土力学调研报告

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一、课题的来源及意义：

由于土具有压缩性，有效应力的变化必然伴随着土体的变形，导致基础的沉降。建筑物基础的沉降除了与建筑物在地基中所引起的附加应力有关以外，还与土的压缩性、土的种类、各层土的厚度有关。

如果建筑物基础的沉降量或不均匀沉降超出其容许值，建筑物可能出现倾斜、开裂等工程事故，影响正常使用。因此，进行建筑物地基基础设计时，必须根据建筑物的情况和勘探实验资料，计算基础可能发生的沉降量和不均匀沉降，并设法将其控制在建筑物容许范围之内。土的压缩性研究和地基沉降计算由此进入人们的视野。

沉降计算及预测是地基处理的重要内容，公路或其他地基处理的每一个环节都与沉降计算及预测息息相关。在设计阶段，变形的大致估算或预测是选择和确定处理方法的依据;在施工阶段，变形预测是采用超载等处理手段的决策基础;在工后阶段，沉降预测是评价软基处理质量的主要指标及制订维修养护计划的重要参考。

二、国内外发展状况：

现有的土木工程问题都可归纳为三大课题，即强度课题、变形课题和稳定课题，房屋建筑的地基沉降计算便是变形课题。评价一个地基基础设计或土工构筑物设计是否适用，常常需要估算建筑物下面的基土由于静荷载作用所引起的竖向位移。任何建筑物只能允许有限的移动，工程实践表明，大多数地基事故皆由地基变形过大而不均匀所造成，所以正确计算和控制基础的差异沉降和总沉降使其不超过容许值是至关重要的。近年来，人们对土力学的诸多方面的研究都有突破，但对地基变形的研究却少有进展。

从规范的修订历程来看，建筑物的地基变形允许值并无太多变化，但涉及到变形验算的建筑物范围加大了。重要的、有纪念性的大型房屋或构筑物和对地基有特殊要求的建筑物应进行变形验算，一般房屋建筑，只在容许承载力满足了设计要求，就意味着稳定和变形也满足了。因为规范定义的容许承载力系指在保证地基稳定的条件下，房屋和构筑物的沉降量不超过容许值的地基的地基承载力。把强度、变形、稳定混为一谈是本规范的不足之处。《建筑地基基础设计规范》（gbj7—2011）中规定，安全等级为一级的所有建筑及安全等级为二级的部分建筑应进行变形验算，对于一部分中、小房屋，当采用地基承载力标准值设计基础面积及埋深后，其变形亦同时可满足要求时才不进行变形验算，明确了按变形设

计的原则。

规范中把承载力标准值定义为系按标准方式试验并经过统计处理的数值，把承载力标准值、地基沉降计算值及地基稳定生评价区分开来作为硬性指标来评价某些建筑物的适用性，应该说比先前的规范进步了。新修订的《建筑地基基础设计规范》（gb5007—2011）中规定，地基基础设计等级为甲、乙级的建筑物，均应按地基变形设计，部分丙级建筑物也应作变形验算，充分体现了地基设计按变形设计的原则。规范中地基承载力特征值指由载荷试验测定的地基土压力—变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限。可见地基承载力特征值只是在特定条件下保证地基不发生强度破坏的一个值，而地基变形则变成影响房屋建筑正常使用的一个关键指标。

从规范的修订历程，还可以看出用载荷板试验确定承载力的微妙变化：tj7—74规范是以按土的物理力学指标查表确定为主，用载荷板试验确定为辅；用载荷板试验确定容许承载力时，对低压缩性土取比例界限值为容许承载力，对中、高压缩性土取沉降与压板宽度之比为0.02时所对应的压力为容许承载力；gbj7—89规范是以用载荷板试验确定为主，以按土的物理力学指标查表确定为辅。gb5007—2011规范突出了强调了原位测试试验，取消了按土的物理力学指标查表确定的方法，说明了规范朝着科学的方向迈出了一大步。由此可见，建筑物的沉降量计算的控制问题已越来越引起人们的重视。

