《土力学与基础工程》自学指导书

一、前言

   本书是一本供土木工程专业所开设的教科书。系统阐述了土的性质及工程分类、地基的应力和沉降计算、土的抗剪强度、土压力以及挡土墙和土坡稳定分析；重点讨论了浅基础、桩基础常规设计计算；简要介绍了我国目前常用的各种软土地基处理技术；并对区域性地基、地震区地基以及滑坡等进行了讨论。

二、内容

第1章 绪论

1．学习目的与要求

(1) 了解土力学、地基及基础的概念；

(2) 了解本课程的特点和学习要求；

(3) 了解本学科的发展情况。

2．考核知识点

(1) 土的概念；

(2) 基础的概念；

(3) 地基与基础设计满足的条件。

3．综合练习

(1) 名词解释：土；

(2) 名词解释：基础；

(3) 问答题：地基与基础设计满足的条件有哪些？

4．综合练习答案

(1) 矿物或岩石碎屑构成的松软集合体。

(2) 将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。

(3) 必须满足三个基本条件：

   ①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，具有足够防止整体破坏的安全储备；

②基础沉降不得超过地基容许变形值，保证建筑物不因地基变形而损坏或影响其正常使用；

③挡土墙、边坡以及地基基础保证具有足够防止失稳破坏的安全储备。

第2章 土的性质及工程分类

1．学习目的与要求

(1) 熟悉土的三相组成及土的结构；

(2) 掌握土的物理性质指标的计算；

(3) 了解粘性土及无粘性土的物理特性；

(4) 了解土的工程分类。

2．章节内容提要

土的性质包括它的物理性质、力学性质、水理性质以及工程性质等。

土是由颗粒、水和气所组成的三相分散体系。土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系，反映出土的不同物理性质。如土湿软、松散则强度低，压缩性大；土颗粒大则渗透性好；土粒大小不均匀，则在动荷载作用下，易于压实等。

在进行土力学计算及地基处理问题时，不仅要知道土的物理性质特征及其变化规律，了解各类土的特性，还必须熟练掌握反映土三相组成比例和状态的指标定义和计算方法，以及按土的有关特性和指标确定土的分类方法。

3．考核知识点

(1) 土的矿物成分；

(2) 土的颗粒级配；

(3) 土的物理性质指标；

(4) 土的工程分类。

4．综合练习

(1) 土的矿物成分主要有：       、       、       ；

(2) 反映土颗粒级配的指标有：       、       ；

(3) 土颗粒分析实验方法有：       、       ；

(4) 土中液态水有：       、       两大类；

(5) 土的密度测定一般用       法。

(6) 名词解释：土的有效重度；

(7) 名词解释：粘性土的界限含水量；

(8) 判断：颗粒级配曲线越陡说明土粒的组成越不均匀。（  ）

(9) 判断：标准贯入锤击数越大，表明地基承载力越低。（  ）

(10) 土的灵敏度越大，表明土的结构性越强。（  ）

(11) 液性指数可以大于1，也可以小于0。（  ）

(12)选择题：在粘性土的击实试验中，击实效果最好的是（  ）。

A．含水率较小时          B．含水率在塑限值附近时

C．含水率较大时          D．含水率在缩限值附近时

(13) 简答题：按照《建筑物地基基础设计规范》，如何把土进行工程分类？

(14)计算题：某原状土样体积为，湿土重129.5克，烘干后土重121.5克，土粒比重2.7，试计算该土样的含水率、密度、干密度、孔隙比、孔隙率、饱和度。

(15)计算题：某粘性土的含水量为36.4%，液限48%，塑限35.4% 。

①计算该土的塑性指数及液性指数；②确定土名及状态。

5．综合练习答案

(1) 蒙脱石；伊利石；高岭石。

(2) 不均匀系数；曲率系数。

(3) 筛分法；沉降分析法。

(4) 结合水；自由水。

(5) 环刀。

(6) 在地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后，即为有效重度。

(7) 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；

(8) ×

(9) ×

(10) √

(11) √

(12) B

(13) 分为：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土。

(14) 

