绪 论 一、 土力学、地基和基础的概念 土是在第四纪地质历史时期地壳表层母岩经受强烈风化作用后所形成的大小不等的颗粒状堆积物，是覆盖于地壳最表面的一种松散的或松软的物质。土是由固体颗粒、液体水和气体组成的一种三相体。固体颗粒之间没有联接强度或联接强度远小于颗粒本身的强度是土有别于其它连续介质的一大特点。土的颗粒之间存在有大量的孔隙，因此土具有碎散性、压实性、土粒之间的相对移动性和透水性。 土在地球表面分布极广，它与工程建设关系密切。在工程建设中土被广泛用作各种建筑物的地基或材料，或构成建筑物周围的环境或护层。在土层上修建工业厂房、民用住宅、涵管、桥梁、码头等时，土是作为承受上述结构物荷载的地基；修筑土质堤坝、路基等时，土由被用作建筑材料，在我国的边远和不发达地区，目前仍有大量的土木结构类型的农舍存在；土作为建筑环境和护层的情况，在工程地质学中已有论述，此处不再赘述。总而言之，土的性质对于工程建设的质量、性状等，具有直接而有重大的影响。 土力学是以传统的工程力学和地质学的知识为基础，研究与土木工程有关的土中应力、变形、强度和稳定性的应用力学分支。此外，还要用专门的土工试验技术来研究土的物理化学特性，以及土的强度、变形和渗透等特殊力学特性。 建筑物修建以后，其全部荷载最终由其下的地层来承担，承受建筑物全部荷载的哪一部分天然的或部分经过人工改造的地层成为地基，见图……。 由于土的压缩性大，强度小，因而在绝大 多数情况下上部结构荷载不能直接通过墙、柱 等传给下部土层（地基），而必须在墙、柱、底 梁等和地基接触处适当扩大尺寸，把荷载扩散 以后安全地传递给地基，这种位于建筑物墙、 柱、底梁以下，经过适当扩大尺寸的建筑物最 下部结构称之为基础（见图0-1） 建筑物的修建使地基中原有的应力状态发生了改变，这就需要我们运用力学的方法来研究和分析建筑物荷载作用后（地基应力状态改变后）的地基土变形、强度和稳定性，保证地基在上部结构荷载作用下能满足强度和稳定性要求并具有足够的安全储备；控制地基的沉降使之不超过不超过建筑物的允许变形值，保证建筑物不因地基的变形而损害或者影响其正常使用。 基础的结构形式很多，具体设计时应该选择既能适应上部结构、符合建筑物使用要求，又能满足地基强度和变形要求，经济合理、技术可行的基础结构方案。通常把埋置深度不大（一般不超过5.0m）只需经过挖槽、排水等普通施工工序就可以建造起来的基础称为浅基础；而把埋置深度较大（一般不小于5.0）并需要借助于一些特殊的施工方法来完成的各种类型基础称之为深基础。 土的性质极其复杂。当地层条件较好、地基土的力学性能较好、能满足地基基础设计对地基的要求时，建筑物的基础被直接设置在天然地层上，这样的地基被称为天然地基；而当地层条件较差，地基土强度指标较低，无法满足地基基础设计对地基的承载力和变形要求时，常需要对基础底面以下一定深度范围内的地基土体进行加固或处理，这种部分经过人工改造的地基被称为人工地基。 地基和基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。工程实践表明，建筑物的事故很多都与地基基础问题有关，而且一旦发生地基基础事故，往往后果严重，补救十分困难，有些即使可以补救，其加固修复工程所需的费用也十分可观。 二、 国内外土木工程事故举例 综合分析可以得到，与地基基础有关的土木工程事故可主要概括为以下类型：地基产生整体剪切破坏、地基发生不均匀沉降、地基产生过量沉降以及地基土液化失效，现分别举例如下： 地基产生整体剪切破坏 ①巴西某十一层大厦。1955年始建的巴西某十一层大厦长25m，宽12m，支承在99根21m长的钢筋混凝土桩上。1958年大厦建成后，发现其背后明显下沉。1月30日，该建筑物的沉降速度高达每小时4mm，晚8时许，大厦在20s内倒塌。后查明该大厦下有25m厚的沼泽土，而其下的桩长仅有21m，为深入其下的坚固土层，倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致。②加拿大特朗斯康谷仓。图0-2是建于1914年的加拿大特朗斯康谷仓地基破坏情况。该谷仓由65个圆柱形筒仓构成，高31m，宽23.5m，其下为钢筋混凝土筏板基础，由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软粘土层，谷仓建成后初次贮存谷物达27000t后，发现谷仓明显下沉，结果谷仓西侧突然陷入土中7.3m，东侧上抬1.5m，仓身倾斜近27o。后查明谷仓基础底面单位面积压力超过300kPa，而地基中的软粘土层极限承载力才约250kPa，因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严重倾斜。