文/王瑋﹑張弼偉 山西省建筑科學(xué)研究院 山西太原 030001

根據(jù)土的各項(xiàng)特點(diǎn)研究地基和邊坡的修建

文/王瑋﹑張弼偉 山西省建筑科學(xué)研究院 山西太原 030001

土在工程建設(shè)中基本都會(huì)用到：作為地基，要防止工程不受地基沉降的破壞；作為邊坡，要防止土的滑動(dòng)對(duì)工程造成不利影響。研究好土的各方面性能，才能更好的掌握其為工程所用。下面所述，簡(jiǎn)單的講解了土的構(gòu)造特點(diǎn)和力學(xué)性能，以及其在工程中的實(shí)際應(yīng)用，以便于對(duì)土以及土的使用有一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)。

土；自重；顆粒；地基；邊坡

概述

土在日常生活中隨處可見(jiàn)，工程中所指的土是：覆蓋在地球表面的﹑比較松散的細(xì)顆粒堆積物。土由三相組成：土顆粒﹑水和空氣。其中土又分為普通土和特殊土，特殊土也是在工程領(lǐng)域中遇到的較多的土，特殊土可分為軟土﹑濕陷性黃土﹑膨脹土﹑鹽漬土﹑多年凍土和紅黏土等。在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)各類(lèi)土的特性去研究土的力學(xué)性能，使土能在工程中有更好地應(yīng)用。無(wú)論在房屋的修建中還是在路橋的建設(shè)中，土主要影響地基和邊坡，研究好土的特性對(duì)地基的處理和邊坡的防護(hù)至關(guān)重要。

1、土的構(gòu)造特性

土是由巖石在風(fēng)﹑水﹑動(dòng)植物等長(zhǎng)期的作用下風(fēng)化而來(lái)。其中的固態(tài)——土顆粒，顆粒中的礦物成分主要有原生礦物﹑次生礦物和有機(jī)物三種。根據(jù)土的堆積特點(diǎn)，可分為殘積土和運(yùn)集土兩大類(lèi)。土有三相組成。根據(jù)土顆粒的大小，我國(guó)把其分為六組，粒徑大于200mm的叫做塊石顆粒，這種顆粒無(wú)毛細(xì)水，沒(méi)有粘性，由于顆粒間縫隙大，因此透水性也很大；粒徑在60～200mm的叫做卵石顆粒，這種顆粒和塊石顆粒的性質(zhì)差不多；粒徑在2～60mm的叫做圓礫顆粒，這種顆粒相對(duì)較小，與上述的兩種相比，有毛細(xì)水的存在；粒徑在0.075～2mm的叫砂粒，容易透水，沒(méi)有粘性；粒徑在0.005～0.075mm和小于0.005的分別叫做粉粒和黏粒，它們的透水性比較差，在濕潤(rùn)時(shí)有粘結(jié)力，遇水會(huì)發(fā)生一定的膨脹。

工程中所用的土不是均勻顆粒。為了方便對(duì)所用土的粒徑有一個(gè)書(shū)面上的認(rèn)識(shí)，科學(xué)家們引入了兩個(gè)參數(shù)：不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，不均勻系數(shù)是根據(jù)在土中小于某粒徑的土達(dá)到60%的粒徑與達(dá)到10%的粒徑的比值來(lái)確定。曲率系數(shù)是根據(jù)小于某粒徑達(dá)到30%的粒徑與上述10%的粒徑和60%的粒徑來(lái)確定。在土的使用上，往往要求不均勻系數(shù)大于5，曲率系數(shù)在1～3之間，這樣的土，粒徑均勻，易于土的壓實(shí)，工程質(zhì)量比較好[1]。

土中的水也有三種狀態(tài)：液態(tài)﹑固態(tài)和氣態(tài)。液態(tài)水又有結(jié)合水和自由水之分，結(jié)合水不傳遞靜水壓力，對(duì)土的塑性有影響。自由水可以傳遞靜水壓力，對(duì)土有一定的浮力。固體水主要是指天氣寒冷使土中的水結(jié)成冰，這種土叫做“凍土”，在工程中，凍土帶來(lái)了極大的危害。氣態(tài)水對(duì)土基本無(wú)影響。

土的疏松性是因?yàn)橥林泻写罅康臍怏w，土中氣體以?xún)煞N形式存在：自由氣體和封閉氣泡，自由氣體在土受到壓力，體積變小時(shí)，就會(huì)排出去，對(duì)土沒(méi)有太大的影響。封閉氣泡由于自身封閉，在擠壓中很難排出，只是發(fā)生變形，使土的壓縮性變大，滲水性減小。

