1 固結(jié)與沉降計(jì)算

　　[例1]某土層厚5m，原自重壓力p1=100kPa.今考慮在該土層上建造建筑物，估計(jì)會(huì)增加壓力p=150kPa.求該土層的壓縮變形量為多少。

　　取土作壓縮試驗(yàn)結(jié)果如下：

　　p（kPa）050100200300400

　　e1.4061.2501.1200.9900.9100.850

　　[解]已知p1=100kPap=150kPah=5m

　　那么p2=p1p=250kPa

　　由壓縮試驗(yàn)結(jié)果可得：

　　e1=1.120e2=0.95

　　則m=40cm

　　可見(jiàn)，估算得該土層的壓縮變形量大致為40cm.

　　[例2]設(shè)飽和粘土層的厚度為10m，位于不透水堅(jiān)硬巖層上，由于基底上作用著豎直均布荷載，在土層中引起的附加應(yīng)力的大小和分布如圖所示。若土層的初始孔隙比e1=0.8，壓縮系數(shù)av=2.510-4kPa-1，滲透系數(shù)k為2.0cm/a.試問(wèn)：（1）加荷一年后，基礎(chǔ)中心點(diǎn)的沉降量為多少。（2）當(dāng)基礎(chǔ)的沉降量達(dá)到20cm時(shí)需要多少時(shí)間。

　　[解]（1）該土層的平均附加應(yīng)力為

　　=200kPa

　　則基礎(chǔ)的最終沉降量為

　　10-42001000=27.8cm

　　該土層的固結(jié)系數(shù)為

　　1.4710-5cm2/a

　　時(shí)間因數(shù)為

　　=0.147

　　土層的附加應(yīng)力為梯形分布，其參數(shù)

　　=1.5

　　由Tv和Ut及關(guān)系，可查得土層的平均固結(jié)度為T(mén)v=0.45

　　則加荷一年后的沉降量為

　　St=UtS=0.4527.8=12.5cm

　　（2）已知基礎(chǔ)的沉降為St=20cm，最終沉降量S=27.8cm

　　則土層的平均固結(jié)度為

　　Ut==0.72

　　由Tv和Ut及關(guān)系，可查得時(shí)間因數(shù)為0.47，則沉降達(dá)到20cm所需的時(shí)間為

　　=3.20年

　　例2計(jì)算圖

　　[例3]有一厚10m的飽和粘土層，上下兩面均可排水。現(xiàn)將從粘土層中心取得的土樣切取厚為2cm的試樣做固結(jié)試驗(yàn)（試樣上下均有透水石）。該試樣在某級(jí)壓力下達(dá)到80％固結(jié)度需10分鐘。問(wèn)：（1）該粘土層在同樣固結(jié)壓力（即沿高度均布固結(jié)壓力）作用下達(dá)到80％固結(jié)度需多少時(shí)間。（2）若粘土層改為單面排水，所需時(shí)間又為多少。

　　[解]已知粘土層厚度H1=10m，試樣厚度H2=2cm，試樣達(dá)到80％固結(jié)度需t2=10分鐘。設(shè)粘土層達(dá)到80％固結(jié)度需時(shí)間t2.

　　由于原位土層和試樣土的固結(jié)度相等，且值相等（均為沿高度固結(jié)壓力均勻分布），因而可知Tv1=Tv2；又土的性質(zhì)相同，則Cvl=Cv2，那么，

　　于是

　　2500000分鐘=4.76年

　　當(dāng)粘土層改為單面排水時(shí)，達(dá)到80％固結(jié)度需時(shí)間t3，由Tv1==Tv3和Cv1=Cv3，得

　　于是

　　t3=4t1=44.76=19年

　　可見(jiàn)，在其它條件都相同的情況下，單面排水所用時(shí)間為雙面排水的4倍。

　　[例4]土應(yīng)力歷史的幾個(gè)概念

　　先期固結(jié)壓力和超固結(jié)比：天然土層在歷史上所經(jīng)受過(guò)的最大固結(jié)壓力（指土體在固結(jié)過(guò)程中所受的最大有效壓力），稱(chēng)為前（先）期固結(jié)壓力pc.前期固結(jié)壓力pc與現(xiàn)有自重應(yīng)力p1的比值（pc/p1），）稱(chēng)為超固結(jié)比OCR.

