土力學(xué)與基礎(chǔ)工程

土力學(xué)與基礎(chǔ)工程?摘要：本文詳細(xì)介紹了土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的相關(guān)知識。首先闡述了土的基本性質(zhì)，包括土的三相組成、物理性質(zhì)指標(biāo)等。接著講述了土的滲透性、壓縮性等力學(xué)性質(zhì)及其影響因素。然后對基礎(chǔ)工程的類型、設(shè)計原則、承載力計算等方面進(jìn)行了深入探討。通過學(xué)習(xí)土力學(xué)與基礎(chǔ)工程知識，有助于合理進(jìn)行地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計，確保工程的安全與穩(wěn)定。

一、引言土力學(xué)與基礎(chǔ)工程是土木工程專業(yè)的重要學(xué)科領(lǐng)域。土作為工程建設(shè)的地基材料，其性質(zhì)復(fù)雜多樣，對建筑物的安全和正常使用有著至關(guān)重要的影響?；A(chǔ)工程則是將上部結(jié)構(gòu)的荷載安全可靠地傳遞到地基上的工程措施。掌握土力學(xué)與基礎(chǔ)工程的知識，對于保障各類土木工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有關(guān)鍵意義。

二、土的基本性質(zhì)

（一）土的三相組成土是由固相、液相和氣相三相組成的集合體。固相主要是土顆粒，其大小、形狀和礦物成分各不相同。液相為土中的水，可分為結(jié)合水和自由水。氣相是存在于土孔隙中的空氣。三相的比例關(guān)系決定了土的物理狀態(tài)和工程性質(zhì)。

（二）土的物理性質(zhì)指標(biāo)1.粒度成分用于描述土顆粒大小的分布情況，常用篩分法和沉降分析法測定。通過粒度分析可以得到土的顆粒級配曲線，從而確定土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)等指標(biāo)，反映土顆粒級配的均勻程度。2.密度土的密度包括天然密度、干密度和飽和密度等。天然密度反映土在天然狀態(tài)下的質(zhì)量與體積之比；干密度是土烘干后的質(zhì)量與體積之比，可用于評價填土壓實質(zhì)量；飽和密度是土孔隙完全被水充滿時的密度。3.含水量土的含水量是指土中水的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，它對土的性質(zhì)有顯著影響，如影響土的壓實性、強度和壓縮性等。4.孔隙比和孔隙率孔隙比是土中孔隙體積與土顆粒體積之比，孔隙率是土中孔隙體積與總體積之比。它們反映了土的孔隙特征，孔隙比和孔隙率越大，土越疏松，壓縮性越高。5.飽和度飽和度是土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，飽和度越高，土的透水性可能越低，壓縮性也可能有所變化。

三、土的滲透性

（一）滲透定律達(dá)西定律是描述土中滲流規(guī)律的基本定律，即土中滲流速度與水力梯度成正比，表達(dá)式為$v=ki$，其中$v$為滲流速度，$k$為滲透系數(shù)，$i$為水力梯度。滲透系數(shù)反映了土的滲透能力，其大小與土的顆粒級配、孔隙比等因素有關(guān)。

（二）影響滲透系數(shù)的因素1.土的粒度成分粗顆粒土的滲透系數(shù)較大，細(xì)顆粒土（如黏土）的滲透系數(shù)較小。2.孔隙比孔隙比越大，土的滲透系數(shù)一般也越大。3.土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu)對滲透系數(shù)也有影響，如原狀土和擾動土的滲透系數(shù)可能不同。4.水的溫度水的溫度升高，其黏滯性降低，滲透系數(shù)增大。

（三）滲透系數(shù)的測定方法常水頭試驗適用于透水性較大的土，變水頭試驗適用于透水性較小的土。通過試驗測定土樣在一定條件下的滲流量等參數(shù)，進(jìn)而計算出滲透系數(shù)。

四、土的壓縮性

（一）壓縮性指標(biāo)1.壓縮系數(shù)$a$反映土在壓力作用下壓縮性的大小，$a=\frac{e_1e_2}{p_2p_1}$，其中$e_1$、$e_2$分別為壓力$p_1$、$p_2$作用下土的孔隙比。$a$值越大，土的壓縮性越高。2.壓縮模量$E_s$與壓縮系數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系，$E_s=\frac{1+e_1}{a}$，它也是衡量土壓縮性的指標(biāo)，$E_s$越大，土的壓縮性越低。

（二）壓縮性的影響因素1.土的類型黏性土的壓縮性一般比無黏性土高。2.含水量含水量較高時，土的壓縮性較大。3.壓力隨著壓力的增加，土的壓縮性逐漸減小，但當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，壓縮性趨于穩(wěn)定。

