关于粘性土含水量与地基承载力的关系

摘要: 泥土的特性与地基承载力之间具有很大的联系，并且不同的土壤具有不同的承载力。本文主要针对粘性土的特征，并结合地基承载力相关理论，分析粘性土含水率与地基承载力之间的关系。

关键词：粘性土；地基承载力；关系

Abstract: the characteristics of the soil and the bearing capacity of the foundation has a strong link between, and different soil with different capacity. This article mainly aims at the characteristics of cohesive soil, and combined with the bearing capacity of the foundation, this paper analyzes the related theory of cohesive soil moisture content and the relationship between the bearing capacity of the foundation.

Keywords: viscous soil; The bearing capacity of the foundation; relationship

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

在自然界，存在着不同特性的土壤，这些土具有不同的物理特性。土的形态常处于粘滞流动状态和固体状态，具有可塑性。土的地基承载力与土的体积、密实度以及含水量有着密切的关系。一般而言，土的含水量越大，土质会越松软，土的地基承载力则相对较低，如果土的含水量小，土质较硬，土的地基承载力便增大，因此不同物理特征的土直接影响着土的地基承载力。粘性土是指具有可塑状态性质的土，它具有特别的物理属性，笔者将在下文中从粘性土的物理特性出发，分析粘性土与地基承载力的关系。

一、粘性土的物理特性

粘性土是指一种含粘土粒较多，透水性较小的土壤，压实后的粘性土保水性好，毛细作用小。一般而言粘性土在工程上按照不同的可塑性，分为粉质粘土和粘土，其中将塑性指数在10以上并且在17以下的的粘性土称之为粉质粘土，而塑性在17之上的则称之为粘土。粘土的土粒较细，孔较小，透水性较弱，相比较其他土质而言，粘土具有膨胀、收缩的特性。，随着含水量大小的变化，粘性土的力学性质也会随之改变。具体说来粘性土具有以下特性：

粘性土是由极小的土粒做成的可塑性的细粒土，粘土的塑性随着含水量的不同也会相应的产生变化。可塑性是指土在外力的作用下，可塑成任何形状却不发生龟裂，当外力停止施力时仍然能够保持原来的形状。粘性土随着含水量不同分别处于几种状态：液体、塑体、固体等状态。其中粘性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水量称为界限含水率。液限和塑限是塑体稠度的两个界限，分别表示了塑体稠度的上限和下限。正是因为这样的上限下限使得塑性的大小可以通过液限和塑限的差值确定，得出的结果便是塑性指数的定量表示。塑性指数越大则表明粘土的可塑性越强，塑性指数偏小则说明可塑性较小。塑性指数是判断粘性土性质分类的重要指标。其中的粘土是粘性土的代表，粘土具有极强的可塑性和吸水性，并且粘土还具有膨胀性和收缩性。作为一种重要的建筑地基，粘性土的承载能力与它的天然稠度有关。

二、地基承载力

地基承载力是地基容许承载力，在保证地基稳定的条件下，建筑物的沉降量不能超过建筑物允许值。一般而言，地基的稳定性与构成地基的土体息息相关，要保证建筑物的安全和正常使用，在使用过程中不遭到破坏，就需要地基的负荷不能超过地基土的负荷能力，具体便是要求组成地基土层的土受压缩和变形、凹陷产生的变形不能过大，从而保证地基的稳固。在进行基础设计的过程中需要充分考虑以下几个因素：1.地基的容许承载力必须在基础的单位面积压力之上；2.地基的变形值要小于建筑物的沉降允许值；3.地基稳定牢固，不会出现意外的滑动。在基础的设计过程中必须充分考虑这三方面因素，一旦其中某一因素出现偏差便极有可能造成地基的损坏。

在地基的处理上，每一种土质下的地基都具有不同的地基承受能力，要使地基能够稳固，常常需要对地基进行改善，具体说来可以通过以下几种途径改善地基：1.采取一定措施提高地基土的压缩模量，即使地基受建筑物沉降量的影响缩小，能够支撑建筑物；2.透水性的改善，因为地基土的透水性的不同，地基在开挖过程中要结合地基环境实际情况进行透水处理；3.针对一些不良土质采取改善措施，主要是指在地基设计中通过必要的手段提高地基土的质量，使之适应建筑物的沉降量。4.有的地基在开挖过程中因为建筑物需要，常常对地基土进行裁剪，但许多裁剪常常会造成地基土的承载力的改变，从而使得地基的边缘失稳，容易造成地基的破坏，因此在设计过程中必须改善地基的裁剪特性。5.由于地及周边环境的运动和施压常常会造成地基的不稳定，尤其是一些突发性事件，比如地震等，因此必须加强地基的抗震能力和抗压能力。

三、粘性土和地基承载力的关系

在自然环境下，土的形态常处于粘滞流动状态和固体状态之间，并且常呈现出的是塑性状态。土体的力学性质通常通过其含水量的多少来进行研究分析，土体的地基承载力、土体的体积等都与土的含水量密切相关。含水量的减少，土体的体积便会缩小，从而使得土体的密度增加，比如在平原中大量开采地下水会造成土地地面的凹陷，这便是含水量减少，土体体积缩小，密度变大的结果。粘性土之所以被称为粘性土也是与其本身的特性有关的，笔者在上文中已经就粘性土的相关性质做出了具体的阐述，那么粘性土这些性质和地基承载力之间存在怎样的关系呢？笔者在下文中将做出进一步探讨。

由上述事实我们已知土体的力学性质与土体的含水量直接相关，土体的密度、体积、塑性等直接受含水量的影像，因此，在探索粘性土的物理特性与地基承载力之间的关系时，笔者选择从其含水量着手进行分析，即直接探索粘性土的含水量与地基承载力之间的关系。天然孔隙比m由土体的干容重

即 ，又因为固体颗粒的体积n和孔隙体积m之和便是土体的总体积，即m+n=1,孔隙比是孔隙体积比上固体颗粒体积即有.

