土力學、地基及基礎(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。 （2）2個代號構成時，第1個代號表示土的主成分，第2個代號表示土的特性指標(土的液限或級配)。如：ML—低液限粉土；SW—級配良好砂。 （3）由3個代號構成時，第1個代號表示土的主成分，第2個代號表示土的特性指標(土的液限或級配)，第3個代號表示土中所含次要成分。如：CLG—含礫低液限粘土 (二)粗粒土的分類 定義：粗粒土是試樣中粗粒組含量大于的總質量50%的土。 性質：粗粒土沒有粘性，常稱為無粘性土，其性質由土粒級配控制。粗粒土透水性強，易于壓實，基本不受含水狀態的影響。 分類：粗粒土的分類列于表15。表15粗粒土的分類土 類定名粒組含量土代號土名稱礫類土（礫粒組含量＞50%總質量）礫細粒組含量小于5%級配：Cu≥５，Cc＝１～３GW級配良好礫級配：不能同時滿足上述要求GP級配不良礫含細粒土礫細粒組含量為5%～15%GF含細粒土礫細粒土質礫細粒組的含量為15%～50%細粒為粘土GC粘土質礫細粒為粉土GM粉土質礫砂類土（礫粒組含量≤50%總質量）砂細粒組含量小于5%級配：Cu≥５，Cc＝１～３SW級配良好砂級配：不能同時滿足上述要求SP級配不良砂含細粒土砂細粒組含量為5%～15%SF含細粒土砂細粒土質砂細粒組的含量為15%～50%細粒為粘土SC粘土質砂細粒為粉土SM粉土質砂(三)細粒土的分類 定義：細粒土是指試樣中細粒組含量大于或等于總質量50%的土。 性質：(1)細粒類土中，當粗粒組含量小于25%時，土體中的粗粒是分散填充在細粒土內，對土的性質影響不大，稱為細粒土； (2)當粗粒組含量大于25%時，粗粒在土體中已起骨架作用，對土的性質有相當的影響，稱為含粗粒的細粒土。 ：細粒土根據塑性圖進行分類。根據塑性圖分類后，細粒土共分成八類，其代號分別為：CH、CL、CHO、CLO、MH、ML、MHO、MLO 二、《建筑地基基礎設計規范》（GBJ789） 根據《建筑地基基礎設計規范》，作為建筑物地基的土類有巖石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土及特殊土等，下面主要討論碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土等土的分類。 (一)碎石土 粒徑大于2mm的顆粒含量超過50%的土稱為碎石土。根據粒組含量及顆粒形狀可按表16分類。表16碎石土的分類土的名稱顆粒形狀粒組含量漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全重50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全重50%圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全重50% 注：分類時應根據粒組含量由大到小以最先符合者確定。 (二)砂土 粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重的50%、%的土稱為砂土。砂土可分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂（表17）。表17砂土的分類土的名稱顆粒含量礫 砂粒徑大于2mm的顆粒超過全重25%～50%粗 砂%中 砂%細 砂%粉 砂% 注：分類時應根據粒組含量由大到小以最先符合者確定。 (三)粘性土 凡塑性指數Ip值大于10的土定名為粘性土。根據塑性指數的大小，粘性土又分為粘土和粉質粘土，即： Ip17粘土； 10Ip≤17粉質粘土。 粘性土中有兩個亞類(淤泥和淤泥質土、紅粘土)與工程建筑關系極為密切，它們是： 淤泥是在靜水或緩慢的流水環境中沉積，并經生物化學作用形成的，其天然含水率大于液限、。 紅粘土是指碳酸鹽系的巖石（石灰巖及白云巖等）經紅土化作用形成的高塑性粘土。其液限一般大于50%。經再搬移后仍保留紅粘土基本特征，液限大于45%的土定為次生紅粘土。 (四)粉土 粉土是指塑性指數Ip小于或等于10的土。其性質介于砂土和粘性土之間 。 (五)人工填土 根據組成和成因，人工填土可分為素填土、雜填土、沖填土三種。 素填土—由碎石土、砂土、粉土、粘性土等組成的填土。 