈性體。地基中的附加應(yīng)力計算分為空間問題和平面問題。空間問題：集中力、矩形分布荷載等作用于半無限體表面時按空間問題求解。平面問題；當(dāng)基礎(chǔ)長度與寬度之比l/b=∞，且荷載分布沿長度方向不變時，地基變形與位移僅需計算與長度方向（Y軸）相垂直的XOY平面內(nèi)的變化，Y軸方向可不予考慮，這稱為平面問題。根據(jù)研究，當(dāng)l/b≥10時，按平面問題計算，其精度就能滿足工程要求。一、空間問題的地基附加應(yīng)力(一)集中力作用下附加應(yīng)力計算當(dāng)垂直集中力F作用于半無限彈性體表面時，半無限體內(nèi)任一點M(x,y,z)處所引起的附加應(yīng)力與位移的解答，是法國學(xué)者Bousinesq首先用彈性理論導(dǎo)出的。如圖3-9所示，土體內(nèi)部任一點M有六個應(yīng)力分量和三個位移分量，其計算公式分別為1.計算點位于矩形基礎(chǔ)的某一邊M點下可通過該點將荷載面積劃分為兩塊小矩形，如圖3-13(a)所示，分別為Ⅰ和Ⅱ，然后利用式(3-25)分別計算M點下同一深處的附加應(yīng)力，矩形基礎(chǔ)對A點的附加應(yīng)力為兩塊小矩形面積角點應(yīng)力之和2.計算點位于矩形基礎(chǔ)內(nèi)某一點M下可通過該點將荷載面積劃分為四塊小矩形，如圖3-13(b)所示，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，矩形基礎(chǔ)對A點的附加應(yīng)力為四塊小矩形面積角點應(yīng)力之和3.計算點位于矩形基礎(chǔ)某一邊外點M下可通過該點將荷載面積劃分為四塊小矩形，如圖3-13(c)所示，分別為Ⅰ(ecgM)、Ⅱ(edhM)、Ⅲ(Mgbf)、Ⅳ(Mhaf)，然后分別計算各矩形荷載面積對計算點產(chǎn)生的附加應(yīng)力，采用疊加原理求出A點的附加應(yīng)力，4.計算點位于矩形基礎(chǔ)某一角外點A下可通過該點將荷載面積劃分為四塊小矩形，如圖3-13(d)所示，分別為Ⅰ(echM)、Ⅱ(edgM)、Ⅲ(fbhM)、Ⅳ(fagM)，然后分別計算各矩形荷載面積對計算點產(chǎn)生的附加應(yīng)力，采用疊加原理求出該點的附加應(yīng)力需要指出的是，使用角點法時應(yīng)注意下列幾點：(1)計算點應(yīng)作為每個矩形基礎(chǔ)點的公共角點；(2)計算的荷載面積應(yīng)等于原基礎(chǔ)的荷載面積，可采用疊加原理；(3)每個矩形均應(yīng)將長邊定為l，短邊定為b。(三)矩形基礎(chǔ)受三角形荷載作用時角點下的豎向附加應(yīng)力如圖3-14，矩形基礎(chǔ)底面三角形分布壓力的最大值pt，如圖3-14所示。為了計算荷載強度為零的角點C1下任一深度ｚ處M(0,0,z)點的應(yīng)力σz值，可取微元面積dA=dxdy，作用于微小面積上的分布荷載可以用集中力dF表示，。