1、1 土力学与路基自学指导书 一、学习本课程的目的和任务 土力学与路基是道路与铁道工程专业的一门专业基础课程，具有较强的应用性，属于本专业的必修课程。主要讲授土的组成性质及分类、 土的压实及填筑质量控制、土的渗透性与渗流、土体的压缩变形及力学性质、路基的构造与受力特点、路基支挡防护、特殊条件下路基等内容。其 任务主要是结合土力学基本原理并从路基的构造、支挡及病害治理等方面阐述了路基工程的基本理论和计算方法，为道路工程设计、施工及养护等 奠定基础。 二、本课程的学习方法 学生在开始学习本课程前，应认真阅读本指导书，了解学习本门课程的目的、任务、要求和学习方法； 学生在学习每讲前，应认真阅读学习指导
2、书的相应部分，了解本讲的学习内容、学习要点及难点和基本要求。 在阅读指导书的相应部分后，首先应先阅读教材、再反复观看光盘、最后再学习教材的办法，掌握每讲的学习要点。 通过认真完成作业（习题），检查各单元的学习效果。对在完成作业过程中遇到的问题可以通过网站、电话、信件等形式进行联系，任课教师 给予辅导和解答。 土力学与路基是一门理论及实践性较强的课程，同学们在学习时应在理解基本概念及理论的基础上，按照学习指导书要求多进行实践，这 样学习的效果才会更好。 按照指导书规定的要求标准，对学习情况进行自评。 三、预备知识 为了能够更好的完成本课程的学习，需要在学习本课程之前完成材料力学课程的学习，并按照
3、每个知识点的学习指导书在学习之前复习材 料力学中的有关内容。 四、选用教材及参考书 选用教材：土力学与路基 北京交通大学大学出版社 主编：田亚护 主要参考书： 1、陈仲颐，周景星，王洪瑾. 土力学. 北京：清华大学出版社，1994 2、刘增荣主编.土力学.上海：同济大学出版社，2005 3、杨广庆，路基工程，中国铁道出版社，2003 4、巫锡筹，吴邦颖主编，路基. 北京：中国铁道出版社,1995 5、铁道第一设计院. 铁路工程设计技术手册，路基. 北京：中国铁道出版社，1992 6、交通部第二勘察设计院. 公路路基设计手册. 北京：人民交通出版社，1997 五、课程内容及学习指导 第一章 土的
4、组成、性质与工程分类 一、学习的基本要求 1了解土的形成过程，理解土的基本概念。 2理解土的三相组成，明确土是由土粒、水和空气组成的三相体。 3掌握土的粒径级配的分析方法(包括土颗粒组划分、颗粒大小分析试验、粒径级配曲线绘制、级配好坏的判断指标及标准)。清楚土的级配曲 线及其用途。 4理解土的三相比例指标的定义并掌握其计算方法。建立土的三相图，熟练掌握各指标的定义和公式，推导换算公式。 5了解表征土的状态指标，掌握利用这些指标对土的状态如何做出判断；并且对于塑性指数、液性指数的定义及其意义也应明确；了解砂土的 相对密度的概念与意义。 2 6了解土的工程分类方法。 二、学习的重点与难点 重点知识
5、： 1. 土的三相物理指标及换算关系。 2. 土的粒径级配的概念。 3. 土的物理状态的判断。 难点知识： 土的三相物理指标的换算。 三、重点学习内容及指导 1土及其形成。 土是由岩石经过风化作用而形成的松散颗粒的堆(沉)积物。岩石的风化一般有物理分解和化学分解两个过程。前者主要是量的变化，而后者主要 是质的变化。在以物理风化为主的过程中，岩石破碎而并不改变其成分，岩石中的原生矿物得以保存下来；但在化学风化的过程中，有些矿物分解 成为次生的粘土矿物。粘土矿物是很细小的扁平颗粒，表面具有极强的和水相互作用的能力。在风化过程中，由于微生物作用，土中产生复杂的腐 殖质矿物，此外还会有动植物残体等有机
6、物，如泥炭等。 2一些基本概念。 土的固相：土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质。土中的无机矿物成分可以分为原生矿物和次生矿物两大 类。 原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。 次生矿物：由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物，如三氧化二铝、三氧化二铁、次生二氧化硅、粘土矿物以及碳酸盐等。 粘土矿物的主要代表性矿物：高岭石、伊利石和蒙脱石。由于其亲水性不同，当其含量不同时土的工程性质也就不同。可进一步见第 2 章的有 关内容。 土的液相：土的液相是指存在于土孔隙中的水。它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。按照水与土相互作用程度的强弱，
