土力学与基础工程

昆明理工高校

士力学及基础工程

学习报告

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2013年6月10日

第一章土的物理性质及工程分类

土是岩石风化的产物，土的形成要经验风化、剥蚀、搬运、沉

积等作用过程。

土的分化作用类型有:物理分化，化学分化，生物分化等。

土的生成类型有:残积土，搬运土，坡积土，风积土，冲击土，

洪积土，湖泊沼泽沉积土，海相沉积土，冰积土等。

土是地壳表层母岩风化后的产物,是各种矿物颗粒（土粒）的集合

体，包括岩石经物理风化崩解而成的碎块以及经化学风化后形成的

细粒物质，粗至巨砾，细至粘土。土是由固体颗粒、水和空气所组

成的三相体系。

土的固体颗粒即为土的固相。矿物颗粒是岩石经风化作用后形

成的碎粒，粗大的土粒呈块状或粒状，细小的土粒呈片状或粉状。

土粒的大小、形态、矿物成分以及大小搭配状况对土的物理力学状

况有明显影响。土颗粒的大小通常用粒径表示，工程上将各种不同

的土粒按其粒径范围划分为若干粒组。依据界限粒径200mm、20mm、

2mm、0o075mm、0。005mm把土粒分为六大粒组：漂石（块石）、卵

石（碎石）、圆粒（角粒）、砂粒、粉粒和粘粒。

土中矿物成分有：原生矿物，次生矿物，有机质等。

土中的水有:结合水，自由水。

土中的气体：1自由气体，土孔隙中的气体及大气连通的部分为

自由气体；2封闭气体,细粒土中的气体常及大气隔绝而成封闭气

泡。

土的结构有：1单粒结构2蜂窝结构3絮状结构.

土的构造在同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各部分

之间相互关系的特征称为土的构造，常见的有以下几种：1层理构

造、2分散构造、3裂隙构造。

通过试验测定的指标有土的密度、土粒相对密度和含水量。

除了上述三个实测指标之外，还有6个可以通过计算得的指

标，称为换算指标，包括土的干密度，饱和密度，有效密度，孔隙

比,孔隙率和饱和度.

为了较好地表明砂土的密实状态，可采纳将现场土的孔隙比e

及该种土所能达到最密实时的孔隙比miin和最疏松时的孔隙比GMX

相对比的方法，来表示孔隙比为e时土的密实度.

粘性土的塑性指数和液性指数（1）塑性指数，液限及塑限的差值

即为塑性指数；（2）液性指数，土的自然含水量及塑限的差值及塑性

指数7P之比即为液性指数。

原状土的强度及同一种土经过重塑后（含水量保持不变）的强度

之比称为土的灵敏度

粘性土的结构受到扰动，导致结构强度降低，但当扰动停止

后，题的强度有随时间推移而渐渐部分复原,这种性质称为土的触变

性。

粘性土的击实特性

粘性土的最优含水量及土的塑限很接近.因此,土中所含粘土矿

物越多、颗粒越细，最优含水量越大.此外，最优含水量还及击实功

的大小有关。

理论饱和曲线表示土处于饱和状态时，含水量及干密度的关系

曲线。击实试验中小行能将土击实到完全饱和状态。击实过程中只

能将及大气相通的气体排出去，而封闭气体无法排出，仅能产生部分

压缩。试验证明，粘性土在最优含水量时压实到最大干密度，其饱

和度一般为0。8左右.因此，击实曲线位于饱和曲线的左下方，而不

会相交。

无粘性土的击实特性

依据无粘性土的击实试验可以看出，在风干和饱和状态下，击

实都能够得到较好的击实效果。其机理就是在这两种状态下都不存

在假粘聚力;而假如含水量处于这两个状态之间时，会受到假粘聚力

的影响，击实效果较差。

按土的工程分类标准分类：巨粒累土，粗粒累土，细粒累土。

按建筑地基基础设计规范分类：碎石土，沙土，粉土，粘性

±,淤泥，红粘土，人工填土.

第二章土的渗透性及渗流

由于土中存在孔隙，水（自由水一重力水）必能在其中流淌，故

在肯定条件下土中将发生渗流.