這時M點的豎向附加應(yīng)力σz可由下式求得:對于在基底范圍內(nèi)（或范圍外）任意點下的豎向附加應(yīng)力，仍可應(yīng)用“角點法”和疊加原理進行計算。需要注意的是，b值不是指基礎(chǔ)的寬度，而是指三角形荷載變化方向的基底尺寸(如圖3-15所示)。(四)矩形基礎(chǔ)受水平均布荷載作用時角點下的豎向附加應(yīng)力設(shè)矩形基礎(chǔ)底面上承受均布水平荷載ph，則角點下深度ｚ處的豎向附加應(yīng)力為：指出，圖3-16所示的A點下的附加應(yīng)力σz為拉應(yīng)力，以式(3-32)中的“-”號計；b邊中點下任一深度的附加應(yīng)力為零；B點下的附加應(yīng)力σz為壓應(yīng)力，取“+”號。當(dāng)計算點在基底范圍之內(nèi)或之外時，仍可采用前述角點法和疊加原理求解。二、平面問題的地基附加應(yīng)力(一)豎直線荷載作用下的附加應(yīng)力作用在半無限體表面上一條無限長直線上的均布荷載，簡稱線荷載，如圖3-17所示。設(shè)豎向線荷載F作用于Y軸上，沿Y軸取一微段dy，其分布荷載以集中力dF=Fdy表示，便可利用Bousinesq公式求得地基中任一深度處的附加應(yīng)力，即Flament解答(二)條形基礎(chǔ)受均布荷載作用時的附加應(yīng)力如圖3-18所示，設(shè)在土體表面作用均布條形荷載p，條形基礎(chǔ)的寬度為b，以地面為X軸，基礎(chǔ)中點的垂線為Z軸，基礎(chǔ)中點為坐標(biāo)原點。計算土中任一點M的豎向應(yīng)力時，可將Flament公式在荷載分布寬度b范圍內(nèi)積分求得：圖3-19(a)(b)分別為條形基礎(chǔ)與方形基礎(chǔ)，承受均布荷載時土中豎向附加應(yīng)力的等值線圖（或稱等壓力泡）?？梢钥闯?，在均布條形荷載作用下，σz≥0.1p的主要受力范圍的深度，約為6b(b為基底寬度)；而方形基礎(chǔ)在均布荷載作用下，為2b，這以下，豎向附加應(yīng)力已很小。因此，建筑物地基勘探深度，條形基礎(chǔ)不得小于6b，方形基礎(chǔ)不小于2b。(三)條形基礎(chǔ)受三角形荷載作用時的豎向附加應(yīng)力如圖3-20所示，條形基礎(chǔ)底面受到三角形荷載作用，其最大強度值為pt，條形基礎(chǔ)的寬度為b。以地面為X軸，與地面垂直線為Z軸，荷載強度等于零處為坐標(biāo)原點。計算土中任一點M的豎向應(yīng)力時，可將Flament公式在荷載分布寬度b圍內(nèi)積分求得，土中任一點M豎向附加應(yīng)力σz的計算公式為：(四)條形基礎(chǔ)受水平荷載作用時的豎向附加應(yīng)力如圖3-21所示，條形基礎(chǔ)底面受到均勻分布的水平荷載作用，其最大強度值為ph，條形基礎(chǔ)的寬度為b。同樣可以利用彈性理論計算土中任一點M的豎向應(yīng)力，然后沿荷載分布寬度b范圍內(nèi)積分求得Ｍ點的豎向附加應(yīng)力