该谷仓由于整体刚度极大，因此虽倾斜极为严重，但谷仓本身却完好无损。后于土仓基础之下做了七十多个支承于下部基岩上的混凝土墩，使用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体逐渐扶正，单其位置比原来降低了近4.0m。这是地基产生剪切破坏，建筑物丧失其稳定性的典型事故实例。 图0-2 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故 地基产生不均匀沉降 ①意大利比萨斜塔（图0-3）。意大利比萨斜塔1173年动工修建，当塔修建至24m高时发生倾斜，一百年后续建该塔至塔顶，建成后塔高54.5m。目前塔北侧沉降一米多，南侧沉降近三米，塔顶偏离中心线约5.54m（倾斜约5.8o）。为使斜塔安全留存，后在国际范围内进行了招标，对斜塔进行了加固处理。②我国名胜苏州虎丘塔。苏州虎丘塔建于959～961年期间，为七级八角形砖塔，塔底直径13.66m，高47.5m，重63000kN塔建成后由于历经战火沧桑、风雨侵蚀，使塔体严重损坏，为了使该名胜古迹安全留存，我国于1956～1957年期间对其进行了上部结构修缮，但修缮的结果使塔体重量增加了约2000 kN，同时加速了塔体的不均匀沉降，塔顶偏离中心线的距离由1957年的1. 7m发展到1978年的2.31m，并导致地层砌体产生局部破坏。后于1983年对该塔进行了基础托换，使其不均匀沉降得以控制。因地基产生不均匀沉降而导致基础断裂、上部结构破坏的事例不胜枚举。 图0-3 意大利比萨斜塔 地基产生过量沉降 ①广深铁路k2+150段线路。我国广深铁路k2+150段线路位于广州市，该路段地处山涧流水地带，淤泥覆盖层较厚，通车后路基不断下沉，1975年后，严重地段每旬下沉量高达12～16mm，其它地段每旬下沉量8～12mm不等，路基的下沉不仅增加了该段铁路的维修保养作业量，更严重威胁着铁路列车的安全营运。该路段后采用高压喷射注浆法进行了路基土加固处理。②西安某住宅楼。西安某住宅楼位于西安市霸桥区，场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土场地，建筑物长18.5m，宽14.5m，为六层点式砖混结构，基础采用肋梁式钢筋混凝土基础，建筑物修建以前对地基未做任何处理，由于地下管沟积水，致使地基产生湿陷沉降，在沉降发生最为严重的5天时间里，该建筑物的累计沉降量超过了300mm。后虽经对基础进行托换处理止住了建筑物的继续沉降，但过量沉降严重影响了该建筑物的使用功能，在门厅处不仅形成了倒灌水现象，而且门洞高度严重不足，人员出入极不方便。 地基液化失效 ①日本新泻地震。日本新泻市于1964年6月16日发生了7.5级大地震，当地大面积的砂土地基由于在地震过程中产生振动液化现象而失去了承载能力，毁坏房屋近2890幢。②唐山地震。1976年7月28日发生在我国唐山市的大地震是人类历史上造成损失最严重的地震之一，震级7.8级，大量建筑物在地震中倒塌损毁，地基土的液化失效是其中的主要原因之一，唐山矿冶学院图书馆书库因地基液化失效致使其第一层全部陷入地面以下。 三、 本课程的内容和特点 《土力学》是土木建筑、公路、铁路、水利、地下建筑、采矿和岩土工程等有关专业的一门主要课程，属于专业基础课范畴。 组成地基的土或岩层是自然界的产物，它的形成过程、物质成分、所处自然环境及工程性质极为复杂多变。建筑物等的修建，会改变地层中原有的应力状态，应力状态的改变会引起一系列的地基变形、强度、稳定性问题。因此除在土木工程设计、施工之前必须进行建筑场地的工程地质勘察，正确掌握和了解地层的形成过程、结构、构造、水文地质情况、不良地质现象，仔细研究地基土的组成、成因、物理力学性质以外，还需要在此基础上借助力学方法来分析和研究地层中的应力变化，借助力学、工程地质学、地下水动力学、流变理论以及数值计算等方法或手段来研究岩土体的变形，并进而对岩土体进行强度和稳定性分析。土木工程中经常遇到土坡稳定问题，对作为建筑工程地质环境的稳定性较差的土坡如果未加处理或处理不当，土坡将产生滑动破坏，土坡的失稳不仅影响工程的正常进展，还会危及人民生命和国家财产安全，因此借助力学方法对土坡进行稳定性分析，并在此基础上对土坡维护结构进行设计计算也是人们所面临的重要工程课题。上述问题都是土力学的研究内容。 建筑物的地基基础和上部结构虽然各自功能不同、研究方法相异，但是无论从力学分析入手还是从经济观点出发，这三部分却是彼此联系、相互制约的有机统一体。