土質(zhì)學及土力學課件

緒論一、土質(zhì)學及土力學的研究對象

土質(zhì)學及土力學是一門研究土的細微觀結構特性及其在工程建筑荷載作用下的應力、變形、強度、滲流及長期穩(wěn)定性問題。在工程建設中土作為不同的研究對象：地基建筑材料介質(zhì)（實際上是結構和荷載）

土是巖石風化后的松散沉積物，是具有土粒骨架孔隙特性的松散介質(zhì)。土的形成：巖石風化剝蝕搬運沉積土的主要特征：分散性：土是由固體顆粒及孔隙組成的分散體系，土粒間無聯(lián)結或有微弱的聯(lián)結。復雜性：土的性質(zhì)與成因有關，各地的異差較大，其性質(zhì)極易受外界環(huán)境的變化（如溫度、含水量等）的影響。易變性：土的強度低，易變形。由此產(chǎn)生：滲透性：水可在土的孔隙中流動。壓縮性：孔隙中水和氣在受外力時可排出，孔隙體積減小。抗剪性：孔隙中土粒的錯位主要發(fā)生在聯(lián)結處。二、土質(zhì)學及土力學的研究內(nèi)容及方法

土質(zhì)學：是用地質(zhì)學的觀點，從土的成因出發(fā)，研究土的基本工程性質(zhì)及影響土性質(zhì)變化的原因。它應用工程地質(zhì)、礦物結晶及物理化學等知識，對其進行分析研究，提出改良的有效措施。

土力學：是以工程力學的處理方法，研究與工程建設有關的土的應力、應變、強度和穩(wěn)定性等力學問題。由于土是自然歷史產(chǎn)物，以及它的分散性，除了運用一般連續(xù)的介質(zhì)力學的原理外，還要作一些基本假設，并同實際情況相結合來研究。在土力學的研究中，提出了一些計算模型，必須重視土的現(xiàn)場勘察及室內(nèi)土工試驗測定其計算參數(shù)，因此土力學是一門實踐性很強的學科，土工試驗非常重要，所以汪聞韶院士說：土力學是三分計算，七分實驗，從而說明土力學實驗的重要性。

隨著生產(chǎn)力的提高和現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，各學科之間相互滲透、交叉、融合已成為現(xiàn)代科學技術發(fā)展的趨勢。本來土質(zhì)學與土力學就密不可分，土質(zhì)學從細微觀研究土的性質(zhì)，土力學從宏觀研究土的工程力學特性，所以本著微觀解釋宏觀，宏觀指導微觀的觀點，我們的土質(zhì)學與土力學才能顯示強大的生命力。同時該學科也還應該廣泛的吸收現(xiàn)代數(shù)學、測試技術等學科的先進成果，不斷地充實強大該學科的研究能力和范圍，為國民經(jīng)濟建設服務。另外，在基礎工程和土力學也是密不可分，研究基礎工程，必涉及到大量的土力學問題，所以它們是一對孿生姐妹，講土力學必聯(lián)系到基礎工程，講基礎工程時，必用到土力學，所以要學好土力學，必須參照基礎工程的相關內(nèi)容。三、本學科在我國的成就

自人類進行建筑實踐以來，就要處理地基上的各種問題。我國有五千年的歷史，許多建筑遺址說明，遠在新石器時代，就充分表明我們的祖先在土建技術上的聰明才智，如西安半坡遺址中發(fā)掘出來的土臺及礎，如洛陽王灣發(fā)掘出來許多房屋遺址，其墻基都是先挖溝槽，再填以紅燒碎塊，這說明當時的地基基礎建筑已達相當水平。歷史上記載，西周之初，曾建過3次京城，規(guī)模一次比一次大，直到秦統(tǒng)一中國，才修成了著名的萬里長城。我國最古老（公元523年）嵩岳寺磚塔，高40m，由于地基牢固，到現(xiàn)在安然無恙，又如《夢溪筆談》和《皇朝類苑》中記載的北宋初，木工喻皓在建開封寶寺木塔時，當時考慮了當?shù)囟辔鞅憋L，地基為較軟的飽和土，故建塔時使塔身向西傾斜，欲藉風力長期作用使地基產(chǎn)生不均沉降，從而扶正塔身，這說明當時對土力學已有相當?shù)牧私狻?/p>

又如我國的趙州橋，是世界上首創(chuàng)的石砌敞肩平拱橋，凈跨為37.02m，基礎尺寸為5.5*10m，高4.4m，建在較密實的砂粘土地基上，拱的最大推力為24MN，地基未產(chǎn)生過大變形，按照現(xiàn)有的規(guī)范檢算，地基承載力和基礎后側的被動土壓力均正好滿足設計要求，橋到現(xiàn)在為止已經(jīng)1300多年，經(jīng)過無數(shù)次地震和洪水考驗，但仍完好無恙，這反映了我國在1000年前已能充分利用天然地基承載力，尤其是敢于用粘性土地基來支承具有很大推力的拱橋基礎，從現(xiàn)代技術角度看，也是令人驚嘆的。我國著名力學家錢令希教授帶領一批研究生，對橋梁及地基的承載力的檢算，證明完全符合現(xiàn)代科學方法。宋代在福建泉州造的萬安橋為長360丈的46孔石板橋，其址水深流急，潮汐漲落頻繁，河床變化激烈，為建橋基帶來了相當困難，特殊的修建方法；先在江底拋投大塊石，再在其上移殖蠣房，使其繁殖，將塊石膠結成整體，形成堅實的人工地基再在其上建筑基礎。

至于軟土地基上，如在淤泥中打下木樁，而形成塔基，如上海的龍華塔。近百年來，由于國外帝國主義的入侵，國內(nèi)封建統(tǒng)治的腐敗，本學科和其它學科一樣，大大落后了，只有新中國成立以后，反映在橋梁地基基礎上，五十年代的武漢長江大橋的結構管柱基礎，南京長江大橋建設采用氣筒浮運沉井，沉井套管柱等一系列施工工藝，工業(yè)與民用建筑方面廣泛運用箱形基礎，電滲排水、硅化和電硅化灌漿，砂井預壓或真空預壓排水，對軟土地基處理的擠實砂樁等方法，都標志著土力學有了很大的進步。四、土力學理論的發(fā)展

古典理論時期：土力學的基本理論也有一個發(fā)展過程，18世紀以前，在土建中許多土力學問題只憑經(jīng)驗解決，1773-1776年法國庫倫（coulomb）提出抗剪強度和土壓力的滑動土楔理論，土力學才進入古典理論時期。其后，彭恩萊(Poncelet，1840年)對線性滑動土楔作了完善了解；蘭金（Rankine，1857年）在塑性應力場基礎上提出新的土壓力理；布辛尼斯克（Boussinesq，1885年）提出一點集中荷載下彈性地基中應力和位移計算；法國（Darcy，1856年）通過水在砂中滲流試驗，建立達Darcy公式，這對以后研究滲流和固結打下了基礎，芬蘭紐斯（Fellenius，1922年）在處理鐵路路基滑坡問題提出土坡穩(wěn)定分析方法。

1925年太沙基（Terzaghi）的土力學（Erdbaumechanik）出版，標志著土力學進入了一個新的時期，一般稱之為太沙基影響時期。他提出的有效應力理論、一維固結理論以及一系列研究成果把土力學推到一個新的高度，這樣土力學才成為一門系統(tǒng)的學科。1936年國際土力學與基礎工程學會成立，并舉行了第一次國際學術會議，1956年這門學科進入了近代土力學時期。隨著計算機普及使土力學基本理論、計算方法、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗等方面得到了革命性發(fā)展，如本構關系的研究，土的應力-應變-時間（stress-strain-time）的非線性數(shù)學模型的提出和建立，對土的抗剪強度的深入研究，在計算方面，廣泛采用計算機，把數(shù)值計算方法，如差分、變分、有限元等直接用于地基和土工的計算，以使復雜邊界、初始條件以及不均勻土層等問題能用計算的方法求解，在室內(nèi)試驗方法上由于設備改進，廣泛采用計算機程序控制，實現(xiàn)了自動采集，加工試驗數(shù)據(jù)。總之，土力學進入全面發(fā)展時期。因此土力學可以按以下進行分類。

按研究內(nèi)容分特殊土力學一般土力學黃土軟土膨脹土鹽漬土凍土海洋土力學宇航土力學環(huán)境土力學

總之工程地質(zhì)是土力學分析的地質(zhì)基礎。數(shù)學、力學是土力學計算的理論基礎?；A工程的設計及施工以土力學為基礎。巖土力學、工程地質(zhì)學及地基基礎工程學組成一門新的學科——巖土工程五、本學科今后的發(fā)展方向