同樣，當(dāng)建筑物既受豎直均布荷載、又受三角形荷載、甚至還有水平荷載作用時，求解地基中任意點的附加應(yīng)力，仍采用先分解后綜合的近似方法，即分別求出各個荷載單獨作用所引起的附加應(yīng)力，然后進行疊加即得。第四節(jié)有效應(yīng)力一、有效應(yīng)力的概念概念在土體中任取一水平截面，其面積為A，如圖3-23(a)所示。截面上作用的應(yīng)力是由土體的重力、靜水壓力和外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力之和即總應(yīng)力。

總應(yīng)力中由土的骨架所承擔(dān)的那部分應(yīng)力稱為有效應(yīng)力；

由土體孔隙內(nèi)的水及氣體承擔(dān)的另一部分的應(yīng)力稱為孔隙應(yīng)力。（二）有效應(yīng)力原理

分析圖3-23(b)所示土體的平衡，沿土粒接觸面截取曲線狀的a-a截面為隔離體，a-a截面上土顆粒接觸面間的法向應(yīng)力為σs，土粒接觸面積之和為As，孔隙內(nèi)的水應(yīng)力為ｕw，氣體應(yīng)力為ｕa，相應(yīng)面積分別為Aw及Aa。由此，可建立平衡方程有效應(yīng)力原理表明，飽和土的總應(yīng)力由有效應(yīng)力和孔隙水應(yīng)力組成，當(dāng)總應(yīng)力保持不變時，孔隙水應(yīng)力與有效應(yīng)力在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化，即當(dāng)孔隙水應(yīng)力減小(增大)時，有效應(yīng)力就增大（減?。８爬ǖ卣f，有效應(yīng)力原理包含下述兩點：(1)土的有效應(yīng)力σ’等于總應(yīng)力σ減去孔隙水應(yīng)力ｕ；(2)土的有效應(yīng)力控制了土的變形及強度。有效應(yīng)力原理一般適用于飽和土。二、土中有滲流時的有效應(yīng)力計算當(dāng)土中有滲流(一維滲流)時，滲流對土顆粒將產(chǎn)生動水壓力，這就必然影響土中有效應(yīng)力的分布。圖3-24表示靜水、水自上向下滲流和水自下向上滲流時等3種情況下土中水滲流時的總應(yīng)力、孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力分布，計算結(jié)果見表3-9。表3-9土中水滲流時總應(yīng)力、孔隙水應(yīng)力、有效應(yīng)力計算滲流情況計算點總應(yīng)力σ孔隙水應(yīng)力ｕ有效應(yīng)力σ’靜水時aγh10γh1bγh1+γsath2γwh2γh1+(γsat-γw)h2水自上向下滲流aγh10γh1bγh1+γsath2γw(h2-h)γh1+(γsat-γw)h2+γwh水自下向上滲流aγh10γh1bγh1+γsath2γw(h2+h)γh1+(γsat-γw)h2-γwh計算結(jié)果表明：（1）3種情況的總應(yīng)力σ是相同的，即滲流不影響總應(yīng)力值，但滲流產(chǎn)生的動水壓力將影響有效應(yīng)力和孔隙水應(yīng)力的分布。（2）當(dāng)土體中發(fā)生自上向下滲流作用時，動水壓力方向與土的自重方向相同，有效應(yīng)力增加，孔隙水應(yīng)力減小，從而增加了土體的穩(wěn)定性。（3）反之，當(dāng)土體中有自下向上滲流時，土中有效應(yīng)力減小，孔隙水應(yīng)力增加，從而削弱了土體的穩(wěn)定性。

第四章土體的變形特性及基礎(chǔ)沉降計算本章提要

當(dāng)建筑物通過基礎(chǔ)將荷載傳遞給地基土體后，建筑物地基內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而引起建筑物基礎(chǔ)的下沉，工程中將荷載引起的基礎(chǔ)下沉稱為基礎(chǔ)的沉降。土體的變形或沉降與土的壓縮性及作用在基礎(chǔ)上的荷載等因素有關(guān)，過大的沉降或沉降差將會影響建筑物結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性，因此，沉降計算的可靠程度是工程建設(shè)中一個十分重要的課題。

本章在討論土體的變形特性的基礎(chǔ)上，介紹目前工程中常用的沉降計算方法，同時介紹沉降與時間的關(guān)系。第一節(jié)土體的變形特性一、基本概念

所占比例小，略去不計土體在外荷載作用下發(fā)生體積縮小的現(xiàn)象稱為土體的壓縮性。引起土體體積縮小的原因主要有(1)土顆粒及孔隙中水的壓(2)土中封閉式氣體的壓縮(3)土體孔隙中水和氣體受壓排出