2、土的力學(xué)特性

土在建設(shè)使用時(shí)，主要會(huì)受到壓力﹑水的滲透力﹑剪力和自身的重力，下面主要談?wù)勍猎谑艿竭@幾種力時(shí)的影響因素和特點(diǎn)。

土中由于空氣的存在，會(huì)有連續(xù)的空隙，若土直接和水接觸，那么水就會(huì)在自身的壓力下沿著這些空隙向下流去（滲流），滲流與土的性質(zhì)和水頭的大小有關(guān)系。土比較密實(shí)﹑粘性大時(shí)，滲透性就差。水頭是指單位水所擁有的機(jī)械能，當(dāng)這種機(jī)械能大時(shí)，滲透就容易發(fā)生，在計(jì)算應(yīng)用上，主要根據(jù)的是達(dá)西定律。

在均質(zhì)土中，隨著深度的變大，自重線性增加。在成層土中，由于每層的重度不同，而成折線分布[2]。當(dāng)有地下水時(shí)，還有水對(duì)其的浮力影響。土在做地基時(shí)還會(huì)受到上部荷載對(duì)其的壓力，壓力通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基?；A(chǔ)受到的力不同，傳遞給地基的力也會(huì)不同，土在受到壓力后會(huì)壓縮變形，造成基礎(chǔ)的均勻或者不均勻沉降。土的抗剪性能在工程中也比較重要，土的抗剪性能根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到，與所受到的法向應(yīng)力﹑土的內(nèi)摩擦角和粘聚力有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)中往往采用直剪實(shí)驗(yàn)﹑三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

軟土的特點(diǎn)是孔隙率高﹑壓縮系數(shù)高﹑強(qiáng)度低﹑含水量高，并具有較強(qiáng)的蠕變性，工程地質(zhì)差，若受到擾動(dòng)則軟土的強(qiáng)度會(huì)明顯降低，甚至呈現(xiàn)流塑狀態(tài)。

紅黏土的特點(diǎn)是其強(qiáng)度高﹑厚度不均勻﹑具有明顯的脹縮性﹑可壓縮性低，土內(nèi)出現(xiàn)裂縫后裂縫會(huì)迅速發(fā)展。

濕陷性黃土的特點(diǎn)是孔隙率高，遇水后可壓縮性急劇增加，強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。

膨脹土的特點(diǎn)是正常情況下強(qiáng)度較高﹑可壓縮性低；但受水后急劇膨脹，強(qiáng)度也急劇降低，易被風(fēng)化，并且壓實(shí)性較差。

凍土的特點(diǎn)是在冬春交替時(shí)土體發(fā)生凍脹或融陷等影響地基承載力等不良影響，影響邊坡的耐久性。

鹽漬土的特點(diǎn)是當(dāng)土體受水后土體內(nèi)部鹽類(lèi)物質(zhì)溶于水，導(dǎo)致土體發(fā)生失陷等，最終導(dǎo)致路基等產(chǎn)生不均勻沉降而發(fā)生破壞，并且鹽漬土具有侵蝕性，可嚴(yán)重腐蝕路基基礎(chǔ)，影響邊坡穩(wěn)定性。

3、土在地基中的計(jì)算處理

土在作為地基時(shí)，主要進(jìn)行的是地基壓縮沉降的考慮。地基主要有兩種應(yīng)力狀態(tài)，自重應(yīng)力和附加應(yīng)力。自重應(yīng)力是由土體的重力在土中產(chǎn)生的應(yīng)力，附加應(yīng)力指的是除去自身重力后，土受到的其它力在土中產(chǎn)生的應(yīng)力。在實(shí)際中，土受到許多不同的外力，其附加應(yīng)力較復(fù)雜。土在受到一個(gè)豎直集中應(yīng)力時(shí)，力在向下傳遞的過(guò)程中，不斷向四周擴(kuò)散而變小。若地面受到幾個(gè)集中力的作用時(shí)，所產(chǎn)生的幾個(gè)應(yīng)力就會(huì)疊加，總應(yīng)力的計(jì)算根據(jù)聚集的疊加原理來(lái)計(jì)算。實(shí)際中，基礎(chǔ)所傳給地基的力比較平均，這種荷載分布的規(guī)律有許多，主要分為兩類(lèi)：空間上的荷載分布和平面上的荷載分布，這兩種分布的區(qū)別在于荷載分布范圍的大小不同。

