1 固結與沉降計算

　　[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。

　　取土作壓縮試驗結果如下：

　　p（kPa）050100200300400

　　e1.4061.2501.1200.9900.9100.850

　　[解]已知p1=100kPap=150kPah=5m

　　那么p2=p1p=250kPa

　　由壓縮試驗結果可得：

　　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]設飽和粘土層的厚度為10m，位于不透水堅硬巖層上，由于基底上作用著(zhù)豎直均布荷載，在土層中引起的附加應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av=2.510-4kPa-1，滲透系數k為2.0cm/a.試問(wèn)：（1）加荷一年后，基礎中心點(diǎn)的沉降量為多少。（2）當基礎的沉降量達到20cm時(shí)需要多少時(shí)間。

　　[解]（1）該土層的平均附加應力為

　　=200kPa

　　則基礎的最終沉降量為

　　10-42001000=27.8cm

　　該土層的固結系數為

　　1.4710-5cm2/a

　　時(shí)間因數為

　　=0.147

　　土層的附加應力為梯形分布，其參數

　　=1.5

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

　　則加荷一年后的沉降量為

　　St=UtS=0.4527.8=12.5cm

　�。�2）已知基礎的沉降為St=20cm，最終沉降量S=27.8cm

　　則土層的平均固結度為

　　Ut==0.72

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

　　=3.20年

　　例2計算圖

　　[例3]有一厚10m的飽和粘土層，上下兩面均可排水�，F將從粘土層中心取得的土樣切取厚為2cm的試樣做固結試驗（試樣上下均有透水石）。該試樣在某級壓力下達到80％固結度需10分鐘。問(wèn)：（1）該粘土層在同樣固結壓力（即沿高度均布固結壓力）作用下達到80％固結度需多少時(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，試樣達到80％固結度需t2=10分鐘。設粘土層達到80％固結度需時(shí)間t2.

　　由于原位土層和試樣土的固結度相等，且值相等（均為沿高度固結壓力均勻分布），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

　　當粘土層改為單面排水時(shí)，達到80％固結度需時(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]土應力歷史的幾個(gè)概念

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

　　正常固結土：若天然土層在逐漸沉積到現在地面后，經(jīng)歷了漫長(cháng)的地質(zhì)年代，在土的自重作用下已經(jīng)達到固結穩定狀態(tài)，則其前期固結壓力pc等于現有的土自重應力p1（p1=h，為土的重度，h為現在地面下的計算點(diǎn)深度），這類(lèi)土稱(chēng)為正常固結土（OCR=1）。

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

　　欠固結土：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，土中孔隙水壓力仍在繼續消散，因此土的固結壓力pc必然小于現有土的自重應力p1.這類(lèi)土稱(chēng)為欠固結土（OCR<1）。

　　[例5]簡(jiǎn)述太沙基單向固結理論的基本假定。

　　利用太沙基單向固結理論可以說(shuō)明飽和土體固結的力學(xué)機理，可以求解在附加應力作下地基內的固結問(wèn)題。

　　太沙基單向固結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）土的壓縮和固結僅在豎直方向發(fā)生；

　�。�4）孔隙水的向外排出符合達西定律，土的固結快慢決定于它的滲透速度；

　�。�5）在整個(gè)固結過(guò)程中，土的滲透系數、壓縮系數等均視為常數；

　�。�6）所施加的荷載為連續均布荷載，并且是一次施加的。

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

　　[答]：從固結度的計算公式可以看出，固結度是時(shí)間因數的函數，時(shí)間因數Tv越大，固結度Ut越大，土層的沉降越接近于最終沉降量。從時(shí)間因數的各個(gè)因子可清楚地得出以下的一些關(guān)系：（1）滲透系數k越大，Tv越大，土越易固結，因為孔隙水易排出；（2）av越小，即土的壓縮性越小，Tv越大，越易固結，因為土骨架發(fā)生較小的壓縮變形即能分擔較大的外荷載，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(cháng)，固結越充分；（4）滲流路徑H越大，Tv越小，孔隙水越難排出土層，越難固結。

　　[例7]單面排水與雙面排水在計算固結度時(shí)的特點(diǎn)和區別。

　　2 軟土地基處理方法“排水固結法”的基本思想和原理

　　由固結度與時(shí)間因數等之間的相互關(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別。

　　3 關(guān)于土的抗剪強度

　　[例1]簡(jiǎn)述影響土抗剪強度的主要因素。

　　土的抗剪強度的影響因素很多，主要有：

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

　�。�2）土的初始密度。

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

　�。�4）土的結構。當土的結構被破壞時(shí)，土粒間的聯(lián)結強度（結構強度）將喪失或部分喪失，致使土的抗剪強度降低。土的結構對無(wú)粘性土的抗剪強度影響甚微；土的結構對粘性土的抗剪強度有很大影響。一般原狀土的抗剪強度比相同密度和含水量的重塑土要高。

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

　�。�6）土的各向異性。

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

　　目前，室內測定土的抗剪強度指標的常用手段一般是三軸壓縮試驗與直接剪切試驗，在試驗方法上按照排水條件又各自分為不固結不排水剪、固結不排水剪、固結排水剪與快剪、固結快剪、慢剪三種方法。但直剪試驗方法中的“快”和“慢”，并不是考慮剪切速率對土的抗剪強度的影響，而是因為直剪儀不能?chē)栏窨刂婆潘畻l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。由于試驗時(shí)的排水條件是影響粘性土抗剪強度的最主要因素，而三軸儀能?chē)栏窨刂婆潘畻l件，并能通過(guò)量測試樣的孔隙水壓力來(lái)求得土的有效應力強度指標。如有可能，宜盡量采用三軸試驗方法來(lái)測定粘性土的抗剪強度指標。

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

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

　　對于具體的工程問(wèn)題，如何合理確定土的抗剪強度指標取決于工程問(wèn)題的性質(zhì)。一般認為，地基的長(cháng)期穩定性或長(cháng)期承載力問(wèn)題，宜采用三軸固結不排水試驗確定的有效應力強度指標，以有效應力法進(jìn)行分析；而飽和軟粘土地基的短期穩定性或短期承載力問(wèn)題，宜采用三軸不固結不排水試驗的強度指標，以總應力法進(jìn)行分析。

　　對于一般工程問(wèn)題，如果對實(shí)際工程土體中的孔隙水壓力的估計把握不大或缺乏這方面的數據，則可采用總應力強度指標以總應力法進(jìn)行分析，分析時(shí)所需的總應力強度指標，應根據實(shí)際工程的具體情況，選擇與現場(chǎng)土體受剪時(shí)的固結和排水條件最接近的試驗方法進(jìn)行測定。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)，可采用三軸不固結不排水試驗（或直剪儀快剪試驗）的結果；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)，可采用三軸固結排水試驗（或直剪儀慢剪試驗）的結果；如果介于以上兩種情況之間，可采用三軸固結不排水試驗（或直剪儀固結快剪）的結果。

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

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