土的压实原理

土的压实原理有时建筑物建筑在填土上，为了提高土的强度，减小压缩性和渗透性，增加土的密实度，经常要采用夯打、振动或碾压等方法使土得到压实，从而保证地基和土工建筑物的稳定。

压实就是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，土颗粒重新排列，使土中的孔隙减小，密实度增加。

实践经验表明，细粒土和粗粒土具有不同的压密性质。

压实细粒土宜用夯击或碾压机具，同时必需控制土的含水量。

压实粗粒土宜用振动机具，同时应充分洒水。

土的工程分类自然界中的各种土，从直观上大致可分为两大类：无粘性土和粘性土。

工程上是用某种最能反映土的工程特性的指标来进行系统的分类。

按前述分析，影响土的工程性质的三个主要因素是土的三相组成、土的物理状态和土的结构。

这三者中，三相组成起主要作用。

在三相组成中，关键是土的固体颗粒。

首先就是颗粒的粗粒。

按实践经验，工程中以土中颗粒粒径大于0.074mm的质量占全部土粒质量的50%以上称为粗粒土（无粘性土），小于50%的称为细粒土（粘性土）。

粗粒土的工程性质，如透水性、压缩性和强度等，在很大程度上取决于土的颗粒级配。

因此粗粒土按颗粒级配累积曲线进一步分类。

细粒土的工程性质不仅决定于颗粒级配，而且与土粒的矿物成分也有密切的关系。

可以认为，比表面积和矿物成分在很大程度上决定了这种土性质，它们直接综合表现为土的吸附结合水的能力。

反映土吸附结合水的能力的特性指标有ωL、ωp 和I p 。

工程上多用塑性指标作为分类指标。

GBJ7-89《建筑地基基础设计规范》将地基土分成六大类：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。

土的渗透性与渗流土是具有连续孔隙的介质，水在重力作用下可以穿过土的孔隙而发生流动。

在水头差的作用下，水透过土孔隙流动的现象称为渗透或渗流，相反，土可以被水透过的性能称为土的渗透性。

如：土坝、水闸挡水后，上游的水就会通过坝体或地基渗到下游，从而发生渗透现象。

渗透会引起两个方面的问题，一是由于水的渗流会产生渗透力，在渗透力的作用下使地基失去稳定，从而使工程失效；二是水的渗透使细土粒逐渐被带走，从而形成比较大的水流，致使上游水渗漏，影响工程效果。

地下水的运动可以分为层流和紊流两种形式，层流是指地下水在岩土的孔隙或微裂隙中渗透，流线互不相交；紊流是指地下水在岩土的裂隙或洞穴中流动，流线互相交错。

地下水在土中的渗透属于层流现象，遵循达西渗透定律。

1856年，法国学者达西利用试验装置对砂土进行了渗透性试验研究，其结论是：水在砂土中的渗流速度与试样两端间的水头差成正比，而与渗流路径成反比。

地基土的应力与变形土体在建筑物或构筑物等处荷载作用下将产生应力和变形，如果土体的变形过大，则会影响工程的正常使用，甚至会使土体发生整体破坏而丧失稳定性。

因此，在工程实践中，必须弄清楚土体中各点应力的大小及分布规律，计算出地基土的沉降变形量，使地基土的实际沉降变形量控制在上部结构安全和正常使用的允许范围之内。

土体中的应力可以分为两部分，一部分为自重应力，另一部分为附加应力。

所谓自重应力，是指建筑物或构筑物在建造之前，由土体自重引起的应力。

一般来说，对于天然沉积的土层，经过漫长的地质年代，土体已沉降稳定，所以自重应力不会引起土体的变形，但对尚未沉降稳定的新近沉积粘性土、人工填土等欠固结土，自重应力会引起土体的沉降变形。

