土力学总结（华中科技大学武昌分校专版）

土力学总结

一、绪论

1.1

土力学、地基及基础的概念

1. 土：土是连续、坚固的岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积而形成的散粒堆

积物。

2. 地基：地基是指 支撑基础的土体或岩体。（地基由地层构成，但地层不

一定是地基，地基是受土木工程影响的地层）。

3. 基础：基础是指墙、柱地面下的延伸扩大部分。其作用是将结构承受的

各种作用传递到地基上的结构组成部分。（基础可以分为浅基础和深基础）

4. 持力层：持力层是指埋置基础，直接支撑基础的土层。

5. 下卧层：下卧层是指卧在持力层下方的土层。（软弱下卧层的强度远远

小于持力层的强度）。

6. 基础工程：地基与基础是建筑物的根本，统称为基础工程。

7. 土的工程性质：土的散粒性、渗透性、压缩性、整体强度（连接强度）

弱。

8. 地基与基础设计必须满足的条件：①强度条件（按承载力极限状态设计）：

即结构传来的荷载不超过结构的承载能力

；②变形条件：按正常

使用极限状态设计，即控制基础沉降的范围使之不超过地基变形的允许值

二、土的性质及工程分类 2.1 概述

土的三相组成：土体一般由固相（固体颗粒）、液相（土中水）、气相（气体） 三部分组成，简称为三相体系。 2.2 土的三相组成及土的结构

（一）土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。矿物颗粒的成分有两大类：（1）原生矿物：即岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、

云母等。（2）次生矿物：系原生矿物经化学风化作用后而形成的新的矿物（如粘土矿物）。它们的颗粒细小，呈片状，是粘性土固相的主要成分。次生矿物中粘性矿物对土的工程性质影响最大 —— 亲水性。

粘土矿物主要包括：高岭石、蒙脱石、伊利石。蒙脱石,它的晶胞是由两层硅氧晶片之间的夹一层铝氢氧晶片所组成称为2:1型结构单位层或三层型晶胞。它的亲水性特强工程性质差。伊利石它的工程性质介于蒙脱石与高岭石之间。高岭石，它是由一层硅氧晶片和一层铝氢氧晶片组成的晶胞，属于1:1型结构单位层或者两层。它的亲水性、膨胀性和收缩性均小于伊利石，更小于蒙脱石，遇水稳定，工程性质好。

土粒的大小称为粒度。在工程性质中，粒度不同、矿物成分不同，土的工程性质也就不同。工程上常把大小、性质相近的土粒合并为一组，称为粒组。而划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土粒粒组先粗分为巨粒、粗粒和细粒三个统称，再细分为六个粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、砾粒、砂粒、粉粒和黏粒。

土中所含各粒组的相对含量，以土粒总重的百分数表示，称为土的颗粒级配。土的级配曲线的纵坐标表示小于某土粒的累计质量百分比，横坐标则是用对数值表示土的粒径。由曲线形态可评定土颗粒大小的均匀程度。若曲线平缓则粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均匀，级配不良。 工程中常用不均匀系数

和曲率系数

来反映土颗粒的不均匀程度。

—小于某粒径的土粒质量总土质量10%的粒径，称为有效粒径； —小于某粒径的土粒质量总土质量30%的粒径，称为中值粒径； —小于某粒径的土颗粒质量占总质量的60%的粒径，称限定粒径。

工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断： ① 对于级配连续的土:

＞5，级配良好；

＜5，级配不良。

难以全面有效

② 对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状，采用单一指标地判断土的级配好坏，需同时满足良好，反之级配不良。