渗流：水在土体中的流淌。其流淌速度及土的渗透性亲密相

关。

土的渗透性：表征水流通过土中孔隙难易程度的性质，或即，土

允许水透过的特性。

达西定律称为线性渗透定律，对绝大多数土类均适用,但只适用

于层流，不适用于紊流（发生在渗透性很大的卵石和堆石中，例如漩

涡）。对于渗透性很低的便粘土，只有当水头梯度超过某起始值

io,才会发生线性渗流，在此前则为非线性渗流，即V二klin（n〉l）,

其后才符合线性规律.

达西定律IX|

渗透系数的影响因素主要影响因素有：孔隙比、颗粒的尺寸及

级配、饱和度、温度、颗粒的矿物组成和土的结构。

土的渗透系数可通过室内渗透试验［常水头试验（粗粒土）、变

水头试验（细粒土）］测定，也可通过野外试验（现场抽水试验）测

定.

常用于粗粒土，如粗、中砂和砾石等渗透系数大于10-4cm/S的

土的渗透系数测定.

现探讨由渗透系数各不相同的成层土组成的地基，确定其垂直

方向和水平方向的等效渗透系数。

水在土体中流淌，将会引起水头的损失，而这种损失是由于水

在土体孔隙中流淌时，对图颗粒的推动，摩擦和拖拽作用，他们综

合形成的作用于图骨架的力，称为渗透力。

土由于渗流作用而发生的破坏，称为土的渗透破坏，级表现形

式有流图和管涌两种。

第三章土中应力和地基沉降量计算

土中自重应力：由于土体本身自重引起的应力。

竖向自重应力：土体中随意深度处的竖向自重应力等于单位面

积上土柱的有效重量.

压缩曲线及压缩性指标:压缩系数，压缩指数，压缩模量

基底压力：建筑物上部结构荷载和基础自重通过基础传递给地

基，作用于基础底面传至地基的单位面积压力。

影响基底压力的因素：基础的形态、大小、刚度，埋置深度，基

础上作用荷载的性质（中心、偏心、倾斜等）及大小、地基土性质。

基底附加压力：作用于地基表面，由于建立建筑物而新增加的压

力称为基底附加压力，即导致地基中产生附加应力的那部分基底压

力.

地基附加应力：新增外加荷载在地基土体中引起的应力。

土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性.

压缩量的组成：固体颗粒的压缩、土中水的压缩、空气的排

出、水的排出。

第四章土得抗剪强度及浅基础的地基承载力

土体在外荷载和重力作用下，初二会发生变形外，还存在这强

度问题。图得强图问题是土力学中最重要的基本内容之一。图得强

度破坏通常都是剪切破坏,所以图得强度问题实质就是土的抗剪强度

问题.

土的抗剪强度：指土体反抗剪切破坏的极限实力，数值上等于

剪切破坏时滑动面上的剪应力,土体的破坏通常都是剪切破坏。

土体破坏过程：假如土体内某一部分的剪应力达到土的抗剪强

度，在该部分就起先出现剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏的范

围渐渐扩大，最终在土体中形成连续的滑动血，地基发生整体剪切破

坏而丢失稳定性。

抗剪强度的影响因素：土的性质、应力状态、仪器种类试验方

法.

