土力学

土力学是利用力学的一般原理，研究土德物理、化学和力学性质及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学。

通常把支承基础的土体或岩体称为地基；基础是将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。

在天然状态下，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。简称三相体系。

固体颗粒构成土的骨架，其大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土物理学性质的重要因素。土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。矿物颗粒分为：原生矿物和次生矿物。黏土矿物主要分为：蒙脱石，伊利石，高岭石。

土粒粗细粒组：巨粒、粗粒、细粒三个统称；再按200mm、60mm、2mm、0.075mm、0.005mm细分为：漂石（块石）、卵石（碎石）、砾粒、粉粒和黏粒。

土的颗粒级配：颗粒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的土的粒径。曲线平缓则表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，级配良好，反之不良。工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映土粒颗粒级配的不均匀程度。

Cu=d60/d10 Cc=(d30)²/(d10×d60)

d60—小于某粒径的土粒质量占土总质量60%的粒径，称限定粒径；d30，有效粒径；d10中值粒径；Cu反映了大小不同粒组的分布情况，Cc描述了级配曲线分布的整体形态，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，Cu＞5，级配良好；

Cu＜5，级配不良；2对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状，须同时满足Cu＞5和Cc=1~3两个条件时，才为级配良好，反之则不良。

颗粒分析实验的方法有：1筛分法；2沉降分析法

土中水的存在状态，按存在形态分有液态水、固态水和气态水。工程实践中的流沙、管涌、冻胀、渗透固结、渗流时的边坡稳定等问题都与土中水的运动有关。

土的构造是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及他们之间的连接特征，而构造是指土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征，亦称为宏观结构。一般分为单粒结构、蜂窝结构（0.005~0.075mm）及絮凝结构。土的构造的最主要特征就是成层性，即层理构造，它是在土的形成过程中，由不同阶段的沉积的物质成分、颗粒大小或颜色的不同，而沿竖向呈现的成层特征。土的构造的另一特征是土的裂隙性。这些构造特征都会造成土的不均匀性。

三个基本试验指标：1土的天然密度ρ=m/V 2土的含水量ω=土中水质量/土中颗粒质量3土粒相对密度 ds=土粒密度/纯水密度

土粒相对密度，砂土（2.65~2.69）粉土（2.70~2.71）粉质黏土（2.72~2.73）黏土（2.74~2.76）有机质土的相对密度一般为2.4~2.5；泥炭土相对密度为1.5~1.8

最大孔隙比emax；最小emin；天然e；相对密实度Dr，Dr=emax-e/emax-emin

1≥Dr＞0.67密实 0.67≥Dr＞0.33中密 0.33≥Dr＞0松散

相对密实度试验适用于透水性良好的无黏性土，如纯砂、纯硕等。《建筑地基基础设计

规范》中采用标准贯入试验的锤击数N来评价砂类土的密实度，分为四个等级，松散（N≤10）、稍密（10＜N≤15）、中密（15＜N≤30）、密实（N＞30）

黏性土，就是指具有可塑状态性质的土，他们在外力作用下，可塑成任何形状而不产生裂缝，当外力去掉后，仍可保持原形状不变（可塑性）。

界限含水量指黏性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量。土由可塑状态变化到流动状态的界限含水量称为液限，用ωL表示；土由半固态变化到可塑状态的界限含水量称为塑限，用ωp表示；土由半固态不断蒸发水分，体积缩小，直到体积不再缩小时的界限含水量称为缩限，用ωs表示。

塑性指数Ip=ωL-ωp(不带百分数)，塑限指数能综合反映土的矿物成分和颗粒大小的影响，因此塑性指数常作为工程上对黏性土进行分类的依据。

液性指数IL=ω-ωp/Ip（用小数表示）＜0土体处于坚硬状态；＞1土体处于流动状态；0~1，土体处于可塑状态； 0＜I≤0.25硬塑、0.25＜I≤0.75可塑、0.75＜I≤1.0软塑

地基土的工程分类：按规范分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土六大类。

均质土的自重应力σcz=γz

根据弹性理论中圣维南原理可以证明，在基础底面下一定深度所引起的地基附加应力与基底荷载分布形态无关，而只与其合力的大小和作用点位置有关。

中心荷载作用下，作用在基底上的荷载合力通过基底形心，基底压力假定为均匀分布，

平均压力设计值可按下式计算p=F+G/A

偏心荷载作用时，pmax=2（F+G）/3b(l/2-e)

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，讲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关系称为极限平衡条件。若忽略其自身重力，则根据静力平衡条件，可求得任一截面m-n上的法向应力σ和剪应力τ为

{σ=1/2(σ1+σ3)+1/2(σ1-σ3)cos2α

{τ=1/2(σ1-σ3)sin2α

无黏性土的c=0，则其极限平衡条件为

σ1=σ3tan²(45°+φ/2)

σ3=σ1tan²(45°-φ/2)

