土力学重点

一、绪论

1土力学的研究对象

土力学的研究对象是土体

2什么是地基，什么是基础？

地基：通常把支撑基础的土体或岩体称为地基。

基础：基础是将结构承受的各种荷载作用传递到地基上的结构组成部分。

3地基与基础设计必须满足的三个基本条件

(1)承载力条件：作用于地基上的荷载效应不得超过地基容许承载力或地基承载力特征值，保证建筑物不因地基承载力不足造成整体破坏或影响正常使用，具有足够防止破坏的安全储备。

(2)变形条件：控制地基沉降使之不得超过地基变形容许值。

(3)稳定性条件：挡土墙、边坡、地基基础保证具有足够防止失稳破坏的安全储备。 4土木工程事故类型

(1)地基产生整体剪切破坏(2)地基发生不均匀沉降

(3)地基土产生过量沉降(4)地基液化失效

5三个三

土的三个特性：①碎散性②多相性③地质历史形成的变异性

三个工程问题：①强度②变形③渗流问题

三大理论：①强度理论MC②有效应力原理③达西定律

二、土的性质及工程分类

1三相体系

固相（固体颗粒）液相（土中水）气相（气体），研究土的工程性质是，及有别于固体力学，也有别于流体力学。

2土的矿物颗粒成分

(1)原生矿物：石英、长石、云母。①比表面积小（单位体积内颗粒的总表面积）②矿物成分的性质较稳定③若级配好，则土的密度大强度高、透水性较大、压缩性较低。

(2)次生矿物：蒙脱石、伊利石、高岭石。性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点。工程性质:蒙脱石

3粒度，粒组，界限粒径

粒度：土粒的大小。

粒组：大小、性质相近的土粒合并为一组。

界限粒径：划分粒组的分界尺寸。

4颗粒级配

颗粒级配：通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示。 表示方法：表格法，颗粒级配曲线法。

实验方法：筛分法，适用于0.075mm≤d≤60mm,圆孔

沉降分析法，适用于d＜0.075mm

颗粒级配的描述：

工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度。

曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况。

颗粒级配是否良好的判断：

Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土，Cu＞5的土视为级配

良好的土。对于砾类土或砂类土同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾。

5土中水

水：固态水 内部结晶水，内部结合水

液态水 结合水:强结合水（类似固体），弱结合水（对工程性质影响最大）。

自由水:重力水 毛细水

气态水

6粘土颗粒与水的作用

粘土颗粒表面带有负电荷：电泳，电渗，电渗排水法

7双电层与扩散层

任何两个不同的物相接触都会在两相间产生电势，这是因电荷分离引起的。两相各有过剩的电荷，电量相等，正负号相反，相与吸引，形成双电层。

8毛细管现象

毛细水：是受到水与空气交界面处表面张力作用、存在地下水位以上的透水层中的水。 毛细现象: 土中水在表面张力作用下，沿着细的空隙向上及向其他方向移动的现象。 9土的冻胀，融陷 原因现象因素

冻胀现象：由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中的水分增加，冻结的水分逐渐增多，土体也随之发生膨胀隆起。

融陷现象：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷。

影响冻胀现象的因素：①土的因素②水的因素③温度的因素 结论：在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。

10土中气体

非封闭气体 封闭气体（对土的工程性质影响最大）

含有气体的土成为非饱和土

11土的结构和构造

土的结构（微观）：在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关。单粒结构，蜂窝结构，絮凝结构。

土的构造（宏观）：指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征。层理结构，裂隙性。

12土的物理性质指标 大题

三个基本试验指标

①土的密度ρ：单位体积土的质量 “环刀法”

②土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示

“烘干法”

③土粒相对密度ds（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯

水的质量之比 “比重瓶法”

反映土单位体积质量的指标（换算指标）

①干密度ρd：单位体积中固体颗粒部分的质量

②饱和密度ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度

③浮密度 ，：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差

土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ(kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度ysat，干重度yd，浮重度y’(kN/m3)

