岩土工程师土力学重点内容总结

土的抗剪强度和特殊性土

一、内容提要：

本讲主要讲述①土的抗剪强度、土中一点的应力状态、库仑定律、土的极限平衡条件、内摩擦角、粘聚

力直剪试验及其适用条件、三轴试验、总应力法、有效应力法；②软土、黄土、膨胀土、红粘土、盐渍

土、冻土、填土；

二、重点、难点：

土的抗剪强度、土的极限平衡条件、三轴试验；各种特殊性土的工程特性

三、内容讲解：

第一节土的抗剪强度

土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。在外荷载作用下，土体中将产生剪

应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产

生相对滑动，该点便发生剪切破坏。工程实践和室内试验都证实了土是由于受剪而产生破坏，剪切破坏

是土体强度破坏的重要特点，因此，土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题。

【例题1】当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，该点便发生剪切破坏，此时土产生

相对滑动的方向为（）。

B.沿港与3酢用方向相塞.的方向

C.插■与KS力fT用力向央（45*

2

D.也与3力ft用方向安一史）

2

答案：A

【例题2】土的强度问题实质上是指土的（）问题。

A.抗压强度

B.抗拉强度

C.抗剪强度

D.抗疲劳强度

答案：C

一、土的强度理论与强度指标

（一）抗剪强度的库仑定律

1776年，法国学者库仑（C。AoCoulomb）提出了土的抗剪强度表达形式:

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【例题3】抗剪强度的库仑公式为（）。

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D.

答案：B

（二）土的强度理论与极限平衡条件

1.土中一点的应力状态

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2.摩尔一库仑强度理论

在一定的压力范围内，土的抗剪强度可用库仑公式表示，当土体中某点的任一平面上的剪应力达到土的

抗剪强度时，就认为该点已发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。土的这种强度理论称为摩尔一

库仑强度理论。

【例题5】当土体中某点的任一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，该点处于极限平衡状态，此强度

理论称为（）。

A.摩尔强度理论

B.库仑强度理论

C.摩尔一库仑强度理论

D.太沙基理论

答案：C

3.土中应力与土的平衡状态

将抗剪强度包线与摩尔应力图画在同一张坐标图上，观察应力圆与抗剪强度包线之间的位置变化,

如图15-7-2所示。随着土中应力状态的改变,应力圆与强度包线之间的位置关系将发生三种变化情况,

土中也将出现相应的三种平衡状态:

国15-7-2土中桎力与土的平衡状态图15-7-3土的掾限皿黄条村

1）当整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方时（圆D,表明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土

的抗剪强度，此时该点处于稳定平衡状态，不会发生剪切破坏;

2）当摩尔应力圆与抗剪强度包线相切时（圆H）,表明在相切点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗

剪强度，此时该点处于极限平衡状态，相应的应力圆称为极限应力圆。

3）当摩尔应力圆与抗剪强度包线相割时（圆III），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度,

此时该点已发生剪切破坏（由于此时地基应力将发生重分布，事实上该应力圆所代表的应力状态并不存

在）；

【例题6】根据图15-7-2进行分析，当整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方时（圆D时，表明土中

的某应力点处于（）。

A.稳定平衡状态

B.极限平衡状态

C.剪切破坏

答案：A

【例题7】随着土中应力状态的改变，土中将出现三种平衡状态，其中不包括（）。

A.稳定平衡状态

B.极限平衡状态

C.剪切破坏

D.劈裂破坏

答案：D

4.土的极限平衡条件

根据极限应力圆与抗剪强度包线之间的几何关系，可以建立土中主应力表示的土的极限平衡条件。设土

体中某点剪切破坏时的破裂面与大主应力的作用面成a角，该点处于极限平衡状态时的摩尔圆与抗剪强

度包线相切于A点，如图15-7-3所示。将抗剪强度线延长与轴相交于B点，由直角三角形ABOi可知:

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5.土的极限平衡条件的应用

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采用应力圆与抗剪强度包络线相互位置关系来评判的图解法也可以得到相同的结果。