所谓附加应力，是指由于建筑物或构筑物等外荷载的作用在土体中引起的应力，附加应力是超出自重应力的那部分应力，附加应力使地基土体产生沉降变形。

土体是由固体颗粒、孔隙水、孔隙气三部分组成的三相体，所以，土体具有其他材料所没有的特殊性。

对无粘性土，土体为弹塑性体；而对于粘性土，土体一般为粘弹塑性体，由于其状态不同，所以其应力、应变关系也比较复杂，土体的应力、应变关系一般为非线性的。

本章在研究土体的应力、应变关系时，通常把土体假设为均匀的、连续的、各向同性的线弹性体，用J.Bossinessq解来求地基中的应力，这与工程实际有出入，但当荷载较小时，根据弹性理论计算的应力值与现场用压力盒观测到的应力值比较接近，由此产生的误差满足工程设计所允许的范围。

在外荷载的作用下，地基土体将发生压缩变形，从而会引起基础的沉降量。

基础的沉降量是指地基土体压缩变形达到固结稳定时的最大沉降量或称最终沉降量。

一般认为，最终沉降量由瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分组成。

瞬时沉降是指外荷载施加后立即发生的沉降；固结沉降是指土体中超孔隙水压力逐渐消散，孔隙水逐渐排出，土体积逐渐压缩而引起的沉降；次固结沉降是指由于土体的蠕变而引起的沉降。

实际上，在基础的沉降过程中，瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降并不是截然分开的，在时间上也很难将它们独立分开。

对无粘性土，固结沉降速度很快，其沉降主要表现为瞬时沉降；而对饱和粘性土，固结速度很慢，有的需要几年，甚至几十年才能固结完成，其沉降主要表现为固结沉降，瞬时沉降和次固结沉降仅占一小部分。

基底压力的计算建筑物或构筑物及其基础的自重等外荷载通过基础的底面传给地基，基础底面对地基土体的压力称为基底压力P；相反，地基土体对基础底面的支撑力称为基底反力q，二者是一对作用力与反作用力。

实际上，地基与基础及上部结构是共同工作的，基底压力不仅受到地基土刚度的影响，而且也直接与基础本身的刚度有关。

理论上，基础按其刚度大小可分为柔性基础、刚性基础和半刚性基础。

柔性基础是指在外荷载作用下基础的变形与地基土表面的变形相一致，即基础随地基一起变形。

当中心受荷时，基底压力均匀分布，如路堤、土坝及油罐薄板等。

刚性基础是指基础本身的刚度远远超过地基土的刚度，在外荷载作用下基础本身不发生变形，在中心荷载作用下，基础底面的沉降均匀。

砖、石、混凝土和钢筋混凝土等大块式整体基础均可看作刚性基础；半刚性基础是指刚度介于柔性和刚性之间的一种基础，在外荷载作用下，基础本身也发生弯曲变形，钢筋混凝土薄板基础可看作是半刚性基础。

大量的实测资料表明，对刚性基础，当基础所受的外荷载较小时，基底压力为两端大、中间小的马鞍型分布，随着外荷载的增大，基底两端点及中部的压力不断增大，形成抛物线分布；当荷载进一步增大时，基底中部的压力也进一步增大，基底压力的分布变为钟型分布。

决定基底压力的大小及分布的因素不仅与荷载的大小有关，还与地基土的种类、基础的埋深及基础底面尺寸有关，如果把这些因素都考虑进去，则基底压力的大小及分布的确定将不是一件容易的事。

在地基基础设计中，一般采用基底压力的简化计算方法，即假设刚性基础本身不变形，基础底面保持一平面，则基底压力的分布为一直线，大量的工程实践表明，这样简化的结果是可行的。

地基中的附加应力计算地基中的附加应力计算是指地基土体内任一深度处任一点的附加应力，本节的目的，就是要求出在各种外部荷载条件下，由基底附加压力在地基中产生的附加应力的大小及分布，从而为下节计算地基土体的变形量作准备。

为了求得地基中附加应力的大小及分布，假设地基土均匀、连续、各向同性的弹性半空间，即地基土中各点的变形模量E及泊松比μ相同。

实际上，地基土并不是均匀、连续、各向同性的弹性半空间，地基土的应力—应变关系应该是非线形的，其本构模型一般为弹塑性或粘弹塑性。

由于地基土通常是分层的，所以各土层之间的性质往往差别较大，但是如按地基土的实际情况来计算地基中的附加应力，目前还是一件比较困难和复杂的事。

工程实践证明，当上部结构所受的荷载不大，地基中的塑性变形区很小时，荷载与变形之间近似成直线关系，用上述假定计算的应力值与实测值相差不大，所以，目前工程上普遍采用弹性理论来计算地基土中的附加应力。

