土的壓實原理

土的壓實原理

有時建筑物建筑在填土上，為了提高土的強度，減小壓縮性和滲透性，增加土的密實度，

經常要采用夯打、振動或碾壓等方法使土得到壓實，從而保證地基和土工建筑物的穩定。壓

實就是指土體在壓實能量作用下，土顆粒克服粒間阻力，產生位移，土顆粒重新排列，使土

中的孔隙減小，密實度增加。

實踐經驗表明，細粒土和粗粒土具有不同的壓密性質。壓實細粒土宜用夯擊或碾壓機

具，同時必需控制土的含水量。壓實粗粒土宜用振動機具，同時應充分灑水。

土的工程分類

自然界中的各種土，從直觀上大致可分為兩大類：無粘性土和粘性土。工程上是用某種

最能反映土的工程特性的指標來進行系統的分類。按前述分析，影響土的工程性質的三個主

要因素是土的三相組成、土的物理狀態和土的結構。這三者中，三相組成起主要作用。在三

相組成中，關鍵是土的固體顆粒。首先就是顆粒的粗粒。按實踐經驗，工程中以土中顆粒粒

徑大于0.074mm的質量占全部土粒質量的50%以上稱為粗粒土（無粘性土），小于50%的稱

為細粒土（粘性土）。

粗粒土的工程性質，如透水性、壓縮性和強度等，在很大程度上取決于土的顆粒級配。

因此粗粒土按顆粒級配累積曲線進一步分類。

細粒土的工程性質不僅決定于顆粒級配，而且與土粒的礦物成分也有密切的關系。可以

認為，比表面積和礦物成分在很大程度上決定了這種土性質，它們直接綜合表現為土的吸附

結合水的能力。反映土吸附結合水的能力的特性指標有ω、ω和I。工程上多用塑性指

Lp p

標作為分類指標。

GBJ7-89《建筑地基基礎設計規范》將地基土分成六大類：巖石、碎石土、砂土、粉土、

粘性土和人工填土。

土的滲透性與滲流

土是具有連續孔隙的介質，水在重力作用下可以穿過土的孔隙而發生流動。在水頭差

的作用下，水透過土孔隙流動的現象稱為滲透或滲流，相反，土可以被水透過的性能稱為土

的滲透性。如：土壩、水閘擋水后，上游的水就會通過壩體或地基滲到下游，從而發生滲透

現象。滲透會引起兩個方面的問題，一是由于水的滲流會產生滲透力，在滲透力的作用下使

地基失去穩定，從而使工程失效；二是水的滲透使細土粒逐漸被帶走，從而形成比較大的水

流，致使上游水滲漏，影響工程效果。

地下水的運動可以分為層流和紊流兩種形式，層流是指地下水在巖土的孔隙或微裂隙

中滲透，流線互不相交；紊流是指地下水在巖土的裂隙或洞穴中流動，流線互相交錯。地下

水在土中的滲透屬于層流現象，遵循達西滲透定律。

1856年，法國學者達西利用試驗裝置對砂土進行了滲透性試驗研究，其結論是：水在

砂土中的滲流速度與試樣兩端間的水頭差成正比，而與滲流路徑成反比。

地基土的應力與變形

土體在建筑物或構筑物等處荷載作用下將產生應力和變形，如果土體的變形過大，則

會影響工程的正常使用，甚至會使土體發生整體破壞而喪失穩定性。因此，在工程實踐中，

必須弄清楚土體中各點應力的大小及分布規律，計算出地基土的沉降變形量，使地基土的實

際沉降變形量控制在上部結構安全和正常使用的允許范圍之內。

土體中的應力可以分為兩部分，一部分為自重應力，另一部分為附加應力。所謂自重

應力，是指建筑物或構筑物在建造之前，由土體自重引起的應力。一般來說，對于天然沉積

的土層，經過漫長的地質年代，土體已沉降穩定，所以自重應力不會引起土體的變形，但對

尚未沉降穩定的新近沉積粘性土、人工填土等欠固結土，自重應力會引起土體的沉降變形。