二、土的抗剪强度指标的试验方法

1.直接剪切试验

直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种。

前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时

测定相应的位移。我国目前普遍采用的是应变控制式直剪仪，该仪器的主要部件由固定的上盒和活动的

下盒组成，试样放在盒内上下两块透水石之间。试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试样施加

某一法向应力b,然后等速推动下盒，使试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏，剪应力：的

大小可借助与上盒接触的量力环测定。试验时对同一种土取3〜4个试样，分别在不同的法向应力不剪

切破坏，可将试验结果绘制成抗剪强度『f与法向应力。之间的关系。大量的试验结果表明，对于砂性

土，抗剪强度与法向应力之间的关系是一条通过原点的直线，该直线与横轴的夹角为内摩擦角少；对

于粘性土，抗剪强度与法向应力之间也基本成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角3,在纵轴

上的截距为粘聚力c,直线方程可用库仑公式(15-7-1)表示。

(2)直剪试验方法

大量的试验和工程实践都表明，土的抗剪强度是与土受力后的排水固结状况有关，故测定强度指标的试

验方法应与现场的施工加荷条件一致。直剪试验由于其仪器构造的局限无法做到任意控制试样的排水条

件，为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验

方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快

剪和慢剪。

1）快剪。快剪试验是在对试样施加竖向压力后，立即以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使

试样剪切破坏。一般从加荷到土样剪坏只用3〜5分钟。由于剪切速率较快，可认为对于渗透系数小于

10%m/s的粘性土在剪切过程中试样没有排水固结，近似模拟了“不排水剪切”过程，得到的抗剪强度

指标用J、%表示。

2）固结快剪。固结快剪是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，再0.8mm/

min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪试验近似模拟了“固结不排水剪切”过

程，它也只适用于渗透系数小于10%m/s的粘性土，得到的抗剪强度指标用々表示。

3）慢剪。慢剪试样是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，以小于0.02mm

/min的剪切速率施加水平剪应力直至试样剪切破坏，使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变

形，模拟了“固结排水剪切”过程，得到的抗剪强度指标用W表示。

⑶直剪试验的优缺点

直剪试验具有设备简单，土样制备及试验操作方便等优点，因而至今仍为国内一般工程所广泛使用。但

也存在不少缺点，主要有：

1）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；

2）剪切面上剪应力分布不均匀，且竖向荷载会发生偏转（上下盒的中轴线不重合），主应力的大小及方向

都是变化的；

3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；

4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力；

5）试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。

【例题11】下列各种试验方法中，不属于直接剪切试验的是（）。

A.快剪

B.固结快剪

C.慢剪

D.不排水不固结剪

答案：D

【例题12］直剪试验中的快剪模拟的是（）。

A.不固结不排水剪

B.固结水排水剪

C.固结排水剪

答案：A

【例题13］下列关于直剪试验的优点，不正确的是（）。

A.设备简单

B.土样制备方便

C.试验操作方便

D.能量测孔隙水压力

答案：D

2.三轴压缩试验

（1）三轴压缩试验的原理

三轴压缩试验所使用的仪器是三轴压缩仪（也称三轴剪切仪），它主要由压力室、轴向加荷系统、稳压调

压系统以及量测系统等部分所组成。常规三轴试验一般按如下步骤进行：

将土样切制成圆柱体套在橡胶膜内，放在密闭的压力室中，根据试验排水要求启闭有关的阀门开关。

向压力室内注入气压或液压，使试样承受周围压力6作用，并使该周围压力在整个试验过程中保持不变

通过活塞杆对样施加竖向压力，随着竖向压力逐渐增大，试样最终将因受剪而破坏。

根据三轴压缩试验中测得的有关应力数据，可整理计算出土样的强度指标：设剪切破坏时轴向加荷系统

加在试样上的竖向压应力（称为偏应力）为

卜6»则试样上的大主应力为5=而小主应力为。，据此可做一个极限应力圆。

用同一种土样的若干个试件（一般3〜4个）分别在不同的周围压力石下进行试验，可得一组极限应力圆,

如图15-7-4中的圆I、圆H和圆HI。做这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，

由此便可求得土样的抗剪强度指标c、。值。

■15*7-4三・武・*本"