土力學同其它學科一樣，不是完整無缺的，仍需要發(fā)展，拿本構關系模型講，已發(fā)表了很多，但適用范圍都有一定局限性，大多部模型要通過復雜試驗以確定眾多參數(shù)；對粘性土抗剪強度的研究，到現(xiàn)在還未結束，還有許多問題沒有研究清楚；土動學方面，雖然在砂土液化方面取得了可喜成果，由于我國是一個多地震的國家，又隨著高速公路、高速鐵路的大力發(fā)展，故對地基土的動力性質(zhì)，仍需要深入研究。對于全世界球而言，大部分地區(qū)是干旱或半干旱地區(qū)，這些地區(qū)的土壤是非飽和土，原來飽和土的理論不能解決非飽和土的問題，所以對非飽和土的性質(zhì)研究又成為當今土力學熱門研究領域。土與介質(zhì)的相互作用問題，土的損傷、土的結構性問題的研究也成為某些重點研究領域。在試驗設備方面，國產(chǎn)的設備質(zhì)量在穩(wěn)步提高，試驗設備逐步實現(xiàn)自動化。

用GDS及其它動靜三軸儀研究土的力學問題，用土工離心機研究高土石壩、高路堤、樁與基礎的相互作用、輕型支擋結構等的受力變形及穩(wěn)定問題，甚至有人提出了用大型的振動臺研究土工構筑物的動力效應問題。地基土的不均勻性，地基中初始應力條件和荷載條件的不確定性，土工試驗的誤差，使土工參數(shù)帶有一定的隨機性，故在邊坡穩(wěn)定分析，地基基礎的設計方面，應考慮可靠度和風險分析。在路基工程中，存在土質(zhì)改良問題。總之在以上領域還需要進行深入的研究。地基承載力第一節(jié)概述建筑物因地基問題引起破壞，一般有兩種情況：（1）建筑物荷載過大，超過了地基所能承受荷載的能力而使地基破壞失穩(wěn)，即強度和穩(wěn)定性問題；（2）在建筑物荷載作用下，地基和基礎產(chǎn)生了過大的沉降和沉降差，失建筑物產(chǎn)生結構性破壞或使其正常使用功能收到了較大的影響以至喪失，即變形問題。這里，需要明確的概念有：（1）地基承載力：地基土單位面積上所能曾受荷載的能力，以計。極限承載力：地基即將失穩(wěn)時，土體單位面積上所能承受的最大成為極限承載力，一般記為。容許承載力：考慮一定安全儲備后的地基承載力，一般記為。之所以在確定地基容許承載力時計入一定的安全儲備，是因為工程設計中必須確保地基有足夠的穩(wěn)定性，必須限制建筑物基礎的基底壓力（，單位）。一、地基破壞的性狀為了了解地基承載力的概念以及地基土體受荷后剪切破壞的過程及性狀，可以通過現(xiàn)場荷載試驗或室內(nèi)模擬試驗來研究。現(xiàn)場試驗示意圖見課本上圖9-1。試驗成果繪制成相應的曲線，對其進行分析，可以了解地基破壞機理。一般認為，在基礎荷載作用下，地基土體會發(fā)生三種形式的破壞，分別是：（1）整體剪切（GeneralShear）破壞；（2）局部剪切（LocalShear）破壞；（3）刺入剪切（PunchingShear）破壞。這三種地基破壞形式的曲線以及破壞形式圖如下：

圖4－1荷載試驗地基破壞形式圖(a)整體剪切破壞；(b)局部剪切破壞；(c)刺入剪切破壞整體剪切破壞圖4－2整體剪切破壞當荷載較小時，基礎下形成一個三角形壓密區(qū)I，隨同基礎壓入土中，這時曲線成直線關系。隨著荷載增加，壓密區(qū)I向兩側擠壓，土中形成塑性區(qū)，塑性區(qū)先在基礎邊緣產(chǎn)生，隨后逐步擴大形成上圖中II、III塑性區(qū)。這是沉降增長率較前一階段增大，曲線（見圖4－1中a曲線）呈曲線狀。當荷載達到最大值后，土中形成連續(xù)滑動面，并延伸至地面，土從基礎兩側擠出并隆起，基礎沉降急劇增加，整個地基失穩(wěn)破壞，。這時曲線出現(xiàn)明顯轉折點，此時相應的荷載稱為極限荷載。整體剪切破壞常發(fā)生在淺埋基礎下的密砂或硬粘土等堅實地基中。局部剪切破壞隨著荷載的增加，基礎下也產(chǎn)生壓密區(qū)I及塑性區(qū)II，但塑性區(qū)僅僅發(fā)展到地基某一范圍內(nèi)，土中滑動面并不延伸至地面，基礎兩側土體微微隆起，不出現(xiàn)明顯裂縫。其曲線（圖4－1中b）也有一個轉折點，但轉折點后，其沉降速率增加不如上面所說整體剪切破壞情況時那么大。轉折點之后，曲線基本還呈線性關系。局部剪切破壞經(jīng)常發(fā)生于中等密實砂中。圖4－3局部剪切破壞刺入剪切破壞隨著荷載的增加，基礎下土層發(fā)生壓縮變形，基礎隨著下沉；當荷載繼續(xù)增加，基礎周圍附件土體發(fā)生豎向剪切破壞，時基礎刺入土中?；A兩邊的土體沒有移動。其曲線（圖4－1中曲線c）上隨著荷載的增加沒有明顯的轉折點，沒有明顯的比例界限和極限荷載。圖4－4刺入剪切破壞地基破壞的三個階段

格爾謝萬諾夫根據(jù)荷載板試驗，提出地基破壞的過程經(jīng)歷3各階段：

(d)(c)(b)(a)圖4－5地基破壞過程的3個階段（a）p～s曲線；（b）壓密階段；(c)剪切階段；（d）破壞階段1、壓密階段（或稱直線變形階段）2、剪切階段3、破壞階段二、確定地基容許承載力的方法

確定地基容許承載力的方法，一般分為三種：1、根據(jù)荷載試驗的曲線來確定地基容許承載力。從荷載試驗曲線確定地基容許承載力時，可以有三種方法：用極限荷載除以安全系數(shù)得到。安全系數(shù)一般為2～3。取曲線上比例界限荷載作為地基容許承載力。對拐點不明顯的試驗曲線，可以用相對變形的辦法來確定容許承載力。對于軟塑或可塑粘性土取相對沉降s＝0.02b（b為荷載板高度）對應的壓力為地基容許承載力；對于砂土或堅硬粘性土取s＝（0.01~0.015）b對應的壓力為地基容許承載力。根據(jù)設計規(guī)范確定。根據(jù)地基承載力理論公式確定。第二節(jié)臨界荷載的確定一、塑性區(qū)邊界方程的推導圖4－6塑性區(qū)邊界方程的推導（a）（b）（c）地基表面在條形均布荷載作用下荷載作用下，計算土中任意點M由p引起的最大與最小主應力和時，可按第四章中有關均布條形荷載作用下的附加應力公式計算：若條形基礎的埋置深度為D時，計算基底下深度z處M點的主應力時，可將作用在基底水平面上的荷載（包括作用在基底的均布荷載p，已及基礎兩側埋置深度范圍內(nèi)土的自重壓力），分解為上圖c所示的兩部分，即無限均布荷載已經(jīng)基底范圍內(nèi)的均布荷載。（9－1）這時，假定土的側壓力系數(shù)，即土的自重產(chǎn)生的壓應力將如同靜水壓力一樣，在各個方向是相等的，均為。這樣，當基礎有埋置深度時，土中任意一點的主應力為：若M點位于塑性區(qū)的邊界上，它就處于極限平衡狀態(tài)。根據(jù)第六章土體強度理論中的公式知道，土中某點處于極限平衡狀態(tài)時，其主應力間滿足下述條件：

（9－2）（9－3）整理后得到：上式就是土中塑性區(qū)邊界線的表達式。（9－4）例題：有一條形基礎，如圖4－7所示，基礎寬度，埋置深度，作用在基礎底面的均布荷載。已知土的內(nèi)摩擦角，粘聚力，容重。求此時地基中的塑性區(qū)范圍。

解：地基土中塑性區(qū)邊界線表達式如公式（9－4），即將不同的值代入上式，求得其相應的z值。根據(jù)計算結果，繪制出土中塑性區(qū)范圍如圖4－7所示。圖4－7條形基礎下塑性區(qū)計算三、臨塑荷載及臨界荷載計算條形均布荷載作用下，計算地基中塑性區(qū)開展最大深度時，可以將公式（9－4）對求導，并令導數(shù)為零可得：由此可得：或（9－5）（9－6）（9－7）將公式（9－7）中的值代入公式（9－4）中，即得到地基中塑性區(qū)開展最大深度的表達式：由公式（9－8）也可以得到如下相應的基底均布荷載p的表達式：上式是計算臨塑荷載及臨界荷載的基本公式。如果令，代入式（9－9），此時基底壓力p即為臨塑荷載，計算公式為：式中：（9－8）（9－9）（9－10）若地基中允許塑性區(qū)開展的深度（B為基礎寬度），代入式（9－9）可得相應臨塑荷載計算公式為：式中、、稱為承載力系數(shù)，它只與土的內(nèi)摩擦角有關，可從書上表9－2查用。（9－11）