反映土的孔隙特征、含水程度的指标

孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比

孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示

土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示

饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土 Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:Sr≤50%稍湿； 50％＜Sr≤80%很湿； Sr＞80%饱和 指标的换算

13无粘性土的密实度

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。“标准贯入实验锤击数”

14粘性土的物理特性

界限含水量：粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水量。 液限：土由可塑状态变化到流动状态的界限含水量。

塑限：土由半固态变化到可塑状态的界限含水量。

缩限：土由半固态不断蒸发水分，体积逐渐缩小，直到体积不在缩小时的土的界限含水量。 塑性指数：IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。IP越大，表明土的颗粒越细，比表面积越大，土处在可塑状态的含水量的变化范围就越大。塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高。

液性指数：IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态。

灵敏性：St=原状土的无侧限抗压强度/重塑土的无侧限抗压强度

触变性：含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引 起的，是土结构随时间变化的宏观表现。打桩要“一气呵成”

15土的渗透性及渗流

渗流：水在土体中流动的现象，存在水头差就会发生流动。不是水压差！

土的渗透性：土被水透过的性质。

达西定律：在层流状态的渗流中，渗流速度v与水力梯度i的一次方成正比。渗流计算中均采用假想的平均流速。达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流 速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。

16影响土渗透性的主要因素

砂性土：颗粒大小、级配、密度、以及土中封闭气泡、孔隙比、矿物成分、结构和构造、 粘性土：土的矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造、土中气体。

17流网

流网：渗流场中的两族相互正交曲线，等势线和流线所形成的网络状曲线簇。

流线：水质点运动的轨迹线。(Lagrange方法，Euler方法)

等势线：测管水头相同的点之连线。

流网法：通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。

18流网的特征与绘制

绘制流网时必满足下列几个条件：

①流线与等势线必须正交。

②流网为曲边正方形，流线与等势线构成的各个网格的长宽比应为常数。

③相邻等势线之间的水头损失相等。

④各个流槽的渗流量相等。

流网的绘制

①按一定比例绘出结构物和土层的剖面图。

②首先根据渗流场的边界条件，确定边界流线和边界等势线。

③先试绘若干条流线，流线应与进水面、出水面正交，并与不透 水面接近平行，不交叉。 ④加绘等势线。须与流线正交，且渗流区的形状接近方块。

19渗透力

渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力，是一种体积力。渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。

20流土与管涌

流土：在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。

管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生 移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙。外因——渗透力足够大。

潜蚀： 潜蚀作用分为机械潜蚀和化学潜蚀。机械潜蚀：渗流的机械力将细粒土冲走而形成洞穴。化学潜蚀：水流溶解土中的易溶盐或胶结物使土变松散，细粒土被水冲走而形成洞穴 管涌可能性的判别：发生管涌，首先决定于土的性质。

一般粘性土(分散性土例外)，只会发生流土而不会发生管涌，故属于

非管涌土；

无粘性土中产生管涌，必须具备下列两个条件：

(1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，

才可能让细颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。

(2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。

流土和管涌的区别： 流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。

防治流土：减小i ：上游延长渗径；下游减小水压

增大[i]：下游增加透水盖重

防治管涌：改善几何条件：设反滤层等

改善水力条件：减小渗透坡降

防治流土的措施：

（1）在上游做垂直防渗帷幕，如混凝土防渗墙

（2）上游做水平防渗铺盖，延长渗流途径、降低下游溢出坡降

（3）在下游挖减压沟或打减压井（4）下游加透水盖 （5）土层加固处理 防治管涌的措施： （1）改变水力条件 （2）改变几何条件

21土的压实性

压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性。

最优含水量：在一定的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大密实度的含水量。与其对应的干密度为最大干密度。

22击实实验

影响击实效果的因素：含水量、击实功、土的性质（土类及级配）

含水量：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果。

击实功能：当含水量较低时击数的影响较显著。当含水量较高时含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的。