（2）三轴试验方法

通过控制土样在周围压力作用下固结条件和剪切时的排水条件，可形成如下三种三轴试验方法：

不固结不排水剪（UU试验）：试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都不允许

排水，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不会消散。UU试验得到

的抗剪强度指标用3。：表示，这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软粘土中快速加荷

时的应力状况。固结不排水剪（CU试验）：在施加周围压力6,时，将排水阀门打开，允许试样充分排水,

待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。在剪切过程中，

试样没有任何体积变形。若要在受剪过程中量测孔隙水压力，则要打开试样与孔隙水压力量测系统间的

管路阀门。CU试验得到的抗剪强度指标用X、9d表示，其适用的实际工程条件为一般正常固结土层

在工程竣工或在使用阶段受到大量、快速的活荷载或新增荷载的作用下所对应的受力情况，在实际工程

中经常采用这种试验方法。固结排水剪（CD试验）：在施加周围压力及随后施加偏应力直至剪坏的整个

试验过程中都将排水阀门打开，并给予充分的时间让试样中的孔隙水压力能够完全消散。CD试验得到的

抗剪强度指标用中二表示。

【例题14］三轴试验方法中不包括（）。

A.不固结不排水剪

B.固结不排水剪

C.固结排水剪

D.固结快剪

答案：D

【例题15】某三轴试验在施加周围压力时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭

排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏，该试验方法为（）。

A.不固结不排水剪

B.固结不排水剪

C.固结排水剪

D.固结快剪

答案：B

【例题16】在饱和软粘土地基上进行快速土建施工，为模拟实际情况，在对土样进行三轴试验时应采用

哪种方法（）。

A.不固结不排水剪

B.固结不排水剪

C.固结排水剪

D.固结快剪

答案：A

【例题17】如在进行三轴试验时需测定孔隙水压力，采用的试验方法为（）。

A.不固结不排水剪

B.固结不排水剪

C.固结排水剪

D.固结快剪

答案：B

(3)三轴试验的优缺点

三轴试验的突出优点是能够控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试

样的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试样的最弱处，而不像直剪试验那样限定在上下盒之

间。一般来说，三轴试验的结果还是比较可靠的，因此，三轴压缩仪是土工试验不可缺少的仪器设备，

三轴压缩试验的主要缺点是试验操作比较复杂，对试验人员的操作技术要求比较高。另外，常规三轴试

验中的试样所受的力是轴对称的，与工程实际中土体的受力情况不太相符，要满足土样在三向应力条件

下进行剪切试验，就必须采用更为复杂的真三轴仪进行试验。

3.抗剪强度试验方法与指标的选用

在实际工程中，地基条件与加荷情况不一定非常明确，如加荷速度的快慢、土层的厚薄、荷载大小以及

加荷过程等都没有定量的界限值，而常规的直剪试验与三轴试验是在理想化的室内试验条件下进行，与

实际工程之间存在一定的差异。因此，在选用强度指标前需要认真分析实际工程的地基条件与加荷条件,

并结合类似工程的经验加以判断，选用合适的试验方法与强度指标。

(1)试验方法

相对于三轴试验而言，直剪试验的设备简单，操作方便，故目前在实际工程中使用比较普遍。然而，直

剪试验中只是用剪切速率的“快”与“慢”来模拟试验中的“不排水”和“排水”，对试验排水条件的

控制是很不严格的，因此在有条件的情况下应尽量采用三轴试验方法。另外，《土工试验方法标准》(GB

/T50123—1999)规定直剪试验的固结快剪和快剪试验只适用于渗透系数小于10%m/s的粘土，对于其

他的土类，则不宜采用直剪试验方法。

【例题18］适用固结快剪或快剪试验进行抗剪指标测定的土类为()。

A.渗透系数小于106cm/s的粘土

B.渗透系数大于107cm/s的粘土

C.渗透系数小于108cm/s的粘土

D.渗透系数小于10%m/s的粘土

答案：A

(2)有效应力强度指标

用有效应力法及相应指标进行计算，概念明确，指标稳定，是一种比较合理的分析方法，只要能比较准

确地确定孔隙水压力，则应该推荐采用有效应力强度指标。当土中的孔隙水压力能通过实验、计算或其

他方法加以确定时，宜采用有效应力法。有效应力强度指标可用三轴排水剪成三轴固结不排水剪(测孔

隙水压力)测定。

(3)不固结不排水剪指标

土样进行不固结不排水剪切时，所施加的外力将全部由孔隙水压力承担，土样完全保持初始的有效应力

状况，所测得的强度即为土的天然强度。在对可能发生快速加荷的正常固结粘性土上的路堤进行短期稳

定分析时，可采用不固结不排水的强度指标；对于土层较厚、渗透性较小、施工速度较快工程的施工期

或竣工时，分析也可采用不固结不排水剪的强度指标。

(4)固结不排水剪指标

土样进行固结不排水剪试验时，周围固结压力，将全部转化为有效应力而施加的偏应力将产生孔隙水

压力。在对土层较薄、渗透性较大、施工速度较慢的工程进行分析时，可采用固结不排水剪的强度指标。

【例题19］当需采用有效应力法进行计算时，对土样进行试验时应采用的方法为()。

A.不固结不排水剪

B.固结不排水剪

C.固结排水剪

D.固结快剪

答案：B

第二节特殊性土

由于成土环境的不同，会造成具有不同性质的特殊性土。这些特殊性土在分布上都具有区域性的特点，

故也称为区域性土或环境土。我国自然环境变化大，世界上几种主要的特殊性土类在我国都有分布，包

括软土、黄土、红粘土、膨胀土、冻土、盐渍土和填土

一、软土

软土是指分布于沿海的滨海相、三角洲相、溺谷相和内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要

由细粒土组成的孔隙比大（一般大于1.0）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高（T>0.5Mpa）