　　正常固結(jié)土：若天然土層在逐漸沉積到現(xiàn)在地面后，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，在土的自重作用下已經(jīng)達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，則其前期固結(jié)壓力pc等于現(xiàn)有的土自重應(yīng)力p1（p1=h，為土的重度，h為現(xiàn)在地面下的計(jì)算點(diǎn)深度），這類(lèi)土稱(chēng)為正常固結(jié)土（OCR=1）。

　　超固結(jié)土：若正常固結(jié)土受流水、冰川或人為開(kāi)挖等的剝蝕作用而形成現(xiàn)在的地面，則前期固結(jié)壓力pc=hc（hc為剝蝕前地面下的計(jì)算點(diǎn)深度）就超過(guò)了現(xiàn)有的土自重應(yīng)力p1.這類(lèi)歷史上曾經(jīng)受過(guò)大于現(xiàn)有土自重應(yīng)力的前期固結(jié)壓力的土稱(chēng)為超固結(jié)土（OCR>1）。

　　欠固結(jié)土：新近沉積粘性土、人工填土及地下水位下降后原水位以下的粘性土等，在自重作用下還沒(méi)有完全固結(jié)，土中孔隙水壓力仍在繼續(xù)消散，因此土的固結(jié)壓力pc必然小于現(xiàn)有土的自重應(yīng)力p1.這類(lèi)土稱(chēng)為欠固結(jié)土（OCR<1）。

　　[例5]簡(jiǎn)述太沙基單向固結(jié)理論的基本假定。

　　利用太沙基單向固結(jié)理論可以說(shuō)明飽和土體固結(jié)的力學(xué)機(jī)理，可以求解在附加應(yīng)力作下地基內(nèi)的固結(jié)問(wèn)題。

　　太沙基單向固結(jié)理論有下列一些基本假定：

　　（1）土是均質(zhì)、各向同性且飽和的；

　　（2）土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔隙體積的減小引起；

　　（3）土的壓縮和固結(jié)僅在豎直方向發(fā)生；

　　（4）孔隙水的向外排出符合達(dá)西定律，土的固結(jié)快慢決定于它的滲透速度；

　　（5）在整個(gè)固結(jié)過(guò)程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等均視為常數(shù)；

　　（6）所施加的荷載為連續(xù)均布荷載，并且是一次施加的。

　　[例6]由固結(jié)度的定義（Ut=St/S）及時(shí)間因素與固結(jié)系數(shù)、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)、固結(jié)厚度等的相互關(guān)系（）討論土的固結(jié)與那些因素有關(guān)。

　　[答]：從固結(jié)度的計(jì)算公式可以看出，固結(jié)度是時(shí)間因數(shù)的函數(shù)，時(shí)間因數(shù)Tv越大，固結(jié)度Ut越大，土層的沉降越接近于最終沉降量。從時(shí)間因數(shù)的各個(gè)因子可清楚地得出以下的一些關(guān)系：（1）滲透系數(shù)k越大，Tv越大，土越易固結(jié)，因?yàn)榭紫端�易排出；�?）av越小，即土的壓縮性越小，Tv越大，越易固結(jié)，因?yàn)橥凉羌馨l(fā)生較小的壓縮變形即能分擔(dān)較大的外荷載，因此孔隙體積無(wú)需變化太大（不需排較多的水）；（3）時(shí)間t越長(zhǎng)，固結(jié)越充分；（4）滲流路徑H越大，Tv越小，孔隙水越難排出土層，越難固結(jié)。

　　[例7]單面排水與雙面排水在計(jì)算固結(jié)度時(shí)的特點(diǎn)和區(qū)別。

　　2 軟土地基處理方法“排水固結(jié)法”的基本思想和原理

　　由固結(jié)度與時(shí)間因數(shù)等之間的相互關(guān)系來(lái)加以說(shuō)明。

　　從地基處理的角度來(lái)分析該法的適用性。

　　砂井地基與砂樁地基的區(qū)別。

　　3 關(guān)于土的抗剪強(qiáng)度

　　[例1]簡(jiǎn)述影響土抗剪強(qiáng)度的主要因素。

　　土的抗剪強(qiáng)度的影響因素很多，主要有：

　　（1）土粒的礦物成分、形狀和級(jí)配。無(wú)粘性土是粗粒土，其抗剪強(qiáng)度與土粒的大小、形狀和級(jí)配有關(guān)。

　　（2）土的初始密度。

　　（3）土的含水量。含水量對(duì)無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度影響很小。對(duì)粘性土來(lái)說(shuō)，土的含水量增加時(shí)，吸附于粘性土中細(xì)小土粒表面的結(jié)合水膜變厚，使土的粘聚力降低。所以，土的含水量對(duì)粘性土的抗剪強(qiáng)度有重要影響，一般隨著含水量的增加，粘性土的抗剪強(qiáng)度降低。