所以，土體的壓縮可以認為主要是由于孔隙中水和氣體的受壓排出而產(chǎn)生的，而飽和土體的壓縮主要是由于孔隙中水的排出所引起的。

土體孔隙中水和氣體的排出是一個時間過程即固結(jié)過程。土體固結(jié)時間的長短受土體透水性的控制。二、壓縮試驗1、試驗時，用高為2cm，面積為30cm2或50cm2的環(huán)刀切取原狀土樣，試樣連同環(huán)刀一起放入護環(huán)中，試樣上、下各放置一塊透水石以便試樣在壓力作用下排水。2、透水石頂部，放一加壓上蓋，所加壓力通過加壓支架作用在上蓋上，并通過加壓上蓋傳至土樣，同時，安裝一只百分表用來量測試樣的壓縮變形。由于土樣在剛性護環(huán)內(nèi)受壓，其變形只發(fā)生在垂直方向，無側(cè)向膨脹的可能，故該試驗又稱為單向壓縮(或側(cè)限固結(jié))試驗。3、試驗時，對土樣分n級逐漸加載，最后一級的壓力應(yīng)大于上覆土層的計算壓力100kPa～200kPa。當(dāng)試樣在每級壓力作用下，壓縮變形充分穩(wěn)定后，測出試樣的n個壓縮變形量Δhi值。即可按式（4-1）求得各級壓力作用下土樣的穩(wěn)定孔隙比，三、壓縮性指標(biāo)(一)壓縮系數(shù)圖4—3表示兩種不同土的壓縮試驗結(jié)果。從圖中可以看出，A曲線比較陡峻，B曲線比較平緩。這說明曲線A所代表的土的壓縮性要比曲線B所代表的土的壓縮性高得多。為了表征土的壓縮性高低，通常在壓縮曲線上截取一段，如圖4—4中M1M2，近似地用該段割線的斜率來表征土的壓縮性高工程實用上，常以p1=100kPa和p2=200kPa范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)a1-2作為評判土體壓縮性高低的標(biāo)準。通常當(dāng)壓縮系數(shù)a1-2<0.1MPa-1時屬低壓縮性土；當(dāng)0.1MPa-1≤a1-2<0.5MPa-1時屬中等壓縮性土；當(dāng)a1-2≥0.5MPa-1時屬高壓縮性土。(二)壓縮指數(shù)土的壓縮曲線也可用e-logp曲線表示，見圖4-5。從e-logp曲線上可以看出，當(dāng)壓力超過某一數(shù)值后，e-logp曲線近似為一直線?？捎弥本€段的斜率----壓縮指數(shù)Cc來反映其陡緩程度壓縮指數(shù)是一個無因次量。壓縮曲線愈陡，壓縮指數(shù)愈大，土的壓縮性就愈高；壓縮曲線愈平緩，壓縮指數(shù)愈小，土的壓縮性就低。雖然壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)均能表示土的壓縮性的高低，但兩者并不完全相同。壓縮系數(shù)隨所取起始壓力及壓力增量的大小而異，而壓縮指數(shù)值在較高的壓力范圍內(nèi)為一常量。(三)壓縮模量土在無側(cè)向膨脹的條件下，垂向應(yīng)力與應(yīng)變之比稱為壓縮模量，用Es表示。壓縮模量也具有劃分土的壓縮性高低的功能，壓縮模量愈大，土的壓縮性愈低；反之，壓縮模量愈小，土的壓縮性愈高。這種關(guān)系與壓縮系數(shù)所表示的結(jié)果正好相反。以土的壓縮模量劃分土的壓縮性高低一般按下列標(biāo)準：當(dāng)壓縮模量Es<4MPa時屬高壓縮性土；當(dāng)壓縮模量Es=4～15MPa時屬中等壓縮性土；當(dāng)壓縮模量Es≥15MPa時屬低壓縮性土。需要指出的是，土的壓縮模量與連續(xù)材料（如鋼材、木材等）的彈性模量是有區(qū)別的：彈性模量公式中的應(yīng)變量只含彈性變形，壓縮模量中的變形量包括彈性變形和塑性變形；再則，壓縮模量隨壓縮系數(shù)變化，是個變量。(四)變形模量土體在無側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，稱為土的變形模量，用E0表示。通常用三軸試驗或現(xiàn)場靜載荷試驗資料采用彈性力學(xué)公式求得。靜載荷試驗是一種現(xiàn)場原位測試方法，主要用于地基承載力的確定。具體試驗方法可參閱《建筑地基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》。表4-1不同土類的變形模量值土的類型變形模量E0值(kPa)泥炭100～500可塑性粘土500～4000硬塑粘土4000～8000較硬粘土8000～15000松砂10000～20000密實砂50000～80000密實砂礫、礫石100000～200000說明（1）由于土的泊松比μ≤0.5，按上式求出土的變形模量總是小于壓縮模量。（2）由于土體不是理想的彈性體，不完全符合虎克定律，所以，上述關(guān)系式只是一個近似公式。實測資料表明，軟土的變形模量與公式(4-7)計算結(jié)果比較接近，而硬質(zhì)土的變形模量往往比計算結(jié)果大得多，甚至數(shù)倍到數(shù)十倍。（3）土的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、壓縮模量及變形模量都是反映土體壓縮性能的指標(biāo)，但包含不同的內(nèi)涵，使用時應(yīng)加以區(qū)別。第二節(jié)基礎(chǔ)最終沉降量計算