和强度低的土层。多数软土还具有高灵敏度的结构性。工程实际中经常遇到的软土主要是淤泥和淤泥质

±,包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉质粘土等。

淤泥是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，天然含水量大于液限、天然孔隙比

e21.5的粘性土。淤泥质土是在同样的沉积条件下形成，但天然孔隙比符合1.0We〈L5的粘性土。当

土的有机质含量大于5%时则称为有机质土；大于60%时则称为泥炭土。泥炭土是在潮湿和缺氧环境中

未经充分分解的植物遗体堆积而成的一种有机质土，呈深褐色一黑色。其含水量极高，压缩性很大，且

不均匀。

【例题20］软弱土的工程特性有（）。

A.含水量高、孔隙比大；

B.压缩模量值大；

C.渗透系数值大；

D.压缩系数值大，灵敏度高。

答案：A、D

【例题21】当土的有机质含量大于60%时则称为（）。

A.淤泥

B.淤泥质土

C.机质土

D.泥炭土

答案：D

二、黄土

黄土是我国地域分布最广的一种特殊性土类，它是第四纪时期形成的一种特殊堆积物。其主要特征为：

颜色以黄为主，有灰黄、褐黄等；含有大量粉粒（0.075〜0.005mm）,含量一般在55%以上；具有肉眼可

见的大孔隙，孔隙比在1.0左右；富含碳酸盐类；无层理，垂直节理发育；具有湿陷性和易溶性、易冲

刷性等，对工程建设有其特殊的危害性。

（一）黄土的湿陷性及其评价

1.黄土湿陷的机理

湿陷性是黄土最主要的工程特性。所谓湿陷性就是黄土浸水后在外荷载或自重的作用下发生下沉的现

象。湿陷性黄土又可分为自重湿陷性和非自重湿陷性两类。自重湿陷性黄土是指土层浸水后在土层自重

作用下也能发生湿陷的黄土。

黄土湿陷的机理通常认为是由于黄土的结构特性和胶结物质的水理特性决定的。黄土是在干旱或半干旱

的气候条件下形成的，可溶盐逐渐浓缩沉淀而成为胶结物，这些因素增强了土粒之间抵抗滑移的能力，

阻止了土体的自重压密。黄土受水浸湿时，结合水膜增厚楔入颗粒之间，可溶性盐类溶解和软化，骨架

强度降低，土体在上覆土层的自重压力或附加压力共同作用下土的结构迅速破坏，土粒滑向大孔隙，粒

间孔隙减少，这就是黄土湿陷的机理。

黄土中胶结物的含量和成分以及颗粒的组成和分布，对于黄土的结构特点和湿陷性的强弱有着重要的

影响。胶结物含量大，粘粒含量多，黄土结构则致密，湿陷性降低，并使力学性质得到改善；反之，结

构疏松、强度降低、湿陷性强。此外，对于黄土中的盐类，如以难溶的碳酸钙为主，则湿陷性弱；若以

石膏及易溶盐为主，则湿陷性强。

黄土的湿陷性还与孔隙比、含水率以及所受压力的大小有关。天然孔隙比越大或天然含水率越小则湿陷

性越强。在天然孔隙比和含水率不变的情况下，压力增大，黄土湿陷量也增加，但当压力超过某一数值

后，再增加压力，湿陷量反而减少。

【例题22】下列关于黄土的湿陷性强弱的叙述，正确的是（）。

A.含水量越大孔隙比越小湿陷性越强

B.含水量越大孔隙比越大湿陷性越强

C.含水量越小孔隙比越小湿陷性越强

D.含水量越小孔隙比越大湿陷性越强

答案：D

【例题23】原始黄土的成因，是由（）形成的。

A.冲洪积

B.风积

C.残积

D.冰积

答案：B

2.黄土湿陷性评价

2M-«£茶被%大小传世的MB・NEfilMEnRffiK/Jp座与内・中，土实际―的压力相刍，■

取可建发生—9加甘的压力.蹴我国CSffitt黄土JI咽现定该压力自基・«国胆lOtn内的±8应果

用200-lOtn以下的土3果用300人在这个压力下，当％6015时，TR£知闲着在黄土i1期UH5时，

TR^»SK住黄土.搠9第第米可进一步把鼻性黄培为三类，当J.VLO3时为翡一性黄±1当J.-Q03~a07

时为中■«住黄土，当»_>&07时对&鼻住黄土.

【例题24］当黄土的湿陷性系数」为（）可判断该黄土为湿陷性黄土。

A.20.015

B.20.030

C.<0.015

D.>0.07

答案：A

（二）黄土地基的工程措施

湿陷性黄土地基的设计和施工，除了必须遵循一般的设计和施工原则外，还应针对湿陷性特点，采用适

当的工程措施，包括以下三个方面：①地基处理，以消除产生湿陷性的内在原因；②防水和排水，以防

止产生引起湿陷的外界条件；③采取结构措施，以改善建筑物对不均匀沉降的适应性和抵抗的能力。

1.地基处理

湿陷性黄土地基处理的原理，主要是破坏湿陷性黄土的大孔隙结构，以便全部或部分消除地基的湿陷性,

目前对于湿陷性黄土常用的地基处理方法详见表15-8-1。

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2.防水措施

防水措施包括以下三方面：

1）场地防水措施

尽量选择具有排水畅通或利于场地排水的地形条件，避开受洪水或水库等可能引起地下水位上升的地

段，确保管道和贮水构筑物不漏水，场地内应设排水沟等。

2）单体建筑物的防水措施

建筑物周围必须设置具有一定宽度的混凝土散水，以便排泄屋面水。确保建筑物地面严密不漏水。室内

的给水，排水管道应尽量明装，室外管道布置应尽量远离建筑物，检漏管沟应做好防水处理。

3）施工阶段的防水措施

施工场地应平整，做好临时性防洪、排水措施。大型基坑开挖时应防止地面水流入，坑底应保持一定坡

度便于集水和排水。尽量缩短基坑暴露时间。

3.结构措施

1）加强建筑物的整体性和空间刚度；

2）选择适宜的结构和基础形式；

3）加强砌体和构件的刚度。

在湿陷性黄土地基的设计中，应根据建筑物的类别，场地湿陷类型、结合当地的建筑经验，施工与维护

管理等条件结合确定。

三、膨胀土

（一）膨胀土的成因及其分布

膨胀土一般指粘粒成分主要由强亲水性的蒙脱石和伊利石矿物组成，同时具有吸水膨胀和失水收缩两种

性能的粘性土。膨胀土的成因环境主要为温和湿润且具备化学风化的良好条件，在这种环境条件下，硅

酸盐为主的矿物不断分解，钙被大量淋失，钾离子被次生矿物吸收形成伊利石和伊利石一蒙脱石混合物

为主的粘性土。

膨胀土在我国分布广泛，与其他土类不同的是，膨胀土主要呈岛状分布，根据现有资料，膨胀土在广西、

云南、贵州、湖北、河北、河南、四川、安徽、山东、陕西、江苏和广东等地均有不同范围的分布，在

国外则主要分布在非洲和南亚地区。

【例题25】膨胀土主要呈（）分布。

A.岛状

B.片状

C.块状

D.层状

答案：A

【例题26】膨胀土的矿物成分以（）为主。

A.蒙脱石

B.伊利石

C.石膏

D.氧化亚铁

答案：A、B

（二）膨胀土的工程特性及对工程的危害

膨胀土的工程特性主要表现在以下方面：

1.胀缩性

膨胀土吸水后体积膨胀，使其上的建筑物隆起，如果膨胀受阻即产生膨胀力；膨胀土失水体积收缩，造

成土体开裂，并使其上的建筑物下沉。土中蒙脱石含量越多，其膨胀量和膨胀力也越大；土的初始含水

率越低，其膨胀量与膨胀力也越大；击实膨胀土的膨胀性比原状膨胀土大，密实越高，膨胀性也越大。

2.崩解性

膨胀土浸水后体积膨胀，发生崩解。强膨胀土浸水后几分钟即完全崩解；弱膨胀土则崩解缓慢且不完全。

3.多裂隙性

膨胀土中的裂隙，主要可分垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土层分割成具有一定

几何形状的块体，从而破坏了土体的完整性，容易造成边坡的塌滑。

4.超固结性膨胀土大多具有超固结性，天然孔隙比小，密实度大，初始结构强度高。

5.风化特性

膨胀土受气候因素影响很敏感，极易产生风化破坏作用。基坑开挖后，在风化作用下，土体很快会产生

破裂、剥落，从而造成土体结构破坏，强度降低。受大气风化作用影响的深度各地不完全一样，云南、

四川、广西地区约至地表下3〜5m,其他地区2m左右。

6.强度衰减性

膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度极高而残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结

