根據土的各項特點研究地基和邊坡的修建

文/王瑋﹑張弼偉 山西省建筑科學研究院 山西太原 030001

根據土的各項特點研究地基和邊坡的修建

文/王瑋﹑張弼偉 山西省建筑科學研究院 山西太原 030001

土在工程建設中基本都會用到：作為地基，要防止工程不受地基沉降的破壞；作為邊坡，要防止土的滑動對工程造成不利影響。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，簡單的講解了土的構造特點和力學性能，以及其在工程中的實際應用，以便于對土以及土的使用有一個更好的認識。

土；自重；顆粒；地基；邊坡

概述

土在日常生活中隨處可見，工程中所指的土是：覆蓋在地球表面的﹑比較松散的細顆粒堆積物。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。在工程設計中應根據各類土的特性去研究土的力學性能，使土能在工程中有更好地應用。無論在房屋的修建中還是在路橋的建設中，土主要影響地基和邊坡，研究好土的特性對地基的處理和邊坡的防護至關重要。

1、土的構造特性

土是由巖石在風﹑水﹑動植物等長期的作用下風化而來。其中的固態——土顆粒，顆粒中的礦物成分主要有原生礦物﹑次生礦物和有機物三種。根據土的堆積特點，可分為殘積土和運集土兩大類。土有三相組成。根據土顆粒的大小，我國把其分為六組，粒徑大于200mm的叫做塊石顆粒，這種顆粒無毛細水，沒有粘性，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差不多；粒徑在2～60mm的叫做圓礫顆粒，這種顆粒相對較小，與上述的兩種相比，有毛細水的存在；粒徑在0.075～2mm的叫砂粒，容易透水，沒有粘性；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，在濕潤時有粘結力，遇水會發生一定的膨脹。

工程中所用的土不是均勻顆粒。為了方便對所用土的粒徑有一個書面上的認識，科學家們引入了兩個參數：不均勻系數和曲率系數，不均勻系數是根據在土中小于某粒徑的土達到60%的粒徑與達到10%的粒徑的比值來確定。曲率系數是根據小于某粒徑達到30%的粒徑與上述10%的粒徑和60%的粒徑來確定。在土的使用上，往往要求不均勻系數大于5，曲率系數在1～3之間，這樣的土，粒徑均勻，易于土的壓實，工程質量比較好[1]。

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

土的疏松性是因為土中含有大量的氣體，土中氣體以兩種形式存在：自由氣體和封閉氣泡，自由氣體在土受到壓力，體積變小時，就會排出去，對土沒有太大的影響。封閉氣泡由于自身封閉，在擠壓中很難排出，只是發生變形，使土的壓縮性變大，滲水性減小。

2、土的力學特性

土在建設使用時，主要會受到壓力﹑水的滲透力﹑剪力和自身的重力，下面主要談談土在受到這幾種力時的影響因素和特點。

土中由于空氣的存在，會有連續的空隙，若土直接和水接觸，那么水就會在自身的壓力下沿著這些空隙向下流去（滲流），滲流與土的性質和水頭的大小有關系。土比較密實﹑粘性大時，滲透性就差。水頭是指單位水所擁有的機械能，當這種機械能大時，滲透就容易發生，在計算應用上，主要根據的是達西定律。

在均質土中，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]。當有地下水時，還有水對其的浮力影響。土在做地基時還會受到上部荷載對其的壓力，壓力通過基礎傳給地基。基礎受到的力不同，傳遞給地基的力也會不同，土在受到壓力后會壓縮變形，造成基礎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，土的抗剪性能根據實驗得到，與所受到的法向應力﹑土的內摩擦角和粘聚力有關，在實驗中往往采用直剪實驗﹑三軸壓縮實驗和無側限抗壓強度實驗。

軟土的特點是孔隙率高﹑壓縮系數高﹑強度低﹑含水量高，并具有較強的蠕變性，工程地質差，若受到擾動則軟土的強度會明顯降低，甚至呈現流塑狀態。

紅黏土的特點是其強度高﹑厚度不均勻﹑具有明顯的脹縮性﹑可壓縮性低，土內出現裂縫后裂縫會迅速發展。

濕陷性黃土的特點是孔隙率高，遇水后可壓縮性急劇增加，強度急劇降低，嚴重影響邊坡穩定性。

膨脹土的特點是正常情況下強度較高﹑可壓縮性低；但受水后急劇膨脹，強度也急劇降低，易被風化，并且壓實性較差。

凍土的特點是在冬春交替時土體發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。

鹽漬土的特點是當土體受水后土體內部鹽類物質溶于水，導致土體發生失陷等，最終導致路基等產生不均勻沉降而發生破壞，并且鹽漬土具有侵蝕性，可嚴重腐蝕路基基礎，影響邊坡穩定性。