另外，我们已知水的重量和固体颗粒之间的比值是自然条件下的含水量W

综上，可以得出天然孔隙比和天然含水量之间的关系，即

由此我们可以推导出W及的变化和e之间的关系。

天然土体中除了水和孔隙以外还有空气，在塑性状态下，土体的整体结构是复杂变化的，并且因为水和空气的压缩性，使得计算本身存在一定误差，但只要这个误差在允许范围内就是具有现实参考价值的。

除去粘性土含水量和地基承载力的关系，笔者将进一步分析饱和粘性土地基的固结沉降公式，更加详细的探索粘性土和地基承载力的关系：

从无侧胀条件下的半数微型压轴曲线可以得出最终固结沉降公式：

由于土体在固结的过程中有效应力和孔隙之间的关系是又因为，通过推到可以得出地基土在时间t的固结沉降公式为：

因此粘性土的地基承载力主要体现在粘性土本身的土体性质上，而且还要考虑粘性土的含水量及孔隙与地基承载力之间的关系，因为这些因素之间相互影像和制约，最终影响地基力承载力。因此，粘性土的含水量影响了地基土的密度和体积，粘性土的含水量较其他土体大，并且因为其土体的可塑性较强，透水性差，在土体中水的饱和性较高，因此粘性土下地基一般而言塑性较强，这使得地基的可变性增大，这对地基设计来有好也有坏。一方面因为其高塑性使得土体的韧性较高，耐压性较强，不易发生龟裂，抗震能力也较强，能够抵御外力的突发性袭击，当然这也是基于地基本身的抗压能力之上的，过大的外力也会对粘性土造成破坏。另一方面，因为粘性土的含水量较高，塑性较大，密度较高，使得土体的透水性不好，容易出现积水，这对地基的抗湿能力提出了挑战。粘性土的柔软性使得在地基设计中不得不加强其硬性处理，使地基更加坚固和稳定。通常针对粘性土可采取的措施有：混填法，即在土壤中混入一定量的岩石和砂，增加土体的硬度，使得地基更加坚固；预压法，是一种模拟建筑物压力的方法，在建筑物建筑之前，对地基进行试压，将土体中的多余水排除，提高土体的密度，从而提高地基承载力的稳定性。

四、粘性土地基承载力的季节性变化及改善措施

由上文内容可看到，地基承载力与粘性土的土体性质直接相关，尤其是粘性土的含水量是影响土体性质的重要因素，因此在地基设计中必须充分考虑粘性土的含水量。我国是季风气候区，每年的气候季节变化大，降水主要集中在夏季，而冬季却出现明显的干旱。不同季节的降水量对粘性土的土体含水量的影响非常大，不同时间的环境也对土体特征造成了影响，最终影响地基承载力。地基在设计过程中及最终投入使用，都会受到地基内部土体含水量的影响，其内部的含水量不是一成不变的。由于不同季节的降水、地下水的变化、地表水的流动、地表蒸发力以及地表温度等因素的季节性，其地基承载力都会发生周期性的迁移，含水量也发生着周期性的季节变化。含水量的变化对地基的物理性质作用是非常巨大的，在上文中笔者已经借助相关计算推导了其中的内在联系，含水量对地基承载力的地基强度、刚度和稳定性有显著的影响。夏季地下水位上升，地表水流入土体的成分多，粘性土的含水量增大，含水量增大后土体体积也会变大，土壤塑形增强，但这在一定程度上容易造成地基承载力的可变性大，土体内部孔隙增大，容易出现积水。另外由于夏季降水量大，对地表的冲刷力较强，粘性土地基在施工过程中容易出现地基冲刷现象。旱季土体内含水量少，粘性土土质较硬，塑性降低，不利于施工。

正是因为粘性土的上述季节性变化因素，使得基础设计和施工过程中必须充分考虑季节变化对粘性土土体物理力学性质的影响，充分考虑含水量的变化对地基承载力的影响。具体说来可以通过以下几方面措施进行改善：一方面在降水量较大的季节，尤其是夏季，对粘性土的含水量进行实时检测，如果含水量过高就要进行一定的排水措施，防止造成地基内部积水，影响地基承载力；另外还要注意对地基地表的维护，例如增加碎石砂岩等加固地基，防止强降雨对地基地表土体的冲刷。在降水较少的季节，尤其是冬季和春季，粘性土中的含水量较少，土体实密度提高，土体的塑性相对降低，因此在旱季容易发生龟裂的现象，因此在施工过程中要注意人为的对粘性土的含水量进行干预，适量增加地基内部粘性土的含水量，提高其塑性，从而提高粘性土的抗压能力，从而保证了地基承载力。粘性土的季节变化对地基承载力的影响是巨大的，在基础设计中除去考虑自然因素下的粘性土土体性质之外还要充分考虑不同季节和不同施工时间对粘性土性质的影响。

综上所述，粘性土与基础地基承载力之间的关系与粘性土本身的含水量、实密度、孔隙等因素直接相关。在地基设计中必须充分考虑粘性土的土体性质，并且还要与地基建设的周围环境相结合，真正提高地基的稳定性。

参考文献：

[1]高彦斌、王江锋、叶观宝、李伟、徐超，粘性土各向异性特性的PFC数值模拟――《工程地质学报》，2009年05期

[2]王菁莪、郑洁，挤条法用于粘性土稠度试验研究――《科协论坛(下半月)》，2009年03期

[3]宋新江、叶卫兵、 沈敏标，准贯入击数确定粘性土承载力标准值简易计算法――《治淮》 2000年06期