土的极限平衡条件

极限平衡状态:剪应力=土的抗剪强度。

极限平衡条件：平衡状态时应力状态及抗剪强度指标间的关系

式。

土的抗剪强度不仅及土的性质有关，还及试验条件、仪器种类

和应力状态等因素有关，抗剪强度不是常数。

莫尔（Mohr）提出，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度

时该点就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力及法向应力存在函

数关系，即㈢

莫尔-库伦破坏理论

应力改变不大，包线可用库伦公式d=c+otg（|）表示.如虚线所

示，

由库伦公式作为抗剪强度公式，依据剪应力是否达到抗剪强度作

为破坏标准的理论就称为莫尔一库伦破坏理论。

应变限制式三轴仪：四周压力系统，轴向加压系统,孔隙水压力

气测系统组成。

无侧限压缩试验，只施加竖向压力（03=0）,直至破坏。破坏时

的轴向压应力qu称为无侧限抗压强度。

十字板剪切试验：1原位试验,适应于测定软粘土的小排水强度指

标；2先钻孔到指定的土层，插入十字形的探头；3通过施加的最大

扭矩计算土的抗剪强度

地基因竖向承载力不足引起的破坏有三种形式：整体剪切破坏，

局部剪切破坏和冲剪破坏。

地基从压密变形阶段过渡到局部剪切阶段的分界荷载称为地基

的临塑荷载。

允许地基产生肯定范围塑性区所对应地基压力称为临界荷载。

第五章土压力及土坡稳定性

挡土墙：是指支挡其墙后土体不发生倒塌的结构。广泛用于房

屋建筑、水利、以及道路和桥梁工程。

土压力：通常是指挡土墙后的填土因刍重或外荷载作用对墙背

产生的侧压力.

一般挡土墙属于平面问题，下面均按沿墙的长度方向截取单位长

度截条进行分析。

土压力的大小随墙的移动方向和位移量大小而改变。据此可将

土压力分为以下三种类型。：主动土压力Ea,被动土压力Ep,静止

土压力E0。三者之间的关系：Ep>EO〉Eao

影响土压力的因素

1、挡土墙的高度、结构型式、墙背形态和光滑程度.

2、挡土墙的位移方向和位移量大小。

3、墙后填土表面的形态及荷载作用状况。

4、填土的物理力学性质，包括y、（p、3、c等。

朗金土压力理论：1、墙是刚性的;2、墙背垂直、光滑；3、墙

后填土表面水平。

主动土压力Ea的计算原理及公式

I|

无粘性土：--------

粘性土：----------------

被动土压力计算基本原理及公式

1X■

无粘性土：--------

I1U■

粘性土：---------------

库仑土压力理论

基本原理及适用条件

1、基木原理：依据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔

块时，从楔块的静力平衡条件得出的土压力计算理论。

2、适用条件：适用于墙后填土为无粘性土的任何状况下的墙背

及填土面。

3、基本假设:

①、墙后填土是匀称的散粒材料；

②、破坏滑动面是通过墙踵的平面。

挡土墙的类型

重力式挡土墙，重力式挡土墙由块石、毛石砌筑而成，它靠自

身的重力来反抗土压力，由于其结构简洁：施工便利，取材简洁，因

而得到广泛应用。

悬壁式挡土墙,悬壁式挡土墙一般用钢筋混凝土建立，它的竖壁

和底板的悬壁拉应力由钢筋来承受。因而墙高可大于5m,而截面可

小些。当墙高大于10m时，竖壁所受弯矩和产生的位移都较大，因

此必需沿墙长纵向，每隔肯定距离（0。81.0倍墙高）设置一道扶

壁.

锚杆式挡土墙，由钢筋混凝土墙板及锚固于稳定土（岩）层中的

锚杆组成.锚杆可通过钻孔灌浆、开挖预埋或拧入等方法设置。其作

用是将墙体所承受的土压力传递到土（岩层）内部，从而维持挡土墙

的稳定。

锚定板挡土墙，由钢筋混凝土墙板、纲拉杆和锚定板连接而

成，然后在墙板和锚定板之间填土。作用在墙板上的土压力通过拉

杆传至锚定板，再由锚定板的抗力来平衡。

板桩墙，常采纳钢板桩，并由打桩机械打入设置。用作深基坑

开挖的临时土壁支护时，随着开挖的进行,可设置单层或多层支撑.

加筋土挡土墙

挡土墙的稳定验算：1、抗倾覆验算2、抗滑稳定性验算.

土坡是指倾斜的土体。通常可分为自然土坡和人工土坡。

当土坡的顶面和底面都是水平的，并延长至无穷远，且由均质土

组成,则称为简洁土坡。

土坡上的部分岩体或土体在自然或人为因素的影响下沿某一明

显界面发生剪切破坏向坡下运动的现象称为滑坡。其根本缘由在于

土体内部某个平面上的剪应力达到抗剪强度，使稳定平衡遭到破

坏。

第六章岩土工程勘察

岩土工程体系包括5个方面：勘察、设计、询问监理、监测检

测和治理。

岩土工程勘察:依据建设工程的要求，查明、分析、评价建设场

地的地质、环境特征和岩土工程条件，编制勘察文件的活动.