雜填土－含有建筑垃圾、工業廢料、生活拉圾等雜物的填土。 沖填土－由水力沖填泥沙形成的填土。第七節 土的壓實性為了保證場地有足夠的強度，較小的透水性和壓縮性，施工時必須對填土進行壓實，以提高填土的密實度和均勻性。工程中，采用的壓實方法有碾壓、夯實和振動等。填土的壓實性在實驗室是通過擊實試驗來進行測定的。如圖111所示。試驗時，把制備成某一含水率的土料分層裝入擊實筒中，每層土料在一定的擊實功下，錘擊密實。根據擊實后土樣的密度和實測含水率可求出相應的干密度。試驗應制備不少于5個不同含水率的試樣，分別進行試驗。擊實試驗按擊錘質量的不同分為輕型和重型擊實兩種(表18)。表18擊實試驗參數試驗方法錘質量（kg）擊實筒體積（cm3）分層層數每層擊數輕 型325重 型394556根據擊實試驗獲得的含水率ω和相應的干密度ρd值，可繪制擊實曲線，如圖112所示。擊實曲線具有以下三個特點：峰值、理論飽和曲線、擊實曲線的形態。在一定擊實功下，只有當含水率為某一特定值(最優含水率ωop)時，土體才能達到最密實狀態，這時的干密度即最大干密度ρdmax。當含水率大于或小于最優含水率ωop時，對應的干密度都小于最大干密度ρdmax。假定土中氣體全部被排出，孔隙中完全充滿水，即飽和度Sr=100%，實際上擊實曲線不可能與飽和曲線相交，而是位于飽和曲線的左側(見圖112)。從擊實曲線可以看出，最優含水率的兩側表現為左陡右緩，右側大致與理論飽和曲線平行。所以，當含水率低于最優含水率時，含水率對土的密實度影響更為顯著。影響土體擊實效果的因素很多，主要有含水率、擊實功和土類和級配等。含水率對土的擊實效果的影響極大。見圖112土的擊實曲線大量試驗證明，粘性土的最優含水率ωop與土的塑限ωp比較接近，大致是ωop=ωp+2(%)。對于室內擊實試驗，擊實功是由擊錘質量、落高、錘擊數和錘擊土層的厚度等反映的。同一種土在不同擊實功時，會得到一組擊實曲線，如圖113所示。從圖中可以看出，土料的最大干密度和最優含水率不是常量。最大干密度隨著擊實功的增加而逐漸增大，而最優含水率隨著擊實功的增加而逐漸減小。在含水率較低時，擊實功對擊實效果的影響更為顯著；當含水率較高時，這種影響程度降低，以至完全消失。試驗表明：（1）相同擊實功下，粘性土塑性指數愈大，壓實愈困難，最大干密度愈小，最優含水率愈大。（2）對于無粘性土，含水率對土的壓實性的影響與粘性土有明顯的不同（見圖114）。 因此，無粘性土在壓實過程中應不斷地加水，使其處于飽和狀態，通常采用振動法、水撼法加以密實，可以取得最佳效果。（3）同類土中，土的顆粒級配對土的壓實效果影響很大。顆粒不均、級配良好的土容易壓實；顆粒均勻、級配不良的土則不易壓實。目前，工程中大多采用壓實系數(密實度)P作為質量控制標準第二章 土中水的運動規律本章提要滲透：在水頭差作用下，水將透過土中的孔隙從高水頭處向低水頭處運動，這種現象稱為滲透。滲透性：土體具有被水透過的性能稱為土的滲透性。一般來說，礫類土的滲透性較大，砂土次之，粘土可視為相對不透水層。地基土的滲透性，不僅導致上游水量的滲漏，更嚴重的是滲透水流會帶走土體顆粒，引起土的滲透破壞，致使土體邊坡乃至建筑物失去穩定性。如圖21所示。因此，需要研究下列三個問題：(1)滲流的運動規律；(2)滲透破壞的型式及其發生條件；(3)滲透穩定條件。第一節 達西滲透定律水的滲流可分為層流、紊流。層流滲透定律（達西定律）1．層流：即水流流線互相平行的流動一般土體（粘性土、砂土）的孔隙細小，水在土體孔隙中的流速較小，滲流多屬于層流。達西定律：（是法國學者達西() 1856年根據砂土的滲透試驗得出的），如圖2—2，在層流狀態時，水的滲流速度與水力坡降成正比。即:因為水在土中的滲流并不是通過土體的整個截面，而是通過粒間的孔隙進行的，而土中孔隙的大小和形狀極為復雜，很難直接測定通過孔隙的真正流速。而水通過土體孔隙的實際流速比假想的流速大得多，它們之間的關系為：2．紊流：對于粗粒土(如礫石、卵石等)，只有水力坡降較小時，滲流速度與水力坡降才呈線性關系。當水力坡降較大時，水在土中的流態屬紊流，此時，滲流速度與水力坡降呈非線性關系，達西定律就不適用了。第二節 滲透系數及其測定方法從達西定律中知道，滲透系數k是指當水力坡降i=1時的滲流速度。滲透系數的大小反映了土的滲透性能，其值由滲透試驗確定。