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土力学与基础工程

??一、引言

土力学与基础工程是土木工程专业的重要分支学科，它主要研究土的力学性质、地基与基础的设计和施工等方面的内容。其目的是确保建筑物和其他工程结构的稳定性、安全性和耐久性，合理利用土地资源，降低工程造价。在工程实践中，土力学与基础工程的知识和技术应用广泛，对于各类土木工程的成功建设起着关键作用。

二、土的工程性质

（一）土的三相组成

土是由固相、液相和气相组成的三相体系。固相包括土颗粒，是土的骨架；液相主要是水，存在于土颗粒的孔隙中；气相则是空气，也占据着部分孔隙空间。三相的比例关系对土的工程性质有着重要影响。

（二）土的粒度成分与矿物成分

1.粒度成分

土的粒度成分是指不同粒径颗粒的相对含量。常用筛分法和沉降法测定土的粒度分布，通过绘制颗粒级配曲线来表示。颗粒级配良好的土，其孔隙率相对较小，透水性和压缩性也相对较低，强度较高。

2.矿物成分

土的矿物成分可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物如石英、长石等，颗粒较大，强度较高；次生矿物如蒙脱石、高岭土等，颗粒细小，亲水性强，对土的性质影响较大。蒙脱石具有较大的膨胀性和收缩性，会显著影响土的工程性质。

（三）土的物理性质指标

1.密度

土的密度反映土的质量与体积的关系，包括天然密度、干密度和饱和密度等。天然密度是指土在天然状态下的密度；干密度是土烘干后的密度，它反映了土中固体颗粒的含量；饱和密度是土孔隙完全被水充满时的密度。

2.含水量

含水量是指土中水的质量与固体颗粒质量之比。含水量对土的性质影响很大，含水量增加会使土的强度降低，压缩性增大。

3.孔隙比和孔隙率

孔隙比是土中孔隙体积与固体颗粒体积之比，孔隙率是土中孔隙体积与总体积之比。它们反映了土的孔隙大小和多少，孔隙比和孔隙率越大，土的压缩性越高。

4.饱和度

饱和度是土中孔隙水体积与孔隙总体积之比，反映了土孔隙被水充满的程度。饱和度越高，土的透水性相对越低。

（四）土的渗透性

土的渗透性是指土允许水透过的能力。常用渗透系数来表示土的渗透性大小。渗透系数的测定方法有常水头试验和变水头试验。土的渗透性受多种因素影响，如颗粒级配、孔隙比、土的结构等。粗颗粒土渗透性大，细颗粒土渗透性小。在工程中，了解土的渗透性对于地基排水、基坑降水等施工过程至关重要。

（五）土的压缩性

土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。土的压缩主要是由于孔隙体积减小引起的。通过室内压缩试验可以测定土的压缩性指标，如压缩系数、压缩模量等。压缩系数越大，土的压缩性越高；压缩模量越大，土的压缩性越低。土的压缩性与土的类型、含水量、压力等因素有关。

（六）土的抗剪强度

土的抗剪强度是指土抵抗剪切破坏的能力。土的抗剪强度来源于土颗粒之间的摩擦力和黏聚力。常用库仑定律表示土的抗剪强度与法向应力之间的关系：τ=σtanφ+c，其中τ为抗剪强度，σ为法向应力，φ为内摩擦角，c为黏聚力。内摩擦角反映了土颗粒之间的摩擦特性，黏聚力则体现了土颗粒之间的胶结作用。土的抗剪强度指标通过室内直剪试验、三轴压缩试验等方法测定，在工程设计中用于计算地基承载力、土坡稳定性等问题。

三、地基沉降计算

（一）地基沉降的类型

地基沉降可分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降。瞬时沉降是加载后立即发生的沉降，主要是由于土的弹性变形引起的；固结沉降是在荷载作用下，土孔隙中的水逐渐排出，孔隙体积减小而产生的沉降；次固结沉降是在孔隙水压力消散后，土骨架在长期荷载作用下继续发生的缓慢压缩变形。

（二）分层总和法计算地基沉降

分层总和法是计算地基沉降的常用方法。其基本原理是将地基分层，分别计算各层土的压缩量，然后将各层压缩量相加得到地基的总沉降量。计算步骤如下：

1.根据地基土层分布情况，将地基划分为若干个分层。分层厚度一般不宜过大，通常取0.4b（b为基础宽度）或12m。

2.计算各分层的自重应力和附加应力。自重应力根据土的重度和深度计算，附加应力根据基础荷载和基础形式采用相应的公式计算。

3.确定各分层土的压缩性指标，如压缩系数等。

4.计算各分层的压缩量，根据分层的自重应力和附加应力变化范围，采用分层总和法公式计算压缩量。

5.将各分层压缩量相加，得到地基的总沉降量。

（三）考虑应力历史的沉降计算

对于存在超固结土的地基，需要考虑应力历史对沉降的影响。在计算沉降时，要区分土的前期固结压力和现有有效应力，采用相应的方法计算压缩量。常用的方法有经验修正法、考虑应力历史的分层总和法等。

（四）地基沉降计算的改进方法

随着对地基沉降问题研究的深入，出现了一些改进的地基沉降计算方法，如沉降计算经验系数法、有限元法等。沉降计算经验系数法是