绪论





俗话说，万丈高楼平地起。地球上任何建筑物（构筑物），不论是摩天大楼、三峡大坝，还是发射宇宙飞船的装置，都建在地层之上，必须与土发生关系。
土是什么？土是岩石风化的产物，是一种由固态、液态和气态三相物质组成的松散矿物颗粒的集合体。土力学则是研究这种松散颗粒集合体受力和变形规律的科学。它是力学的一个分支，是以土为研究对象的学科。土力学的主要任务有如下三个方面： 
（1） 孔隙度规律的研究，它有别于固体力学，这其中有压密规律、渗透规律、摩擦规律。


（2） 土在外力作用及本身重力作用下的应力及变形的研究，包括土中应力分布的理论及计算变形理论和实用的方法。
（3） 确定土的强度和稳定性、土对挡土墙的压力问题的研究等。
什么是地基？什么是基础？地球表面30~80km厚的范围是地壳，也可以称地层，建筑物的全部荷载均由这部分地层承担。


图0-1地基基础示意图



承担建筑物传来的荷载的那部分土体就称为地基。建筑物在地面以下部分并将建筑物承受着的上部各种荷载传递至地基的结构物称为基础。基础又可分为浅基础和深基础。一般浅基础埋置深度不大于5m。基础底面至地表面的距离，称为基础的埋置深度（图0-1）。对于开挖基坑后可以直接修筑基础的地基，


称为天然地基。如果不能满足要求而需事先进行人工加固处理的地基称为人工地基。




重点提示： 

受建筑影响的那一部分地层称为地基。
在建筑物地面以下部分并将建筑物的上部荷载传递至地基的结构物称基础。
基础底面至地表面的距离称为基础的埋置深度。

地基可分为天然地基和人工地基。


基础工程施工工期长、难度大，它的造价在建筑中所占的比例很大，有的工程高达30%以上。所以，地基及基础在建筑工程中的重要性是显而易见的。因此要求地基基础必须满足强度和变形不超过允许值的条件，否则将会发生严重事故。
例1香港宝城大厦冲毁事故。该建筑建在香港的山坡上，由于建造时对地基设计的疏忽，在1972年夏季暴雨中，引起山坡残积土软化而滑动，7月18日上午7点，高层建筑宝城大厦被冲毁，造成120人死亡，此事故震惊中外。

例2巴西一座11层大楼于1958年建成，它支撑在99根21m长的钢筋混凝土桩上，但由于桩长不合标准，未能打入较好的持力土层，地基承载力不足，建成后即倒塌。
例3加拿大一谷仓，建造在一可塑至流塑黏土层上，由于设计时没有考虑在地基持力层下部有一软弱土层，在1941年建成后第一次装料时，就因软弱下卧层受力失稳而发生整体倾倒。
例4当年伽利略作实验的意大利比萨斜塔，始建于1173年，中途曾因塔身南倾而停工，到1350年竣工。此后不断南倾，至今南侧下沉近3m，北侧下沉1m多，塔顶偏离中心线4.4m，倾斜角达5.5°。研究发现，斜塔下方地基土软弱，很难承受高55m塔的重力长期荷载。为拯救这一闻名世界的文化古塔，意大利政府正在组织对斜塔进行地基加固处理措施。
例52009年6月27日下午，上海闵行区莲花南路，在建的莲花河畔景苑楼盘中，一幢13层居民楼从根部断开，直挺挺地整体倾覆在地。施工方在大楼一侧无防护性开挖地下车库，又在另一侧堆9m的土堆。大楼地基土体在合力的作用下整体平移，如剪刀一般剪断了楼房的基桩，楼直直地倒在了地上，楼身却几近完好。
例62010年8月15日，广东省肇庆封开县江口镇发生滑坡灾害，导致七栋居民楼陆续倒塌落入贺江中。
例7甘肃泥石流灾难。2010年8月10日，甘南舟曲县由于水土流失严重，导致特大泥石流，死亡1257人，失踪495人。受灾人员达2万多人，被毁房屋307栋。
例82009年11月杭州地铁塌陷，死亡21人。由于江南地质条件比较差，地铁又是开放式施工，遇到暴雨，设计的是防水墙而非挡土墙。按王梦恕院士所说，挡土墙的厚度应为1.5~2m，同时还须每隔3~4m打一桩，先做桩，桩上再做挡土墙，而且连续墙后面要有水平的腰梁，每隔3m要有横撑，连续墙6m一个接头，每隔3m要有横撑。这些设计都疏忽掉了，所以发生了大的坍塌事故。
本课程包括工程地质、工程勘察、土力学、地基基础及钢筋混凝土、砖石结构和建筑施工等专业内容，综合性强。学习时应重视工程地质的基本知识，必须认真认识土的基本属性和特点，牢固地掌握土的应力、变形、强度的相互关系及土力学基本原理，从而能够应用这些基本原理，结合其他所学课程以及施工知识、经验分析和解决地基基础的问题。