土类及级配：含粗粒越多的土样其最大干密度越大，而最优含水量越小。

级配良好的土有足够的细粒去充填较粗粒形成的孔隙，能获得较高的干密度。 23土的振动液化

液化：土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的现象（原理：有效应力原理）

沙土液化造成灾害的宏观表现：①喷砂冒水②震陷③滑坡④上浮

影响土液化的主要因素：

①土类：粉砂土、细砂土、松砂土和粉土比中砂土及粗砂土容易液化；级配均匀的沙土比级配良好的沙土容易发生液化。

②土的密度：往复剪切时，孔隙水压力增长的原因在于砂土的剪缩性（在剪切过程中，砂土体积缩小的性质），而随着砂土密度的增大其剪缩性就会减弱，剪切时内部就会产生负的孔隙水压力，土体阻抗反而增大了，因而不可能发生液化。

③土的初始应力状态：

④往复应力强度与往返次数：

24土的动力特征参数（了解）

25地基土的工程分类

根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土六大类。

细粒土按塑性图分类：（没有考虑土的结构性）

三、土中应力计算 大题

1土的自重应力

由于土本身的有效重力引起的应力称为自重应力。

土的自重应力分布有何特点?地下水位的升降对自

重应力有何影响,如何计算?

答:均质土的自重应力沿深度呈线性分布

非均质土的自重应力沿深度呈折线分布

地下水位下降会引起自重应力的变化，使地基中原地下水位以下部分土的有效自重应力增加，从而造成地表大面积附加下沉;

地下水位上升，使原来位于地下水位以上的土体处于地下水位之下，会使这部分土体压缩量增大，抗剪强度降低，引起附加沉降

地下水位以上土层采用天然重度，地下水位以下土层采用浮重度

.

2基底压力分布

3基底附加应力

作用于地基表面，由于建造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。

如何计算基底附加压力?在计算中为什么要减去基底自重应力?

答:基底附加压力:由于建造建筑物而新增加在地基表面的压力,即导致地基中产生附加应力的那部分基底压力

因为一般基础都埋置于地面下一定深度,该处原有自重应力因基坑开挖而卸除,因此,在计算由建筑物造成的基底附加压力时,应扣除基底标高处土中原有的自重应力后,才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力

4地基附加应力（角点法）

5地基土的非均匀性对附加应力的影响

①上层软弱，下层坚硬的成层地基--应力集中

上层坚硬，下层软弱的成层地基--应力扩散

②变形模量随深度增大的地基--应力集中（应力相关性）

③非均匀地基的水平变形模量Eoh>竖向变形模量Eov时--应力扩散

非均匀地基的水平变形模量Eoh

6有效应力原理

饱和土中的应力（总应力）为有效应力和孔隙水压力之和，或者说有效应力等于总应力减去孔隙水压力。

孔隙水压力在各个方向上的大小相等，只能使土颗粒产生压缩，而不能使土颗粒产生位移；有效应力作用使孔隙体积发生改变,土体发生压缩，会引起土颗粒的位移；

有效应力控制了土体的变形及强度。

四、土的变形性质及地基沉降计算

1土的压缩性，固结性

土的压缩性：是指土在压力作用下体积缩小的特性。地基土被压缩了①固体颗粒的压缩②土中水的压缩③空气的排出④水的排出。

土的固结性：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程。

2压缩实验

e-p曲线：压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高、

根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标：①压缩系数a②压缩模量Es③变形模量Eo 压缩系数a：土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值。

压缩模量Es：土体在侧限条件下应力与应变的比值。

变形模量Eo：土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。

压缩系数与压缩模量的关系：压缩模量Es与压缩系数a成反比，Es越大，a就越小，土的压缩性就越低。

变形模量与压缩模量的关系：

3地基最终沉降量的计算

分层总和法：“应力比法”

规范法：“变形比法”

地基最终沉降量的组成：

瞬时沉降--不排水沉降，畸变沉降，加荷瞬间土孔隙水来不及排出，孔隙体积尚未变化，地基土在荷载作用下进发生剪切变形时的地基沉降。

固结沉降--主固结沉降，土中孔隙水逐渐挤出，孔隙体积相应减少。

次固结沉降--土中孔隙水已经消散，有效应力增长基本不变之后仍随时间而缓慢增长所引起的沉降。（土体的流变性）

4天然土层应力历史

超固结比OCR：天然土层在历史上所经受过的最大的固结压力称为先期固结压力(Pc)。按照它与现有压力(P1)相对比的情况，可将土分为正常固结、超固结和欠固结土三类。无单位 超固结状态OCR>1