所謂附加應力，是指由于建筑物或構筑物等外荷載的作用在土體中引起的應力，附加應力是

超出自重應力的那部分應力，附加應力使地基土體產生沉降變形。

土體是由固體顆粒、孔隙水、孔隙氣三部分組成的三相體，所以，土體具有其他材料

所沒有的特殊性。對無粘性土，土體為彈塑性體；而對于粘性土，土體一般為粘彈塑性體，

由于其狀態不同，所以其應力、應變關系也比較復雜，土體的應力、應變關系一般為非線性

的。本章在研究土體的應力、應變關系時，通常把土體假設為均勻的、連續的、各向同性的

線彈性體，用essq解來求地基中的應力，這與工程實際有出入，但當荷載較小時，

根據彈性理論計算的應力值與現場用壓力盒觀測到的應力值比較接近，由此產生的誤差滿足

工程設計所允許的范圍。在外荷載的作用下，地基土體將發生壓縮變形，從而會引起基礎的

沉降量。基礎的沉降量是指地基土體壓縮變形達到固結穩定時的最大沉降量或稱最終沉降

量。一般認為，最終沉降量由瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三部分組成。瞬時沉降是指

外荷載施加后立即發生的沉降；固結沉降是指土體中超孔隙水壓力逐漸消散，孔隙水逐漸排

出，土體積逐漸壓縮而引起的沉降；次固結沉降是指由于土體的蠕變而引起的沉降。實際上，

在基礎的沉降過程中，瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降并不是截然分開的，在時間上也很

難將它們獨立分開。對無粘性土，固結沉降速度很快，其沉降主要表現為瞬時沉降；而對飽

和粘性土，固結速度很慢，有的需要幾年，甚至幾十年才能固結完成，其沉降主要表現為固

結沉降，瞬時沉降和次固結沉降僅占一小部分。

基底壓力的計算

建筑物或構筑物及其基礎的自重等外荷載通過基礎的底面傳給地基，基礎底面對地基

土體的壓力稱為基底壓力P；相反，地基土體對基礎底面的支撐力稱為基底反力q，二者是

一對作用力與反作用力。實際上，地基與基礎及上部結構是共同工作的，基底壓力不僅受到

地基土剛度的影響，而且也直接與基礎本身的剛度有關。理論上，基礎按其剛度大小可分為

柔性基礎、剛性基礎和半剛性基礎。柔性基礎是指在外荷載作用下基礎的變形與地基土表面

的變形相一致，即基礎隨地基一起變形。當中心受荷時，基底壓力均勻分布，如路堤、土壩

及油罐薄板等。剛性基礎是指基礎本身的剛度遠遠超過地基土的剛度，在外荷載作用下基礎

本身不發生變形，在中心荷載作用下，基礎底面的沉降均勻。磚、石、混凝土和鋼筋混凝土

等大塊式整體基礎均可看作剛性基礎；半剛性基礎是指剛度介于柔性和剛性之間的一種基

礎，在外荷載作用下，基礎本身也發生彎曲變形，鋼筋混凝土薄板基礎可看作是半剛性基礎。

大量的實測資料表明，對剛性基礎，當基礎所受的外荷載較小時，基底壓力為兩端大、

中間小的馬鞍型分布，隨著外荷載的增大，基底兩端點及中部的壓力不斷增大，形成拋物線

分布；當荷載進一步增大時，基底中部的壓力也進一步增大，基底壓力的分布變為鐘型分布。

決定基底壓力的大小及分布的因素不僅與荷載的大小有關，還與地基土的種類、基礎的埋深

及基礎底面尺寸有關，如果把這些因素都考慮進去，則基底壓力的大小及分布的確定將不是

一件容易的事。在地基基礎設計中，一般采用基底壓力的簡化計算方法，即假設剛性基礎本

身不變形，基礎底面保持一平面，則基底壓力的分布為一直線，大量的工程實踐表明，這樣