(15) 

由可知该粘性土为粉质粘土； 

由可知该粘性土处于硬塑状态。

第3章 土中应力计算

1．学习目的与要求

(1) 掌握土的自重应力计算；

(2) 掌握基底压力的计算；

(3) 掌握基底附加压力的计算；

(4) 了解地基附加应力的分布规律；

(5) 熟悉有效应力原理。

2．章节内容提要

   由土体自重引起的应力称为自重应力。自重应力一般是自土形成之日起就在土中产生。附加应力是指由于外荷载的作用，在土中产生的应力增量。两种应力由于产生的原因不同，因而分布规律和计算方法也不同。目前计算土中应力的方法，主要是采用弹性理式，把地基土视为均匀的、各向同性的半无限空间弹性体。

   土是一种三相的物质，作用在土中微小面积上的应力，部分通过土粒之间传递，部分由空隙中的液体、气体承受。对于饱和土来说，因为空隙中没有气体存在，故总应力等于有效应力和孔隙水压力之和。

3．考核知识点

(1) 土的自重应力计算；

(2) 基底压力的计算；

(3) 基底附加压力的计算。

4．综合练习

(1) 判断题：基底附加压力不变，作用面积增大，土中的附加应力不变。（  ）

(2) 判断题：水面若在地面以上，水位的升降不会使土层产生变形。（  ）

(3) 判断题：不透水层层面上的自重应力等于上覆土重和水的总压力。（  ）

 (4) 选择题：地下水位突然从基础底面处下降，试问对土中的应力有何影响（  ）。

A．应力不变   B．应力增加   C．应力减小   D．不一定

5．综合练习答案

(1) ×；

 (2) √；

(3) √；

(4) B。

第4章 土的变形性质及地基沉降计算

1．学习目的与要求

(1) 熟悉土的压缩试验；

(2) 掌握土的压缩性指标；

(3) 了解地基最终沉降量的计算； 

(4) 了解地基变形与时间的关系。

2．章节内容提要

地基土在建筑物的荷载作用下产生变形，建筑物基础及随之沉降，尤其是当荷载差异较大，往往导致建筑物基础出现不均匀沉降，以致建筑物某些部位开裂、倾斜，甚至倒塌。

为了保证建筑物的正常使用，在地基基础设计中，要求地基土的变形不超过允许值。

本章重点为土的压缩性和压缩性指标的确定，计算基础沉降的分层综合法和规范法。至于一维固结理论和考虑固结历史等问题，只作一般性的了解。

3．考核知识点

(1) 土的压缩组成；

(2) 提高梁抗弯能力的措施；

(3) 截面的几何特征；

(4) 梁的正应力强度的计算。

4．综合练习

(1) 简答题：土的压缩有哪几部分组成？

(2) 名词解释：土的变形模量；

(3) 判断题：土的压缩系数是变量，随压力增大而增大。（  ）

(4) 判断题：规范法中当符合时，下面土层的变形可忽略不计。（  ） 

(5) 判断题：地基固结变形的主要原因是孔隙水排出导致孔隙体积减小。（  ）

(6) 选择题：土样A的压缩性小于土样B的压缩性，其原因是（  ）。

A．土样A的压缩曲线比土样B的压缩曲线陡     

B．土样A的压缩系数大于土样B的压缩系数

C．土样A的压缩指数大于土样B的压缩指数   

      D．土样A的压缩模量大于土样B的压缩模量