随着各国建设水平的不断提高，人们逐渐认识到，地基沉降计算仍然有用假定一维压缩、柔性基础、采用附加应力计算的传统“分层总和法”已经不能满足工程建设的需要，因为现实的深基坑对回弹再压缩变形、基础刚度、超补偿设计、地基基础相互作用等问题必须予以考虑，所以考虑地基土单元体处于三向应力状态的实际条件，并计入地基土分层、基础形状、基础刚度等因素对沉降的影响的计算方法应是主流方向。欧洲规范（eurocode）即是在此基础上按弹性理论求解获得计算公式。上文提到的我国有三本规范使用修正的叶果洛夫方法也是按此方向做出的努力。另外，工程经验体现了一个地区的建设特点，是理论分析不能解释和取代的，注重积累并进行反演分析会不断完善土力学理论。

三、本课题的研究目标和方法：

与金属等其它连续介质材料不同，土受压力作用后的压缩并非瞬间完成，而是随时间逐步发展并趋稳定的。土体压缩随时间发展的这一现象或过程称为固结。因此，土的压缩和固结是密不可分的，压缩是土固结行为的外在表现，而固结是土压缩的内在本质。

关于现今的几种研究计算方法，作简单描述。

综合国内外有关资料，天然地基浅基础的沉降计算方法可分为如下几种。

1.分层总和法

其含义是将地基分为若干个水平土层，各土层的厚度分别为h1，h2，h3，"，hn。s1，s2，s3"，sn。然后累计起来，即为地基总的沉降量s。

s=s1+s2+s3+"sn

分层总和法是工程中使用最多的沉降计算方法，其基本原理是先求出地基土的竖向应力，然后利用室内压缩试验测出的压缩曲线、压缩指标、压缩系数或压缩模量计算分层沉降量然后再对其求和。其中e-lgp曲线法能够考虑地基土的应力历史，分别计算正常固结土、超固结土和欠固结土情况下路基土的最终固结沉降量。

分层总和法计算的沉降值一般与实测值不大一致，主要原因是：

一、分层总和法计算所做的几点假定与土体的实际情况不完全符合;

二、土的压缩性指标、试样的代表性、取原状土的技术及试验手段的精确度都存在一些问题。

三、软土一般都具有明显的流变特性，分层总和法没有考虑到由于流变而引起的附加沉降量。这些计算方法所采用的计算参数都是在完全侧限条件下测到的，没有考虑土的侧向变形的影响，故而计算结果会有一定的偏差。

2.三维沉降计算方法

地基土在荷载作用下实际上是处于三向应力状态，其沉降除包括竖向压缩变形外，侧向变形引起的沉降也是不可忽视的，尤其在软土地基中，高含水量和流变特性使侧向变形引起的沉降在地基总沉降中占有相当大的比重。所以对于软土地基一般情况下都是考虑三维条件下的沉降变形。

除近代随着计算机发展兴起的有限单元法能够全面的考虑地基土的三维受力状态外，现有的三维沉降计算方法大致可分为三类：第一种是在计算沉降时假定地基土体为各向同性弹性体，从弹性理论的应力应变关系出发计算沉降变形量，如黄文熙三维压缩法;第二种是利用室内试验模拟出三维应力的影响，根据试验所得参数计算沉降量，如lambe的应力路径法，司开普顿一比伦的半经验法;还有一种方法就是将一维沉降计算结果乘上一个经验修正系数来反映侧向变形对最终沉降量的影响，如我国《建筑地基基础设计规范》推荐沉降计算方法，经验系数是通过大量实测资料统计分析后得到的一个范围值。

3.有限单元法

当由于荷载所引起的附加应力在整个土层内变化特别明显，以致于压缩模量不能假定为恒值时，采用线性弹性理论就不合适了，在这种情况下，可以利用数值方法如有限单元来来进行分析，这个方法能考虑模量随深度以及横向位置而变化，虽然这个方法已取得相当成功，但由于模型参数的确定和计算工作量较大，