正常固结状态OCR=1

欠固结状态OCR

5饱和土渗透固结模型

荷载施加瞬时(t=0)弹簧未被压缩；荷载全部由孔隙水承担；超静孔隙水压力。 时间(t>0)弹簧所承担的力（即有效应力）逐渐增大。

时间(t→∞)弹簧全部承担,饱和土的渗透固结完成。

饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效力应力转化的过程.

6太沙基一维固结理论

假设：①土层是均质的、完全饱和的

②土的压缩完全由孔隙体积减小引起，土体和水不可压缩

③土的压缩和排水仅在竖直方向发生

④土中水的渗流服从达西定律

⑤在渗透固结过程中，土的渗透系数k和压缩系数a视为常数

⑥外荷一次性施加

土的竖向固结系数：

固结度：地基在荷载作用下，经历时间t的固结沉降量与最终沉降量之比。

由公式可以看出：①固结度是时间因数的单值函数；

②渗透系数越大，固结系数也越大；

③时间越长，固结越充分；

④渗流路径越大，越难固结。

五、土的抗剪强度

1土的抗剪强度理论

2莫尔—库仑强度理论

莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则。

剪破面并不产生于最大剪应力面，而与最大剪应力面成φ/2的夹角，可知，土的剪切破坏并不是由最大剪应力τmax所控制。

3抗剪强度的测定方法

①直接剪切试验②三轴压缩试验③无侧向抗压强度试验④十字板剪切试验

4孔隙水压力系数

孔隙应力系数B

• B=1饱和土的不固结不排水试验试验中，试样在周围 压力增量下将不发生竖向和侧向变形，这时的周 围压力增量完全由孔隙水承担，土骨架不受外力 作用

• B=0土完全干燥，周围压力增量完全由土骨架承担

• 0

偏应力增量作用下的孔隙水压力系数A

5粘性土在不同固结和排水条件下的抗剪强度指标

固结不排水剪（CU ）

不固结不排水剪（UU）

固结排水剪（CD）

6应力路径

土体中一点应力状态连续变化，在应力空间

（平面）中的轨迹

7应力路径问题简述

堆载

开挖

六、挡土墙土压力 大题

1挡土墙土压力

由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。

主动土压力：墙体外移，土压力逐渐减小，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最小)

被动土压力：墙体内移，土压力逐渐增大，当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力(最大)

静止土压力：挡土墙静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态。

2朗金土压力理论 适用条件：①墙背垂直光滑（墙背为主平面）②墙后填土水平

3库仑土压力理论

基本假定：①墙后的滑动体是刚塑体②滑动面是平面③墙后填土面为平面且填土的c=0，填土的坡角。

4比较

（1）朗肯土压力理论：

依据：半空间的应力状态和土的极限平衡条件

概念明确、计算简单、使用方便

理论假设条件

理论公式直接适用于粘性土和无粘性土

由于忽略了墙背与填土之间的摩擦，主动土压力偏大，被动土压力偏小。

（2）库伦土压力理论：

依据：墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平 衡条件

理论假设条件

理论公式仅直接适用于无粘性土

考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背倾斜，填土面倾斜的情况。但库伦理论假设破裂面是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果有出入。