第1章土的物理性质






1.1土的组成
〖*4/5〗1.1.1土的三相组成




重点提示： 

土的三相组成是： 固体颗粒、液体、气体。

土是由岩石风化生成的松散沉积物。一般而言，土是由固体颗粒、液态水和孔隙中的气体等三部分组成的。这三部分称为土的三相体系。
1.1.2土的固体颗粒
土的固体颗粒构成土的骨架，一般将土分为砂土和黏性土两大类。
1. 土的颗粒级配
在研究土的工程性质时，将土中不同粒径的土粒，按某一粒径范围，分成若干粒组，同一组的土，有较接近的物理力学性质。根据粒径大小可把土粒分为六大组，如表1-1所示。

表1-1土的粒径分组



序号粒组名称粒径范围/mm主要特性


1漂石或块石>200无黏性，无毛细水
2卵石或碎石200~20无黏性，无毛细水
3圆砾或角砾20~2无黏性，弱毛细现象
4砂粒2~0.075易透水，无黏性
5粉粒0.075~0.005稍黏性，毛细现象重
6黏粒<0.005透水性小，毛细水上升高度大

土中土粒组成，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总质量的百分数）来表示，称为土的粒径级配。
对于粒径小于或等于60mm、大于0.075mm的土可用筛分法，而对于粒径小于0.075mm的土可用密度计法或移液管法分析。
筛分法是用一套孔径不同的标准筛，筛孔直径分别为20，10，2，0.5，0.25，0.075mm，从大到小，依次成套。将土进行筛分，称出留在各个筛子上的颗粒重量，可得相应的各粒组的相对含量。其实验结果可用表1-2和对数颗粒级配曲线表示，如图1-1所示。

表1-2颗粒筛分结果



筛孔直径/mm201020.50.250.075<0.075总计

留筛土重/g1001050390270110701000
占全部土重的百分比/%101116558293100—
小于某筛孔径的土重百分比/%90898445187——


注： 取风干土1000g作试验。



图1-1粒径级配曲线示意图



工程上常用不均匀系数Cu表示颗粒粒径级配不均匀程度： 


Cu=d60d10(1-1)


式中d60——小于某粒径土粒重百分比为60%的相应粒径，称限定粒径； 
d10——小于某粒径的土粒重百分比10%相应的粒径，称有效粒径。
图1-1表示粒径级配曲线。纵坐标表示小于某粒径土重的含量（以重量的百分比表示），横坐标表示粒径并以对数表示，以便对粒径相差悬殊的颗粒含量表达得更清楚。图中d60=0.67，d10=0.15，故


Cu=d60d10=0.670.15=4.5


通常认为Cu<5的级配均匀； Cu>10为级配良好。级配均匀的土不易夯实。
2. 土颗粒的矿物成分
（1） 原生矿物。砂粒大部分是原生矿物，如石英、长石、云母等。
（2） 次生矿物。黏土几乎都是次生矿物，如蒙脱石、伊利石、高岭土等。
1.1.3土中的水
土中的水分为固态、气态和液态三种状态。

重点提示： 

土中的水分有固态、气态和液态三种状态存在。


固态是冻土，结冻时强度高，而解冻时强度迅速降低。
气态是水蒸气，对土的工程性质影响不大。
液态水分为三种，即化学结合水、表面结合水、自由水。
（1） 化学结合水是存在于颗粒晶格结构内的水，属于矿物颗粒的一部分。
（2） 表面结合水，它是因受到电性吸引力而吸附于土粒表面的水。愈靠近土粒表面，静电引力愈强，将水极其牢固地结合在土粒表面上，具有极大的黏滞性，通常称为强结合水（强结合水没有溶解能力，不能传递静水压力，只有在105℃的温度时才蒸发）； 而存在于强结合水外围的一层结合水，称为弱结合水，它仍没有传递静水压力的性能。当黏土含有较多的弱结合水时，土具有一定的可塑性。砂土通常被认为不含弱结合水。
（3） 自由水是存在于土粒表面电场范围以外的水，它可分为重力水和毛细水。重力水存在于地下水位以下的土骨架孔隙中，受重力作用而移动，传递水压力并产生浮力。毛细水则存在于地下水位以上的孔隙中，土粒之间形成环状弯液面，如图1-2所示，弯液面与土粒接触处的表面张力反作用于土粒，成为毛细压力，这种力使土粒挤紧，因而具有微弱的黏聚力，或称为毛细黏聚力。在工程中，毛细水的上升对于地下建筑的防潮及冻胀有重要影响。


图1-2土粒间毛细水及毛细压力

1.1.4土的结构
土的结构主要是指土体中土粒的排列和联结形式，它主要分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。