第三節(jié)極限承載力計算普朗特爾（L.Prandtl,1920）基本解1、普朗特爾基本解Prandtl根據(jù)極限平衡理論，推導出不考慮土的重力，且地基底面光滑時，置于地基表面的條形基礎的極限荷載公式如下：式中，承載力系數(shù)（9－12）Prandtl解得到的滑動面性狀如下圖所示圖4－8普朗特爾公式滑動面形狀2、雷斯諾（H.reissner，1924）對普朗特爾公式的補充Prandtl公式假設基礎置于地基表面，而實際中基礎均有一定的埋深。如果埋深較淺，可以忽略基礎底面以上土的抗剪強度，將這部分的土作為分布在基礎兩側的均布荷載處理，從而得到：其中，承載力系數(shù)可以從書上表9－3中查得。（9－13）圖4－9基礎有埋深時的雷斯諾解3、泰勒（D.W.Taylor，1948）對普朗特爾公式的補充以上公式中都沒有考慮土體的自重?？紤]土體自重情況下的解析解目前仍然沒有得到。Taylor在1948年提出，若考慮土體自重，假定其滑動面與Prandtl公式相同，圖4－8中滑動土體ABGECDF的重力，將使滑動面GECDF上土的抗剪強度增加?？紤]滑動土體自重的Prandtl極限荷載計算公式為：式中，，可按值從課本表9－3查得。（9－14）二、太沙基（K.Terzaghi，1943）承載力公式Terzaghi于1943年提出了確定條形基礎的極限荷載公式。太沙基認為從實用考慮，當基礎的長寬比及基礎的埋深時，就可視為是條形基礎?；滓陨系耐馏w看作是作用在基礎兩側的均布荷載。Terzaghi假定基礎底面是粗糙的，地基滑動面的性狀如下圖所示。圖4－10太沙基公式滑動面性狀與上面講到的基底光滑情況不同，地基下I區(qū)土體不處于朗金主動狀態(tài)，而是處于彈性壓密狀態(tài)，它與基礎底面一起運動。III區(qū)土體處于朗金主動狀態(tài)。求解過程中，Terzaghi求解過程中，忽略了土體重度對滑動面性狀的影響，是一種近似解。三、考慮其他影響因素時的極限荷載計算公式前面介紹的所有極限荷載公式，都只適用于中心荷載作用下的條形基礎，同時不考慮基底以上土的抗剪強度作用。許多學者做了對比試驗，對以上公式進行了修正。如漢森（B.Hanson，1960，1970）提出在中心傾斜荷載作用下，不同基礎性狀及不同埋深時的極限荷載計算公式，具體見課本相關介紹。第四節(jié)按規(guī)范方法確定地基容許承載力《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTJ024－85）里給出了各類土的地基容許承載力值表及計算公式。一、地基容許承載力注意使用時的條件，規(guī)范給出了當設計基礎寬度，埋置深度時的地基容許承載力，用表示。二、地基容許承載力的修正和提高當基礎設計寬度，埋置深度（但時），地基容許承載力可以在的基礎上修正提高，規(guī)范給出如下公式：

（9－14）式中參數(shù)的具體取值見課本P203－P204頁。需要注意的是，使用時必須注意公式適用條件以及參數(shù)取值條件。第五節(jié)關于地基承載力的討論地基承載力研究是土力學的主要研究課題之一，地基承載力的確定也是一個很復雜的問題，影響因素很多?？偟恼f來，地基承載力的影響因素包括：1、基礎的埋深、寬度、形狀在用極限荷載理論公式計算地基承載力時是按條形基礎考慮的，對于非條形基礎應考慮形狀不同對地基承載力的影響。2、荷載傾斜與偏心的影響在用理論公式計算地基承載力時，均是按中心受荷考慮的。但荷載的傾斜和偏心對地基承載力是有影響的。3、覆蓋層抗剪強度的影響基底以上覆蓋層抗剪強度越高，地基承載力顯然越高，因而基坑開挖的大小和施工回填質(zhì)量的好壞對地基承載力有影響。4、地下水位的影響地下水位上升會降低土的承載力。5、下臥層的影響確定地基持力層的承載力設計值應對下臥層的影響作具體的分析和驗算。此外，還有基底傾斜和地面傾斜的影響，地基土壓縮性和試驗底板與實際基礎尺寸比例的影響、相鄰基礎的影響、加荷速率的影響地基與上部結構共同作用的影響等等。在確定地基承載力時，應根據(jù)建筑物的重要性及結構特點，對上述影響因素作具體分析。一、關于荷載板試驗確定地基容許承載力根據(jù)上面分析可以看出，第一節(jié)介紹的從荷載試驗曲線中用三種方法確定地基容許承載力，從理論上講，均未包括基礎埋深對其影響，因此用荷載試驗曲線確定地基容許承載力，應進行修正。其次，大多數(shù)情況下，荷載試驗的壓板寬度總是小于實際基礎的寬度，這種尺寸效應是不能忽略的。二、關于臨塑荷載和臨界荷載計算公式適用于條形基礎。公式是從平面問題的條形均布荷載情況下導出，若將其近似用于矩形基礎，其結果偏與安全。計算土中由自重產(chǎn)生的主應力時，假定土的側壓力系數(shù)未1，這與土的實際情況不符，這一假定將會導致計算的塑性區(qū)范圍比實際偏小一些。計算理解荷載時，土中已經(jīng)出現(xiàn)塑性區(qū)，但此時仍然按照彈性理論計算土中應力，理論上存在矛盾，因此而引起的誤差隨塑性區(qū)范圍的擴大而加大。三、關于極限承載力的計算四、關于按規(guī)范方法確定地基容許承載力

土的動力性質(zhì)和壓實性第一節(jié)土在動荷載作用下的變形和強度性質(zhì)一、作用于土體的動荷載和土中的波 車輛的行駛、風力、波浪、地震、爆炸以及機器的振動都是作用在土體上的動力荷載。這類荷載的特點：1、荷載施加的瞬時性；2、荷載施加的反復性。 位于土體表面、內(nèi)部或者基巖的振源引起的土單元的動應力、動應變，將以波動的方式在土體中傳播。土中波的形式有以拉壓應變?yōu)橹鞯目v波、以剪應變?yōu)橹鞯臋M波和主要發(fā)生在自由界面附近的表面波（瑞利波）。作用于地表面的豎向動荷載主要以表面波的形式擴散能量。水平土層中傳播的地震波，主要是剪切波。波動能量在土體表面和內(nèi)部層面處將發(fā)生反射、折射和透射等物理現(xiàn)象。土的動力變形特性 在動荷載作用下，土體的變形特性與靜荷載作用下有很大不同。影響土的動力變形特征的因素主要包括：1、圍壓；2、孔隙比；3、顆粒組成；4、含水量等；同時它還受應變幅值的影響，這一因素的影響最為顯著。同一種土，它的動應變形狀將隨應變幅值的不同而發(fā)生質(zhì)的變化。最簡單的反復荷載作用下的土的應力應變關系可在靜三軸儀中以確定彈性模量所作的加荷卸荷試驗曲線來研究。更好的辦法是在動力試驗中進行研究。這兩種方法只要應變幅值對應，一般將擬靜法確定的模量用于動力分析，不會有太大問題。在動三軸儀或動單剪儀上對土樣進行等復制循環(huán)荷載試驗，動態(tài)應力應變曲線為一斜置閉合曲線，稱為滯回圈，見下圖。圖10－1動力試驗得到的應力～應變曲線滯回圈的特征可由兩個參數(shù)――模量和阻尼比來表示，他們是表征土體動力變形特性的兩個主要指標。土的彈性模量E（剪切模量G）指產(chǎn)生單位動應變所需的動應力，即動應力幅值（）與動應變幅值（）的比值。它可由滯回圈頂點與坐標原點連線的斜率定出來：（10－1）（10－2）滯回圈所表現(xiàn)出的循環(huán)加荷過程中應變對應力的滯后現(xiàn)象和卸荷曲線與加荷曲線的分離，反映了土體對動荷載的阻尼作用。這種阻尼作用主要是由于土粒之間相對滑動的內(nèi)摩擦效應所引起，稱為內(nèi)阻尼。土的阻尼比由下式求出：式中：―――滯回圈所包圍的面積，表示在加荷卸荷一個周期中土體所消耗的機械能；