并且这种方法目前所积累的技术储备较少，因此还不适用于常规设计。其主要计算步骤是：

（1）把荷载或者位移增量应用于地基分析中，然后用室内试验得到的初始模量进行一次线性有限元分析；

（2）根据步骤（1）所确定的应力状态以及室内获得的模量与应力水平的相关资料，再计算各个结点的模量；

（3）按照修正后的模量值，再重新计算应力状态，然后重复步骤（2），并得到第二次修正了的应力状态。重复进行上述计算过程，直到满足收敛性要求。

4.反分析法计算沉降量

反分析法是根据工程现场实测的位移信息反演确定出各类未知参数，然后利用反演求出的参数再计算沉降量的方法。通过位移反分析方法进行地基沉降变形预测国内外已进行了广泛的研究。在本构模型方面，反分析法已经由弹性模型发展到了弹塑性和粘弹塑性模型，弹塑性和粘弹塑性位移反分析方法的理论发展很快，但实寄应用上存在许多困难，主要是隐式非线性问题只能用直接法确定最优参数值，效果不佳。进行反分析计算需要可靠和完整的观测数据，反算某些参数时应对其他一些辅助参数要进行实测或者估计。进行反分析首先要对整个反分析数学模型做某种假定，这些假定的合理与否将直接影响反分析结果的准确性，在模型选择、介质特性假定等方面，经验的工程判断将会起到重要作用。这样以来就会在无形中给反分析法计算地基沉降量带来一些人为因素引起的误差。

如果说外荷载（附加应力）是引起地基变形的外因，那么土具有压缩性就是地基变形的根本内因。因此，研究土的压缩性是合理计算地基变形的前提，也是土力学中重要的研究课题之一。而研究地基的沉降和具体的沉降计算，可以把实验室中土的压缩性研究结论应用到实践中去，强化并检验实验室中的研究成果。同时，因为地基沉降计算在工程中的重要地位，探究并改善地基沉降计算方法也是土建共同的大课题，也可以帮助我们强化所学知识，实践理论结合才是。

四、本文的探究方法

本文试着在实验室对工程实地的软粘土进行进行控制含水率为变量和控制干密度为变量的逐级加载的压缩试验，探究干密度、含水率对土体压缩性质的影响，同时观测记录变形量并根据经验公式计算相关的沉降指标，然后绘制对应的图像，拟合公式并应用到工程实例中来初步计算沉降量。

五、试验任务和进度安排

详见任务书和进度表

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第二篇：土力学总结一、名词解释

1.最优含水率。在击数一定时，当含水率较低时，击实后的干密度随着含水率的增加而增大；而当含水率达到某一值时，干密度达到最大值，此时含水率继续增加反而招致干密度的减小。干密度的这一最大值称为最大干密度，与它对应的含水率称为最优含水率。

2.静止侧压力系数。土体在无侧向变形条件下，侧向有效应力与竖向有效应力之比值。

3.抗剪强度。土体抵抗剪切变形的最大能力或土体频临剪切破坏时所能承受的最大剪应力称为土的抗剪强度。

4.主动土压力。当挡土墙离开填土移动，墙后填土达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力。

5.允许承载力：地基频临破坏时所能的基底压力称为地基的极限承载力，将土中的剪切破坏区限制在某一区域范围内，视地基土能承受多大的基底压力，此压力即为允许承载力。容许承载力等于极限承载力除以安全系数。管涌：管涌是渗透变形的一种形式.指在渗流作用下土体中的细土粒在粗土颗粒形成的空隙中发生移动并被带出的现象.被动土压力：当挡土墙向沿着填土方向转动或移动时，随着位移的增加墙后受到挤压而引起土压力增加，当墙后填土达到极限平衡状态时增加到最大值，作用在墙上的土压力称为被动土压力。土：是各类岩石经长期地质营力作用风化后的产物，是由各种岩石碎块和矿物颗粒组成的松散集合体。