岩土工程勘探:岩土工程勘察的一种手段，包括钻探、井探、槽

探、坑探、洞探以及物探、触探等。

岩土工程勘察报告：在原始资料的基础上进行整理、统计、归

纳、分析、评价，提出工程建议，形成系统的为工程建设服务的勘察

技术文件.

不良地质作用：由地球内力或外力产生的对工程可能造成灾难

的地质作用。

地质灾难：由不良地质作用引发的危及人生、财产、工程或环境

平安的事务。

建筑场地：是指工程建设所干脆占有并干脆运用的有限面积的

土地，大体相当于厂区、居民点和自然村的区域范围的建筑物所在

地.

岩土工程勘察的重要性：任何工程建筑物都是营造在肯定的场

地及地基之上，全部工程建设方式、规模和类型都受建筑场地的工

程地质条件所制约。

岩土工程勘察工作的目的和要求旨在查明场地稳定性和建筑相

宜性，查明场地工程地质和水文地质条件，查明场地地震效应，查明

场地内不良地质作用，供应满意设计、施工所需的岩土参数，提出

地基基础、基坑支护、工程降水和地基处理设计及施工方案的建

议。按不同勘察阶段和相关规范规程、工程条件供应合格的岩土工

程勘察报告。

岩土工程勘察的任务：要求正确反映场地和地基的工程地质条

件，结合工程设计、施工条件,进行技术论证和分析评价，提出解决

岩土工程问题的建议，并服务于工程建设的全过程，确保工程质量,

有很强的针对性,其整体功能是：为设计、施工供应依据。

岩土工程勘察阶段：岩土工程勘察工作要分阶段进行,具体划分

为可行性探讨勘察、初步勘察、具体勘察三个阶段，施工勘察不作

为一个固定阶段.

常用勘察方法：1工程地质测绘及调查；2工程地质勘探及物

探;3原位测试;4室内试验。

成果报告所依据的搜集、调查、测绘、勘探、测试所得的原始

资料，应进行整理、检查、分析、鉴定，经确定无误后方可运用。

岩土工程勘察成果报告的内容，应依据任务要求、勘察阶段、

地质条件、工程特点等具体状况确定。包括下列内容：1勘察目的、

要求和任务；2拟建工程概述；3勘察方法和勘察工作布置；4场地

地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质、地下水、不良地质现象

的描述及评价；5场地稳定性及相宜性的评价；6岩土参数的分析及

选用。

第七章浅基础

地基基础设计必需依据建筑物的用途和平安等级、平面布置和

上部结构类型，充分考虑建筑场地和地基岩土条件,结合施工条件以

及工期、造价等各方面要求，合理选择地基基础方案，因地制宜、

细心设计，以保证建筑物的平安和正常运用。

选择地基基础类型主要考虑因素：1、建筑物的性质；2、地基的

地质状况。

地基基础方案：1。自然地基上的浅基础；2.人工地基上的浅基

础；3o自然地基上的深基础、桩基础。

浅基础：做在自然地基上,埋置深度小于5米的一般基础（柱基

或墙基）以及埋置深度虽超过5米，但小于基础宽度的大尺寸基础

（如箱形基础），在计算中基础的侧面摩擦力不必考虑，统称为自然

地基上的浅基础。

人工地基:加固上部土层，提高土层的承载力，再把基础做在这

种经过人工加固后的土层上。这种地基叫做人工地基.

桩基础:在地基中打桩，把建筑物支撑在桩台上，建筑物的荷载

由桩传到地基深处较为坚实的土层。这种基础叫做桩基础。

深基础：把基础做在地基深处承载力较高的土层上。埋置深度

大于5m或大于基础宽度.在计算基础时应当考虑基础侧壁摩擦力的

影响。这类基础叫做深基础.

常用浅基础体型不大、结构简洁，在计算单个基础时，一般既

不遵循上部结构及基础的变形协调条件，也不考虑地基及基础的相互

作用。这种简化法也常常用于其它困难基础的初步设计，称为常规

设计。

浅基础的类型：砖基础、毛石基础、税基础、毛石碎基础、钢

筋税基础.