图1-3土的结构


(a) 单粒结构； (b) 蜂窝结构； (c) 絮状结构

单粒结构是由砂粒等较粗的土粒组成，其排列有疏松状态及密实状态之分，密实状态时强度较高。
蜂窝结构的土是由粉粒串联而成，而絮状结构的土主要由黏粒集合体串联而成。这两种结构中都存在着大量的孔隙，结构不稳定，当其天然结构被破坏后，土的压缩性增大，强度降低，故在施工时须注意结构的扰动情况。
1.2土的物理指标
〖*4/5〗1.2.1土的三相简图

土的三相简图，如图1-4所示。图1-4中的符号含义如下： 


图1-4土的三相简图

Vs——土的体积； 
Va——土中气体体积； 
Vw——土中水体积； 
Vv——土中孔隙体积，Vv=Va+Vw； 
V——土的总体积，V=Vs+Va+Vw。

此外，本书后面将用到以下变量：

ms——土粒的质量； 
ma——土中气体质量（ma≈0）； 
mw——土中水的质量； 
m——土的质量，m=ms+mw； 
Gs——土的颗粒重量； 
Gw——土中水的重量； 
G——土的总重量。
1.2.2土的基本物理指标及其公式
基本物理指标包括土的重力密度γ，质量密度ρ，土粒的比重（相对密度）ds和土的天然含水率w。

重点提示： 

土的基本物理指标有土的重力密度γ、质量密度ρ、土粒的比重ds和土的天然含水率w。γ、ds、w由室内土工实验确定。


1. 土的重力密度γ与质量密度ρ
单位体积土所受的重力称为土的重力密度或称重度，用γ（kN/m3）表示，即单位体积土的质量称为质量密度，用ρ表示。
γ与ρ的关系为



γ=GV=mVg=ρg(1-2)


式中g为重力加速度。

通常试验时，质量单位可以用克（g）表示，体积以立方厘米（cm3）为单位。但在实际应用中，质量密度单位常用吨每立方米表示，即1g/cm3=1t/m3。一般而言，砂土质量密度为1.6~2.0t/m3； 黏性土和粉土质量密度为1.8~2.0t/m3。
2. 土粒比重ds
土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量的比值，称为土粒比重，用ds表示，即


ds=msmw=msVs·ρw(1-3)


式中ρw是4℃纯水的密度。
3. 土的天然含水率w
土中水的质量与土粒质量之比（用百分数表示）称为土的含水率，以w表示，即


w=mwms×100%=GwGs×100%(1-4)


上述三个基本物理指标γ、Gs、w由室内土工实验测定。
1.2.3土的其他物理指标
1. 饱和土的重度γsat
土中孔隙完全被水充满时，单位体积的土所受的重力称为饱和土重度，记为γsat（kN/m3），即


γsat=Gs+VvγwV(1-5)


式中γw是水的重度。
土的饱和重度一般为18~23kN/m3。




重点提示： 

土的其他物理指标也称为换算指标，有饱和重度γsat，土的干重度γd、土的有效重度γ′、土的孔隙比e、土的孔隙率n以及土的饱和度Sr。

2. 土的干重度γd
土中无水时，单位体积的土所受的重力称为土的干重度γd（kN/m3），


γd=GsV(1-6)


3. 土的浮重度（有效重度）γ′
地下水位以下的土，受到水的浮力作用，扣除水浮力后单位体积土所受的重力称为有效重度，用γ′（kN/m3）表示，即


γ′=Gs-γwVsV(1-7)


4. 土的孔隙比e
土中孔隙体积与土粒体积之比称孔隙比，用e表示，即


e=VvVs(1-8)


一般而言，当e<0.6时，土密实，压缩性小； 当e>1.0时，土疏松，压缩性大。
5. 土的孔隙率n
土中孔隙体积与土的总体积之比称为土的孔隙率，以百分数n表示，即


n=VvV×100%(1-9)


6. 土的饱和度Sr
土中水的体积和孔隙总体积之比称为饱和度，记为Sr，用百分数表示为


Sr=VwVv×100%(1-10)


Sr≤50%表示土稍湿； 50%≤Sr≤80%表示土很湿，Sr>80%时认为土处于饱和态。
1.2.4各种指标间的关系


图1-5土的三相物理

指标换算图


指标γsat、γd、γ′、e、n、Sr均可由基本指标求得。为方便计算，先将土的三相图（图1-5）中的各符号变换。假设土粒体积Vs=1，其他符号表示如下： 
Vv=e，V=1+e，Gw=wGs，G=Gs+Gw，Vw=Gw/γw。为便于比较查找公式，表1-3列出了各种可能的换算公式。在公式中，γw=10kN/m3，重力加速度的数值g=9.80665m/s2≈10m/s2。γ是土的重度，γs是土颗粒重度。