＞5和

=1～3两个条件时，才为级配

确定土中各个粒组相对含量的方法称为土的颗粒分析试验 1 筛分法（对于粒径大于0.075mm的粗粒土）

2 沉降分析法（对于粒径小于0.075mm的细粒土）有密度计法和移液管法 （二）土中水按存在形式分为液态水、固态水和气态水。固态水又称为内部晶格水或内部结合水，是指存在于土粒矿物晶体格架内部或是参与矿物构造的水；土中的液体水分为结合水和自由水（有重力水和结合水两类）。结合水是受电分子作用吸附于土粒表面成薄膜状的水。它又可以细分为强结合水和弱结合水（弱结合水的水膜厚度对工程性质影响很大）。自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。自由水按所受作用力的不同可以分为重力水和毛细水。重力水是存在于地下水位以下、土颗粒电分子引力范围以外的水。毛细水是受到水与空气交界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水层中的自由水。若毛细水上升至地表，会引起土质盐渍化、沼泽化，而且会使地基润湿，强度降低，变形增大。在寒冷地区还会促使土的冻胀，地下室会过分潮湿，故在工程中要注意防潮、防冻。

（三）土中气体存在于空隙中未被水占据的部分。封闭气体对土的工程性质影响较大。

土的结构是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征排、列形式以及它们之间的连接特征，而构造是指土层的层理、裂隙和大空隙等宏观特征，亦称为宏观结构。土的结构和构造对土的性质影响很大，一般分为单粒结构、蜂窝结构及絮凝结构三种基本类型。单粒结构——无粘性土特有的结构，形成原因为颗粒大、靠自重、引力小，单粒结构可以是疏松的，可以是紧密的。紧密状单粒结构的土是较为良好的天然地基。疏松单粒结构的土如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。联结结构——粘性土特有的结构，形成原因是颗粒小、靠联合、引力大、有连结。类型有蜂窝结构（粉粒0.0750.005）和絮凝结构（粘粒＜0.005）。絮凝沉积形成的土在结构上是极不稳定的，随着溶液性质的改变或震荡后可重新分散。

土的构造最主要的特征就是层理性，即层理构造。 2.3土的物理性质指标

土的九个物理性质指标（其中有三个基本指标）

A．三个基本指标

⑴ 土的天然密度：土体单位体积的质量。

⑵ 土的含水量w：土中水的质量

与土粒质量之比。

⑶ 土粒相对密度：土的固体颗粒

质比。

量与同体积4°C时纯水的质量之

—纯水在

或1

。

的密度（单位体积的质量），等于1

可在实验室采用“比重瓶法”测定。 B、反映土单位体积质量（或重力）的指标 ①土的干密度以

表示，

：土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度，并

②土的饱和密度围内。

： 土孔隙中充满水时单位体积质量。一般在1.8～2.3范

③土的有效密度（或浮密度）

：地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣

除同体积的水的质量后，即单位土体积中土粒的有效质量。

′

C、反映土孔隙特征、含水程度的指标

①土的孔隙比e（用小数表示）：土中孔隙体积与土粒体积之比，称为土的孔隙比e 。

n 。

②土的孔隙率n：土中孔隙比于总体积的比值（用百分数表示）称为土的孔隙率

孔隙比和孔隙率都是反映土体密实程度的重要物理指标。一般e﹤0.6的土是密实的，土的压缩性小;e﹥1.0的土是疏松的压缩性高。

③土的饱和度

：（反映土潮湿程度的物理性质的指标）土中水的体积与

空隙体积之比称为土的饱和度，以百分率计。

2.4 无黏性土的密实度

判断无黏性土的密实度最简单的方法是用空隙比e表示，但是由于颗粒的形状和级配对土的孔隙比有着很大的影响，所以，工程中常用相对密实度表示。

根据

（ 一般以百分数表示）的值可以把砂土的密实状态分为三种：

密实 中密 松散

还可以通过采用标准贯入实验的锤击数来评价砂类土的密实度，根据N可将砂土分为松散、稍密、中密与密实四种密实度。如果是碎石可以根据野外鉴别方法划分为密实、中密、稍密、松散四种密实度状态。 2.5 黏性土的物理特性