7、可将 土中水分为结合水和自由水两类。 结合水：指处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。 自由水：包括毛细水和重力水。毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。重力水 在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用。 土的气相：指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通和不连通的两类。与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，当土受到外力 作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水
8、中，而当压力减 小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。 3土是由土粒、水和空气组成的三相体系。 土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，通常称之为土的三相组成(固相、液相和气相) ，随着三相物质的质量和体积的比例不同，其中影响最 大的是固相。在土的固相这一部分中，主要应掌握土的三种结构及其特点和土的级配、级配曲线及其主要用途等方面。应特别指出，土粒的级配过 去是以重量的百分比来定义，而现在已改为以质量的百分比来定义。在土的液相这一部分中，着重搞清结合水的形成及其特性以及它与自由水的根 本区别。 4土的物理性状指标。 这是本章的重点，必须掌握。在这一部分中，首先要结合三相图把各种指标的定义搞清楚，明
9、确基本指标和换算指标的概念。在此基础上，熟 练地掌握指标之间的换算关系。物理性质中的三个基本指标，过去是以重量来定义，称为土的容重、土粒的比重和含水量。采用国际单位制后，三 个基本指标已改用质量来定义，除了土的容重改为土的密度外，仍保留土粒的比重(或称重力密度) 和含水量一词，但其涵义已经不同，必须注意。应 该指出，在工程实用计算时，仍采用土的容重，它与土的密度之间的关系为= g，g 为重力加速度。在国标单位制中，土的密度以 g/cm3 计，土的 容重以 kN/m3 计，g 可近似采用 10。 对于表征土的状态指标的相对密度和稠度等，除了解其定义外，应着重掌握如何利用这些指标对土的状态作出判断
10、。粘性土的稠度有三个界限 3 含水量，即液限、塑限、缩限，此外，对于塑性指数、液性指数的定义及其用途也应明确。 5. 塑性指数的物理意义及其影响因素。 塑性指数 IP 是指液限和塑限的差值，也就是土处在可塑状态时含水量的变化范围。可见，塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。 换句话说，塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，亦即与土的颗粒组成，土粒的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。 从土的颗粒来说，土粒越细、且细颗粒(粘粒)的含量越高，则其比表面和可能的结合水含量愈高，因而 IP 也随之增大。从矿物成分来说，粘土矿 物可能具有的结合水量大(其中尤以蒙脱石类土为最大)，
11、因而 IP 也大。从土中水的离子成分和浓度来说，当水中高价阳离子的浓度增加时，土粒表面 吸附的反离子层的厚度变薄，结合水含量相应减少，I P 也小；反之随着反离子层中的低价阳离子的增加， IP 变大。 6. 土的结构与构造 土的结构性：土的结构性是指土的物质组成(主要指土粒，也包括孔隙 )的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。它对土的物理力学性质 有重要的影响。土的结构，按其颗粒的排列方式有：单粒结构、聚粒结构、絮凝结构等。土的结构在形成过程中，以及形成之后，当外界条件变化 时(例如荷载条件、湿度条件、温度条件或介质条件的变化 )，都会使土的结构发生变化。 土的灵敏度：保持原来含水量不变
12、但天然结构被破坏的重塑土的强度比保持天然结构的原状土的强度低，其比值可作为结构性的指标，即灵敏 度。 学完本章后能独立完成教材本章后的所有习题。 思考题： 1、土的工程性质的基本特征和特性有那些。 2、何谓风化作用？它包括哪几类？ 3、级配曲线有何用途，级配好坏的判断指标及标准是什么？ 4、土的物理性质指标中哪三个是实测（基本）物理性质指标？ 5、密实程度是如何定义的？如何判断粗粒土的密实程度？ 6、何谓稠度界限？，黏土的稠度界限有哪几种，分别表示的意义是什么？ 7、何谓土的级配和级配曲线。土的级配曲线的特征可用哪两个系数来表示。 8、什么叫砂土的相对密度。有何用途。 9、何谓塑性指数和液性指