性，初期强度极高，现场开挖很困难，然而随着胀缩效应和风化作用时间的增加，其抗剪强度又大幅度

衰减。在风化带以内，湿胀干缩效应显著，经过多次湿胀干缩循环以后，特别是粘聚力c大幅度下降，

而内摩擦角变化不大，一般反复循环2〜3次以后趋于稳定。

膨胀土对工程造成的危害主要表现在以下几方面：

1.对建筑物的影响

膨胀土地基上易遭受破坏的大多为埋置较浅的低层建筑物，一般为三层以下的民房。房屋损坏具有季节

性和成群性两大特点，房屋墙面角端的裂缝常表现为山墙上的对称或不对称的倒八字形缝，外纵墙下部

出现水平缝，墙体外侧并有水平错动，由于土体的胀缩交替，还会使墙体出现交叉裂缝。

2.对道路交通工程的影响

膨胀土地区的道路，由于路幅内土基含水率的不均匀变化，从而引起不均匀收缩，并产生幅度很大的横

向波浪形变形。雨季路面渗水，路基受水浸软化，在行车荷载下形成泥浆，并沿路面的裂缝和伸缩缝溅

浆冒泥。

3.对边坡稳定的影响

膨胀土地区的边坡坡面最易受大气风化的作用。在干旱季节蒸发强烈，坡而剥落；雨季坡面冲蚀，冲蚀

沟深一般为0.1〜0.5m,最大可达1.0m,坡面变得支离破碎。土体吸水饱和，在重力与渗透压力作用下，

沿坡面向下产生塑流状溜塌。当雨季雨量集中时还会形成泥流，堵塞涵洞，淹埋路面，甚至引发出破坏

性很大的滑坡。

【例题27】某房屋墙面角端的裂缝为：山墙上的对称或不对称的倒八字形缝，外纵墙下部出现水平缝，

墙体外侧并有水平错动；试根据以上现象判断该建筑物地基为（）地基。

A.黄土

B.填土

C.不均匀

D.膨胀土

答案：D

【例题28】膨胀土地区房屋损坏具有的特点为（）。

A.季节性

B.成群性

C.不确定性

D.高层较多

答案：A、B

（三）建筑施工注意事项

1.建筑规划措施

1）正确选择场地。当地形平坦时应避免大挖大填，坡度应小于14°,并有可能设置低挡墙以防止土体溜

滑发生。

2）场地内绿化布置。应根据气候条件，膨胀土条件等，结合当地经验，种植草皮，并采用蒸发量小的树

木绿化。

2.结构措施

结构措施的目的是要提高建筑物适应地基变形的能力。方法主要有：设置圈梁或设置暗柱与圈梁形成框

架结构，提高砌体强度，采用悬挑结构等。

3.地基处理措施

1）用足地基强度，增大基底压力；

2）采用换土、砂石垫层等措施，改良土性；

3）改变基础形式，可采用桩基、墩基等。

4.消除局部热源和水源的影响

四、红粘土

（一）红粘土的成因及其分布

红粘土是碳酸盐岩系出露区的岩石，经过更新世以来在湿热的环境中，由岩变土一系列的红土化作用，

形成并覆盖于基岩上，呈棕红、褐黄等色的高塑性粘土。其液限险一般大于50%,在垂直方向的湿度上

有上部小下部大的明显变化规律，失水后有较大的收缩性，土中裂隙发育。所谓红土化作用是碳酸盐系

岩石在湿热气候环境条件下，逐渐由岩石演变成土的过程。已经形成的红粘土，经后期水流搬运，土中

成分相对调整，仍然保留着红粘土的基本特征，其印一般大于45%,称为次生红土。

根据红粘土的成土条件，这类土主要集中分布在我国长江以南，即北纬33°以南的地区，西起云贵高原,

经四川盆地南缘、鄂西、湘西、广西向东延伸到粤北、湘南、皖南、浙西等丘陵山地。

（二）红粘土的工程特性

红粘土的工程特性主要表现在以下几方面：

1.高塑性和高孔隙比

红粘土呈高分散性，粘粒含量高，粒间胶体氧化铁具有较强的粘结力，并形成团粒。因此反映出具有高

塑性的特征，特别是液限％比一般粘性土高，都在50%以上。由于团粒结构在形成过程中，造成总的孔

隙体积大，因此孔隙比常大于L0,它与黄土的不同在于单个孔隙体积很小，粘粒间胶结力强且非亲水

性，故红粘土无湿陷性，其压缩性也低，力学性能好。红粘土天然状态饱和度大多在90%以上，使红粘

土成为二相体系。所以红粘土湿度状态的指标也同时反映了土的密实度状态，含水率w和孔隙比e具有

良好的线性关系。

红粘土虽然其力学性能随深度而变弱，但作为天然地基时，对一般建筑物而言，其基底附加应力随深度

的衰弱幅度大于强度减小的幅度，因此在多数的情况下满足了持力层也就满足了对下卧层承载力验算的

要求。

2.土层的不均匀性

红粘土厚度不均匀特性主要表现在以下两方面：

1）母岩岩性和成土特性决定了红粘土厚度不大。尤其在高原山区，分布零星，由于石灰岩和白云岩岩溶

化强烈，岩面起伏大，形成许多石笋石芽，导致红粘土厚度水平方向上变化大。常见水平相距1m,土层

厚度可相差5m或更多。

2）下伏碳酸盐岩系地层中的岩溶发育，在地表水和地下岩溶水的单独或联合作用下，由于水的冲蚀、吸