―――的面積，表示在一個周期內(nèi)土體所獲得的最大彈性能。動力試驗表明土體的動應力應變關系具有強烈的非線性性質(zhì)，滯回圈的位置和形狀隨動應變幅值的大小而變化。（10－3）三、土的動強度土在動荷載作用下的抗剪強度即動強度問題。不同于靜強度，由于存在速度效應和循環(huán)效應，以及動靜應力狀態(tài)的組合問題，土的動強度試驗確定比靜強度遠為復雜。循環(huán)荷載下土的強度有可能高于或低于靜強度，這要看土的類別、所處應力狀態(tài)以及加速度、循環(huán)次數(shù)等而定。同時試驗表明，粘性土強度的降低于循環(huán)應變的幅值有很大關系。四、土動力性質(zhì)試驗1、振動三軸試驗2、其他室內(nèi)試驗方法第二節(jié)砂土和粉土的振動液化一、土體液化現(xiàn)象及其工程危害土體液化是指：飽和狀態(tài)砂土或粉土在一定強度動荷載作用下，表現(xiàn)出類似液體的性狀，完全失去強度和剛度的現(xiàn)象。地震、波浪、車輛、機器振動以及打樁、爆破等都可能引起飽和砂土或粉土的液化。其中以地震引起的大面積甚至深層的土體液化的危害性最大，它具有面積廣、危害重等特點。砂土液化造成災害的宏觀表現(xiàn)主要有：噴砂冒水。震陷?；?。上浮。二、液化機理及影響因素飽和的、較松散的、無粘性的或少粘性的土在往復剪力作用下，顆粒重新排列將趨于密實（剪縮性），而細、粉砂和粉土的透水性并不大，孔隙水短時間內(nèi)來不及排出，從而導致孔隙水壓力上升，有效應力減小。當周期性荷載作用下積聚起來的孔隙水壓力等于總應力時，有效應力就變?yōu)榱恪８鶕?jù)有效應力原理，飽和砂土抗剪強度可表達為：可見，當孔隙水壓力時，沒有粘聚力的砂土的強度就完全喪失。同時土體平衡外力的能力，即模量的大小也是與土體的有效應力成正比關系，如剪切模量：式中，K、n為試驗常數(shù)。（10－4）（10－5）顯然，當趨進于零時，G也趨進于零，土體喪失抵抗外荷載的能力，表現(xiàn)出類似液體的性質(zhì)，這就是所謂的“液化”。 砂土液化主要影響因素：

1、土類。

2、土的密度。

3、土的初始應力狀態(tài)。

4、地震強度以及持續(xù)時間。土體液化可能性的判別

1、基于現(xiàn)場試驗的經(jīng)驗對比方法。

2、基于室內(nèi)試驗的計算對比方法。

4、場地液化危害性的評價。

5、場地液化危害性防治措施簡介第三節(jié)土的壓實性一、土體壓實性的工程意義工程建設中常常遇到填土或松軟地基，為了改善這些土的工程性質(zhì)，常采用壓實的方法使土變得密實，這往往是一種經(jīng)濟合理的改善土的工程性質(zhì)的方法。實踐表明，由于土的基本性質(zhì)復雜多變，同一壓實功對于不同土類、不同狀態(tài)的土的壓實效果可以完全不同。二、土的擊實試驗與壓實原理1、土的擊實試驗

我國目前通用的擊實儀有兩種：即輕型擊實儀與重型擊實儀，并根據(jù)擊實土的最大粒徑，分別采用兩種不同規(guī)格的擊實筒。根據(jù)第一章中土體基本物理力學指標換算關系有：這樣通過對一個土樣的擊實試驗就得到一對數(shù)據(jù)，即擊實土的含水量與土體干密度。對不同含水量的同一種土按上述方法進行擊實試驗，便可得到一組成對的含水量與干密度數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)繪制成擊實曲線，它表明在一定擊實功作用下，土的含水量與干密度的關系。（10－6）二、土的壓實特性1、壓實曲線性能擊實試驗所得到的擊實曲線（見下圖）是研究土的壓實特性的基本關系圖。從土中可見，擊實曲線（）上有一個峰值，此處的干密度最大，稱為最大干密度，與之對應的制備土樣含水量成為最佳含水量。峰值點表明在一定擊實功作用下，只有當壓實土樣處在最佳含水量時，土體才能被擊實到最大干密度，才能得到最佳壓實效果。圖10－1擊實曲線干密度γd（kN/m3）含水量（％）從上圖還可以看出，曲線左段比右段坡度陡。這表明含水量的變化對于干密度影響在偏干（指含水量低于最佳含水量）時比偏濕（指含水量高于最佳含水量）時更為明顯。飽和曲線與擊實曲線的位置關系說明，土不可能被擊實到完全飽和狀態(tài)。不同土類與不同擊實功對擊實特性的影響含粗粒越多的土樣最大重度越大，最佳含水量越小。顆粒級配良好的土容易被壓實，顆粒級配均勻則最大干密度偏小。隨著壓實功的增大，擊實曲線形態(tài)不變，單位置向左上方移動，即增大而減小。土樣偏干時，增加擊實功對于提高干密度的影響較大；而土樣偏濕則收效不大。土的壓實機理解釋土的壓實機理非常復雜，也存在不同的解釋。一般可簡要的以“水潤滑膜”理論來解釋，見課本中所寫。但這樣解釋也存在一些問題。近年來，以非飽和土理論來解釋土體壓實機理的研究逐漸增多。3、壓實土的壓縮性和強度1）壓縮性壓實土的壓縮性取決于它的密度和加荷時的含水量。試驗表明，壓縮穩(wěn)定后的一些土樣，如果加水使之飽和，土樣就會在同一荷載下出現(xiàn)明顯的附件壓縮。一般認為偏濕土樣附加壓縮比偏干土樣的大。

2）強度壓實土的抗剪強度性狀也主要取決于受剪時的密度和含水量。偏干的土樣強度較偏時的大。試驗表明，壓實土的強度在一定條件下，可以通過增加壓實功能予以提高。但壓實土也存在浸水軟化問題，即水穩(wěn)定性問題。公路、鐵路的路堤和堤壩等土工構筑物都無法避免浸水，尤其是修筑于河灘地的過水路堤，水穩(wěn)定性的研究和控制尤為重要。

土的勘察及勘察報告應用第一節(jié)土的現(xiàn)場目力鑒別方法

根據(jù)土的一些外觀特征，用一些簡易的試驗方法判別土類及土性，統(tǒng)稱為土的現(xiàn)場目力鑒別。當然，這種鑒別是初步的，正確的判別要通過必要的室內(nèi)土工試驗方能達到。但掌握現(xiàn)場目鑒別是十分重要的一種基本技能，不能輕視。土的現(xiàn)場目力鑒別包括劃分土類及鑒別土的基本性質(zhì)。在土的目力鑒別中常用的簡易試驗方法主要有：1.干強度試驗：把風干的小土塊，用手指捏碎或劈斷，根據(jù)用力的大小來判別。干強度高——捏不碎，抗斷強度大；干強度中等——用力能捏碎，容易劈斷；干強度低——易于用手捏碎和搓成粉末。2.韌性試驗：將土調(diào)成略高于塑限，柔軟而不粘手，在手掌中搓成直徑約3m的土條，再揉成土團，再次搓條。根據(jù)再次搓條的可能性，可區(qū)分：韌性高——能揉成土團，再搓成條，手指捏不碎；韌性中等——可再揉成土團，手指稍捏即碎；韌性低——不能再揉成土團。3.搖震試驗：用含水量接近于飽和的土，團成小球，放在手掌上左右反復搖晃，并以另一手震擊該手掌，則土中水滲出土球表面，并呈現(xiàn)光澤。再用手指捏該土球，水分光澤又消失（水復又進入土球內(nèi)部）。觀察隨搖震與手捏時水分出現(xiàn)與消失的反應可區(qū)分為：反應塊——出水與消失迅速，表示粉砂含量較多；反應慢——出水與消失都慢，表示粉砂含量較少；無反應——無水分出現(xiàn)，表示粘粒含量很多。4．光澤反應：用小刀切開稍濕的土，并用小刀抹面。如果土面呈現(xiàn)光澤，表示為高液限粘性土；如土面粗糙無光澤，則為低液限粘性土或粉性土。5．握團試驗：用于區(qū)分有機土中的泥炭分解度：完全沒有或幾乎沒有分解的泥炭，握團時從指縫中擠出來的是清水；已分解的泥炭，握團時大部分或全部泥炭都能從指縫中擠出來。6．其他：如手指揉搓的感覺，肉眼觀察等。對粘性土的目力鑒別見表11-1；對砂性土的現(xiàn)場鑒別見表11-2；對土的濕度的現(xiàn)場鑒別見表11-3；對碎石類土密實度的現(xiàn)場鑒別見表11-4。對人工填土與淤泥質(zhì)土的現(xiàn)場鑒別見表11-5。利用這些鑒別表，可對土類及狀態(tài)作初步的判別。

粘性土的目力鑒別表表11-1輕亞粘土亞粘土粘土肉眼觀察含有較多的砂粒或含有很多的云母片含有少量的砂?？床坏缴傲?，但在殘積、坡積粘土中可看到巖石風化后殘留的碎屑手指揉搓干時有面粉感，濕時粘手，干后一吹即掉干土揉搓時有少量砂感，濕時粘手，干時不粘手濕時有滑膩感、粘手，干后仍粘在手上光澤反應土面粗糙土面光滑但無光澤土面有油脂光澤搖震試驗搖動時出水與消失都很迅速反應很慢或基本上沒有反應沒有反應韌性試驗土條不能再揉成土團可以再揉成土團，但手捏即碎裂可以再揉土團，并再次搓條，手指壓不碎干強度試驗易于用手指捏碎和碾成粉末用力才以捏碎，容易折斷捏不碎，抗斷強度大，斷后有棱角，斷口光滑砂性土的現(xiàn)場鑒別表表11-2礫粒粗砂中砂細砂粉砂肉眼觀察顆粒粗細約有1/4以上的顆粒比喬麥或高梁粒大約有1/2以上顆粒比小米粒大約有1/2以上顆粒與砂糖、菜籽近似大部分顆粒與粗玉米粉近似大部分顆粒近似面粉干燥時狀態(tài)顆粒完全分散顆粒僅個別有膠結顆?；痉稚?，部分膠結，一碰即散顆粒少量膠結，稍加碰擊即散顆粒大部分膠結，稍壓即散搖震試驗表面無變化表面無變化表面偶有水分光澤表面出水（翻漿）表面出水顯著，翻漿明顯粘著程度無粘著感無粘著感無粘著感偶有輕微粘著感有輕微粘著感土濕度的現(xiàn)場鑒別表表11-3