13、数。各有何用途。 第二章 土的压实原理与路基填筑 一、学习的基本要求 1明确最优含水量和最大干密度概念，熟练掌握密实度定义及计算方法。 2在深刻理解土压实机理的基础上，明确压实土的优点和影响土压实的因素。 3应掌握路基质量控制指标及检测方法，深刻理解并掌握 K30、E vd、E v2、K、孔隙率、相对密度 CBR 这些概念。 二、学习的重点与难点 重点知识： 1. 土的压实原理 2. 压实度定义及计算 3. 影响土压实的因素 4. 路基压实土的控制指标 难点知识： 土的压实原理、压实度定义及计算 三、重点学习内容及指导 1土的压实原理 利用机械能将土中的空气和水排出的过程称为压实。大量实践表明
14、，对过湿的土进行夯击和辗压时会出现软弹现象（俗称“橡皮土” ） ，此时土 的密实度就不会增加；所以，要使土的压实效果最好，其含水量必须适当，要使得土在一定的夯击能量下最容易压实。在填筑路堤时，就要寻找这 4 样一个土的含水量，使填筑的路堤质量最好，具有较强的抵抗变形和破坏的能力。土的压实程度常用干密度来度量。当压实时加入水，水便渗入到 土介质中，土粒相互滑动到最合适的位置，压实后土就越密实；随着天然含水量的增加，用相同的压实功能压实后土的干重度也增加。 2压实度 当土中含水量超过一定值时，其干重度随含水量增加而减少。这是因为水占据了固体颗粒的空间，所以存在一个最为合适的含水量。工程上定 义：在
15、一定的压实功能条件下，能使压实土达到最大干密度时的含水量，称为土的最优含水量（或称最佳含水量） ，相对应的干容重称最大干容重， 记为 。maxd 在一定的击实功能条件下，细颗粒土在某一个含水量 下能够被压实到一个最大的干密度 。在填筑路基的过程中就是要尽量碾压，使路optwmaxd 基填料的干密度接近于 ，保证路基的施工质量。土经过击实后得到的干密度与上述试验中得出的 比值称为该压实土的压实度，用下式表示：maxd ax10%dk 用来表示该土的压实程度，是控制路基填筑质量的重要指标之一。k 这里特别注意要搞清楚最优含水量、最大干密度及压实度的概念及相互关系。 3土的击实试验 掌握击实实验的方
16、法及原理，对干密度与含水量关系曲线要深刻理解其意义，理解 Va 为 0 时土的干密度为何在击实试验曲线的右上侧。 击实试验结束后，应在直角坐标纸上绘制干密度与含水率的关系曲线。取曲线峰值点相应的纵坐标为击实试样的最大干密度 ，相应的横坐max 标为击实试样的最优含水量 。同时在图中还应绘出气体体积等于零的曲线（即饱和度 100%）的 线。optw zav 对于给定的含水量，当孔隙中没有空气，即饱和度等于 100%时的理论最大干重度 可由下式得出:zav 1swzav Ge 式中， 空气为零时土的单位重度； zav 孔隙比；e 土的比重。sG 由于当饱和度为 100%， ，即有swGe swza
17、v1 式中， 含水量。w 利用土的比重，假定几个含水量如 5%、10%、15%等，根据上面关系式计算可以得到 随含水量的变化曲线。zav 图 干密度与含水量关系曲线 4压实土的优点及其影响因素 在最优含水量附近压实的土具有如下一些优点： 1）压实土的压缩变形和湿化变形最小，所以在最优含水量附近压实的路基其沉降变形和由于雨水的影响引起的变形就会小，减少路基的破坏； 2）压实后的土的抗剪强度增加，提高了路基的稳定性； 3）压实后的土的渗透能力减小，这样就减少了水对路基的影响。 5 影响土压实性的因素主要有： 1）击实功对压实效果的影响 在不同的击实功能条件下的击实试验所得出的压实曲线是不同的，因而
18、得出的最优含水量也是不同的。不同的压实功能标准可以模拟施工现场 的不同压实机械和施工方法。 2）土的类型 即土的颗粒级配、土颗粒形状、土颗粒比重、粘矿物含水量和类型对最大干重度和最优含水量有很大的影响。土的压实性与土的类型以及采用 的方法密切相关。 5土的压实控制指标 这里掌握路基质量控制指标及检测方法，深刻理解并掌握 K30、E vd、E v2、K、孔隙率、相对密度 CBR 这些概念。通过本章的学习，能综合判断 土压实效果的优劣。 学完本章后能独立完成教材本章后面的所有习题。 思考题： 1、什么是土的最大干密度？如何确定？ 2、什么是压实度？ 3、土的压实指标有哪些？各含义是？ 第三章 土的