蚀等作用，在红粘土地层中可形成洞穴，称为土洞。只要冲蚀吸蚀作用不停止，土洞可迅速发展扩大。

由于这些洞体埋藏浅，在自重或外荷作用下，可演变为地表塌陷。

3.土体结构的裂隙性

自然状态下的红粘土呈致密状态，五层理，表面受大气影响呈坚硬或硬塑状态。当失水后土体发生收缩,

土体中出现裂缝，接近地表的裂缝呈竖向开口状，往深处逐渐减弱，呈网状微裂隙且闭合。由于裂隙的

存在，土体整体性遭到破坏，总体强度大为减弱，止匕外，裂隙又促使深部失水，有些裂隙发展成为地裂。

【例题29】红粘土的液限一般为（）。

A.>50%

B.>45%

C.>60%

D.>70%答案：A

五、盐渍土

（一）盐渍土的成因及其分布

当土体中易溶盐含量超过0.3%,这种土就称为盐渍土。盐渍土的成因主要取决于盐源、迁移和积聚这

三个方面。

1.盐源

盐渍土中盐的来源主要有三种：第一是岩石在风化过程中分离出少量的盐；第二是海水侵入、倒灌等将

盐渗入土中；第三是工业废水或含盐废弃物，使土体中含盐量增高。

2.盐的迁移和积聚盐的迁移积聚主要靠风力或水流完成的。在沙漠干旱地区，大风常将含盐的土粒或

盐的晶体吹落到远处，积聚起来，使盐重新分布。

水流是盐类迁移和重新分布的主要因素。地表水和地下水在流动过程中把所溶解的盐分带到低洼处，有

时形成大的盐湖。在含盐量（矿化度）很高的水流经过的地区，如遇到干旱的气候环境，由于强烈蒸发，

盐类析出并积聚在土体中形成盐渍土。在滨海地区，地下水中的盐分，通过毛细作用，将下部的盐输送

到地表，由于地表的蒸发作用，将盐分析出，形成盐渍土。有些地区长期大量开采地下水，农田灌溉不

当，也会造成盐分积聚。

盐渍土在世界各地均有分布。我国的盐渍土主要分布在西北干旱地区的新疆、青海、西藏北部、甘肃、

宁夏、内蒙古等地势低洼的盆地和平原中，其次分布在华北平原、松辽平原等地。另外在滨海地区的辽

东湾、渤海湾、莱州湾、杭州湾以及包括台湾在内的诸岛屿沿岸，也有相当面积的盐渍土存在。

有些盐渍土中以含碳酸钠或碳酸氢钠为主，碱性较大，pH值一般为8〜10.5,这种土称为碱土，或碱性

盐渍土，农业上称为苏打土。这种土零星分布于我国东北的松辽平原以及华北的黄、淮、海河平原。

（二）盐渍土地基的评价

对盐渍土地基的评价，主要考虑盐渍土地基的溶陷性、盐胀性和腐蚀性三个方面。

1.溶陷性

天然状态下盐渍土在自重压力或附加压力下，受水浸湿时所产生的附加变形称作盐渍土的溶陷变形。根

据大量研究表明，只有干燥和稍湿的盐渍土才具有溶陷性，且大多为自重溶陷。盐渍土的溶陷性可以用

单一的有荷载作用时的溶陷系数来衡量。

2.盐胀性

盐渍土地基的盐胀性一般可分为两类，即结晶膨胀和非结晶膨胀。结晶膨胀是由于盐渍土因温度降低或

失去水分后，溶于孔隙水中的盐浓缩并析出结晶所产生的体积膨胀。当土中的硫酸钠含量超过某一定值

（约2%）时，在低温或含水率下降时，硫酸钠发生结晶膨胀，对于无上覆压力的地面或路基，膨胀高度

可达数十至几百毫米，这成了盐渍土地区的一个严重的工程问题。

非结晶膨胀是指由于盐渍土中存在着大量吸附性阳离子，特别是低价的水化阳离子与粘土胶粒相互作

用，使扩散层水膜厚度增大而引起土体膨胀。最具代表性的是碳酸盐渍土，含水率增加时，土质泥泞不

堪。

盐渍土地基造成的破坏主要表现在，室内外地坪、路面、路沿石、台阶、花坛，室外球场，机场跑道等。

在进行建设时，如果未受用有效的防膨胀措施，造成的危害是相当严重的。

3.腐蚀性

盐渍土的腐蚀性是一个十分复杂的问题。盐渍土中含有大量的无机盐，它使土具有明显的腐蚀性，对建

筑物基础和地下设施构成一种严重的腐蚀环境，影响其耐久性和安全使用。

（三）盐渍土地区施工及防腐措施

在盐渍土地区进行工程建设，首先要注意提高建筑材料本身的防腐能力，如选用优质水泥，提高密实性,

增大保护层厚度，提高钢筋的防腐能力等，同时还可采取在混凝土或砖石砌体表面做防水层和防腐涂层

等方法。防盐类侵蚀的重点部位是在接近地面或地下水干湿交替区段。

此外，对搅拌混凝土或砂浆的用水和砂石料的含盐量也必须严格控制，应满足有关规定。

【例题30】对盐渍土地基的评价，主要考虑的几个方面中不包括（）。

A.溶陷性

B.盐胀性

C.腐蚀性

D.崩解性答案：D

六、冻土

（一）冻土的特征及分布凡温度等于或低于摄氏零度，且含有固态冰的土称为冻土。冻土按其冻结时间

长短可分为三类：瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土。瞬时冻土，冻结时间小于一个月，一般为数天或