地基的沉降是由于土在壓力下，體積發(fā)生了變化。由于天然土層形態(tài)各異，在計(jì)算上較為麻煩，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，理論上往往把地基土看作是均質(zhì)的﹑各向相同的土，在確定地基的計(jì)算深度后，把基礎(chǔ)下每層土的壓縮量進(jìn)行疊加，就可以得到地基的最終沉降量。在此基礎(chǔ)上，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給了一種更精確的計(jì)算方法，這種算法添加了地基平均附加應(yīng)力系數(shù)，在地基計(jì)算深度選取上也給了更有效的方法[3]。這兩種算法都采用單項(xiàng)壓縮條件下的指標(biāo)，用基礎(chǔ)中心下的附加應(yīng)力來(lái)降低側(cè)向變形對(duì)土層壓縮的影響。

4、土在邊坡上的應(yīng)用防護(hù)

邊坡主要分為兩種：天然和人工，天然邊坡由于長(zhǎng)期受到外界的各種作用，在受力和形狀上達(dá)到了穩(wěn)定，往往不會(huì)自動(dòng)破壞。人工邊坡有填和挖兩種，由于其形成時(shí)間短，對(duì)其的穩(wěn)定性要進(jìn)行分析。

保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性，主要在于對(duì)內(nèi)部滑動(dòng)的控制。邊坡滑動(dòng)的影響主要是兩方面：在土的內(nèi)部，坡的高度﹑坡與水平面的夾角的大小對(duì)坡的穩(wěn)定性有較大的影響，土的性質(zhì)也會(huì)有影響：粘性大的土穩(wěn)定性比較好，而一堆沙子在堆積時(shí)只能滑動(dòng)成為一個(gè)錐形；土坡的土層構(gòu)造和邊坡的外形對(duì)邊坡的穩(wěn)定也有一定的影響。外部影響主要是水﹑振動(dòng)的作用和人為的影響，水侵入土坡，是土的含水量增加，重度變大，土質(zhì)變軟，很容易發(fā)生滑動(dòng)。地震或者爆炸發(fā)生的振動(dòng)使土的構(gòu)造發(fā)生破壞，產(chǎn)生滑動(dòng)。人為的不注意，在開(kāi)挖時(shí)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響?？傊趯?duì)邊坡穩(wěn)定性的考慮時(shí)，要充分考慮到各種情況：地下水的影響；施工過(guò)程對(duì)邊坡的影響；填方邊坡和挖方邊坡的影響[4]。在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)土質(zhì)特點(diǎn)選用合理的處理方法增強(qiáng)其強(qiáng)度或改變其特性，如對(duì)不滿(mǎn)足施工要求的土體進(jìn)行換填﹑隔水﹑強(qiáng)夯﹑樁基等措施，使土質(zhì)達(dá)到施工要求，確保邊坡安全穩(wěn)定。

滑坡是一種嚴(yán)重影響人民生命財(cái)產(chǎn)的自然危害，對(duì)于其防治有多種方法，在存在大型滑坡或者滑坡群的地方，由于在治理方面會(huì)有太大的經(jīng)濟(jì)投入，因此直接在修建建筑時(shí)進(jìn)行避讓[5]。水對(duì)邊坡的危害較大，在防治滑坡時(shí)一定要做好地表水和地下水的排除工作。在土坡上進(jìn)行抗滑支檔﹑修建保護(hù)層﹑抗滑墻或者抗滑樁等，也對(duì)阻止滑坡的產(chǎn)生有大的作用，減少土坡的重量并加上抗滑壓力，在防治某些滑坡上也有較好的成效。

總結(jié)：

土在工程中往往作為地基和邊坡，根據(jù)土的各種構(gòu)造特點(diǎn)和力學(xué)特征，針對(duì)不同的地基和邊坡類(lèi)型，采取合理的處理方法。降低地基的沉降，保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性，是工程上研究土的最終目的。

[1]土力學(xué)地基與基礎(chǔ)[M]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1997.

[2]陳希哲. 土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M]. 清華大學(xué)出版社有限公司, 1998.

[3]蔣彭年. 非飽和土工程性質(zhì)簡(jiǎn)論[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1989, 11(6): 39-59.

[4] Fredlund D G, Rahardjo H. 非飽和土土力學(xué)[J]. M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版, 1997: 256-278.

[5]公路邊坡防護(hù)治理[M]. 人民交通出版社, 2002.