土類潮濕程度砂土粘性土稍濕用手緊握，由于潮濕而感到?jīng)?，放于手掌中搖動時，能分出一些小塊，稍壓即碎，放在濾紙上，不立即浸濕用手握緊，由于潮濕而感到很涼；顏色較深，不易捏塑；刀切之似蠟，放在濾紙上，不立即浸濕很濕放在手上有濕感，似有可塑性，加壓時能保持較長時間，放在濾紙上，浸濕很快放在手上有濕感；易塑成任何形狀；放在濾紙上，浸濕很快飽和放在手上稍搖動，即液化成餅狀輕亞粘土與砂相似，水滴在亞粘土和粘土樣表面上，不易滲入碎石類土密實度的現(xiàn)場鑒別表表11-4密實度骨架顆粒含量及排列可挖性可粘性充填物以砂土為主充填物以粘性土為主充填物以砂土為主充填物以粘性土為主密實骨架顆粒含量大于全重的70%，為交錯排列，連續(xù)接觸顆粒間孔隙填充密實或有膠結物質(zhì)。鎬鍬挖掘困難，用橇棍方能松動，并壁穩(wěn)定顆粒間充填以堅硬和硬塑的粘性土力主，開挖較困難鉆進極困難，沖擊鉆探時，鉆桿和吊錘跳動劇烈，孔壁穩(wěn)定鉆進極困難，沖擊鉆探時，鉆桿和吊錘跳動劇熱，孔壁穩(wěn)定。但碎屑物較易取出中密骨架顆粒含量等于全重的60~80%，為交錯排列，大部分分接觸顆?？紫侗怀涮睿檬挚伤蓜宇w粒，鎬鍬可挖掘，并壁掉塊現(xiàn)象顆粒間充填以可塑狀粘性土為主，鍬要開挖，但不易掉塊鉆進較困難，沖擊鉆進時，鉆桿和吊錘有跳動現(xiàn)象，孔壁有時坍塌。鉆進較困難，沖擊鉆進時，鉆桿和吊錘有跳動現(xiàn)象，但孔壁不易坍塌稍密骨架顆粒含量小于全量的60%，排列混亂。大部分不接觸顆粒間孔隙部分補充填，顆粒有時被充填物隔開，用手一觸即松動掉落，鍬可挖，進壁易坍落顆粒間充填以軟塑或流塑粘性土為主，鍬易開挖，井壁有坍塌現(xiàn)象鉆進較易，鉆桿和吊錘跳動不顯著，孔壁易坍，有時有翻砂現(xiàn)象鉆進較易，鉆桿和吊錘跳動不顯著，孔壁較穩(wěn)定人工填土與淤泥質(zhì)土的現(xiàn)場鑒別表表11-5鑒別方法人工填土淤泥質(zhì)土顏色沒有固定顏色，主要決定于夾雜物。一般為灰黑色灰黑色，有臭味夾雜物一般含磚瓦碎塊，垃圾、爐灰等池沼中有半腐朽的細小動物遺體，如草根、小螺殼等構造夾雜物質(zhì)顯露于外，構造無規(guī)律構造常為層狀，但有時不明顯浸入水中的現(xiàn)象浸水后大部分物質(zhì)變?yōu)橄≤浀挠倌?，其余部分則為磚瓦爐灰渣，在水中單獨出現(xiàn)浸水后外觀無顯著變化，在水面有時出現(xiàn)氣泡濕土搓條情況一般情況能搓成3mm的土條，但易折斷，遇有灰磚雜質(zhì)甚多時，即不能搓條能搓成3mm的土條，但易折斷干燥后的強度干燥后，部分雜質(zhì)脫落，故無定形，稍微施加壓力，即行破碎干燥后，體積縮小，強度不大，錘擊時成粉末，用手指能搓散第二節(jié)土的勘察方法

土的勘察是為了查清地下土層的分布及各土層的工程性質(zhì)。主要有兩種方法：(1)勘察(包括試坑、鉆探)、取樣、室內(nèi)土工試驗；(2)原位測試。一、勘察勘察的方法很多。試坑是勘察淺層土層的最便宜方法，常用鍬，鏟人工挖掘，也可用簡單的機械挖掘?？佑袌A形，方形或長方形。人可直接下坑觀察土層的變化及天然狀態(tài)，并能采取接近于天然狀態(tài)的原狀結構土樣。當土層松軟，易于坍塌，在挖掘中應支護坑壁，以確保安全。當?shù)叵滤惠^高，特別在砂土中，水下開挖的費用則比鉆孔為大，試坑就不適用。鉆探是地基土勘察中廣泛應用的方法。它利用鉆探機具，在土層中鉆進一個直徑小，深度大的圓柱形“鉆孔”。并在一定深度用取土器采取土樣，有的土樣是結構擾動的，只用來鑒別土類;有的土樣則是最大限度地保持天然結構和天然濕度，所謂“原狀土樣”，供室內(nèi)土工分析用。

在土層中的螺紋鉆探是用一根螺紋形鉆頭，用人力或機械力旋轉，使鉆頭旋入土中，然后上提鉆頭，通過附著于螺紋鉆頭上的土，在地面用現(xiàn)場鑒別方法對土層進行劃分層次及對土性進行描述。這是一種最簡易的鉆探方法。但當土層中含有礫，卵石或磚瓦時，就不適用。在砂、卵石中，可用楔形沖擊鉆頭，提升到一定高度后自由下落，對孔底巖土進行沖擊破碎，再利用泥漿作為沖洗液，將破碎的巖土碎塊，攜帶到地面。觀察被帶到地面的巖土顆粒，可大致判定土層變化的情況，事實上，一些粗顆粒往往沉在孔底，只有細顆粒被沖洗液沖上地表，這是應注意的。在一般地層中，采用回轉鉆進法，借助豎向加壓及回轉力的作用，使鉆頭破碎孔底巖土?；蚴箍椎讕r石全部破碎;也可只破碎孔底環(huán)形部分巖土，而在中間保留圓柱形的巖心或土樣。后者也成為取心鉆進。在巖石或硬土層中鉆進時，為了提高鉆進效率，在鉆頭上常鑲嵌有硬合金、金剛石等。

對土層進行鉆探，取土的數(shù)量及質(zhì)量是極關重要的。其中質(zhì)量又是關鍵，否則，取樣數(shù)量再多，試驗儀器再好，其實際價值也是不大的。因此工程技術人員對取樣質(zhì)量必須嚴格要求.

影響取樣質(zhì)量的因素很多，其中有鉆進方法、取土器結構與規(guī)格、取樣方法、土樣的封存及運輸，以及試樣的制備方法等。鉆進工藝是保證取得不擾動土樣的第一個前提。鉆進方法的選擇要著眼于確?？椎讛M取土樣不被擾動。在接近取樣深度，不宜采用沖擊鉆進。當在地下水以下鉆進時，要防止孔內(nèi)水位低于周圍土層中的地下水位，否則，孔底會發(fā)生涌土而使孔底土被擾動。為防止孔底涌土，可在孔內(nèi)灌注水或泥漿，在取土前，孔底浮土必須除掉.在鉆進方法合乎要求的前提下，選取適當?shù)娜⊥疗?，采取一定的取土方法是重要的。取土擾動程度與取土器的面積比及內(nèi)、外間距比有密切關系。圖11-1取土器技術參數(shù)

面積比（11-1）（11-2）

（11-3）

間距比外間距比式中：Dw——取土器管靴外徑（mm）；

De——取土器管靴內(nèi)徑（mm）；

Ds——取土筒內(nèi)徑（mm）；

Dt——取土筒外徑（mm）；取土器的技術參數(shù)參考值表11-6取土器技術參數(shù)直徑（取土器內(nèi)徑Ds）(mm)取土筒長度(mm)余土筒長度(mm)管靴長度(mm)面積比Ar(%)內(nèi)間距比Ci(%)外徑距比C0(%)管靴刃口角度（度）土類軟粘土≥100240300100<200.5～1.00～1<10一般粘土96或10024020050<201.0～1.51<10輕亞粘土8020010050<200.5～1.01<10老粘性土962005050<301.0～1.51～2<