几个小时（夜间冻结），冻结深度从几毫米至几十毫米。

季节冻土，冻结时间等于或大于一个月，冻结深度从几十毫米至1〜2m,它是每年冬季发生的周期性冻

土。

多年冻土，冻结时间连续二年或二年以上。

多年冻土在我国主要分布在青藏高原和东北大小兴安岭，在东部和西部地区一些高山顶部也有分布。多

年冻土占我国总面积的20%以上，占世界多年冻土总面积的10%。

（二）冻土的评价

我国多年冻土地区，建筑物基底融化深度约3m左右，所以对多年冻土融陷性分级评价也按3m考虑，根

据计算融陷量及融陷系数A。对冻土的融陷性分成5级：

I—少冰冻土（不融陷土）：为基岩以外最好的地基土，一般建筑物可不考虑冻融问题。

H一多冰冻土（弱融陷土）：为多年冻土中较良好的地基土，一般可直接作为建筑物的地基，当最大融化

深度控制在3m以内时，建筑物均未遭受明显破坏。

IH—富冰冻土（中融陷土）：这类土不但有较大的融陷量和压缩量，而且在冬天回冻时有较大的冻胀性,

作为地基，一般应采取专门措施，如深基、保温、防止基底融化等。

IV一饱冰冻土（强融陷土）：作为天然地基，由于融陷量大，常造成建筑物的严重破坏。这类土作为建筑

物地基，原则上不允许发生融化，宜采用保持冻结原则设计，或采用桩基、架空基础等。

V—含土冰层（极融陷土）：这类土含有大量的冰，当直接作为地基时，若发生融化将产生严重融陷，造

成建筑物极大破坏。如受长期荷载将产生流变作用，所以作为地基应专门处理。

【例题31】多年冻土是指冻结持续时间为（）的土。

A.>1年

B.22年

C.23年

D.㈢5年答案：B

七、填土

填土是指由人类活动而堆填的土层。填土的物质成分较杂，均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式，

填土可分为素填土、杂填土和冲填土三类。各类填土可根据下列特征予以区别：

素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土，其中不含杂质或含杂质很少。按主

要组成物质又可分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性素填土。经分层压实后则称为压实填

土。

杂填土是由含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分可分为建筑垃圾土、

工业废料土和生活垃圾土。

冲填土是由水力冲填泥沙形成的填土。

填土还可按其堆填时间（年代）分为老填土和新填土，对于粘土以10年为界而粉土以5年为界。

在工程建设中所遇到的填土变化较大。在旧城区，一般都保留有人类活动的遗物或古建筑的碎砖瓦砾（俗

称房渣土），其分布范围可能很广，也可能只限于堵塞的渠道、古井或古墓。位于乡村农田中的建设场

地表层多为素填土，而一般城市市区所遇到的填土往往是炉渣、建筑垃圾及生活垃圾等杂填土。

【例题32】对于以粘土为主的填土，当其堆填时间超过（）时，可认为已是老填土。

A.5年

B.10年

C.20年

D.50年

答案：B

【例题33】某种土以粉土为主，含有砂、粉质粘土，局部夹杂少量的碎砖屑，则该土为（）。

A.粉土

B.杂填土

C.冲填土

D.素填土

答案：D

再悌五讲土中应力分布及计算和土的压缩性与地基沉降

一、内容提要：

本讲主要讲述

①土中应力分布及计算部分包括土的自重应力、基础底面压力、基底附加压力、土中附加应力；

②土的压缩性与地基沉降部分包括压缩试验、压缩曲线、压缩系数、压缩指数、回弹指数、压缩模

量、载荷试验、变形模量、高压固结试验、土的应力历史、先期固结压力、超固结比正常固结土、超固

结土、欠固结土、沉降计算的弹性理论法、分层总和法、有效应力原理、一维固结理论、固结系数、固

结度；

二、重点、难点：

基底与土中自重应力与附加应力的计算、土的压缩试验、利用分层总和法进行地基变形计算、有效应力

原理

三、内容讲解：

第一节土中应力分布及计算

一、土中应力

土中应力指土体在自身重力、建筑物和构筑物荷载，以及其他因素（如土中水的渗流、地震等）作用下，

土中产生应力。土中应力过大时，会使土体因强度不够发生破坏，甚至使土体发生滑动失去稳定。止匕外，

土中应力的增加会引起土体变形，使建筑物发生沉降，倾斜以及水平位移。

土是三相体，具有明显的各向异性和非线性特征。为简便起见，目前计算土中应力的方法仍采用弹性理

论公式，将地基土视作均匀的、连续的、各向同性的半无限体，这种假定同土体的实际情况有差别，但

其计算结果尚能满足实际工程的要求。

土体中仟重点M箭应力求蠢，可用—F六而小元休上的核力兴衰示.若乘用音角坐标系.口作用

在单元体上的三个法自岫（又称王虎龙分量为4,外,大个第IS力分量为=

在土力学中，删定法自应力以压应力为正，拉虎力为金.孙堂力的正负号观定是，当算反力作

用面上的法向应力方向与坐标轴的正方向相同时，则剪应力的方向与坐标轴正方向一致时为正，反之为

负，若剪应力作用面上的法向应力方向与坐标轴正方向相反时，则剪应力的方向与坐标轴正方向相反时

为正，反之为负。

二、土的自重应力

由土体重力引起的应力称为自重应力，自重应力一般是自土体形成之日起就产生于土中。

1.均质土的自重应力

土体在自身重力作用下任一竖直切面均是对称面，切面上都不存在剪应力。因此，在深度z处平面上，

土体因自身重力产生的竖向应力，%（称竖向自重应力）等于单位面积上土柱体的重力W,如图15-5-1

所示。在深度Z处土的自重应力为:

(15-5-1)

式中〃一土的重度，kN/m3；F—土柱体的截面积，m2o

从公式（15-5-1）可知，自重应力随深度Z线性增加，呈三角形分布图形。

2.成层地基土的自重应力

地基土通常为成层土。当地基为成层土体时，设各土层的厚度为近，重度为其,则在深度z处土的

自重应力计算公式为：

n

%=「述1+「向+…+工叫=E/A（1552）

式中n—从天然地面到深度z处的土层数。

3.土层中有地下水时的自重应力

当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的性质确定是否需要考虑水的浮力作用。通常

认为水下的砂性土是应该考虑浮力作用的。粘性土则视其物理状态而定，一般认为，若水下的粘性土其

液性指数IL>1,则土处于流动状态，土颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体受到水浮力作用，若

OWO,则土处于固体状态，土中自由水受到土颗粒间结合水膜的阻碍不能传递静水压力，故认为土体不

受水的浮力作用，若土处于塑性状态，土颗粒是否受到水的浮力作用就较难肯定，在工程实践

中一般均按土体受到水浮力作用来考虑。若地下水位以下的土受到水的浮力作用，则水下部分土的重度

按有效重度,计算，其计算方法同成层土体情况。

4.水平向自重应力

土的水平向自重应力分，%可用下式计算

==Ko。智03-5-3)

式中K0一侧压力系数，也称静止土压力系数。K0值可通过室内试验测定。

【例题1】某土层及其物理性质指标如图15-5-2所示，地下水位在地表下1.0m,计算土中a、b、c、d

各点处的自重应力。

■1M*1

【解析】第I层；a点：s=Omo.=OkPa；

b品z=lnuo.=18.6Xl=18.6kPa

c点：Zr«nbG.=18.6X1K18.8-10)Xl=18.6i-8.8=e7.4kPa

第2层：d点：z=5m,cr.=18.6X1+(1&8-IO)X14<18.4-10)X3=l8.«l-8.8+25M2.6kPa

土层中的自血力%分布，如图15-5-2所示.

三、基础底面压力

建筑物荷载通过基础传递给地基的压力称基底压力，又称地基反力。

(一)地基反力分布

基底地基反力的分布规律主要取决于基础的刚度和地基的变形条件。对柔性基础，地基反力分布与上部

荷载分布基本相同，而基础底面的沉降分布则是中央大而边缘小，如由土筑成的路堤，其自重引起的地

基反力分布与路堤断面形状相同。对刚性基础(如箱形基础或高炉基础等)，在外荷载作用下，基础底面

基本保持平面，即基础各点的沉降几乎是相同的，但基础底面的地基反力分布则不同于上部荷载的分布

情况。刚性基础在中心荷载作用下，开始的地基反力呈马鞍形分布；荷载较大时，边缘地基土产生塑性

变形，边缘地基反力不再增加，使地基反力重新分布而呈抛物线分布，若外荷载继续增大，则地基反力

会继续发展呈钟形分布。

【例题2】基底地基反力的分布规律与下列哪些因素有关（）。

A.基础的刚度B.地基的变形条件C.上部荷载大小D.基础面积大小

答案：A、B

【例题3】刚性基础在中心荷载作用下，开始的地基反力呈（）分布。

A.马鞍形B.矩形C.三角形D.梯形答案：A

（二）地基反力的简化计算

实用上，通常将地基反力假设为线性分布情况按下列公式进行简化计算：

地基平均反

力

一，+G

(15-5-44)

--------土—(t5-5-4b)

地基边缘最大与最小反力AW

式中

F一作用在基础顶面通过基底形心的竖向荷载，kN；

G一基础及其台阶上填土的总重，kN,G=/GAd,其中几为基础和填土的平均重度，一般取％=20kN

/m3,地下水位以下取有效重度，d为基础埋置深度;

M—作用在基础底面的力矩，M=（F+G）,e,e为偏心距;

W一基础底面的抗弯截面模量，W=~6",1、b为基底平面的长边与短边尺寸。

F4-G

P

将W的表达式代入（15-5-4b）式得lb

【例题4】某矩形基础底面尺寸为3niX6m,上部结构传至基础顶面的荷载为1800KN,基础埋深为自然地

坪下1.5m,自地表至以下5.0m均为粉质粘土，土的天然重度为，=18.6KN/m3,饱和重度为了皿=

20.lKN/m3,地下水位在自然地坪下3.0m,试确定:

1、地表下5m处土的自重应力值为（)O

A.93kpaB.96kpaC.78.IkpaD.76kpa答案：D

［解析］也=18.6X3+（20.1-10）X2=76kpa,故答案为D。

TH

2、按轴心荷载考虑，地基的平均反力为（）。

A.lOOkpaB.30kpaC.