目前，要把这三部分完全统一起来进行设计计算还十分困难，但从地基—基础—上部结构共同工作的概念出发，尽量全面考虑诸方面的因素，运用力学和结构设计方法进行基础工程计算将是土力学的主要研究内容之一。 多样性是土的主要特点之一，由于受成土母岩、风化作用、沉积历史、地理环境和气候条件等多重因素影响，土的种类繁多，分布复杂，性质各异。易变性是土的另一主要特点，土的工程性质经常受到外界温度、湿度、压力等的影响而发生显著变化。研究各种不同性质的特殊土和软弱土，并按土质受外界影响而发生变化的客观规律，运用合适而又有效的方法对土体进行处理加固也是本课程的重要内容。 地球表面很大一部分是处于干旱和半干旱地带，因此，通常情况下土体是由固体颗粒、液体水和气体组成的一种三相体。只有在极端情况下，土体才是两相介质，例如位于地下水位以下的饱和土（由颗粒和水两相物质组成）和极端干旱情况下的干土（由颗粒和气体两相物质组成）。传统土力学的重点是在饱和土问题的研究和工程应用上，而对于分布极为广泛、由三相物质组成，负孔隙压力起重要影响的非饱和土则很少涉及。讨论存在基质引力或负孔隙压力的非饱和土土力学为更进一步深化土的力学性状研究开辟了道路。 随着科学的发展和工程技术的进步，工程中涉及的绝大多数问题仅靠传统的力学方法是很难甚至无法求得其解答的，计算机的出现为这类复杂、综合工程问题的数值结果分析提供了可能，数值计算作为一种行之有效的力学分析手段在岩土力学中占据了重要位置。 本课程涉及工程地质学、弹-塑性理论、流变理论、地下水动力学、计算机及数值计算方法等多个学科领域的知识，因此土力学的首要特点是内容广泛，综合性强。 与其它连续介质力学问题不同，岩土工程问题仅按纯数学—力学的观点是很难甚至无法解决的，这类问题的解决还往往需要结合以往的建设经验，并根据实际调查、必要的现场及室内试验、测试资料进行综合研究分析，以求得问题的正确解决。实践性强是土力学的另一主要特点。 四、 本学科的发展概况 地基基础是一项古老的建筑工程技术。早在史前的人类建筑活动中，地基基础作为一项工程技术就被应用，我国西安市半坡村新石器时代遗址中的土台和石础就是先祖们应用这一工程技术的见证。 公元前2世纪修建的万里长城；始凿于春秋末期，后经隋、元等代扩建的京杭运河；隋朝大业年间李春设计建造的河北赵州安济桥；我国著名的古代水利工程之一，战国时期李冰领导修建的都江堰；遍布于我国各地的巍巍高塔，宏伟壮丽的供电、庙宇和寺院；举世闻名的古埃及金字塔等，都是由于修建在牢固的地基基础之上才能逾千百年而留存于今。据报道，建于唐代的西安小雁塔其下为巨大的船形灰土基础，这使小雁塔经历数次大地震而留存于今。上述一切证明，人类在其建筑工程实践中积累了丰富的基础工程设计、施工经验和知识，但是由于受到当时的生产实践规模和知识水平限制，在相当长的的历史时期内，地基基础仅作为一项建筑工程技术而停留在经验积累和感性认识阶段。 十八世纪欧洲产业革命以后，水利、道路以及城市建设工程中大型建筑物的兴建，提出了大量与土的力学性态有关的问题并积累了不少成功经验和工程事故教训。特别是这些工程事故教训，使得原来按以往建设经验来指导工程的做法已无法适应当时的工程建设发展。这就促使人们寻求对许多类似的工程问题的理论解释，并要求在大量实践基础上建立起一定的理论来指导以后的工程实践。例如，十七世纪末期欧洲各国大规模的城堡建设推动了筑城学的发展并提出了墙后土压力问题，许多工程技术人员发表了多种墙后土压力的计算公式，为库仑（Coulomb,C.A.1773）提出著名的抗剪强度公式和土压力理论奠定了基础。十九世纪中叶开始，大规模的桥梁、铁路和公路建设推动了桩基和深基础的理论与施工方法的发展。路堑和路堤、运河渠道边坡、水坝等的建设提出了土坡稳定性的分析问题。1857年英国人W.J.M朗肯（Rankine）又从不同途径提出了挡土墙的土压力理论。1885年法国学者J.布辛奈斯克（Boussinesq）求得了弹性半空间体在竖向集中力作用下的应力和位移解。1852年法国的H.达西（Darcy）创立了砂性土的渗流理论“达西定律”。1922年瑞典学者W.费兰纽斯（Fellenius）提出了一种土坡稳定的分析方法。这一时期的理论研究为土力学发展成为一门独立学科奠定了基础。 1925年美国人K.太沙基（Terzaghi）归纳了以往的理论研究成果，发表了第一本《土力学》专著，又于1929年与其它学者一起发表了《工程地质学》。这些比较系统完整的科学著作的出版，带动了各国学者对本学科各个方面的研究和探索，从此《土力学》作为一门独立的科学而得到不断发展。我国著名学者黄文熙教授，陈宗基教授等也为土力学的发展做出了突出贡献。