按构造分类：独立基础、条形基础、柱下十字形基础、片筏基

础、箱形基础、壳体基础。

按材料性能分类：刚性基础、柔性基础。

基础埋深选择的原则：1在保证建筑物平安、稳定、耐久运用的

前提下，应尽量浅埋，以便节约投资，便利施工。2除基岩外，一般不

宜小于0.5米。3基础顶面应低于设计外地面100mm以上，以避开基

础外露。

当b>3m或d>0。5m,地基承载力特征值应当进行修正

自然地基上浅基础的设计包括内容：1,选择基础的材料、类型和

平面布置；2o选择基础的埋置深度；3.确定地基承载力；4o确定

基础尺寸;5。进行地基变形及稳定性验算;6,进行基础结构设计；7.

绘制基础施工图，提出施工说明。

扩展基础是指柱下钢筋混凝土单独基础和墙下钢筋混凝土条形

基础。

由于不受刚性角限制，设计上可以做到宽基浅埋,充分利用浅层

好土层作为持力层。

及刚性基础相比较,钢筋混凝土基础具有较大的抗拉、抗弯实力,

能承受较大的竖向荷载和弯矩，因此，钢筋混凝土扩展基础普遍应

用于单层和多层结构中。

建筑措施：建筑物体型力求简洁，限制建筑物的长高比，合理

布置纵横墙，限制祥林建筑的间距，设置沉降缝，限制欲调整建筑物

个部分的标高。

结构措施：减轻建筑物的自重，削减或调整基地压力，调整基础

刚度，上部结构采纳静定体系.

第八章桩基础及其他深基础

假如建筑场地浅层的土质不能满意建筑物对地基承载力和变形

的要求、而又不宜实行地基处理措施时，就须要考虑以下部坚实土

层或岩层作为持力层的深基础方案。桩基础是应用最为广泛的一类

深基础。

桩基础是最古老的基础型式之一。在人类有历史记载以前，就

已经在地基土条件不良的河谷及洪积地区采纳桩基础来建立房屋;在

很多不同文化时期的初期，都可以找到桩基础的房屋。

浅基础：施工简洁，造价低。有时承载力、变形等不能满意要求

桩基础：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大范围的开挖（支

护、降水）。施工较为困难，造价较高。

深基础：埋置深度比较大，而且往往须要采纳特别的施工方法

做成的基础.

桩基础一以桩为主体构成的深基础，简称桩基。是由基桩和

连接于桩顶的承台共同组成.承台把桩联结起来并承受上部结构的荷

载，然后通过桩传递到地基中去.

桩基的分类

按桩的数量分类：1）单桩基础，2）群桩基础

按承台位置分类：1）高承台桩基,2）低承台桩基

低承台桩基：桩身全部埋于土中，承台底面及土体接触的桩基

础。

高承台桩基：桩身上部露出地面，承令底面位于地面以上的桩

基础。

桩基的分类

按承台形式分类1）板式承台（矩形、三角形）2）条形承台（十

字交叉、环形）3）沉井、箱形、筏板

摩擦桩：软土层很厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上，桩顶的

极限荷载主要靠桩身及四周土层之间的摩擦力来支承,桩尖处土层反

力很小，可忽视不计.

端承桩：桩穿过懦弱土层，桩端支承在坚硬土层或岩层上，桩

顶极限荷载主要靠桩尖处坚硬岩土层供应的反力来支承，桩侧摩擦

力很小，可以忽视不计。

摩擦端承桩:桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同担当，

但主要由桩端阻力承受。

端承摩擦桩：桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同担

当，但主要由桩侧阻力承受。

按桩的材料分类

混凝土桩:包括一般钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩.

钢桩：常用钢管桩和H型桩。

木桩：用木材制作而成，目前很少运用。

组合桩：用两种或两种以上材料做成的桩.可因地制宜加以选

取。

桩和桩基的分类及质量检测

桩的质量检验1开挖检验；2抽芯检验；3声波透射法；4静

载试验；5各类动力检验法。

群桩基础中因承台、桩和土三者相互影响而导致群桩基础及单

桩在工作状态上的差异称为群桩效应.