　　（4）土的結(jié)構(gòu)。當(dāng)土的結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，土粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）將喪失或部分喪失，致使土的抗剪強(qiáng)度降低。土的結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度影響甚微；土的結(jié)構(gòu)對(duì)粘性土的抗剪強(qiáng)度有很大影響。一般原狀土的抗剪強(qiáng)度比相同密度和含水量的重塑土要高。

　　（5）土的應(yīng)力歷史。土的受壓過(guò)程所造成的土體的應(yīng)力歷史不同，對(duì)土的抗剪強(qiáng)度也有影響。超固結(jié)土的顆粒密度比相同壓力的正常固結(jié)土大，因而土中摩阻力和粘聚力較大。

　　（6）土的各向異性。

　　[例2]簡(jiǎn)述室內(nèi)確定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的基本方法及這些方法的特點(diǎn)。

　　目前，室內(nèi)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的常用手段一般是三軸壓縮試驗(yàn)與直接剪切試驗(yàn)，在試驗(yàn)方法上按照排水條件又各自分為不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪與快剪、固結(jié)快剪、慢剪三種方法。但直剪試驗(yàn)方法中的“快”和“慢”，并不是考慮剪切速率對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響，而是因?yàn)橹奔魞x不能?chē)?yán)格控制排水條件，只好通過(guò)控制剪切速率的快、慢來(lái)近似模擬土樣的排水條件。由于試驗(yàn)時(shí)的排水條件是影響粘性土抗剪強(qiáng)度的最主要因素，而三軸儀能?chē)?yán)格控制排水條件，并能通過(guò)量測(cè)試樣的孔隙水壓力來(lái)求得土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。如有可能，宜盡量采用三軸試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定粘性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

　　[例3]簡(jiǎn)述如何根據(jù)工程的實(shí)際需要選取合理的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

　　抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值恰當(dāng)與否，對(duì)建筑物的工程造價(jià)乃至安全使用都有很大的影響，因此，在實(shí)際工程中，正確測(cè)定并合理取用土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是非常重要的。

　　對(duì)于具體的工程問(wèn)題，如何合理確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取決于工程問(wèn)題的性質(zhì)。一般認(rèn)為，地基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性或長(zhǎng)期承載力問(wèn)題，宜采用三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)確定的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，以有效應(yīng)力法進(jìn)行分析；而飽和軟粘土地基的短期穩(wěn)定性或短期承載力問(wèn)題，宜采用三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)的強(qiáng)度指標(biāo)，以總應(yīng)力法進(jìn)行分析。

　　對(duì)于一般工程問(wèn)題，如果對(duì)實(shí)際工程土體中的孔隙水壓力的估計(jì)把握不大或缺乏這方面的數(shù)據(jù)，則可采用總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)以總應(yīng)力法進(jìn)行分析，分析時(shí)所需的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的具體情況，選擇與現(xiàn)場(chǎng)土體受剪時(shí)的固結(jié)和排水條件最接近的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。例如，若建筑物施工速度較快，而地基土土層較厚、透水性低且排水條件不良時(shí)，可采用三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（或直剪儀快剪試驗(yàn)）的結(jié)果；如果施工速度較慢，地基土土層較薄、透水性較大且排水條件良好時(shí)，可采用三軸固結(jié)排水試驗(yàn)（或直剪儀慢剪試驗(yàn)）的結(jié)果；如果介于以上兩種情況之間，可采用三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)（或直剪儀固結(jié)快剪）的結(jié)果。

　　由于三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)各自的三種試驗(yàn)方法，都只能考慮三種特定的固結(jié)情況，但實(shí)際工程的地基所處的環(huán)境比較復(fù)雜，而且在建筑物的施工和使用過(guò)程中都要經(jīng)歷不同的固結(jié)狀態(tài)，要想在室內(nèi)完全真實(shí)地模擬實(shí)際工程條件是困難的。所以，在根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值時(shí)，還應(yīng)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)。

　　[思考題]土中一點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)，土中一點(diǎn)強(qiáng)度是否破壞的判別。