3、土在地基中的計算處理

土在作為地基時，主要進行的是地基壓縮沉降的考慮。地基主要有兩種應力狀態，自重應力和附加應力。自重應力是由土體的重力在土中產生的應力，附加應力指的是除去自身重力后，土受到的其它力在土中產生的應力。在實際中，土受到許多不同的外力，其附加應力較復雜。土在受到一個豎直集中應力時，力在向下傳遞的過程中，不斷向四周擴散而變小。若地面受到幾個集中力的作用時，所產生的幾個應力就會疊加，總應力的計算根據聚集的疊加原理來計算。實際中，基礎所傳給地基的力比較平均，這種荷載分布的規律有許多，主要分為兩類：空間上的荷載分布和平面上的荷載分布，這兩種分布的區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，體積發生了變化。由于天然土層形態各異，在計算上較為麻煩，為了簡便計算，理論上往往把地基土看作是均質的﹑各向相同的土，在確定地基的計算深度后，把基礎下每層土的壓縮量進行疊加，就可以得到地基的最終沉降量。在此基礎上，《建筑地基基礎設計規范》中給了一種更精確的計算方法，這種算法添加了地基平均附加應力系數，在地基計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壓縮條件下的指標，用基礎中心下的附加應力來降低側向變形對土層壓縮的影響。

4、土在邊坡上的應用防護

邊坡主要分為兩種：天然和人工，天然邊坡由于長期受到外界的各種作用，在受力和形狀上達到了穩定，往往不會自動破壞。人工邊坡有填和挖兩種，由于其形成時間短，對其的穩定性要進行分析。

保護邊坡的穩定性，主要在于對內部滑動的控制。邊坡滑動的影響主要是兩方面：在土的內部，坡的高度﹑坡與水平面的夾角的大小對坡的穩定性有較大的影響，土的性質也會有影響：粘性大的土穩定性比較好，而一堆沙子在堆積時只能滑動成為一個錐形；土坡的土層構造和邊坡的外形對邊坡的穩定也有一定的影響。外部影響主要是水﹑振動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，土質變軟，很容易發生滑動。地震或者爆炸發生的振動使土的構造發生破壞，產生滑動。人為的不注意，在開挖時對邊坡的穩定性造成影響。總之在對邊坡穩定性的考慮時，要充分考慮到各種情況：地下水的影響；施工過程對邊坡的影響；填方邊坡和挖方邊坡的影響[4]。在施工過程中應根據土質特點選用合理的處理方法增強其強度或改變其特性，如對不滿足施工要求的土體進行換填﹑隔水﹑強夯﹑樁基等措施，使土質達到施工要求，確保邊坡安全穩定。

滑坡是一種嚴重影響人民生命財產的自然危害，對于其防治有多種方法，在存在大型滑坡或者滑坡群的地方，由于在治理方面會有太大的經濟投入，因此直接在修建建筑時進行避讓[5]。水對邊坡的危害較大，在防治滑坡時一定要做好地表水和地下水的排除工作。在土坡上進行抗滑支檔﹑修建保護層﹑抗滑墻或者抗滑樁等，也對阻止滑坡的產生有大的作用，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：

土在工程中往往作為地基和邊坡，根據土的各種構造特點和力學特征，針對不同的地基和邊坡類型，采取合理的處理方法。降低地基的沉降，保護邊坡的穩定性，是工程上研究土的最終目的。

[1]土力學地基與基礎[M]. 中國建筑工業出版社, 1997.

[2]陳希哲. 土力學地基基礎[M]. 清華大學出版社有限公司, 1998.

[3]蔣彭年. 非飽和土工程性質簡論[J]. 巖土工程學報, 1989, 11(6): 39-59.

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

[5]公路邊坡防護治理[M]. 人民交通出版社, 2002.