基土的沉降計算涉及的因素很多，如土中應(yīng)力分布、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用、土的側(cè)向變形、土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的測試、采等諸多因素。近三十年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多沉降計算方法，如分層總和法、黃文熙法、差分法及有限元法等。一、側(cè)限條件下的壓縮量壓縮試驗是在側(cè)限條件下進行的，即在整個試驗過程中，只有豎向變形，沒有側(cè)向變形，屬一維問題。但實際工程中地基的應(yīng)力狀態(tài)大都屬三維空間應(yīng)力狀態(tài)，即土體受荷后會產(chǎn)生一定的側(cè)向變形。然而，對于一般工程，目前廣為采用的基礎(chǔ)沉降計算方法都是以側(cè)限條件下的壓縮量公式為基礎(chǔ)的。如圖4-6(a)所示，在壓力p1作用下土體已經(jīng)壓縮穩(wěn)定，此時，試樣的高度為h，若設(shè)試樣中土粒的體積為Vs，相應(yīng)的孔隙比為e1，則孔隙體積為e1Vs，土體總體積應(yīng)為(1+e1)Vs。若在試樣上增加一個壓力Δp，在壓力p2=p1+Δp作用下壓縮穩(wěn)定后的試樣高度為h’，相應(yīng)的孔隙比為e2，試樣的壓縮量為s=h-h’，孔隙體積為e2Vs，總體積為(1+e2)Vs，如圖4—6(b)所示。二、分層總和法假定地基土為一線彈性體，在外荷載作用下，地基土的變形只發(fā)生在有限深度范圍內(nèi)，這一深度范圍的土層稱為壓縮層。分層總和法在計算時首先根據(jù)基礎(chǔ)的形狀和尺寸，基礎(chǔ)上作用的荷載大小以及土的性質(zhì)指標(biāo)求出基底壓力、地基中的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力，然后將壓縮層厚度范圍內(nèi)的地基土分層，分別求出各分層的壓縮量，各分層壓縮量的總和即基礎(chǔ)最終沉降量。計算時，可選用室內(nèi)側(cè)限指標(biāo)，通常取基底中心點下的附加應(yīng)力進行計算。其計算步驟為(如圖4-7所示)：(1)選擇計算剖面，根據(jù)基礎(chǔ)的形狀、尺寸及荷載大小，求出基底壓力的大小和分布，選擇沉降計算點的位置，一般沉降計算選為基礎(chǔ)的中心點。根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的尺寸，判別問題的性質(zhì)，即屬于空間問題還是平面問題。(2)將地基分層編號。分層時，天然土層的交界面和地下水面應(yīng)作為分層面，分層厚度hi≤0.4b，b為基礎(chǔ)寬度。對每一分層，可認為壓力呈均勻分布。編號自基底面開始，依次為0，1，2……。(3)求出各分層面處的自重應(yīng)力σzi，并繪出自重應(yīng)力分布曲線。值得注意的是，自重應(yīng)力應(yīng)自原地面算起。(4)求出各分層面處的附加應(yīng)力σzi，并繪出附加應(yīng)力分布曲線。當(dāng)基礎(chǔ)有埋深時，考慮到基礎(chǔ)埋深的影響，應(yīng)采用基底凈壓力p0＝p-γd計算地基中的附加應(yīng)力，附加應(yīng)力從基底面算起。(5)按算術(shù)平均值分別計算各分層的平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力。第i分層的平均自重應(yīng)力σczi和平均附加應(yīng)力σzi分別為：(6)確定壓縮層厚度Zn，壓縮層厚度即沉降計算厚度，分層總和法中，根據(jù)經(jīng)驗按下列規(guī)定取值。上界為基底面，如地基為一般粘性土，下界定在σzn/σczn≦0.2處，若地基為高壓縮性的軟粘土，則下界定在σzn/σczn≦0.1處。(7)根據(jù)各分層的平均自重應(yīng)力p1i和平均自重應(yīng)力與平均附加應(yīng)力之和p2i，分別由壓縮曲線查出相應(yīng)的初始孔隙比e1i和壓縮穩(wěn)定后的孔隙比e2i。(8)求各分層的壓縮量si，并確定總沉降量s。三、考慮應(yīng)力歷史的沉降計算方法(一)應(yīng)力歷史對粘性土壓縮性的影響1、粘性土受沉積時間的影響對于新近沉積的土或人工填土，自重作用下尚未完成固結(jié)，自重應(yīng)力即固結(jié)應(yīng)力。對于大多數(shù)天然土層來說，在經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代后，土體在自重作用下已完成固結(jié)，引起土體固結(jié)的應(yīng)力是附加應(yīng)力。如果將時間后推到土層剛沉積時起算，那么固結(jié)應(yīng)力應(yīng)包括自重應(yīng)力。2、天然沉積的土層按應(yīng)力歷史分類根據(jù)前期固結(jié)應(yīng)力pc（把土在歷史上曾經(jīng)受到過的最大有效應(yīng)力稱為前期固結(jié)應(yīng)力，以pc表示）與現(xiàn)有有效應(yīng)力p0（土層現(xiàn)有的上覆有效應(yīng)力以p0表示）之比稱為超固結(jié)比，以O(shè)CR表示（即OCR=pc／p0），可把天然土層分三類