15濕陷性黃土12215019015.31.640.912常用的取土方法有擊入法、壓入法和震動法幾種。擊入法有輕錘多擊法和重錘少擊,宜采用重錘少擊。擊入法有慢速壓入和連續(xù)快速壓入,連續(xù)快速壓入對土樣的擾動影響最小。.震動法對土樣擾動有影響,故甚少采用。二、原位測試原位測試與鉆探取樣土工分析是相互補充的。原位測試可以克服室內(nèi)土工分析的以下缺點:鉆探取樣及室內(nèi)制備試樣所發(fā)生的土的擾動;在有些土層中難以采取原狀土,例如飽和的疏松砂、流塑軟塑的軟粘土等,以及含砂石的土;土樣尺寸小,在測定層狀或裂隙性粘土時,有明顯的尺寸效應；土樣數(shù)量有限,無論在平面上還是深度都如此。原位測試可在原位的應力條件,與的天然含水量下進行土的試驗。但原位測試也有土的擾動問題,在原位測試中土的擾動與試驗儀器的性能、安置方法、操作方法等有關,如不注意這一點,原位測試也會得出不正確的結果,因此注意原位測試的應用條件是很重要的。有些原位測試還有這樣的優(yōu)點：即可取得在深度上連續(xù)的記錄,提取了土層在深度上變化的完整信息.研究并利用這些信息,可以大大減少鉆探取樣的數(shù)量,并把數(shù)量有限的鉆探工作布置在代表性地段或布置在待重點研究的地段上。原位測試可分為兩大類:一類是在小應變條件下進行測試;另一類是在大應變條件下進行測試。后者又可分為單測定土的強度,以及除了測定土的強度外,還提供應力應變信息。在土工勘察中常用的原位測試如表11-7。表11-7應變條件試驗目的實驗類型原位測試內(nèi)容小應變模量波速鉆孔波速試驗：沿孔法跨孔法大應變強度直剪十字板剪切試驗貫入標準貫入試驗靜力觸探試驗模量及強度載荷平板載荷試驗螺旋壓板載荷試驗旁壓試驗預鉆式自鉆式波速法:屬于小應變條件的原位測試方法。在均質(zhì)的或成層土層中,理論上波速與土層的彈性模量和泊松比有關。因此,如在現(xiàn)場測得了波速,就可計算得土的彈性模量和泊松比.為了測定波速,在震源處引發(fā)一次沖擊,而在離開震源某一距離處放置一檢波器,以測定波通過該指定距離所需的時間.在土的勘察中常用的是鉆孔波速法。在鉆孔地面孔口外設置震源,在沿鉆孔不同深度處設檢波器,可測得從孔口至不同深度的波速,這方法稱為沿孔法,也稱為檢層法.也可利用兩個垂直孔,在一個孔中一定深度處設置震源,而在另一孔相應深度處設置檢波器,可直接測定波從一孔到另一孔在不同深度的土層中的波速。這方法稱為跨孔法。2.十字板剪力試驗：適用于原位測定飽水軟粘土的不排水抗剪強度,由于它避免了鉆進時土的擾動以及采取土樣的擾動,而直接在原位應力條件下測定土的抗剪強度,所以它是一種有效的原位測試方法.

十字板剪力試驗,是在預鉆的鉆孔孔底,把有4個葉片的十字板頭插至規(guī)定深度,施加扭轉力矩,直至土體破壞;或是不用鉆探,直接將十字板頭壓入土中不同深度,測土體破壞時扭轉力矩。假定土體破壞時,形成一圓柱狀剪損面,假定由圓柱側面及圓柱上下兩面提供抗扭力矩,則不排水抗剪強度Cu(也即十字板抗剪強度Sr)為:（11-4）

式中:M---土體破壞時的扭矩;D---十字板頭直徑;H----十字板頭高度;圖11-2在孔底進行十字板剪切試驗3.標準貫入試驗:標準貫入試驗是利用規(guī)定的落錐能量將圓筒形的貫入器打入鉆孔底土中。根據(jù)貫入的難易程度來判定土的物理力學性質(zhì)。錘重63.5kg,自由落距76cm,貫入器外徑51mm,內(nèi)徑35mm,長500mm,為兩個半圓管合成,下部有貫入器管靴.貫入器上端連接外徑42mm鉆桿.在將貫入器打入土層時,先打入15cm不計擊數(shù),繼續(xù)貫入土中30cm,記錄其錘擊數(shù)即標準貫入擊數(shù)N.標準貫入試驗對估定砂類土的天然密度是十分有用的實驗,N與砂類土密實度的經(jīng)驗關系已在第一章中介紹。在利用標準貫入擊數(shù)N估算土的承載力、強度參數(shù)和變形參數(shù)時，還應考慮到有一些因素影響著N值，因此要做相應的修正。例如：桿長的修正、土層自重壓力和測壓力的修正、地下水位的修正等。遇到硬卵石層，或含水層的粘土層，可將貫入器換為錐形探頭，即成為圓錐動力觸探試驗。圖11-3標準貫入試驗裝置4、靜力觸探試驗：靜力觸探就是將一金屬圓錐形探頭，用靜力以一定的貫入速度貫入土中，根據(jù)探頭測得的探頭阻力可間接的確定土的物理力學性能。靜力觸探具有明顯的優(yōu)點：連續(xù)、快速、靈敏、簡便。因此，已得到廣泛的使用。靜力觸探的不足處在于：不能對土進行直接的觀察和描述：測試深度還不能太深（一般小于50米，個別情況當采用一些輔助手段，可達70米）；對于含砂卵石的土、密實砂土層均難以貫入。

靜力觸探探頭有單橋及雙橋兩種。單橋探頭可測得探頭的比貫入阻力Ps;雙橋探頭可測得錐尖阻力qc和探頭摩擦筒的側摩阻力fs。利用Ps或qc與fs，根據(jù)經(jīng)驗可以劃分土層，也可以確定土的物理力學性質(zhì)。在這方面有大量文獻資料可供參考。圖11-4靜力觸探探頭5、平板載荷試驗：載荷試驗是一種最古老的原位測試方法。它是在與建筑物基礎工作條件相似的受荷條件下，對天然埋藏下的地基土，測定加于承壓板的壓力與沉降的關系。它實際上是基礎的模擬試驗。根據(jù)壓力與沉降的關系，可以測定土的變形模量、評定土的地基承載力。對于不能用小尺寸試樣試驗的填土、含碎石的土等，最適宜用載荷試驗。但應注意到載荷板的面積小于實體基礎的面積，所以載荷試驗在深度上的影響范圍也小于實際基礎的影響范圍。試驗時，可用維持載荷直至沉降穩(wěn)定，再加下一級荷載……，直至破壞荷載，也可以用一定的沉降速率（例如2.5mm/min的速度）使載荷板壓入土中，測定荷載與沉降關系，這時所施加的最大荷載相應于不排水抗剪強度所提供的極限荷載。利用載荷-沉降曲線（p-s曲線）的初始直線段，可求得土的變形模量E0。6.螺旋壓板載荷試驗：以螺旋板作為載荷板，旋入地下預定深度，用千斤頂通過傳力桿向螺旋壓板施加壓力，同時量測載荷板的沉降值。當一個深度試驗完后，可再旋入到下一個深度進行試驗。螺旋壓板載荷試驗可用于砂土，也可用于粘性土，但旋入螺旋板時對土有一定的擾動。7.旁壓試驗：通過旁壓器彈性膜的橫向膨脹，對土施加壓力，使土體產(chǎn)生相應的橫向變形，從而測得壓力與變形的關系曲線，稱為旁壓曲線。由此可求得土的變形模量和地基承載力。旁壓試驗實質(zhì)上是橫向的載荷試驗，故也可稱為橫壓試驗。旁壓試驗按旁壓器的就位方式分為兩類：預鉆式旁壓試驗。在預先鉆好的鉆孔中，把旁壓探頭放入預定深度，進行旁壓試驗。自鉆式旁壓試驗。在旁壓探頭下端裝一圓筒形刃具，加壓使刃具切入土中，進行刃具內(nèi)的土則用一旋轉的切削鉆頭破碎，用泥漿或沖洗液將碎土循環(huán)攜帶到地面，這樣邊鉆進邊把旁壓器下沉到預定深度，進行旁壓試驗。

自鉆式旁壓試驗的優(yōu)點，是旁壓器就位時，土的原位側向應力可認為沒有釋放過；而預鉆式旁壓試驗則不同，由于預先鉆孔，孔壁應力已釋放。旁壓試驗近年來發(fā)展迅速，因為從應力條件來說，旁壓試驗相當于軸對稱圓柱穴擴張，其彈塑性解已得到解決。而其他原位測試手段，應力情況比較復雜。旁壓試驗設備輕便，操作簡易，測試快速，其優(yōu)點是明顯的。但旁壓試驗為橫向加壓，與一般工程上的豎向加荷不同。對于各向異性土層來說，橫向與豎向的力學性能是不同的。

在土的勘察中，通過調(diào)查研究、收集已有資料、勘探、水土室內(nèi)分析、原位測試等，獲得了大量的第一手原始資料。對這些資料，經(jīng)過去粗取精、分析、歸納和綜合，最后以勘測報告書及有關圖件完整地、正確地、全面地、又有針對性地反映場地的工程地質(zhì)條件?？辈靾蟾鏁峭量辈斓奈淖殖晒?。一般要求有明確的目的性、文字精練、并附以必要的圖件。