19、渗透性与渗流 一、学习的基本要求 1掌握达西渗流定律及其影响因素。 2土的渗透系数及其影响因素。 3掌握动水力、流砂和管涌的概念和发生条件及判别方法。 4.了解渗透破坏类型及防治措施。 二、学习的重点与难点 重点知识： 1. 达西渗流定律及其影响因素。 2. 土的渗透系数及其影响因素。 难点知识： 流砂和管涌现象发生的条件和判别方法。 三、重点学习内容及指导 本章主要讨论土中水的运动规律及其对土性质的影响。 土中水并非处于静止不变的状态，而是在运动着的。土中水的运动原因和形式很多，例如在重力的作用下，地下水的流动(土的渗透性问题) ，在 土中附加应力作用下孔隙水的挤出(土的固结问题)，由于表面
20、现象产生的水分移动(土的毛细现象) ；在土颗粒的分子引力作用下结合水的移动( 如冻结 时土中水分的移动)；由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。土中水的运动将对土的性质产生影响，在许多工程实践中碰到的问题， 如流砂、冻胀、渗透固结，渗流时的边坡稳定等，都与土中水的运动有关。 影响土的渗透性的因素必须掌握，也是本章的重点。影响因素包括：土的粒度成分与矿物成分；结合水膜的厚度；土的结构和构造；水的粘滞 度；土中气体。 特别值得注意的是：从现场取得的土样进行室内试验测定的渗透系数与现场的实际情况差异很大，往往相差几个数量级，这主要与土的结构的 破坏有关。所以，必要时必须进行现场抽水试验。
21、应注意常水头渗透试验与变水头渗透试验的适用范围和优缺点。对于成层土渗透系数的计算也应掌握。 此外，流砂和管涌也是本章的两个基本概念。注意流砂现象发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌可以发生在渗流逸出处， 也可能发生在土体内部。 6 渗流模型的提出及基本假定：水在土中的渗流是在土颗粒间的孔隙中发生的。由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的 运动轨迹很不规则，因而可以对渗流作如下的简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为 孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符
22、合以下要求：(a)在同一过水断面， 渗流模型的流量等于真实渗流的流量；(b)在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；(c)在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实 渗流所受到的阻力相等。 例题解析： 例 1 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为 30cm2，厚度为 4cm，渗透仪细玻璃管的内径为 0.4cm，试验开始时的水位差为 145cm， 经时段 7 分 25 秒观察得水位差为 130cm，试验时的水温为 20C，试求试样的渗透系数。 解 已知试样的截面积 A=30cm2，渗径长度 L=4cm，细玻璃管的内截面积 a=d2/4=3.14(0.4)2 / 4=0.1256cm2,
23、 h1=145cm, h2=130cm, t1=0, t2=760+25=445s 。 则可得试样在 20时的渗透系数为 cm/s6212 10.435lg4306.lg)(3. htAaLk 例 2 简要回答影响土的渗透性的因素主要有那些。 答：（1）土的粒度成分及矿物成分。土的颗粒大小、形状及级配，影响土中孔隙大小及其形状，因而影响土的渗透性。土颗粒越粗，越浑圆、 越均匀时，渗透性就大。砂土中含有较多粉土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。 （2）结合水膜厚度。粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时， 会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。 （3）土的结构构造。天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方