簡化的結果是可行的。

地基中的附加應力計算

地基中的附加應力計算是指地基土體內任一深度處任一點的附加應力，本節的目的，

就是要求出在各種外部荷載條件下，由基底附加壓力在地基中產生的附加應力的大小及分

布，從而為下節計算地基土體的變形量作準備。為了求得地基中附加應力的大小及分布，假

設地基土均勻、連續、各向同性的彈性半空間，即地基土中各點的變形模量E及泊松比

μ

相同。實際上，地基土并不是均勻、連續、各向同性的彈性半空間，地基土的應力—應變關

系應該是非線形的，其本構模型一般為彈塑性或粘彈塑性。由于地基土通常是分層的，所以

各土層之間的性質往往差別較大，但是如按地基土的實際情況來計算地基中的附加應力，目

前還是一件比較困難和復雜的事。工程實踐證明，當上部結構所受的荷載不大，地基中的塑

性變形區很小時，荷載與變形之間近似成直線關系，用上述假定計算的應力值與實測值相差

不大，所以，目前工程上普遍采用彈性理論來計算地基土中的附加應力。

有效應力原理

飽和土的有效應力原理首先由美國學者太沙基提出，它的內容是：土中的有效應力等

于土中的總應力與孔隙水壓力的差，即’=-+(-)。我們知道，土體是由土粒、

σσμχμμ

aa

ω

孔隙水及孔隙氣組成的三相體，在建筑物等外荷載的作用下，土體中會產生附加應力，很明

顯，土體中的附加應力是通過土粒之間的接觸來傳遞的，這種粒間接觸的應力，稱為有效應

力。有效應力會使土粒發生位移，引起土體變形，使土體的強度及穩定性發生變化。土體中

除了土粒外，還有孔隙水及孔隙氣，由孔隙水傳遞的應力，稱為孔隙水壓力（）；同理，

μ

ω

由孔隙氣傳遞的壓力，稱為孔隙氣壓力（）。由于孔隙中自由水僅能傳遞靜水壓，在受到

μ

a

壓力作用后，可把壓力以相同的大小向周圍傳遞，即孔隙水在土中一點各方向產生的壓力相

等，因此，孔隙水壓力只能壓縮土顆粒，而不會使土粒發生位移，又土粒本身基本不產生壓

縮，所以靜孔隙水壓力不會使土發生變形，這樣的靜孔隙水壓力也稱中性壓力。

土的壓縮性

土體在外荷載作用下體積減小的性質稱為壓縮性。研究表明，土體的壓縮性可以分為

三部分：土粒體積的減小、孔隙水體積的減小和孔隙氣體積的減小。在一般建筑物荷載下（通

常小于600Kpa），土粒與孔隙水的壓縮量僅為土體總壓縮量的1/400，即土粒和水本身的壓

縮都很小，可以忽略不計，所以一般認為，土粒及孔隙水不可壓縮。那么土體的壓縮主要是

孔隙氣體積的減小及孔隙水從土體中排出后體積的減小。對飽和土，孔隙水的排出是土體沉

陷變形的主要原因，對粗粒土，孔隙水排出很快，因此，土體壓縮在瞬間完成，而對飽和粘

性土，由于土粒很細，滲透系數很小，孔隙水的排出很慢，因此，土體的壓縮需要一個很長

的過程，這個過程即滲透固結過程。

應力歷史對地基沉降的影響

前期固結壓力是指天然土層在歷史上所經受過的最大固結壓力，用符號P表示，如果

c

前期固結壓力等于現有覆蓋土的自重應力（用P表示），則稱該土為正常固結土。正常固結

1

土經歷了漫長的地質年代，在自重應力作用下已達到固結穩定狀態，其前期固結壓力與現有

的覆蓋土自重應力相等，即P= P=h(為土的天然重度，h為現地表面下計算點深度)。

c1

γγ

如前期固結壓力大于現有覆蓋土的自重應力，則稱該土為超固結土。超固結土在歷史上受到