5

挡土墙设计

基底面积、埋深：按地基承载力确定

基底的荷载效应：按正常使用极限状态下的 荷载效应组合

土体自重、墙身：按各自的重度计算，地下 水位取浮重度

稳定性验算：抗倾覆稳定和抗滑稳定

抗倾覆稳定不满足时应采取的措施： 抗滑稳定不满足时应采取的措施：

1、加大 G 1、修改挡土墙的断面尺寸,加大G

2、加大前趾长度，更稳定 2、在墙基底面作砂石垫层，增大摩擦力

3、墙背做成仰斜（但施工不方便） 3、挡土墙基底可作成逆坡，利用逆坡上的

4、在墙背上作卸荷台，形状如牛腿 部分反力抗滑。

4、加拖板来抗滑。主要是利用拖板上覆盖 的土重抗滑

6建筑物因地基引起的破坏一般有两种：

1.基础过大的沉降量或沉降差（分层总和法）

2.荷载超过地基承载力

7地基剪切破坏的三种型式：

1.整体剪切破坏

2.局部剪切破坏

3.冲剪破坏

8确定地基承载力的依据方法

1.理论公式计算(按塑性区开展深度)

2.根据土的性质查规范的承载力表

3.现场试验和静力触探

9太沙基公式

假设：(有重量的介质、基础底面粗糙)

10滑坡

滑坡：一部分坡体沿滑动面相对另一部分 坡体滑动。

滑坡原因：坡顶施加外部荷载、受到强烈 地震的作用、降雨导致抗剪强度减小等。 滑坡机理：滑动面上的剪应力达到了抗剪 强度。

简化假设：平面应变问题、滑体为刚体。

11土坡稳定分析

七、浅基础设计

1浅基础类型

①无筋扩展基础 ②扩展基础：柱下独立基础，墙下条形基础

③柱下条形基础 ④筏形基础

⑤箱型基础 ⑥壳体基础

2基础埋置深度的选择四个因素

①建筑结构条件和场地环境条件 ②工程地质条件

③水文地质条件 ④季节性冻胀和融陷的影响

3地基承载力的设计原则

①总安全系数设计原则

②容许承载力设计原则

③概率极限状态设计原则

4地基承载力的确定方法

①根据土的强度理论计算确定；

②按静载荷试验方法确定；

③根据《规范》表格确定；

5基础底面尺寸符合的要求

6软弱下卧层的验算

7地基变形

特征：①沉降量②沉降差③倾斜④局部倾斜

验算：

规范：179

8扩展基础设计（选择）

9倒梁法，剪力平衡法区别

10减轻不均匀沉降措施

①采用柱下条形基础、筏基、和箱型基础等结构钢度大、整体性较好的浅基础； ②采用桩基或其他深基础；

③采用各种地基处理方法；

建筑措施：①建筑体型力求简单

②控制建筑物长高比及合理布置纵横墙

③设置沉降缝

结构措施：①减轻建筑物自重

②设置圈梁

③减小或调整基底附加压力

④增强上部结构刚度或采用非敏感性结构

施工措施：合理安排施工工序，注意某些施工方法

八、桩基础

1桩基础分类

按承台位置分类：低承台桩，高承台桩

2桩的分类

按承载性状分：摩擦形桩

端承型桩

按施工方法分：预制桩

灌注桩

按桩的设置效应分：非挤土桩

部分挤土桩

挤土桩

3桩的质量检验

①开挖检查：

②抽芯法：

③声波透射法：

④动测法：

4单桩的破坏模式

屈曲破坏:沉降量很小,控端阻为主,桩的承载力取决于桩身材料强度,穿越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类;

整体剪切:沉降量较大,桩端阻为主,桩的承载力取决于端桩土的支承力，桩端桩側土,打入式短桩、钻孔短桩属于此类;

刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩的承载力主要由上部结构所能承受的极限沉降Su确定，桩的承载力主要取决于桩周土的强度。

5桩侧负摩阻力

负摩阻力：桩周土相对于桩身下沉产生的摩阻力。

产生的条件：

①桩侧大范围降低地下水,如大面积抽水,基坑降水等。

②桩侧地面大面积堆载。

③桩身穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层;

④东土区升温引起桩侧土沉陷。

6减小负摩阻措施

涂层法;塑料薄膜隔离层法;桩土之间灌注斑脱土浆法;

插入变径预制控法一钻孔桩; 群桩: 设内外围保护桩法。

7单桩竖向承载力确定

①根据桩身材料强度确定

②按土的抗剪强度指标确定

③按静力触探法确定

④按经验公式法确定

8群桩效应

9承台效应