①黏性土的概念

黏性土就是具有可塑状态性质的土，它们在外力的作用下，可塑成任何形状而不长生裂缝，当外力去掉后，仍可以保持原形态不变。

②黏性土的界限含水量：黏性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。

液限(

）：土由可塑状态变化到流动状态的界限含水量；土处于可塑状态

的最大含水量，稍大即流态；土的界限含水量；

塑限(

)：土由半固态变为可塑状态的界限含水量；土处于可塑状态的最小

含水量，稍小即半固态；

缩限(

)：土由固态变为半固态的界限含水量；土处于半固态的最小含水量，

稍小即为固态。

缩限 塑限 液限 含水量 固态 半固态 可塑状态 流动状态

我国目前采用锥式液限仪来测定黏性土的液限，塑限多用“搓条法”测定。 ③黏性土的塑性指数和液性指标数

塑性指数

：液限与塑限之差值。习惯上用不带%的百分数表示。取小数点

后一位，第二位四舍五入。塑性指数常作为工程上对黏性土进行分类的依据。

液限指数

：表征土的天然含水量与分界含水量之间的相对关系的指标。表

示黏性土的软硬程度，一般用小数表示。黏性土根据液性指数可划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种软硬状态。

④黏性土的灵敏度和触变性

灵敏度即土的结构性，当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高，工程上常用灵敏度来衡量黏性土结构性对强度的影响。根据灵敏度可将饱和黏性土分为低灵敏度、中等灵敏度和高灵敏度三类。土的灵

敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在基础工程设施中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。

触变性：指黏性土扰动后的抗剪强度随时间自行恢复的能力（属于胶体化学性质），这种性质主要表现在某些软粘土扰动后，结构虽然破坏，强度降低，但土的强度随时间又会逐渐增长，这是因为土体中土颗粒，离子和水分子体系随时间而逐渐趋于新的平衡状态的缘故。 2.6 土的渗透及渗流

①渗流的概念：土孔隙中的自由水在重力作用下，只要有水头差，就会发生动。水透过土孔隙流动的现象，称为渗流或渗透，而土被水流透过的性质，称为土的渗流。

②层流渗透定律：一般土的空隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此，多数情况下其流动状态属于层流，即相邻两个水分子的运动的轨迹相互平衡而不是混流。

达西定律：

其中：—单位渗水量

i—水力梯度或水力坡度，V—渗透速度

k—土的渗透系数，是反映土的透水性大小的系数，物理意义为：单位水力梯度i=1时的渗透速度

少数黏土服从修正的达西定律：③渗透系数

常用的水的渗透系数的测定方法，室内有常水头法和变水头法，室内测定的渗透系数用表示：

现场抽水试验中测定的渗透系数：

；碎土等服从哲才定律。

④动力水及渗流破坏

动水力：水流作用在单位体积中土颗粒上的力。也叫渗流力. 动水力的公式：

临界水头梯度：

′

几种形式的渗透破坏： ① 流砂：地下水自下向上渗透时,渗透产生的动水压

力大于土体的有效重力,土颗粒之间的有效应力等于零,土颗粒悬浮在水中,随水一起流动的现象。②管涌 ：当地下流动的水力坡度很大时，水流由层流变为紊流，此时渗透力将土体粗粒孔隙中充填的细粒土带走，最终导致土体内部形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象就叫做管涌。③潜蚀 在自然条件下发生的渗透破坏，分为机械和化学潜蚀，机械潜蚀指渗流的机械力将细粒土冲走而形成洞穴：化学潜蚀是指水流溶解了土中的易溶盐和胶结物使土变得松散，细粒土被冲走而形成洞穴。后果：形成土洞，不断扩大，导致地表塌陷，使建筑物破坏。

2.7 土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的现象。 2.8 地基土的分类

A、岩石（颗粒间牢固联结，呈整体或具有解理裂隙的岩体）

B、碎石土（指粒径大于2mm的颗粒含量超过50%的土，根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石、块石、卵石、圆砾和角砾，碎石土的密实度可按锤击数分为松散、稍密、中密、密实）

C、砂土（指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%而粒径大于0.075mm

的颗粒超过全重50%的土。可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂）

D、粉土（指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%，且塑性指数小于或等于10的土，其性质介于黏性土和砂土之间）分为砂质粉（粒径小于0.005mm