（三）壓縮性試驗室內(nèi)壓縮試驗是測定土壓縮性指標(biāo)的常用方法。將土樣置于壓縮儀中，在不同壓力下測定土樣的壓縮變形，從而得到壓縮系數(shù)和壓縮模量等指標(biāo)。

五、土的抗剪強度

（一）抗剪強度理論1.庫侖定律土的抗剪強度可表示為$\tau_f=c+\sigma\tan\varphi$，其中$\tau_f$為抗剪強度，$c$為黏聚力，$\sigma$為剪切面上的法向應(yīng)力，$\varphi$為內(nèi)摩擦角。庫侖定律適用于一般的土。2.摩爾庫侖強度理論該理論認(rèn)為土的破壞是由于剪切面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強度所致，通過繪制摩爾應(yīng)力圓和抗剪強度包線來分析土的強度特性。

（二）影響抗剪強度的因素1.土的性質(zhì)包括粒度成分、含水量、密度等。例如，粗顆粒土內(nèi)摩擦角較大，抗剪強度較高；含水量增加，土的抗剪強度降低。2.試驗方法不同的抗剪強度試驗方法（如直剪試驗、三軸壓縮試驗等）得到的結(jié)果可能有所差異，因為試驗條件不同。3.排水條件排水條件對抗剪強度有顯著影響。在不排水條件下，土的抗剪強度較低；在排水條件良好時，土的抗剪強度較高。

（三）抗剪強度試驗方法1.直剪試驗分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種試驗方法?？旒粼囼炘谠嚇硬慌潘那闆r下進(jìn)行，固結(jié)快剪試驗先使試樣固結(jié)然后在不排水條件下剪切，慢剪試驗使試樣在充分排水條件下剪切。2.三軸壓縮試驗分為不固結(jié)不排水試驗（UU）、固結(jié)不排水試驗（CU）和固結(jié)排水試驗（CD）。通過對試樣施加周圍壓力和軸向壓力，測定土樣在不同排水條件下的強度。

六、基礎(chǔ)工程概述

（一）基礎(chǔ)的類型1.淺基礎(chǔ)獨立基礎(chǔ)：常用于柱下，承受柱傳來的荷載。條形基礎(chǔ)：一般用于墻下，將墻體荷載均勻分布到地基上。筏板基礎(chǔ)：當(dāng)建筑物荷載較大，地基承載力較低時采用，能有效減小基底壓力。箱形基礎(chǔ)：由鋼筋混凝土頂板、底板和縱橫隔墻組成，具有較大的剛度和整體性，適用于高層建筑等對地基沉降要求較高的情況。2.深基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)：由樁身和承臺組成。根據(jù)樁的受力特點可分為摩擦樁和端承樁。摩擦樁主要通過樁側(cè)摩阻力承受荷載，端承樁主要通過樁端阻力承受荷載。沉井基礎(chǔ)：是一種井筒狀的深基礎(chǔ)，通過在井內(nèi)挖土下沉，然后封底并澆筑鋼筋混凝土頂蓋，作為建筑物的基礎(chǔ)。

（二）基礎(chǔ)工程的設(shè)計原則1.安全可靠確?；A(chǔ)能夠承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，不發(fā)生破壞，保證建筑物的安全。2.經(jīng)濟合理在滿足安全要求的前提下，選擇合理的基礎(chǔ)類型和尺寸，降低工程造價。3.施工方便基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)考慮施工條件，便于施工操作，保證施工質(zhì)量和進(jìn)度。

（三）基礎(chǔ)工程的設(shè)計步驟1.工程地質(zhì)勘察了解場地的地質(zhì)條件，包括土層分布、地基承載力、地下水位等，為基礎(chǔ)設(shè)計提供依據(jù)。2.上部結(jié)構(gòu)荷載分析確定上部結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)的荷載大小、分布和性質(zhì)。3.基礎(chǔ)類型選擇根據(jù)地質(zhì)條件、荷載情況和工程要求等選擇合適的基礎(chǔ)類型。4.基礎(chǔ)尺寸計算按照所選基礎(chǔ)類型的設(shè)計方法，計算基礎(chǔ)的尺寸，確保地基承載力滿足要求，同時控制基礎(chǔ)沉降在允許范圍內(nèi)。5.基礎(chǔ)配筋計算對于鋼筋混凝土基礎(chǔ)，進(jìn)行配筋計算，保證基礎(chǔ)具有足夠的強度和耐久性。