24、面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔 隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。 （4）水的粘滞度。 水在土中的渗流速度与水的容重及粘滞度有关，从而也影响到土的渗透性。 通过本章学习，能掌握土的渗流分析与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。学完本章后能独立完成教材本章后的所有 习题。 思考题： 1、达西定律及其适用范围是什么？ 2、影响土的渗透性的因素有哪些？ 3、为什么说渗透力是一种体积力？ 第四章 土体中的应力计算 一、学习的基本要求 1了解土中一点的应力分布情况。 2掌握自重应力的分布规律，掌握
25、自重应力的计算方法。 3掌握基底压力的计算方法及其分布规律 4了解在弹性半空间表面作用荷载时应力的分布情况。 5了解刚性基础和柔性基础底面的应力分布的假定。 6掌握附加应力的分布规律，掌握附加应力的计算方法。 7掌握土中在各种荷载作用下竖向应力的计算方法(利用图表)。并掌握空间问题和平面问题的区别。 8重点掌握有效应力的概念及基本原理。 二、学习的重点与难点 7 重点知识： 1. 自重应力的分布规律和计算方法。 2. 附加应力的分布规律和计算方法。 3. 有效应力的概念及基本原理。 难点知识： 有效应力的工程意义。 三、重点学习内容及指导 本章主要是围绕着土中应力的计算来进行的，讨论土中应力的
26、目的是为后面土的固结及沉降计算奠定基础。主要包括下列一些内容： 第一部分主要阐明土中应力的概念和讨论土中应力的目的。土中的应力按其产生的原因。可分为自重应力和附加应力两种。前者是指由土体本 身重量产生的；后者是指由建筑物的荷载所引起的。按照力的传递方式，则有孔隙水应力和有效应力两种，并把这两者之和称为总应力。讨论应力 的目的，是为了研究土的变形和强度问题，这两个问题将分别在后面加以讨论。 第二部分主要介绍土中自重应力的计算。在这一部分中，首先要明确地基中的自重应力不会再引起土的变形。但新近沉积的土或人工填土以及 地下水位的升降，还会引起相应的变形。其次，在自重应力计算时，把地基当作半无限弹性体
27、来考虑。最后，应清楚自重应力是随深度线性增大、 呈三角形分布的规律。在计算自重应力时还应注意下列几点： (1)计算的起始点必须从原地面开始，与基坑开挖与否无关。因为自重应力实质上是指土体中所受到的原始应力。 (2)当地基土成层时，由于各土层的容重不同，在各土层交界面处的自重应力分布会出现转折现象。 (3)在地下水位以下，必须采用土的浮容重来计算。因为不论从考虑水对土体的浮力或按有效应力原理都可以证明，处于地下水位以下的土，它 实际所受到的应力就是有效应力或有效重量。应该提及，当地下水位下降时，由于浮力消失(或孔隙水应力减小) ，土的重量(或有效应力)增加，将会 引起土的压缩变形。 第三部分主要
28、介绍了土中的附加应力问题，它是本章的中心或重点内容，必须掌握。 地基中的附加应力与基础底面压力的大小和分布有关。因此，必须掌握在各种荷载作用下，基底压力的计算方法，并通过大量计算达到熟练的 程度。若基础的埋置深度为 D，则在计算附加应力时一定要采用基底净压力，即 p0=p- D。当基底压力为梯形分布时，则只需在竖直均布压力中考 虑即可。 在计算地基中的附加应力时，应注意下列几点： (1)首先要分清空间问题还是平面问题。 (2)若该课题属于空间问题，则只能求解基础角点下任意深度 z 处的附加应力，而其他各点(包括基础内外)均应利用“角点法”并按叠加原理来求 解。应用“角点法”时应注意三点：该点必
29、须落在新划分的基础角点上；L 和 B 均以新划分后的尺寸为准；对于梯形分布压力，除了对基础要 进行划分外，荷载本身也要进行相应地划分。 在空间问题中，必须搞清不同压力分布情况下 L 和 B 的含义。 (3)若该课题属于平面问题，则可以求解地基中任意点的附加应力。但在计算时必须注意竖直均布压力、三角形分布压力和水平分布压力情况下 的坐标原点及其正、负方向。 (4)在求解附加应力时，z 必须从基础底面起算，切勿从原地面开始。 第四部分进一步阐明孔隙水应力和有效应力的概念，导出了著名的太沙基有效应力原理的表达式，即=u+。有效应力原理是土力学的一个重 要理论，它是贯穿土力学学科的一条主线，也是本章需
30、特别关注的问题。它也是以后讨论土的固结和强度问题的基础。在这部分内容中，以静水和 单向渗流条件下的饱和土为例，说明有效应力原理的应用，而并未涉及到由于荷载作用引起的孔隙水应力和有效应力的问题，关于这一问题在以后 各章中会陆续重点介绍。因此，这里要求大家着重搞清有效应力原理的概念，为以后进一步应用打下良好的基础。 通过本章学习能进行土中自重应力计算、基底压力计算以及各种荷载条件下的土中附加应力计算。学完本章后能独立完成教材中本章习题 4-2、 习题 4-3。 思考题： 1、用图示出竖向集中力作用下土中应力的分布（力的作用点下竖向平面、任一水平面上）？ 2、地基中竖向附加应力的分布有什么规律？ 3