粒组。将工程性质相似，颗粒大小相近的土粒归并成组，按其粒径大小分成若干组别，称为粒组。

土的结构。指组成土的土粒大小、形状、表面特征，土粒间的连结关系和土粒的排列情况，其中包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布特点。

塑性指数。粘性土中含水量在液限与塑限两个稠度界限之间时，具有可塑性，且可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映，这差值就称为塑性指数ip。即

渗透系数：反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同。其物理含义是单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。角点法：利用角点下的应力计算公式和应力叠加原理推求地基中任意点的附加应力的方法称为角点法。

侧限压缩模量。土在完全侧限条件下，竖向附加应力σz与相应竖向应变εz之比值，即es=σz/εz。

附加应力。在外荷作用下，土体中各点产生的应力增量。

基底压力。基础底面传递给地基表面的压力，由于基底压力作用于基础与地基的接触面上，故也称基底接触压力。

平均固结度。土层发生渗流固结，在某一时刻t，土层骨架已经承担起来的有效应力对全部附加压应力的比值，称为土层的平均固结度。

极限承载力：地基从局部剪损破坏阶段进入整体破坏阶段，即将丧失稳定性时的基底压力。临界荷载：塑性区最大深度限制在基础宽度的四分之一（或三分之一）时相应的基底压力。容许承载力：地基稳定有足够的安全度，并且变形控制在建筑物的容许范围内时，单位面积所能承受的最大荷载

应力。

库仑定律：当土所受法向应力不很大时，土的抗剪强度与法向应力可近似用线性关系表示，这一表征土体抗剪强度与法向应力的公式即为库仑定律表达式

式中：c-内聚力，υ-内摩擦角，σ-法向应力，τf-抗剪强度。固结不排水试验：施加周围压力，打开排水阀门，允许排水固结，固结完成后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在排水的条件下剪切破坏的三轴压缩试验

二、是非题（每题1分）1.附加应力大小只与计算点深度有关，而与基础尺寸无关。（×）2.完全饱和土体，含水量w=100％

（×）

3.固结度是一个反映土体固结特性的指标，决定于土的性质和土层几何尺寸，不随时间变化。（×）4.饱和土的固结主要是由于孔隙水的渗透排出，因此当固结完成时，孔隙水应力全部消散为零，孔隙中的水也全部排干了。（×）5.土的固结系数越大，则压缩量亦越大。（×）6.击实功能（击数）愈大，土的最优含水率愈大。（×）

7.当地下水位由地面以下某一深度上升到地面时地基承载力降低了。（√）

8.根据达西定律，渗透系数愈高的土，需要愈大的水头梯度才能获得相同的渗流速度。（×）9.三轴剪切的cu试验中，饱和的正常固结土将产生正的孔隙水应力，而饱和的强超固结土则可能产生负的孔隙水应力。