七、地基承載力

（一）地基承載力的概念地基承載力是指地基土承受荷載的能力。當(dāng)?shù)鼗心滁c的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強度時，該點將發(fā)生破壞，此時作用在基底的壓力稱為地基承載力特征值。

（二）地基承載力的確定方法1.原位試驗法靜力觸探試驗：通過將探頭勻速壓入土中，測定探頭阻力，從而估算地基承載力。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗：用質(zhì)量為63.5kg的穿心錘，以76cm的落距自由下落，將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中15cm，再打入30cm的錘擊數(shù)，可用于評價砂土的密實度和黏性土、粉土的承載力等。2.理論公式法根據(jù)土的抗剪強度理論，利用極限平衡條件推導(dǎo)出地基承載力公式，如太沙基公式等。但這些公式應(yīng)用時需結(jié)合實際情況進(jìn)行修正。3.規(guī)范經(jīng)驗法根據(jù)工程經(jīng)驗和規(guī)范表格，結(jié)合場地的地質(zhì)條件和基礎(chǔ)類型等確定地基承載力特征值。例如，根據(jù)土的類別、狀態(tài)和孔隙比等因素，直接查規(guī)范中的承載力表。

（三）地基承載力修正當(dāng)基礎(chǔ)寬度$b>3m$或埋置深度$d>0.5m$時，應(yīng)對地基承載力特征值進(jìn)行修正。修正公式考慮了基礎(chǔ)寬度和埋深對地基承載力的影響，通過修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以更準(zhǔn)確地反映實際地基的承載能力。

八、地基變形計算

（一）地基變形的類型1.沉降量基礎(chǔ)的豎向位移，反映基礎(chǔ)的下沉程度。2.沉降差相鄰兩基礎(chǔ)的沉降量之差，可能導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，引起墻體開裂等問題。3.傾斜基礎(chǔ)傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值，過大的傾斜會影響建筑物的正常使用。4.局部傾斜砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱向610m內(nèi)基礎(chǔ)兩點的沉降差與其距離的比值，主要用于評估砌體結(jié)構(gòu)的不均勻沉降情況。

（二）地基變形計算方法1.分層總和法將地基分為若干層，分別計算各層土的壓縮量，然后求和得到地基的總沉降量。計算時需考慮土的壓縮性指標(biāo)、附加應(yīng)力分布等因素。2.規(guī)范法根據(jù)規(guī)范提供的經(jīng)驗公式和表格，結(jié)合地基土的性質(zhì)、基礎(chǔ)類型和尺寸等計算地基變形。規(guī)范法考慮了多種因素的綜合影響，計算相對簡便且具有一定的可靠性。

（三）減小地基變形的措施1.選擇合適的基礎(chǔ)類型和尺寸如采用剛度較大的基礎(chǔ)（如筏板基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)），增大基礎(chǔ)底面積，減小基底壓力，從而減小地基變形。2.進(jìn)行地基處理如對軟弱地基進(jìn)行夯實、擠密、置換等處理，提高地基的承載力和壓縮模量，減少地基變形。3.合理安排施工順序避免建筑物各部分荷載差異過大，防止因施工順序不當(dāng)導(dǎo)致地基不均勻沉降。

九、地基處理

（一）地基處理的目的1.提高地基承載力通過地基處理，如加固軟弱土層，使地基能夠承受更大的荷載。2.減少地基沉降改善地基土的壓縮性，減小建筑物的沉降量和不均勻沉降。3.增強地基穩(wěn)定性防止地基土發(fā)生滑動破壞，保證地基的穩(wěn)定。

（二）常見的地基處理方法1.換填墊層法將基礎(chǔ)下一定深度范圍內(nèi)的軟弱土挖去，換填強度較高、壓縮性較低的材料（如砂、碎石、灰土等），分層夯實?？商岣叩鼗休d力，減少沉降量。2.強夯法用重錘從高處自由落下，對地基進(jìn)行強力夯實，使地基土密實，提高地基承載力和壓縮模量。適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土等。3.水泥土攪拌法分為深層攪拌法（濕法）和粉體噴射攪拌法（干法）。通過將水泥等固化劑與地基土攪拌混合，形成具有一定強度的水泥土樁體或水泥土帷幕，提高地基承載力和穩(wěn)定性。4.砂石樁法在地基中沉入砂樁或碎石樁，擠密樁間土，提高地基的密實度和承載力，同時可改善地基的排水性能。

（三）地基處理方法的選擇應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)、建筑物的要求、施工條件和經(jīng)濟因素等綜合考慮選擇合適的地基處理方法。例如，對于軟土地基，可根據(jù)具體情況選擇換填墊層法、水泥土攪拌法或強夯法等。

十、結(jié)論土力學(xué)與