(7) 选择题：当地基中无软弱土层时，分层总和法变形计算深度确定的条件是（  ）。

A．      B．   

 C．            D． 

5．综合练习答案

(1) ①固体土颗粒被压缩；

②土中水及封闭气体被压缩；

③水和气体从孔隙中被挤出。

(2) 土体在无侧限条件下的应力与应变的比值。

(3) ×；

(4) √； 

(5) √；

(6)  D；

(7)  B。

第5章 土的抗剪强度

1．学习目的与要求

(1) 掌握土的抗剪强度的定义；

(2) 掌握库式的计算；

(3) 掌握莫尔-库仑理论的计算；

(4) 了解抗剪强度的测定方法；

(5) 了解应力路径的概念。

2．章节内容提要

建筑物地基和路基的承载力，挡土墙和地下结构的土压力，堤坝、基坑、路堑以及各类边坡的稳定性均由土的抗剪强度所控制。土的抗剪强度是土体稳定性计算的最重要的参数。能否正确测定土的抗剪强度，往往是设计质量和工程成败的关键所在。

本章内容主要有土的强度理论、抗剪强度的主要测定方法、土的抗剪强度指标及其影响因素，并对孔隙水压力系数和应力路径概念做了简要介绍。对内容的基本要求是，掌握库式和莫尔-库仑强度理论、土的抗剪强度指标的测定方法。

3．考核知识点

(1) 土的抗剪强度的定义；

(2) 库式的计算；

(3) 莫尔-库仑理论的计算；

(4) 抗剪强度的测定方法；

(5) 应力路径的概念。

4．综合练习

(1) 对一般粘性土而言，最大剪应力平面安全，该点一定安全。（  ）

(2) 土的抗剪强度是变量，随法向应力的增大而减小。（  ）

(3) 天然土层中同一深度处竖直面上的抗剪强度在数值上大于水平面上的抗剪强度。（  ）

(4) 某地基土的抗剪强度指标，，地基中有A、B两点，A点某平面上的剪应力，法向应力，B点其应力状态为，。

试判断：①A点是否会沿剪应力方向剪破；②B点处于何种状态。

(5) 填空题：抗剪强度的测定方法有：         、         、         、         。

(6) 名词解释：土的抗剪强度；

(7) 名词解释：应力路径。

5．综合练习答案

(1) ×；

(2) ×；

(3) ×；

(4) ①

            所以，A点不会沿剪应力方向剪破。

②

所以，B点处于弹性平衡状态。

(5) 直接剪切试验；三轴压缩试验；无侧限抗压强度实验；十字板剪切试验。

(6) 土体抵抗剪切破坏的能力。

(7) 在应力坐标图中用应力点的移动轨迹来描述土体在加荷过程中的应力变化，这种应力点的轨迹称为应力路径。

第6章 土压力、地基承载力和土坡稳定

1．学习目的与要求

(1) 掌握土压力的概念；

(2) 掌握朗肯土压力理论；

(3) 了结库仑土压力理论；

(4) 熟悉地基破坏模式和地基承载力的概念。

2．章节内容提要

土压力计算、地基承载力确定和土坡稳定性分析都是建立在土的强度理论基础之上。本章重点讨论了挡土墙朗肯土压力理论和库仑土压力理论，简要介绍了重力式挡土墙设计算例和构造措施，并对地基土的破坏模式进行了分析，以及地基稳定性的分析方法。