群桩基础中桩的极限承载力问题及桩的间距、土质、桩数、桩

径、入土深度以及桃的类型和排列方式等因素有关。

端承型群桩基础，桩侧摩阻力不易发挥，各桩端的压力没有重

叠，群桩基础的承载力就等于各单桩的承载力之和,群桩的沉降量也

及单桩基本相同。

摩擦型群桩基础，1）桩间距大，桩底压应力不叠加（2）桩间

距小桩底压应力叠加。

沉井类型

单孔沉井一一最常见的中小型沉井，圆形、方形、矩形、椭圆

形。

单排孔沉井-一有一排井孔。各井孔之间用隔墙隔开，即增加沉

井的整体刚度，又便于挖土和下沉,适用于长度大的工程。

多排孔沉井一一成为刚度很大的空间结构，适用于大型结构

物。在施工过程中，有利于限制各个井孔挖土的进度，保证沉井匀称

下沉,不致于发生倾斜事故.

沉井制作方法：承垫木法、无垫木法、土模法。

第九章地基处理

浅基础，当承载力、沉降、液化、冻胀等不满意设计要求时，采

纳深基础、桩基础，地基处理，改善土性.

地基处理的目的：1提高土的强度；2增加土的刚度；3改善地

基土的水力特性；4改善抗震性能。

地基处理的对象:

懦弱地基：淤泥土e〉1。5,（D）coL（IL）lo0）,淤泥质

土e=lo0〜L5,①〉coL（IL）1。0），泥炭土,泥炭质土，冲填

±,人工填土，杂填土。

不良地基：湿陷性黄土，膨胀土，冻土，松砂（Dr〈1/3或

e）0.85饱和液化，干土震陷）。

地基处理的方法有很多种：按时间可分为临时处理和永久处

理；按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按土性对象可分为沙

性土处理和黏性图处理，饱和土处理和非饱和土处理。

方法有:换填垫层法，预压法，强夯法和强夯置换法，振冲法，

挤密法，化学加固法，水泥粉煤灰碎石桩法等.

换填垫层法是指挖去地表浅层懦弱土层或不匀称土层，分层回

填强度高，压缩性低，性能稳定且无腐蚀性的沙、素土、灰土、工业

废渣等材料，形成垫层的地基处理方法.

预压法指的是为提高懦弱地基的承载力和削减构造物建成后的

沉降量，预先在拟建构造物的地基上施加肯定静荷载，使地基土压

密后再将荷载卸除的压实方法。

强夯法指的是为提高懦弱地基的承载力，用重锤自肯定高度下

落夯击土层使地基快速固结的方法。

强夯置换是强夯用于加固饱和软粘土地基的方法.

振冲法又称振动水冲法，是以起重机吊起振冲器，启动潜水电

机带动偏心块，使振动器产生高频振动，同时起动水泵，通过喷嘴

喷射高压水流，在边振边冲的共同作用下，将振动器沉到土中的预

定深度，经清孔后，从地面对孔内逐段填入碎石，使其在振动作用

下被挤密实，达到要求的密实度后即可提升振动器，如此反复直至

地面，在地基中形成一个大直径的密实桩体及原地基构成复合地

基，提高地基承载力，削减沉降，是一种快速、经济有效的加固方

法。

砂石桩法是指用振动、冲击或水冲等方式在地基中成孔，再将

碎石、砂或砂石挤入孔中形成石所构成的密实桩体，并和桩四周图

组成复合地基的地基处理方法。

挤密桩法，是软土地基加固处理的方法之一。通常在湿陷性黄

土地区运用较广，用冲击或振动方法,把圆柱形钢质桩管打入原地

基，拔出后形成桩孔，然后进行素土、灰土、石灰土、水泥土等物

料的回填和夯实，从而达到形成增大直径的桩体，并同原地基一起

形成复合地基。

化学加固法是利用某些化学溶液注入地基土中，通过化学反应生

成胶凝物质或使土颗粒表面活化,在接触处胶结固化，以增加土颗粒

间的连结，提高土体的力学强度的方法。

水粉煤灰碎石I庄，英文名CementFly-ashGravelPile即CFG

桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制

成的可变强度桩。

第十章特