表1-3土的三相物理指标换算公式



编号物理指标符号表达公式换算公式单位


1比重dsds=msVsρwds=Srew
2密度ρρ=mVt/m3
3重度γγ=ρg
γ=GVγ=γd(1+w)
γ=γw(ds+Sre)1+ekN/m3

4含水率ww=mwms×100%w=Sreds
w=r/rd-1
5干密度ρdρd=msV
ρd=ρ1+w
ρd=ds1+eρwt/m3
6干重度γdγd=ρdg
γd=GsVγd=γ1+w

γd=γwds1+ekN/m3
7饱和重度γsat
γsat=Gs+VvγwVγsat=γw(ds+e)1+ekN/m3
续表



编号物理指标符号表达公式换算公式单位


8有效重度γ′γ′=Gs-VsγwV
γ′=γw(ds-1)1+e

γ′=γsat-γwkN/m3
9孔隙率n
n=VvV×100%
n=e1+e
n=1-γdγwds
10孔隙比ee=VvVs
e=γwds(1+w)γ-1

e=γwdsγd-1
11饱和度SrSr=VwVv×100%Sr=wdse

Sr=wγdnγw

例1-1某原状土，天然重度测得γ=19kN/m3，含水率w=25%，土粒比重ds=2.70，试求土的孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr、饱和重度γsat、干重度γd、有效重度γ′。
解e=dsγw(1+w)γ-1=2.7×10(1+0.25)19-1≈0.776
n=e1+e=0.7761+0.776≈0.44=44%
Sr=wdse=
0.25×2.700.776≈0.87=87%
γd=γwds1+e=10×2.701+0.776=15.2(kN/m3)
γsat=γw(ds+e)1+e=10×(2.70+0.776)1+0.776=19.6(kN/m3)
γ′=γw(ds-1)1+e=10×(2.70-1)1+0.776=9.57(kN/m3)
例1-2环刀切取一土样，测得土样体积V=60cm3，质量为110g，土样烘干后ms=100g。土粒比重2.70，试求土的密度ρ、含水率w、孔隙比e。
解
ρ=mV=11060=1.83g/cm3

w=mwms×100%=
110-100100=10%

e=ρwds(1+w)ρ-1=
1×2.7(1+0.10)1.83-1=1.62-1=0.62

1.3无黏性土、黏性土的物理特征
〖*4/5〗1.3.1无黏性土




重点提示： 

土也可分为无黏性土和黏性土。无黏性土指具有单粒结构的碎石土和砂土； 黏性土是指土粒间存在黏聚力的土。

无黏性土一般指具有单粒结构的碎石土和砂土。天然状态下无黏性土具有不同的密实度。密实状态时，压缩小，强度高； 疏松状态时，透水性高，强度低。目前判别砂土的密实程度较方便可靠的方法是采用砂土的相对密实度Dr作为判别分类的指标： 


Dr=emax-eemax-emin(1-11)


式中emax——砂土最松散状态时的孔隙比（取风干土样，用长颈漏斗轻轻地倒入容器确定）； 
emin——砂土最密实状态的孔隙比（风干土样装入容器夯实，直至密度不变时确定最小孔隙比）； 
e——砂天然孔隙比。
根据Dr值，可将砂土的密实状态划分为下列三种： 


1≥Dr>0.67密实

0.67≥Dr>0.33中密

0.33≥Dr>0松散


在具体工程中，可按规范（GBJ 7—1989）用标准贯入试验锤击数N确定砂土密实度：
N≤10，松散； 10<N≤15，稍密； 15<N≤30，中密； N>30，为密实。
碎石土可根据有关规范规定(见表1-4)所列野外鉴别方法确定为密实、中密、稍密三种等级。

表1-4碎石土密实度野外鉴别方法



密实度骨架颗粒含量和排列可挖性可钻性


密实骨架颗粒含量大于总重的70%，呈交错排列，连续接触锹、镐挖掘困难，用撬棍方能松动； 井壁一般较稳定钻进极困难； 冲击钻探时，钻杆、吊锤跳动剧烈； 孔壁较稳定
中密骨架颗粒含量等于总重的60%~70%，呈交错排列，大部分接触锹、镐可挖掘； 井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，能保持颗粒凹面形状钻进较困难； 冲击钻探时，钻杆、吊锤跳动不剧烈； 孔壁有坍塌现象
稍密骨架颗粒含量小于总重的60%，排列混乱，大部分不接触锹可以挖掘； 井壁易坍塌； 从井壁取出大颗粒后，填充物砂土立即坍落钻进较容易； 冲击钻探时，钻杆稍有跳动； 孔壁易坍塌

1.3.2黏性土
黏性土粒间存在黏聚力而使土具有黏性。随含水率的变化可分别划分为固态、半固态、