的颗粒含量不超过全重的10%）和粘质粉土（粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重的10%）粉土的密实度与天然那孔隙比有关。 ，

E 、黏性土（指塑性指数大于10的土）

其分类，

按黏性土的状态可以分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑； 按沉积年代可以分为：老黏土、一般黏土、新近沉积黏土。

F、人工填土（是指由于人类活动而堆填形成的各类土） 可以分为素填土、杂填土、充填土。 G、特殊土

特殊类土有软土、红黏土、膨胀土、黄土、多年冻土和盐渍土，他们的工程性质特殊，所以在工程建筑中要特别的注意。

三、土中应力计算

3.1 土的自重应力

概念：由土自重引起的应力即为土体的自重应力。 计算公式：均质土的自重应力

成层土的自重应力

注意：——第i层土的天然重度，若土在地下水位线以下则应用有效重度来表示。

绘制土的自重应力曲线的步骤：①建立标准坐标系；②确定特征点的编号〈地面、土层界面、地下水位面、不透水层面〉;③计算各点的竖向自重应力，应用公式

和微薄压缩层地基:H＜0.5b

计算步骤：①根据条件按比例绘制p-e图；②分层，分层原则 厚度≤0.4b，天然土层分界处，地下水位处；③计算各分层界面的自重应力和附加应力并绘制应力分布图；④确定地基沉降深度取

，对于一般土取

若遇到软土则

；⑤计算每层土的平均自重应力和平均附加应力；⑥计算每层土

的变形量，根据计算公式 ；⑦计算最终沉降量，将沉降

深度范围内的各层土的沉降量相加⑵《建筑地基基础设计规范》方法

计算假定条件：a 地基土为均质：b 压缩性指标深度而改变。

。

，对某一土层是常数，不随

重要结论：计算地基土某一层的最终稳定沉降量就归结为求该土层的附加应力面积再除以该土层的压缩模量。

计算原理：

经过修正后的最终地基沉降量s

计算公式

：

地基沉降计算深度

①一般通过“变形比”试算确定：

②若无相邻荷载影响，基础宽度在1～30m的范围内时，基础中点的地基沉降量

③若沉降计算深度范围内存在基岩时，可以取至基岩表面。

计算步骤：①求基底压力和基底附加压力；②确定沉降计算深度；③沉降计算；④确定沉降经验系数。 4.3 应力历史对地基沉降的影响 ⑴天然土层应力历史

应力历史：是指土在形成的地质年代中经受应力变化的情况。天然土层划分为三种固结状态。

①超固结状态：天然土层在地质历史上受到过的固结压力大于目前的上覆压力。

②正常固结状态：指的是土层在历史上最大固结压力作用下压缩稳定，但沉积后土层厚度无大变化，以后也没有受到过其它荷载的继续作用的情况。 ③欠固结状态：土层逐渐沉积到现在地面，但没有达到固结稳定状态。 4.4 地基变形与时间的关系

饱和粘土在压力作用下，孔隙水将随时间的迁延而逐渐被排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一过程称为饱和土的渗透固结。渗透固结所需时间的长短与土的渗透性和土层厚度有关，土的渗透性愈小、土层愈厚，孔隙水被挤出所需的时间就愈长。

固结：饱和粘性土的压缩随时间而不断增长的过程。

饱和土的渗透固结也就是孔隙水压力逐渐消散和有效应力相应增长的过程。 孔隙水压力：作用在孔隙水中的压力，也称为超静水压力。 有效应力：土粒承受和传递的压力，即颗粒间的接触应力。 太沙基一维固结理论假设：

4 土中水的渗流只沿竖向发生，而且渗流服从达西定律，土的渗透系数k为常数。 9 相对土的孔隙，土颗粒和土中水都是不可压缩的，因此，土的变形仅是孔隙体积压缩的结果压缩定律。

13 土是完全饱和的，土的体积压缩量同土的孔隙中排出的水量相等，而且压缩变形速率取决于途中水的渗流速率。

固结度：地基在荷载作用下，历经的时间t的固结沉降量比值。

与其最终沉降量

的

地基固结过程中任意时刻的沉降量计算步骤：①计算地基附加应力沿深度的分布；②计算地基最终沉降量；③计算土层的竖向固结系数和时间因数；④求解地基固结过程中某一时刻t的沉降量，或者沉降量达到已知数值所需要的时间.