31、、有效应力原理的概念和意义。 8 第五章 土的压缩与固结 一、学习的基本要求 1了解土的压缩特性，其中包括压缩的基本概念、压缩曲线、压缩系数及其用途等。 2掌握压缩试验方法及压缩曲线的绘制、压缩性高低的判别、侧限变形条件下压缩变形计算的公式。 3了解应力历史对粘性土压缩性的影响。 4理解 e-p 曲线或 e-logp 曲线实质上是反映了土的应力-应变关系的曲线。 5掌握正常固结土的沉降计算方法。理解正常固结、超固结与欠固结的概念。 6明确无侧向变形条件下压缩量公式的推导原理和假定；掌握利用分层总和法计算最终沉降量。 7掌握太沙基一维渗透固结理论基本概念和适用条件，掌握不同定解条件下通过图表确定
32、固结或反之由固结度确定时间因子和 t 时刻的沉降的 方法。 二、学习的重点与难点 重点知识： 1. 分层总和法计算沉降量。 2、太沙基一维渗透固结理论计算 难点知识： 太沙基一维渗透固结理论 三、重点学习内容及指导 本章主要是围绕着基础沉降以及沉降与时间关系这两个中心问题来进行的。在学习本章时，首先要明确为什么要提出基础沉降以及沉降与时间 关系问题，即它与工程的安危和保证建筑物的正常使用有何重要意义，其次要清楚基础沉降产生的原因及其影响的因素，在此基础上，应熟练地掌 握沉降及其与时间关系的计算方法。现将本章主要内容归纳如下： 1土的压缩性。 土在外界压力作用下体积缩小的性能称为土的压缩性。土之
33、所以具有压缩性主要是由于它具有孔隙，这是土区别于其他材料的重要特征之一。 土中孔隙所占的体积愈多、其压缩性愈高，反之，则愈低。土的压缩性的高低通常以侧限压缩试验所得到的压缩曲线及其相应的压缩系数 av 来表示。 压缩系数定义为单位压力增量引起孔隙比的减小。压缩曲线愈陡，土的压缩性愈高，反之则曲线平缓，土的压缩性愈低。土的压缩性高低还可以用 elog p 曲线上的斜率(称为压缩指数 CC)和压缩模量 ES 来表示。影响土的压缩性的高低除了土的种类、颗粒组成以及土的结构等因素以外，还与土 的应力历史有关。土的应力历史以超固结比 OCR 来表示，并根据 OCR 的大小将土划分为正常固结、超固结和欠固
34、结等三种。 土的压缩过程是指在某一压力作用下，孔隙中的水和气向外排出，土粒互相靠拢的过程。对于饱和土体来说，则是孔隙中的水向外排出的过程。 通常把饱和土的压缩称为固结。 因此，从土压缩的基本概念可以得出下列四点重要的结论：土中孔隙的存在是土产生压缩的主要原因，但外界压力作用是引起土体压缩的必 要条件；孔隙中的水和气( 饱和土仅为水 )向外排出是土产生压缩(或固结) 的充分条件，如果把土置于密闭的容器中，即使施加很大的压力也不可能 引起压缩；由于土的压缩( 或固结 )是随着水和气的排出而逐渐发生的。因此，土的压缩(或固结) 是时间的函数；压缩量的大小与土的初始密度有 关。 土除了具有压缩特性外，
35、尚具有回弹(卸荷)再压缩( 再加荷) 的特性。前述超固结土即处于回弹再压缩状态，所以其压缩性最低。工程上常利用这 一特性对软土地基进行加固。 2基础的沉降计算。 基础的沉降是由于地基中土的压缩引起的。土的压缩量的基本公式是 S= ，其中 e1 为初始孔隙比，它与初始压力 p1 相对应；e 2 为pHe12 加压力增量p 后压缩稳定的孔隙比，它与 p2= p1+p 相对应。将此基本公式用于计算基础沉降时，则初始压力就是地基的自重应力，而压力增量就 是地基的附加应力。 土的压缩量基本公式是在下列三个假定条件下得到的：土的压缩仅在竖直方向发生而无侧向变形；土的压缩是由于孔隙体积的减小，土粒 9 的体
36、积保持不变；在土层厚度 H 范围内压力为均匀分布。 地基中的自重应力和附加应力都是随着土层的深度而变化的。因此，为了能符合基本公式的假定，在计算基础沉降时，将地基进行分层，求出 每一分层的压缩，然后加以总和即得基础的沉降，故把基础沉降的计算方法称为分层总和法。e-p 曲线法和 elog p 曲线法都以前述基本公式为依 据的分层总和法，但后者可以考虑应力历史的影响。 目前国内常用的是 ep 曲线法，要求大家熟练掌握其计算步骤和方法，由于沉降计算是在无侧向变形条件下得到的。因此，其结果常与实际不 甚相符，需要进行修正。 3基础沉降与时间的关系。 前已提及，土的压缩或固结，在某一压力作用下是随着时间