報告書一般分為緒論、一般部分、專門部分和結論幾部分。1.緒論：說明勘察單位，勘察任務的來源地點、目的，范圍和采用的工作方法，勘察工作量及勘察日期。在緒論中還應說明工程類型、規(guī)模、重要性及設計階段，并明確要解決的主要問題。2.一般部分：應包括以下內(nèi)容：第三節(jié)勘察報告書及有關圖件場地的基本情況：場地的自然歷史條件、地貌地物特性、水文條件、地下水條件、地質(zhì)條件（基巖類型，地質(zhì)構造等）；場地土層的分布及土性變化：根據(jù)現(xiàn)場勘探、現(xiàn)場描述等有一清楚的說明，使人看了對場地土層條件有一明確的輪廓認識。必要時，用一個或幾個土層剖面圖來說明其分布變化。并指出對工程影響較大的個別土層的情況。場地地下水位情況：深度、變化范圍以及水質(zhì)，特別是對建筑材料的侵蝕性。

3．專門部分：這是整個報告的核心內(nèi)容，它包括結合具體的工程設計及施工涉及的有關土工問題進行論證，要求盡可能對所涉及的問題給予詳細的分析，并作出綜合評價。例如，對各類建筑物地基土分別進行剖析，提出可能的基礎類型，基礎設計的主要準則，如基礎埋深、基礎尺寸、允許承載力、預計可能的沉降、基坑開挖的支護、降低地下水位的措施等。對各種可能的基礎方案進行分析比較，提出最優(yōu)方案。譬如，土分析給出的強度參數(shù)偏低，建議采用高一些的強度參數(shù)，就必須有充分的理由和依據(jù)。4.結論：在結論中把專門部分中最主要的意見以結論的意見表達出來。結論應是清楚的和明確的，不能含糊的，模棱兩可的，在結論中還應指出存在的主要問題及今后有待進一步研究的問題的建議。在報告書后，應附有一些圖件，一般有：勘探點平面位置圖：在地形圖上（反映有關地物，擬建建筑物）標明各勘探點（試坑，鉆孔，原位測試點等）的平面位置，并標明勘探剖面線的位置。附各類勘探點和原位測試點的坐標及高程數(shù)據(jù)表。工程地質(zhì)剖面圖：反映個土層分布地下水埋藏條件，有時也反映各土層的主要的物理力學性質(zhì)指標?，F(xiàn)場原位測試成果圖件：如載荷試驗，十字板剪力試驗，標準貫入試驗，靜力觸探試驗等的成果圖件。土工試驗圖表：室內(nèi)土工試驗成果一覽表，土的壓縮曲線（e-p曲線）等。

5．地下水分析成果表：反映地下水的物理化學性質(zhì)，以評價地下水對建筑材料的侵蝕性，和地下水作為工業(yè)和民用供水的適宜性。

6．專門圖件：對于專門問題，有關特殊土層條件，可繪制專門圖件。例如地表硬殼層厚度分布圖，擬作為樁基礎持力層的埋深等值線圖等。第四節(jié)勘察成果的分析與應用

工程技術人員在閱讀勘察人員提供的勘察成果（報告書及有關圖件）時，應在分析的基礎上，把結論應用到工程的設計中去。不應不加分析地盲目照搬套用。在分析中應注意以下幾方面：1.分析所進行的勘察工作量及勘察點的布置是否與設計階段相適應，是否合理。所采用的方法是否可靠。特別應注意取土器及取土方法的選擇對土樣質(zhì)量的影響。試驗成果的離散性及原因。2.對場地土質(zhì)的分布和性質(zhì)取得清楚的完整概念。特別注意對工程起關鍵作用的土層及土工問題，了解場地的均勻性及穩(wěn)定性。

3．分析在勘察報告中所提出的設計參數(shù)的建議值的依據(jù)是否充分，是否合理、有無矛盾、是否符合當?shù)氐慕?jīng)驗。4．對結論意見，特別注意有無事實依據(jù)。1）勘察工作量及測點布置是否足夠，是否可靠，能否滿足工程設計要求，如這一點不能滿足，則報告的依據(jù)就成問題。2）結論部分是否抓住了關鍵問題，是否明確可信。然后再仔細閱讀專門部分的分析論證是否充分，綜合是否合理。只有經(jīng)過以上的分析，才能采納建議，進行建筑物的設計。當然，這里還只是紙上談兵，真正的經(jīng)驗來源于工程實踐。當經(jīng)過分析后，發(fā)現(xiàn)矛盾或疑問，應設法進一步查明，以便少出錯誤，保證工程質(zhì)量。必要時應進行補充勘察或進行檢驗性的勘察工作。

土的抗剪強度4.1概述指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極限抵抗能力。

一、土的抗剪強度(shearstrength)

土的強度問題實質(zhì)上是土的抗剪強度。工程實踐中與土的抗剪強度有關的工程主要有以下3類：

1、穩(wěn)定性問題；2、土壓力問題；

3、地基的承載力問題。

土的破壞主要是由于剪切引起的，剪切破壞是土體破壞的重要特點。

二、工程實踐中與土的抗剪強度有關的工程問題1、穩(wěn)定性問題是以土作為建造材料的土工構筑物的穩(wěn)定性問題。如土壩、路堤等填方邊坡、天然土坡等的穩(wěn)定性。

【內(nèi)容回顧】建筑地基必須滿足的兩個條件？是土作為工程構筑物環(huán)境的安全性問題。擋土墻、地下結構等的周圍土體，它的強度破壞將造成對墻體過大的側向土壓力，以至可能導致這些工程構筑物發(fā)生滑動、傾覆等破壞事故。2、土壓力問題是土作為建筑物地基，如果基礎下的地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導致過大的地基變形，將會造成上部結構的破壞或影響其正常使用功能。3、地基承載力問題

土的物理性質(zhì)及工程分類

主要內(nèi)容土的三相組成土的顆粒特征土的結構土作為三相體的比例指標粘性土的界限砂土的密實度第一節(jié)土的三相組成土由固相、液相和氣相三相組成，物質(zhì)成分非常復雜。固相：土的固相物質(zhì)分無機礦物顆粒及有機質(zhì)，它們組成土的骨架。其固體顆粒的詳細組成如下圖所示。固體成份礦物質(zhì)有機質(zhì)原生礦物次生礦物石英長石云母∶粘土礦物Fe2O3Al2O3SiO2碳酸鹽有機質(zhì)主要是腐殖質(zhì)礦物，其次是動植物殘骸體及有機殘余物。液相:

土的液相是土孔隙中存在的水，一般看成中性，無色、無味、無臭，實質(zhì)上土中水溶液是成分復雜的電解質(zhì)水溶液。在土中水以H2O分子形式存在如下圖所示。土中的水結合水自由水強結合水弱結合水毛細水重力水

當土粒與水相互作用時，土粒會吸附一部分水分子，在土粒表面形成一定厚度的水膜，由于受表面引力作用，而不服從靜水力學規(guī)律，結合水的密度，粘滯度均比一般正常水為高，冰點比O℃低。在結合水膜以外的水，為正常的液態(tài)水溶液，它受重力的控制而流動，能傳遞靜水壓力，為自由水。自由水又分為毛細水和重力水。毛細水除受重力作用外，還受毛細表面張力引起的毛細作用支配，毛細水上升的高度取決于毛細管的直徑，毛細水對公路路基的干濕狀態(tài)及凍害有重要影響。

重力水為只受重力控制的自由水，它不受表面張力的影響，它在重力或壓力差作用下會在土中滲透。除了以上介紹的水的狀態(tài)外，還可能有氣態(tài)水，即呈蒸汽態(tài)水，以及固態(tài)水，即冰態(tài)的水。氣相:

土的氣相是孔隙中存在空氣，主要有CO2、O2、N2，其存在形式分為連通和不連通，不連通的對工程的影響比較大，屬非飽和土力學的研究范圍，是目前正在研究的熱點內(nèi)容。