压缩性指标：a=e1-e2/p2-p1

为了统一标准，一般采用p1=100kPa增加到p2=200kPa时所得的压缩系数a1-2

当a1-2＜0.1Mpa﹣¹时，为低压缩土

0.1Mpa≤a1-2＜0.5Mpa﹣¹时，为中压缩土

a1-2≥0.5Mpa时，为高压缩土

压缩指数：Cc=e1-e2/㏒p2-㏒p1

Cc＜0.2时为低压缩性土，Cc=0.2~0.4时，中压缩性土，Cc﹥0.4，为高压缩性土

三轴压缩试验的突出优点是：①试验能严格控制试样的排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙水压力的变化，从而可定量获得土中有效应力的变化情况；

②与直剪试验对比起来，试样中的应力状态相对的较为明确和均匀，不硬性指定破裂面位置；

③除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、侧压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。

三轴压缩试验；1，固结不排水剪（CU）2.不固结不排水剪（UU）3.固结排水剪（CD）

三种试验方法的适用范围：UU试验，地基为透水性差得饱和黏性土或排水不良，且建筑物施工速度快。常用于施工期的强度与稳定验算；CU试验，建筑物竣工后较长时间，突遇荷载增大。如房屋加层、天然土坡上堆载等；CD试验，地基的透水性较佳（如砂土等低塑性土）和排水条件良好（如黏土层中游夹砂层），而建筑物施工速度又较慢。

作用在挡土墙上的土压力：1主动土压力，2被动土压力，3静止土压力

郎金土压力的适用条件：假定挡土墙墙背竖直、光滑，填土面水平。

地基承载力:临塑荷载的表达式为pcr=3.14（γ0+c*cotφ）/(cotφ+φ-3.14/2)+ γ0d

其中 γ0表示基底标高以上的土的重度(kN/m³)

φ指地基土的内摩擦（弧度）

一般认为在中心垂直荷载下，塑性区的最大发展深度Ζmax=b/4，可得

P¼=3.14（γ0d+c*cotφ+γb/4）/(cotφ+φ-3.14/2)+ γ0d

偏心荷载作用下，改成1/3

地基基础设计和计算满足下面三个条件：

⑴在防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度。⑵控制地基的变形，使之不超过建筑物的地基变形允许值，以免引起基础和尚不结构的损坏或影响建筑物的正常使用功能和外观⑶基础的材料、形式、尺寸和构造除应适应上部结构、符合使用要求、满足上述地基承载力（稳定性）和形变要求外，还应满足对基础结构的强度、刚度和耐久性的要求。

浅基础的类型有：无筋扩展基础，扩展基础，柱下条形基础，筏形基础，壳体基础，岩层锚杆基础

无筋扩展基础的台阶宽高比要求bi/Hi≤tanα

bi无筋扩展基础任一台阶的宽度；Hi相应bi的台阶高度；tanα，宽高比的允许值

基础埋置深度的选择：为了保护基础不受人类和其他生物活动等的影响，基础宜埋置在地表以下，其最小埋深为0.5m，且基础顶面宜低于室外设计地面0.1m，同时又要便于周围排水沟的布置。当寻在相邻建筑物时，新建筑物基础埋深不宜大于原有建筑物基础。当埋深大于原有建筑物基础时，两基础之间应保持一定净距，其数值应根据原有建筑物荷载大小，基础形式和土质情况，一般不宜小于基础地面高差的1~2倍。当上述要求不能满足时，应采取分段施工，设置临时加固支撑、打板桩、地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基。

地基承载力：根据规范，当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，按以下式修改地基承载力特征值

fa=fak+ηb*γ（b-3）+ηd*γm（d-0.5）

fak—地基承载力特征值（kPa）

ηb、ηd—分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数

γ—基础底面以下的重度（kN/m³）

b—基础面宽度（m），当b＜3m时按3m取值，b＞6m时按6m取值

d—基础埋置深度（m），一般至室外地面标高算起

确定基础尺寸前，必须进行地基承载力验算，pk≤fa，pkmax≤1.2fa

偏心荷载作用下pkmax=Fk+Gk/A+Mk/W=Fk+Gk/l*b+(1+6ek/l)

或当pkmin＜0时，pkmax=2（Fk+Gk）/3ba

软弱下卧层和直立层验算pz+pcz≤fak

矩形基础附加应力为

Pz=lb（pk-γm*d）/(l+2z*tanθ)(b+2z*tanθ)

条形基础附加应力为

Pz=b（pk-γm*d）/(b+2z*tanθ)

地基变形验算：高层建筑横向整体倾斜容许值，人眼可见为1/25=0.004，破坏值为1/150

按桩的设置效应分类：⑴非挤土桩⑵部分挤土桩⑶挤土桩

按桩身材料：混凝土桩、钢桩、木桩及组合材料桩

按桩径大小：小桩（d≤250mm）、普通桩（250＜d＜800）、大直径桩（d≥800）