滲透試驗分為現場和室內試驗兩種，現場常采用抽水試驗，室內常采用常水頭及變水頭試驗兩種。一、常水頭試驗常水頭試驗適用于透水性較強的粗粒土，在整個試驗過程中試樣的上、下游水頭保持為常數，其試驗裝置如圖2—3所示。可按達西定律求出滲透系數.滲透系數的影響因素影響土體滲透性的很多，如土類、級配、孔隙比及土中封閉氣泡等等，表2—1列出了不同土的滲透系數。表2—1 不同土的滲透系數土類滲流系數k(cm/s)滲透性純礫＞101高滲透性純砂與礫混合物103～101中滲透性極細砂105～103低滲透性粉土、砂與粘土混合物107～105極低滲透性粘土＜107幾乎不透水第三節 滲透力及滲透變形一、滲透力 水在土體孔隙中流動時，必須克服土粒對滲透水流的阻力，從而引起水頭損失。而滲透水流作用于單位土體內土粒上的拖曳力稱為滲透力。 為了說明滲透力的存在，從圖25所示裝置中可以看到下列現象：當容器A與容器B中的水面齊平時，無滲水現象；隨著容器B的提高，水自容器B經過容器A的底部不斷地從容器A的頂緣溢出；當容器B提升至某一高度時，容器A中原有密實的砂土將完全失去穩定，好象沸騰的開水向上涌出，即產生流土現象。 流土現象的出現說明水在土體孔隙中流動時滲透力的存在。若容器A中砂土試樣的厚度為l，截面積為A，克服整個試樣由土粒對滲流的阻力所引起的水頭損失為h，總的水壓力損失即土粒對水流的阻力F，其值應為： 由于水在土中的滲流速度較小，滲透水流的慣性力忽略不計。根據力的平衡條件可知，滲透水流作用于試樣上的總滲透力J與土粒對滲透水流的阻力F大小相等方向相反，即: 滲透力是一種體積力，是作用在整個試樣體積上的；則作用于單位土體體積的滲透力j應為： 由上式知，滲透力的大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，量綱為kN/m３。二、滲透變形 滲透變形的基本形式 滲透變形可分為流土和管涌兩種基本型式。 當土中發生自下而上的滲流，此時滲流力方向向上，與重力方向相反，將減小土粒間的壓力，一旦向上的滲透力等于土的浮重度，則土粒間的壓力將減小至零，土粒處于懸浮狀態而失去穩定，土體中某一范圍內的顆粒或顆粒群將同時發生移動，這種現象稱為流砂或流土。流土發生于滲流逸出處而不是土體內部。 流砂是一種不良地質現象。在水下深基坑或沉井排水挖土時，常會發生流砂現象。流土主要發生在細砂、粉砂、亞粘土及亞砂土等土層中，而不易發生在粗粒土及粘性土中。 防治流砂的原則主要有：（1）減少或消除基坑內外地下水的水頭差，例如采取先在基坑范圍外井點地下水，或直接進行水下挖土等施工方法；（2）增長滲流路徑；（3）在向上滲流出水口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力。 管涌是指在滲流作用下，無粘性土體中的細小顆粒，通過粗顆粒間的孔隙被水流帶走的現象。管涌可以發生在滲流逸處，也可能發生土體內部。 在河灘路堤兩側有水位差時，路堤及路基土內將發生滲流，當水力坡降較大時，可能產生管涌現象，致使路堤坍塌破壞。為防止管涌的發生，一般可在路基下游邊坡的水下部分設置反濾層，以防止堤基中的細小顆粒被滲透水流帶走。(二)土的臨界水力坡降 使土體開始發生滲透變形的水力坡降稱ic為臨界水力坡降icr。它可以用試驗方法或計算方法加以確定。 根據以上分析，導致滲透變形的直接原因是滲透力，而滲透力的大小隨著水力坡降的增大而增大。當豎向滲透力等于土體的有效重度時，即j=γ’，土體即處于流土的臨界狀態，則有： 上式表明，流土的臨界水力坡降取決于土的物理性質指標。～。按上式求得的臨界水力坡降應給以較大的安全儲備，方可作為允許水力坡降，安全系數一般取為2～。這樣，只要求出滲流逸出處的水力坡降ie，就可以判別流土發生的可能性。 當ie＜icr時，土體處于穩定狀態； 當ie=icr時，土體處于臨界狀態； 當ie＞icr時，土體處于流土狀態； 值得注意的是，上述公式僅適用于流土的判別。管涌發生的臨界水力坡降目前尚無合適的公式，故常采用試驗方法進行確定。第四節 土在凍結過程中水分的運動一、凍土及凍害 溫度在攝氏零度以下且含有冰的土稱為凍土。根據凍融情況凍土可分為季節性凍土和多年性凍土。冬季凍結，夏季融化的凍土稱為季節性凍土；凍結狀態持續多年的土稱為多年性凍土。多年性凍土主要分布在緯度較高和海拔較高的嚴寒地區，如東北的大、小興安嶺及海拔較高的