較大的應力并達到了固結穩定狀態，后由于剝蝕、卸載等原因形成現有地表，P=hP

cc1=

γ

＞

γ

h(h為剝蝕前土層地面下的計算深度)。如果前期固結壓力小于現有覆蓋土的自重應力，

c

則稱該土為欠固結土。如新近沉積的粘性土、人工填土等，在自重應力作用下尚未固結完成。

地基最終沉降計算

地基的最終沉降量是指地基土體在外荷載作用下達到壓縮穩定后地基表面的沉降量。

前面已經講過，地基土層在自重應力的作用下已沉降穩定，因此，地基的最終沉降量是由附

加應力產生的。地基的最終沉降量可分為基礎中心點的沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜四

種。目前，我國地基最終沉降量的計算方法有兩種：一種為分層綜合法，一種為規范法。

太沙基一維固結理論

我們已經知道，地基土在外荷載的作用下，要發生一定的沉降。對砂性土來說，從開

工到竣工，隨著外荷載的增加，砂性土的沉降量從零逐漸增加直到趨于穩定，工程使用期間

可認為不再發生沉降。而對粘性土，特別是飽和粘性土，工程竣工時地基土的沉降并不穩定，

在工程使用期間將繼續發生沉降，十幾年，有的甚至幾十年后沉降才慢慢趨于穩定。在工程

實踐中，我們要知道工程在使用期間某時刻的沉降量，或者說，到沉降穩定需要多長時間。

對飽和粘性土來說，由于認為土粒和孔隙水不可壓縮，所以只有孔隙水排出才能引起土體的

沉降變形。并且土體孔隙體積的減小與孔隙水的排出量相等。我們把孔隙水從土體中排出的

過程稱為固結。把某一時刻的變形量與總變形量的比值稱為固結度U。

土的天然強度及強度增長規律

土體保持天然原始狀態所具有的強度（通常指不排水抗剪強度）即為天然強度，寫作

τ

fu

。所謂天然狀態系指土的結構、含水量及土中應力歷史等都保持不變的原有狀態。在天

然邊坡和接近天然狀態的邊坡以及地基的穩定性分析可采用天然強度。同時，天然強度又是

考慮土體因固結而產生強度增長的基本值，所以，正確確定土的天然強度常是地基設計中首

要解決的問題。

軟土地基在外荷載作用下，若總應力不變并且地基有排水固結條件，則孔隙水壓力的

消散以及土層的固結將使土的抗剪強度增長。

應力路徑對強度的影響

應力路徑是指在外力作用下土中某一點應力變化過程在應力坐標圖中的軌跡。它是描

述土體在外力作用下應力變化情況或過程的一種方法。同一種土，采用不同的試驗手段和不

同的加荷方法使之剪破，其應力變化過程是不相同的。這種不同的應力變化過程對土的力學

性質有重要影響。

靜止土壓力——當擋土墻靜止不動、土體處于彈性平衡狀態時，作用在墻上的土壓力稱為靜

止土壓力。

主動土壓力——擋土墻在墻后填土壓力作用下，背離填土方向移動，這時作用在墻上的土壓

力將由靜止土壓力逐漸減小，當墻后土體達到極限平衡，出現連續滑動面使

土體下滑，滑動面上的剪應力等于土的抗剪強度，這時土壓力達到最小值，

稱為主動土壓力。

被動土壓力——擋土墻在外力作用下，向填土方向移動或轉動，這時作用在墻上的土壓力將

由靜止土壓力逐漸增大，一直到土體達到極限平衡，并出現連續滑動面，滑

動面上的剪應力等于抗剪強度，這時土壓力增至最大值，稱為被動土壓力。

非極限土壓力——擋土墻在外力作用下，向填土方向（或背離填土方向）移動或轉動，這時

作用在墻上的土壓力將由靜止土壓力逐漸增大（或逐漸減少），在沒有達到

土體達到極限平衡時，這時作用在擋土墻上的土壓力稱為非極限土壓力。