37、的增长而逐渐发生的。这一增长的过程，对于饱和土体来说，按照有效应力原理， 实际上就是在总应力(称固结应力，对于沉降计算即为附加应力 )不变的条件下，孔隙水应力不断消散、有效(固结) 应力不断增长的过程。因此，任一 时刻基础的沉降量 St 可由下式来进行计算： dzeadzupeaSHvHvt 001)(1 从上式可知，求任一时刻基础的沉降量实际上即为求解任一时刻孔隙水应力 u 的问题。 为了求解孔隙水应力，本章特别提出了单向固结模型及其相应的固结理论，并根据初始和边界条件，得到了孔隙水应力 u 的表达式。为了便于 计算，又提出了固结度的概念。 有关固结度及其应用主要掌握下列各点： (1)土层平
38、均固结度定义为土层孔隙水应力平均消散程度。它与固结应力的大小无关，但与固结应力分布有关，是时间因数 Tv 的单值函数。 (2)土层平均固结度还可用下式表示，即 Ut=St / S。其中 St 为任一时刻基础的沉降量，S 为基础的最终沉降量。 (3)在使用时应注意，若为一面排水，则 H 等于土层厚度；若为两面排水，则均查=1 的情况，此时 H 等于土层厚度的一半。为排水面的固结 应力 与不排水面的固结应力 之比。z z 4基础沉降按照其发生的顺序和原因可分为初始沉降、固结沉降和次固结沉降，而固结沉降是主要部分。前述所指的沉降均指固结沉降而言。 关于初始沉降和次固结沉降在本章作了一些简要介绍，可作
39、一定的了解。 例题解析： 例 1 某土层厚 5m，原自重压力 p1=100kPa。今考虑在该土层上建造建筑物，估计会增加压力 p=150kPa。求该土层的压缩变形量为多少。 取土作压缩试验结果如下： p (kPa) 0 50 100 200 300 400 e 1.406 1.250 1.120 0.990 0.910 0.850 解 已知 p1=100kPa p=150kPa h= 5m 那么 p2= p1+p=250kPa 由压缩试验结果可得： e1=1.120 e2=0.95 则 m=40cm4.0512.912hes 可见，估算得该土层的压缩变形量大致为 40cm。 例 2 土应力历史
40、的几个概念 先期固结压力和超固结比：天然土层在历史上所经受过的最大固结压力(指土体在固结过程中所受的最大有效压力 )，称为前(先)期固结压力 pc。 前期固结压力 pc 与现有自重应力 p1 的比值 (pc/ p1)，) 称为超固结比 OCR。 正常固结土：若天然土层在逐渐沉积到现在地面后，经历了漫长的地质年代，在土的自重作用下已经达到固结稳定状态，则其前期固结压力 pc 等于现有的土自重应力 p1（ p1=h，为土的重度，h 为现在地面下的计算点深度） ，这类土称为正常固结土(OCR=1)。 超固结土：若正常固结土受流水、冰川或人为开挖等的剥蚀作用而形成现在的地面，则前期固结压力 pc=hc
41、 (hc 为剥蚀前地面下的计算点深度) 就超过了现有的土自重应力 p1。这类历史上曾经受过大于现有土自重应力的前期固结压力的土称为超固结土（OCR1） 。 欠固结土：新近沉积粘性土、人工填土及地下水位下降后原水位以下的粘性土等，在自重作用下还没有完全固结，土中孔隙水压力仍在继续消 10 散，因此土的固结压力 pc 必然小于现有土的自重应力 p1 。这类土称为欠固结土（OCR0。若进行不排水剪切试验，则正常固结和超固结试样的强度包线均为一条水平线，即 u=0，并且不排水剪的强度指标 c u 是随着原位 有效固结应力 c 的增加而线性增大。 5关于无侧限抗压强度的概念： 无侧限抗压强度试验实际上是
42、三轴压缩试验的一种特殊情况，即周围压力 3=0 的三轴试验，所以又称单轴试验。无侧限抗压强度试验可使用无 侧限压力仪，也可利用三轴仪。试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。试样破坏时的轴向 压力以 qu 表示，称为无侧限抗压强度。对于饱和粘性土的不排水抗剪强度，可利用无侧限抗压强度 qu 来得到，即2ufqc 例题解析： 例 1 设砂土地基中某点的大主应力 1=400kPa，小主应力 3=200kPa，砂土的内摩擦角=25 ，粘聚力 c=0，试判断该点是否破坏。 （a） （b ） 例 1 计算简图 解 以下用多种方法解题。 解法一：按某一平面上的与
43、 f 对比来判断：破坏时土中出现的破裂面与大主应力作用面的夹角 f=45+ 。因此，作用在与大主应力作用面成2 45+ 角平面上的法向应力、剪应力和抗剪强度 f，可按下式计算：2)245(cos)(21)(331 = kPa7.25)4(2cos)04(21)0(1 )45(sin)(231 = kPa6.90)25(sin)( =120.2kPa2ta7.taf 由于破裂面上的抗剪强度 f 大于剪应力 ，故可判断该点未发生剪切破坏。 解法二：用图解法按莫尔圆与抗剪强度包线的相对位置关系来判断：按一定比例尺作出莫尔圆，并在同一坐标图中绘出抗剪强度包线。由上图 （a）可知，莫尔圆与抗剪强度包线不