第二節(jié)土的顆粒特征一、土粒大小及粒組劃分

土粒大小是描述土的最直觀和最簡單的標準。對于立方體和渾圓球體的土粒，可直接量測，立方體的邊長或圓柱體的直徑，來描述土粒的大小。常用的分析方法有兩種，對于大于0.075mm的土粒常采用篩分析方法，而對于小于0.075mm的土粒則用沉降分析方法。沉降分析的方法：土粒大小即相當與實際土粒有相同沉降速度的理想圓球體的直徑。天然土體土粒大小變化很大，1×10-6mm~幾米大小。土料的大小稱為粒度，把大小相近的土粒合并成一組，稱粒組，分界線是人為確定的。我國采用粗粒組劃分辦法，分為六大粒組，其分界粒徑為200，20，2，1/20，1/200mm，根據(jù)需要再劃分為若干亞組。劃分粒組有兩種方式：任意劃分的方式，即按一定比例遞減關系劃分粒組的界限值?？紤]土粒性質(zhì)變化的方式，使劃分的粒組界限值與粒組性質(zhì)的變化相適應。二、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（%），它可用來描述土的各種不同粒徑土粒的分布特征。常用的粒度成分的表示方法有表格法（如表1-1）、累計曲線（圖1-4）及三角形坐標法。土的粒度成分表1-1粒組（mm）粒度成分（以百分計）土樣a土樣b土樣c10～525.05～23.120.02～16.012.31～0.514.48.00.5～0.2541.56.20.25～0.1026.04.98.00.10～0.059.04.614.40.05～0.018.137.60.01～0.0054.211.10.005～0.0025.218.9＜0.0021.510.0圖1-4圖1-5根據(jù)粒徑級配曲線可以得到以下指標平均粒徑d50：通過率是50%時的粒徑。它表示了試料中粒徑大小的中間值,所以,稱為平均粒徑。有效粒徑d10：通過率是10%時的粒徑，是試料中所含細粒土大小程度的指標。通過該指標可知固結至某種程度的土的孔隙中，比土粒平均粒徑d50小的細粒土的大小程度，所以d10可用于推定含砂量較多的土的滲透系數(shù)[表示土中水流過的難易程度的系數(shù)]。同理，可得d30和d60見圖1-5。

不均勻系數(shù)Cu：

Cu=d60/d10

該指標表示了顆粒累積曲線的傾斜度，Cu值大，叫做級配良好，Cu值小叫做級配不良。級配良好的土，土顆粒大小相間，在壓實的時候容易壓實，所以叫做極配良好。乒乓球的不均勻系數(shù)Cu=1，是級配最差的例子。

曲率系數(shù)Cc:Cc=(d30*d30)/(d10*d60)

該值表示了累積曲線的平滑程度，Cc值接近于1，曲線平滑，表示土中含有大小不同的土顆粒。通常Cu≥10，Cc=1—3的土是級配良好的土。三角形坐標法是由等邊三角形組成，幾何上已知三角形內(nèi)一點，到三個邊的距離之和為一常數(shù)，即h1+h2+h3=H,其中，h1——粘土顆粒的含量h2——砂土顆粒的含量h3——粉土顆粒的含量根據(jù)該點在三角形的位置，確定土的名稱、性質(zhì)。三、粒度成分分析方法土的顆粒級配由顆粒級配實驗求出。在顆粒級配實驗中,粗粒(75μm以上)土，用篩分法分析，細粒(75μm以下)土，因為土顆粒過小，用篩分法分不出來，采用水中沉降法(比重計法)分析。篩分法如圖1-3(a)所示，把篩孔不同的篩，按篩孔的大小從大到小依次摞起來，最上層的篩中放入干燥的土試料，加蓋后振動，最后稱量留在各個篩里的試料的質(zhì)量，從而得出各種粒徑所占的質(zhì)量百分比。把這個結果繪在對數(shù)坐標紙上，得到圖1-3(b)所示的顆粒大小與通過質(zhì)量百分比的關系圖。該曲線叫做顆粒級配曲線。另外，水中沉降法是一種聰明的方法，該方法利用了粒徑大的顆粒沉降快(沉降速率與粒徑的平方成比例)這一特性，分出粒徑的大小。其方法是，把通過2mm篩的試料放入水中，充分攪拌，震動后靜置，然后，隔一定的時間用比重浮標(比重計)量測懸濁液的比重，根據(jù)懸濁液比重隨時間的變化，并考慮到粒徑大的顆粒沉降快，從而求出粒徑分布。當粗細兼有時，兩種辦法聯(lián)合使用。

土粒越大，在靜水中沉降速度越大，反之亦然。設有一個圓球形顆粒在無限大的不可壓縮的松滯性液體中，它在重力作用下產(chǎn)生的穩(wěn)定沉降速度V，可由stokes公式。V——球形顆粒在液中的穩(wěn)定沉降速度

——球形顆粒的半徑

——顆粒及液體容重N/m3——液體的松滯系數(shù)=0.00114Pa·s

w=9.81×103N/m3

s=26×103N/m3=懸液體積為1000cm3，其中所含≤di的土粒重量為Wsi(g)懸液中≤di土粒重量Wsi占土粒總重Ws的百分比P1為第三節(jié)土的結構

土的結構是指土的物質(zhì)組成（主要指土粒、孔隙）的空間相互排列，以及土粒間的聯(lián)結特征的綜合。用肉眼或一般放大鏡可以看到的土的結構稱為宏觀結構，如層理、裂隙、大孔隙等。用光學顯微鏡，電子顯微鏡才能觀察到的土的結構稱為微觀結構。土的結構，按其顆粒的排列及聯(lián)結有：1．單粒結構：這是碎石類土和砂土的結構特征：土粒間無聯(lián)結存在，或聯(lián)結微弱，可以略去不計，分為疏松和緊密的。在靜荷載作用下，尤其是在振動荷載作用下，疏松的單粒結構會趨于緊密，單粒結構的緊密程度取決于礦物成份，顆粒形狀均勻程度，沉積條件，片狀礦物組成的砂土最為疏松；渾圓的顆粒組成的砂比常有棱角的顆粒組成的砂土緊密，土粒愈不均勻，結構愈緊密，急速沉積的比緩慢沉積的土結構疏松些。2．聚粒結構：若干土粒以面-面方式聚合在一起，形成比較大的疊片狀的集合體。3．絮凝結構：土?；蚓哿Ｒ赃?邊、邊-面方式相互聯(lián)結在一起，形成絮凝結構，它使土具有：細胞孔隙性、粘聚性和彈性。土的結構在形成過程中，以及形成之后，當外界條件變化時，都會使土的結構發(fā)生變化。土體越干，土粒的聯(lián)結強度越大，土體在外力作用下，絮狀結構會趨于定向排列，土的強度及壓縮性都隨之發(fā)生變化。對土的結構的研究，近年來不僅研究土粒的排列及分布，并已開始研究土的孔隙率（孔隙大小、形狀及分布）以及顆粒間聯(lián)結性（接觸數(shù)量，接觸力的分布及）。第四節(jié)土作為三相體的比例指標土是三相分散體系，可從體積和重量上反映干濕程度及緊密程度，其實際組成的三相圖和經(jīng)抽象后的理想三相圖如圖1-6所示。(a)實際土體(b)土三相圖(c)各相的重量和體積圖1-6土的三相組成從圖1-6可以得到以下式子：V=Vs+Vw+VaW=Ws+Ww+WaWa=0W=Ws+Ww1.土的容重γ：土體單位體積的重力。它通常用環(huán)刀法在試驗室測定，一般土的容重16~22KN/m32．土粒容量γs：土固體顆粒單位體積的重力（或重量）。3．土的含水量：是指土中水重與固體顆粒重之比，以百分比表示W(wǎng)變化范圍0~幾百%，干砂接近于0，飽和粘土為百分之幾百。4．干容量：是土的固體粒重力與土的總體積之比，即越大，土越密。5．飽和容重：指土孔隙中全部被水充滿時的容重，即6．土的浮容重（浸水容重）：土浸沒在水中受到浮力作用時的容重。當土浸沒在水中時，就會受到水的浮力作用，從而減小了土的容重。浮力的大小等于排開的水重，因而浮容重應等于含有乳隙在內(nèi)的單位體積土中的顆粒重量減去同體積（即顆粒體積）的水重，當土的孔隙度為n時，孔隙比為e時，從圖1-7、圖1-8可以得出：圖1-7圖1-87．孔隙比e：是指土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，即用來評價土的緊密程度。8．孔隙率n，土中孔隙體積與總體積之比一般以百分率表示，e與n之間關系為：9．飽和度Sr：是孔隙中水的體積與孔隙體積之比它用來描述土中水充滿空隙的程度，Sr=0為完全干燥的土，Sr=1為完全飽的土。把按飽和度將砂土分成三種狀態(tài),0＜Sr≤0.5稍濕0.5＜Sr≤0.8潮濕的（很濕的）0.8＜Sr≤1.0飽和的在以上指標中，、、是由試驗測定，稱為試驗指標，其余指標均為導出指標。第五節(jié)粘性土的界限含水量如圖1-9所示,粘性土充分加水攪拌后,像泥漿一樣,不能成型,呈“液體狀態(tài)”.然后使其漸漸干燥,隨著含水量降低,水分蒸發(fā),體積減小,逐漸達到容易成型的“半固體狀態(tài)”.繼續(xù)干燥下去,土顆粒相互接觸,體積不再收縮,呈堅硬的“固體狀態(tài)”.把與以上各種狀態(tài)相適應的界限含水量分別稱為液限(liquidlimit)WL、塑限(plasticlimit)Wp和縮限(shrinkagelimit)Ws,統(tǒng)稱為稠度界限(consistencylimit).

所以說：土從液體狀態(tài)向塑性體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為液限WL。土由塑性體狀態(tài)向脆性固體狀態(tài)過渡的界限含水量稱為塑限Wp。土的體積隨含水量的減少而收縮，但達某一含水量