要求掌握土压力的概念和形成条件，朗肯土压力理论的计算方法以及地基土的破坏模式。

3．考核知识点

(1) 土压力的概念；

(2) 朗肯土压力理论计算方法；

(3) 地基破坏模式；

(4) 地基承载力的概念。

4．综合练习

(1) 主动、被动土压力分别为Ea、Ep，所需挡土墙的位移分别为、，则有，。（  ）

(2) 无粘性土坡的稳定仅取决于坡角，与坡高无关。（  ）

(3) 同一地基的承载力界限值、、、，其中最小。（  ）

(4) 设计仅起挡土作用的重力式挡土墙时，土压力按被动土压力计算。（  ）

(5) 主动、被动土压力分别为Ea、Ep，所需挡土墙的位移量分别为、，下列正确的是（  ）。

A．，       B．， 

C．，       D．， 

(6) 简答题：地基的破坏型式有哪些？

(7) 如下图墙背竖直光滑，计算主动土压力。

(8) 名词解释：土压力；

(9) 名词解释：地基承载力。

5．综合练习答案

(1) ×；

(2) √； 

(3) ×； 

(4) √； 

(5) D；

(6) 整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏。

(7)， 

， 

对于第一层土顶： 

对于第一层土底： 

对于第二层土顶： 

对于第二层土底： 

，

，

，

，

合力作用点距离墙底的距离为：

。

(8) 挡土墙后填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。

(9) 地基承受荷载的能力。

第7章 浅基础设计

1．学习目的与要求

(1) 了解地基基础设计的基本原则；

(2) 熟悉浅基础的类型；

(3) 熟悉减轻不均匀性沉降危害的措施。

2．章节内容提要

本章首先介绍了地基基础设计的基本原则和基本规定，重点叙述了天然地基上的浅基础设计，主要包括：浅基础的类型。基础埋置深度的选择、地基承载力的确定、基础底面尺寸的确定、地基变形验算、扩展基础设计等，最后强调：减轻不均匀性沉降损害应综合考虑其他结构措施和建筑、施工措施。

3．考核知识点

(1) 天然地基上建基础设计内容和步骤；

(2) 浅基础的类型；

(3) 减轻不均匀性沉降危害的措施。

4．综合练习

(1) 名词解释：扩展基础；

(2) 判断题：砖石条形基础属于刚性基础。（  ）

(3) 判断题：软弱下卧层的强度条件是。（  ）

(4) 判断题：扩展基础设计主要有确定底面尺寸、剖面尺寸及底板配筋计算。（  ）

(5) 选择题：验算软弱下卧层强度时，软弱下卧层顶面的压力与承载力应符合下列（  ）选项的组合。

A．       B．      

              C．                D． 

(6) 简答题：减轻不均匀沉降损害的结构措施有哪些？

(7) 简答题：简述天然地基上建基础设计内容和步骤有哪些？

5．综合练习答案

(1) 指柱下钢筋混凝土基础和墙下钢筋混凝土条形基础。。

(2) √；

(3) √；

(4) √；

(5) A；

(6) ①减轻建筑物自重；

②设置圈梁；

③减小和调整基底附加压力；

④增强上部结构刚度或采用非敏感性结构。

(7) ①充分掌握拟建场地的工程地质条件和地质勘察资料；

②选择基础类型和平面布置方案；

③选择地基持力层和基础埋置深度；

④确定地基承载力；

⑤确定基础底面尺寸；

⑥进行地基稳定性和变形验算；

⑦进行基础结构设计；

⑧绘制施工图。

第8章 桩基础

1．学习目的与要求

(1) 熟悉桩基础的适用性和设计内容、设计原则；

(2) 熟悉桩基础的分类；

(3) 了解单桩竖向承载力的确定方法；

(4) 了解竖向荷载下单桩的工作性能。

2．章节内容提要

   本章以桩基础的设计计算为主线，简要介绍了桩基的设计内容和原则、桩基的各种分类方法以及适用性。重点探讨了单桩、群桩在竖向极限荷载下的工作性能、竖向承载力的确定方法以及设计计算。此外，对桩的设置效应、单桩竖向荷载传递机理等进行了讨论。