有效应力原理饱和土的有效应力原理首先由美国学者太沙基提出，它的内容是：土中的有效应力等于土中的总应力与孔隙水压力的差，即σ’=σ-μa+χ(μa-μω)。

我们知道，土体是由土粒、孔隙水及孔隙气组成的三相体，在建筑物等外荷载的作用下，土体中会产生附加应力，很明显，土体中的附加应力是通过土粒之间的接触来传递的，这种粒间接触的应力，称为有效应力。

有效应力会使土粒发生位移，引起土体变形，使土体的强度及稳定性发生变化。

土体中除了土粒外，还有孔隙水及孔隙气，由孔隙水传递的应力，称为孔隙水压力（μω）；同理，由孔隙气传递的压力，称为孔隙气压力（μa）。

由于孔隙中自由水仅能传递静水压，在受到压力作用后，可把压力以相同的大小向周围传递，即孔隙水在土中一点各方向产生的压力相等，因此，孔隙水压力只能压缩土颗粒，而不会使土粒发生位移，又土粒本身基本不产生压缩，所以静孔隙水压力不会使土发生变形，这样的静孔隙水压力也称中性压力。

土的压缩性土体在外荷载作用下体积减小的性质称为压缩性。

研究表明，土体的压缩性可以分为三部分：土粒体积的减小、孔隙水体积的减小和孔隙气体积的减小。

在一般建筑物荷载下（通常小于600Kpa），土粒与孔隙水的压缩量仅为土体总压缩量的1/400，即土粒和水本身的压缩都很小，可以忽略不计，所以一般认为，土粒及孔隙水不可压缩。

那么土体的压缩主要是孔隙气体积的减小及孔隙水从土体中排出后体积的减小。

对饱和土，孔隙水的排出是土体沉陷变形的主要原因，对粗粒土，孔隙水排出很快，因此，土体压缩在瞬间完成，而对饱和粘性土，由于土粒很细，渗透系数很小，孔隙水的排出很慢，因此，土体的压缩需要一个很长的过程，这个过程即渗透固结过程。

应力历史对地基沉降的影响前期固结压力是指天然土层在历史上所经受过的最大固结压力，用符号P c表示，如果前期固结压力等于现有覆盖土的自重应力（用P1表示），则称该土为正常固结土。

正常固结土经历了漫长的地质年代，在自重应力作用下已达到固结稳定状态，其前期固结压力与现有的覆盖土自重应力相等，即P c=P1=γh(γ为土的天然重度，h为现地表面下计算点深度)。

如前期固结压力大于现有覆盖土的自重应力，则称该土为超固结土。

超固结土在历史上受到较大的应力并达到了固结稳定状态，后由于剥蚀、卸载等原因形成现有地表，P c=γh c＞P1=γh(h c为剥蚀前土层地面下的计算深度)。

如果前期固结压力小于现有覆盖土的自重应力，则称该土为欠固结土。

如新近沉积的粘性土、人工填土等，在自重应力作用下尚未固结完成。

地基最终沉降计算地基的最终沉降量是指地基土体在外荷载作用下达到压缩稳定后地基表面的沉降量。

前面已经讲过，地基土层在自重应力的作用下已沉降稳定，因此，地基的最终沉降量是由附加应力产生的。

地基的最终沉降量可分为基础中心点的沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜四种。

目前，我国地基最终沉降量的计算方法有两种：一种为分层综合法，一种为规范法。

太沙基一维固结理论我们已经知道，地基土在外荷载的作用下，要发生一定的沉降。

对砂性土来说，从开工到竣工，随着外荷载的增加，砂性土的沉降量从零逐渐增加直到趋于稳定，工程使用期间可认为不再发生沉降。