考試大整理巖土工程師土力學(xué)與基礎(chǔ)工程練習(xí)三
    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) 0 50 100 200 300 400
    e 1.406 1.250 1.120 0.990 0.910 0.850
    [解] 已知 p1=100kPa p=150kPa h= 5m
    那么 p2= p1 p=250kPa
    由壓縮試驗(yàn)結(jié)果可得：
    e1=1.120 e2=0.95
    則 m=40cm
    可見，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=2.510-4 kPa-1，滲透系數(shù)k為2.0cm/a 。試問：(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 Tv=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?，F(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：(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，有
    于是
    2500 000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=4 4.76=19年
    可見，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：天然土層在歷所經(jīng)受過的固結(jié)壓力(指土體在固結(jié)過程中所受的有效壓力)，稱為前(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），這類土稱為正常固結(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)就超過了現(xiàn)有的土自重應(yīng)力p1。這類歷曾經(jīng)受過大于現(xiàn)有土自重應(yīng)力的前期固結(jié)壓力的土稱為超固結(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 。這類土稱為欠固結(jié)土（OCR<1）。
    [例5] 簡述太沙基單向固結(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着懦?；?）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，因此孔隙體積無需變化太大（不需排較多的水）；(3)時(shí)間t越長，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)系來加以說明。
    從地基處理的角度來分析該法的適用性。
    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)無粘性土的抗剪強(qiáng)度影響很小。對(duì)粘性土來說，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不能嚴(yán)格控制排水條件，只好通過控制剪切速率的快、慢來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，而三軸儀能嚴(yán)格控制排水條件，并能通過量測試樣的孔隙水壓力來求得土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。如有可能，宜盡量采用三軸試驗(yàn)方法來測定粘性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
    [例3]簡述如何根據(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)于具體的工程問題，如何合理確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取決于工程問題的性質(zhì)。一般認(rèn)為，地基的長期穩(wěn)定性或長期承載力問題，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。