   要求掌握按照静荷载实验和现行规范的经验公式确定单桩竖向承载力和群桩承载力的方法，熟悉桩基础设计与计算的各项内容和方法，初步了解桩基础的设计与施工技术。

3．考核知识点

(1) 桩基础的适用性；

(2) 桩基础的设计内容；

(3) 桩基础的分类；

(4) 单桩的破坏模式；

(5) 桩侧负摩阻力。

4．综合练习

(1) 桩按照承载性状可分为         和         。

(2) 桩按照施工方法可分为         和         。

(3) 单桩的破坏模式有        、        、和        。

(4) 简答：桩基设计内容有哪些？

(5) 简答：出现哪些情况时可选用桩基方案？

(6) 简答：在哪些情况下需要考虑桩侧负摩阻力？

5．综合练习答案

(1) 摩擦型桩；端承型桩；

(2) 预制桩；灌注桩；

(3) 屈服破坏；整体剪切破坏；刺入破坏；

(4) ①选择桩的类型和几何尺寸；

 ②确定单桩竖向承载力设计值；

    ③确定桩的数量、间距和布桩方式；

④验算桩基的承载力和沉降；

   ⑤桩身结构设计；

⑥承台设计；

⑦绘制桩基施工图。

 (5)①地基的上层土层太差而下层土质较好；

②地基软弱，采用地基加固措施不合适；

③除承受较大垂直荷载外，尚有较大偏心荷载、水平荷载、动力或周期性荷载；

④上部结构对基础的不均匀性沉降相当敏感；

⑤地下水位很高，采用其他施工形式困难。

(6) ①在软土地区，大范围地下水位下降，使桩周土有效应力增大，导致桩侧土层沉降；

②桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载时；

③桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层时；

④冻土地区，由于温度升高而引起桩侧土的缺陷。

第9章 沉井基础及其他基础

1．学习目的与要求

(1) 熟悉沉井的适用性；

(2) 了解沉静的分类及施工；

(3) 了解其他深基础类型。

2．章节内容提要

本章以沉井基础的设计计算为主线，简要介绍了沉井基础的构造、类型以及适用条件，重点讨论了沉井基础的受力特点以及沉井设计中的各种验算，初步讨论了沉井施工过程中的各种结构计算，并对沉井下沉过程中存在的问题进行了简要讨论。最后简要介绍了墩基础和地下连续墙。

