土力学与地基基础的概念

土是在第四纪地质历史时期地壳表层母岩经受强烈风化作用后所形成的大小不等的颗粒状堆积物，是覆盖于地壳最表面的一种松散的或松软的物质。土是由固体颗粒、液体水和气体组成的一种三相体。固体颗粒之间没有连接强度或连接强度远小于颗粒本身的强度是土有别于其他连续介质的一大特点。因此，土体具有以下3个特性。

1）强度低

土体发生破坏，是剪应力过大所致，因此土的强度是指抗剪强度。土的抗剪强度由摩擦力和黏阻力组成，其强度大大低于钢材、混凝土、砖石、木材等的强度。

2）变形大

土颗粒之间联结很弱或无联结，在荷载作用下土颗粒很容易发生相对位移，土中水和气体从孔隙排出而使孔隙体积减小，所以土的压缩变形较大。而且，土的变形并不是在加荷（载）瞬间就完成的，而是要经历一定时间才能完成。除了弹性变形外，还有部分不可恢复的塑性变形存在。

3）透水性大

土颗粒之间具有无数连通的孔隙，形成水气通道，使水可以通过孔隙流动。水在土体内流动称为渗透，又称渗流。砂、石的孔隙大，透水性很大；黏性土的孔隙小，透水性较小。与混凝土等材料相比，土的渗透性很强。

土在地球表面分布极广，它与工程建设关系密切。在工程建设中，土被广泛用作各种建筑物的地基或材料，或构成建筑物周围的环境或护层。在土层上修建工业厂房、民用住宅、涵管、桥梁、码头等时，土是作为承受上述结构物荷载的地基；修筑土质堤坝、路基等时，土又被用做建筑材料，在我国的边远和不发达地区，目前仍有大量的土木结构类型的农舍存在。

总之，土的性质对于工程建设的质量、性状等具有直接的重大影响。土力学是以传统的工程力学和地质学的知识为基础，研究与土木工程有关的土中应力、变形、强度和稳定性的应用力学分支。此外，还要用专门的土工试验技术来研究土的物理化学特性以及土的强度、变形和渗透等特殊力学特性。

支承基础的土体或岩体，称为地基。任何建筑物或构筑物都是建造在地层上的，地基是地层的部分。基础上的压力通过一定深度和宽度的土体或岩体来承担，这部分土体或岩体就是地基。由于土的压缩性大，强度小，因而在绝大多数情况下上部结构荷载不能直接通过墙、柱等传给下部土层（地基），而必须在墙、柱、底梁等和地基接触处适当扩大尺寸，把荷载扩散以后安全地传递给地基，这种位于建筑物墙、柱、底梁以下，经过适当扩大尺寸的建筑物最下部结构称为基础。直接和基础底面接触的土层，称为基础的持力层，简称持力层。土层、地基和基础之间的关系如图1-1所示。

图1-1　地基及基础示意图

土的性质极其复杂。为了保证建筑物的安全，地基需要满足强度、刚度和稳定性条件。强度条件要求地基不发生剪切破坏，即作用于地基上的荷载不超过地基的承载能力；刚度条件就是地基在建筑物荷载作用下的变形不能太大，从而保证建筑物不因地基变形而发生开裂、损坏或者影响正常使用；稳定性条件要求在建筑物使用期间，地基不应发生开裂、滑移和塌陷等有害地质现象，基坑施工过程中开挖边坡不发生滑移。

当地层条件较好、地基土的力学性能较好、能满足地基基础设计对地基的要求时，建筑物的基础被直接设置在天然地层上，这样的地基被称为天然地基；而当地层条件较差，地基土强度指标较低，压缩性较大，无法满足地基基础设计对地基的承载力和变形要求时，常需要对基础底面以下一定深度范围内的地基土体进行加固或处理，这种部分经过人工改造的地基被称为人工地基。

基础底面到地面的距离，称为基础的埋置深度。根据埋置深度的不同，可将基础分为浅基础和深基础两类。通常把埋置深度小于或等于其底面宽度的基础，称为浅基础，如柱下独立基础［图1-2（a）］、墙下条形基础、筏形基础、箱形基础等；而对于浅层土质不良，需要利用深处良好地层的承载能力，采用专门施工方法和机具建造的基础，称为深基础，如桩基础［图1-2（b）］、沉井基础、沉箱基础和地下连续墙等。

图1-2　典型的基础形式

地基和基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系着建筑物的安危。工程实践表明，建筑物的事故很多都与地基基础问题有关，而且一旦发生地基基础事故，往往后果严重，补救十分困难，有些即使可以补救，但其加固修复工程所需的费用也非常高。