（√）10.不固结不排水剪试验得出的值为零（饱和粘土）。

（√）

三、填空题（每题3分）1.土的结构一般有（单粒结构）（蜂窝状结构）和（絮状结构）等三种，其中（絮状结构）是以面～边接触为主的。

2.常水头渗透试验适用于（透水性强的无粘性土），变水头试验适用于（透水性差的粘性土）。

3.在计算矩形基底受竖直三角形分布荷载作用时，角点下的竖向附加应力时，应作用两点，一是计算点落在（角点）的一点垂线上，二是b始终指（宽度）方向基底的长度。

4.分析土坡稳定的瑞典条分法与毕肖甫法其共同点是（假设滑动面是圆弧面）、（假定滑动体为刚体），不同点是（条分法不考虑条间力）。

5.地基的破坏一般有（整体剪切破坏）、（局部剪切破坏）和（冲剪破坏）等三种型式，而其中（整体剪切）破坏过程将出现三个变形阶段

。

1、无粘性土的性质主要取决于颗粒的粒径和级配。

2、用三轴试验测定土的抗剪强度指标，在其它条件都相同的情况下，测的抗剪强度指标值最大的是固结排水剪切试验，最小的是不固结不排水剪切试验。

3、评价粗颗粒土粒径级配的指标有不均匀系数和曲率系数。

4、τf表示土体抵抗剪切破坏的极限能力，当土体中某点的剪应力τ=τf时，土体处于极限平衡状态；τ>τf时，土体处于破坏状态；τ0，需判定下层土是否出现拉应力区

下层土无拉应力区

b点交界面上：pa1=r1h1ka1=16×3×tg230=16kpa（2分）b点交界面下：pa2=r1h1ka2－2c2=16×3×tg228-2×8×tg28=5.1kpa（2分）c点：pa3=（r1h1＋r2h2）ka2－2c2（2分）=（16×3＋20×7）×tg228-2×8×tg28=44.6kpapa=0.5×3×16＋0.5×7×（5.1+44.6）=197.95kn/m（2分）

1、某土样重180g，饱和度sr=90%，相对密度为2.7，烘干后重135g。若将该土样压密，使其干密度达到1.5g/cm3。试求此时土样的天然重度、含水量、孔隙比和饱和度。（10分）解：由已知条件可得原土样的三相数值为：m=180gms=135gmw=180－135=45gvs=135/2.7=50cm3vw=45cm3vv=45/0.9=50cm3v=50＋50=100cm3土样压密后的三相数值为：v=135/1.5=90cm3vv=90－50=40cm3vw=40cm3mw=40gm=135＋40=175gγ=175/90×10=19.4kn/m3w=40/135×40%=30%e=40/50=0.8sr=40/40×100%=100%

4、已知某桩基础，桩的截面尺寸为300㎜×300㎜，桩长8.5m，根据静载荷试验的s－logt曲线确定极限荷载为600kn，其它条件如图所示，试验算单桩承载力是否满足要求。（14分）解：（1）确定单桩承载力rk按静载荷试验：rk=600/2=300kn按经验公式：rk=qpap＋up∑qsilsi

=1800×0.32＋4×0.3×（1×12＋4.9×10＋1.6×25＋1×35）=325.2kn所以取小值，rk=300kn（2）单桩平均轴向力验算：

每桩受力：q=（n＋g）/n=（2130＋2.3×2.6×1.5×20）/8=2309.4/8=288.68kn块状（b）块状>板状>柱状（c）块状>柱状>板状（d）板状>块状>柱状

9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列次序为（a）聚合型结构体>方形结构体>菱形结构体>锥形结构体（b）锥形结构体>菱形结构体>方形结构体>聚合型结构体（c）聚合型结构体>菱形结构体>文形结构体>锥形结构体（d）聚合型结构体>方形结构体>锥形结构体>菱形结构体

10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于（a）结构面的性质（b）结构体型式（c）岩石建造的组合（d）三者都应考虑

1、a

2、c

3、c

4、a

5、d

6、a

7、c

8、b

9、a

10、d选择题

1、在我国工程岩体分级标准中，软岩表示岩石的饱和单轴抗压强度为。（a）15~30mpa（b）10，反映土的什么性质。土力学中的土中水包括哪几种。结合水有何特性。固态水对工程有何影响。土的物理性质指标有哪些。其中哪几个可以直接测定。常用测定方法是什么。无粘性土最主要的物理状态指标是什么。用孔隙比e、相对密度d，和标准贯入试验锤击数n来划分密实度各有何优缺点。７.８.粘性土最主要的物理特征是什么。何谓液限。如何测定。何谓塑限。如何测定。已知甲土的含水量w1大于乙土的含水量w2，试问甲土的饱和度sr1是否大于乙土的饱和度Ｓr2。９.下列土的物理指标中，哪几项对粘性土有意义，哪几项对无粘性土有意义。①粒径级配；②