3．考核知识点

(1) 沉井的使用条件；

(2) 沉井的分类；

(3) 沉井的施工；

(4) 其他深基础类型。

4．综合练习

(1) 简答题：哪些情况可以考虑采用沉井基础？

(2) 按施工方法沉井可分为       和       。

(3) 沉井下沉过程中可能遇到的问题有           、           、          和流砂。

(4) 深基础种类很多，除桩基、沉井基础以外，还有          、          和          。

5．综合练习答案

(1) ①上部结构荷载较大，表层地基土承载力不足，因而在一定深度下有较好的持力层，且与其他基础方案相比较为经济合理；

②虽土质较好但冲刷大的山区河流，或河中有较大卵石不便于桩基础施工；

③岩层表面较平坦且覆盖层浇薄，但河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难。

(2) 一般沉井；浮运沉井；

(3) 偏斜；难沉；突沉；

(4) 墩基；地下连续墙；沉箱。

第10章 基坑工程

1．学习目的与要求

(1) 了解基坑工程的概念和特点；

(2) 了解基坑支护结构的类型和适用条件；

(3) 了解基坑支护工程设计原则和设计内容。

2．考核知识点

(1) 基坑工程的概念；

(2) 基坑工程的特点；

(3) 基坑支护结构的类型；

(4) 基坑支护工程的设计原则；

(5) 基坑支护工程的设计内容。

3．综合练习

(1) 名词解释：基坑工程；

(2) 简答：基坑工程有哪些特点？ 

(3) 简答：基坑工程有哪些类型？

(4) 简答：基坑工程的设计原则有哪些？

(5) 简答：基坑工程的设计内容有哪些？

4．综合练习答案

(1) 为进行建筑物基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。

(2)①通常都是临时的结构，安全储备相对较小，风险性较大；

②设计和施工因地制宜，切记生搬硬套；

③是一项综合性很强的系统工程；

④具有较强的时空效应；

⑤对周边环境会产生较大影响。

(3)①放坡开挖；

②悬臂式支护结构；

③水泥土桩墙支护结构；

④内撑式支护结构；

⑤拉锚式支护结构；

⑥土钉墙支护结构。

(4)①在满足支护结构本身强度、稳定性和变形要求的同时，确保周围环境的安全；

②在保证安全可靠的前提下，设计方案应具有较好的技术经济和环境效应；

③为基坑支护工程施工和基础施工提供最大限度的施工方便，并确保施工安全。

(5)①基坑内建筑场地勘察和基坑周边环境勘察；

②支护体系方案技术经济比较和选型；

③支护结构的强度、稳定和变形以及基坑内外土体的稳定性验算；

④基坑降水和止水帷幕设计以及支护墙的抗渗设计；

⑤基坑开挖施工方案和施工检测设计。

第11章 区域性地基及其他

1．学习目的与要求

(1) 了解区域性地基的概念；

(2) 了解湿陷性黄土、膨胀土、红粘土、冻土、盐渍土等特殊土的特点；

(3) 了解地基基础抗震设计。

2．章节内容提要

    本章介绍了几种在我国分布较广的区域性地基及其他类型地基与基础问题，包括湿陷性黄土地基、膨胀土地基、山区地基、冻土地基、盐渍土地基等。这类地基土由于所处地理环境、气候条件和各自地质成因不同，而与一般土的工程性质有显著区别，通常带有一定的区域性。本章先分别介绍这类地基土的特征和分布，讲述其特殊的工程性质和产生原因以及它们给工程建设带来的影响和危害，其次介绍这类地基土各自的工程评价方法和处理措施。

3．考核知识点

(1) 区域性地基的概念；

(2) 黄土的湿陷性评价；

(3) 膨胀土的变形特征；

(4) 盐渍土地基的评价。

4．综合练习

(1) 名词解释：区域性地基；。

(2) 简答：黄土的湿陷性评价包括哪些内容？

(3) 简答：膨胀土的变形特征有哪些？

(4) 简答：盐渍土地基的评价有哪些？

5．综合练习答案

(1) 是指特殊土地基、山区地基和地震区地基；

(2) ①查明黄土在一定压力下浸水后是否具有湿陷性；

②判别场地的湿陷类型；

③判定湿陷黄土地基的湿陷等级。

(3) ①吸水膨胀软化；

②失水收缩开裂。

(4) ①溶陷性；

②盐胀性；

③腐蚀性。

第12章 地基处理

1．学习目的与要求

(1) 了解软弱地基的特点；

(2) 了解软弱土地基处理方法分类及适用范围；

(3) 了解复合地基理论。

2．章节内容提要

软弱地基是指由具有强度低、压缩性较高及其他不良地质的软弱土组成的地基。地基处理的目的是采取切实有效的处理方法，改善地基土的工程性质，使其满足工程建设的要求。

地基处理方法按其原理和作用可分为碾压及夯实、换填垫层、排水固结、振密挤密、置换及拌入、加筋等七类。本章主要介绍前五类中的几种常用地基处理方法。要求掌握这几种方法的特点及适用范围、作用原理、设计要点。

3．考核知识点

(1) 软弱土的特点；

(2) 地基处理方法；

(3) 复合地基的特点。

4．综合练习

(1) 简答：软弱土的特点有哪些？ 

(2) 地基处理方法可分为：       、       、排水固结和           、       、       、其他。

(3) 简答：复合地基的特点有哪些？

5．综合练习答案

(1) ①具有显著地结构性；

②具有较明显的流变性；

③压缩性较高；

④抗剪强度很低；

⑤透水性较差；

⑥具有不均匀性。

(2) 碾压及夯实；换填垫层；振密挤密；置换及拌入；加筋；

(3) ①加固区是由增强体和其周围地基土两部分组成，是非均质和各向异性的；

②增强体和其周围地基土共同承担荷载并协调变形。