44、相交，故可判断该点未发生剪切破坏。 解法三：按上图（b）来判断： 该点处于极限平衡状态时所需的内摩擦角为 13 1928204arcsinarcsin31j 由于 j ，故可判断该点未发生剪切破坏。 解法四：假定土样处于极限平衡状态，则其大主应力应为 =492.8kPa)25(tan20)45(tan231 由于计算值 1 大于已知值 400kPa，故该点未发生剪切破坏。 解法五：假定土样处于极限平衡状态，则其小主应力应为 =162.3kPa)254(tan0)245(tan2213 由于计算值 3 小于已知值 200kPa，故该点未发生剪切破坏。 例 2 简述室内确定土抗剪强度指标的基本方法
45、及这些方法的特点。 目前，室内测定土的抗剪强度指标的常用手段一般是三轴压缩试验与直接剪切试验，在试验方法上按照排水条件又各自分为不固结不排水剪、 固结不排水剪、固结排水剪与快剪、固结快剪、慢剪三种方法。但直剪试验方法中的“快”和“慢” ，并不是考虑剪切速率对土的抗剪强度的影响， 而是因为直剪仪不能严格控制排水条件，只好通过控制剪切速率的快、慢来近似模拟土样的排水条件。由于试验时的排水条件是影响粘性土抗剪强 度的最主要因素，而三轴仪能严格控制排水条件，并能通过量测试样的孔隙水压力来求得土的有效应力强度指标，因此，如有可能，宜尽量采用三 轴试验方法来测定粘性土的抗剪强度指标。 通过本章学习掌握土的
46、抗剪强度表示方法和抗剪强度指标的测定方法，熟练掌握采用土的极限平衡条件分析判断土中平衡状态的方法。学完本 章后能独立完成教材中本章习题 6-1、习题 6-3、习题 6-4 和习题 6-5。 思考题： 1、库仑抗剪强度定律是怎样表述的，什么是土的抗剪强度指标？ 2、土的破坏既然是由剪应力引起的，那么它的破坏为什么不发生在最大剪应力面上，而发生在 f=45+/2 的面上？ 3、直剪试验的一般原理、方法和优缺点？ 4、三轴压缩试验的一般原理、方法和优缺点？ 第七章 地基承载力 一、学习的基本要求 1了解地基破坏的原因和三种破坏型式的特征。 2掌握整体剪切破坏的发展过程即变形三阶段。掌握临塑荷载、临界
47、荷载、地基极限承载力的概念。 3理解极限承载力的理论、公式和影响地基承载力大小的因素。 4. 掌握地基承载力的确定方法。 5掌握按极限平衡理论验算地基稳定的基本原理和计算方法。 6掌握利用规范确定地基承载力的方法。 二、学习的重点与难点 重点知识： 1. 极限平衡理论验算地基稳定的基本原理。 2. 按理论公式确定承载力。 3. 按规范要求确定承载力。 难点知识： 浅基础地基极限承载力的几个理论思想。 三、重点学习内容及指导 14 建筑物的设计，一般包括上部结构设计和地基设计两大部分。根据一些资料的统计，在建筑物失事的事例中，大约有 70左右是由于地基或与 地基有关的问题所引起的。因此，为了保证
48、建筑物的安全和正常使用，对地基进行精心设计就显得十分重要。 地基稳定性的验算，通常包括沿基底水平滑动的稳定性，绕建筑物前趾的倾覆稳定性以及基底压力(或地基承载力 )的验算等三方面内容。一般情 况下，地基承载力对地基的稳定起着控制作用，所以，只要基底压力 p 满足小于或等于地基的容许承载力p，即 pp的条件，则地基的稳定性是 有保证的。 关于地基承载力的确定，通常有按现场原位试验、理论公式以及查规范承载力表等三大类。按理论公式确定承载力是本章的重点，要求掌握其 基本原理和计算方法。 学习本章时，应主要围绕下列一些内容： 1地基破坏的原因及其型式。 地基的破坏是由剪切引起的，一般有整体剪切破坏、局
49、部剪切破坏和冲剪破坏等三种型式。地基破坏型式的出现主要决定于土的压缩性。一般 低压缩性的坚实土将产生整体剪切破坏，而高压缩性的松软土则易出现局部或冲剪破坏。 2地基整体剪切破坏的主要特征。 地基整体剪切破坏的主要特征是能够形成延伸至地面的连续滑动面。在形成连续滑 动面的过程中，随着荷载 (或基底压力)的增加将出现三个 变形阶段：即弹性变形阶段、弹塑性变形阶段以及破坏(或塑性流动 )阶段。局部或冲剪破坏与整体剪切破坏的主要区别在于前者不能形成延伸至地面 的连续滑动面，因而荷载与变形的关系也无明显的阶段之分。目前在谈及承载力时，均指整体剪切破坏而言的。 3临塑荷载、极限承载力的概念 根据整体剪切破坏过程的荷载变化情况得到临塑荷载