用到的公式有：

双面排水H取土层厚度的一半，单面排水H取土层厚度。

五、土的抗剪强度

5.1 土的抗剪强度：是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。 ①砂土抗剪强度的表达式 ②粘性土抗剪强度的表达式 ③土的有效应力强度的表达式

（黏性土） （无黏性土）

C——粘性土的粘聚力；——土的内摩擦角；c和是地基土的两个力学性质指标

⑵莫尔─库伦强度理论

当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，将该点即濒于破坏的临界状态称为“极限平衡状态”。表征该状态下各种应力之间的关系称为“极限平

衡

条

件

”

。

M点莫尔应力圆整体位于抗剪强度包线的下方，莫尔应力圆与抗剪强度线相离，表明该点在任何平面上的剪应力均小于土所能发挥的抗剪强度，因而，该点未被剪破。

M点莫尔应力圆与抗剪强度包线相切，说明在切点所代表的平面上，剪应力恰好等于土的抗点破坏面的抗剪强度，该点就处于极限平衡状态，莫尔应力圆亦称极限应力圆。由图中切点的位置还可确定 M点的破坏面的方向。

M点莫尔应力圆与抗剪强度包线相割，M点早已破坏。实际上圆所代表的应力状态是不可能存在的，因为M点破环后，应力已超出弹性范畴。

莫尔-库仑强度理论

在极限平衡条件下某破坏截面的最大和最小应力： 对于黏性土而言:

对于无黏性土而言:

其破坏面与大主应力作用面间的夹角5.2 抗剪强度的测定方法

①直接剪切试验使用的仪器称为直接剪切仪（简称直剪仪），分为应变控制式和应力控制式两种。前者对试样采用等速剪应变测定相应的剪应力，后者则是对试样分级施加剪应力测定相应的剪切位移。

硬粘土和密实砂土曲线的 可出现剪应力土的的峰值 ，即为土的抗剪强度。过峰值后强度随剪曲切位移增大而降低，称应变软化特征；

软粘土和松砂曲线 则往往不出现峰值，强度随剪切位移增大而缓慢增大，称为变硬化特征。

②三轴压缩试验（室内）：三轴压缩试验是一种比较完善的测定土抗剪强度试验方法，与直接剪切试验相比较，三轴压缩试验试样中的应力相对比较明确和均匀。其中绘极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包线。 ③无侧限抗压强度试验

④十字板剪切试验 在土的抗剪强度现场原位测试方法中，最常用的是十字板剪切试验。它具有无需钻孔取得原状土样而使土少受扰动，试验时土的排水条件、受力状态等与实际条件十分接近，因而特别适用于难于取样和高灵敏度的饱和软粘土。通过测力设备测出最大扭矩M，据此可推算出土的抗剪强 5.4

土的抗剪强度指标

粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标 ① 固结不排水剪，又称固结快剪，以符号CU表示 ②不固结不排水剪，又称快剪，以符号UU表示 ③固结排水剪，又称慢剪，以符号CD表示

六、土压力、地基承载力和土坡稳定

6.1 概述

挡土墙是指防止土体坍塌的构筑物。

分类：重力式『直立式（墙被与铅垂面重合）、俯斜式（墙被与铅垂面有逆时针夹 角）仰斜式（墙被与铅垂面有顺时针夹角）』、悬臂式（三块板均设有钢筋混凝土板， 配筋放在受拉区）、扶壁式、衡重式。

挡土墙的土压力指挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。 地基承载力：指地基单位面积承受荷载的能力。 6.2 作用在挡土墙上的土压力

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