土体强度\渗流\变形及稳定性对工程的影响

摘要：土是人类工程活动中密不可分的实体对象，本文以土力学为基础，根据当前的研究现状，结合施工单位在项目施工技术管理中的实际应用和相关事例，分别对土的强度、渗流、变形和稳定性等特性进行研究，并详细阐述了这些因素对工程的作用机理及彼此间的相互关系。

关键词：强度、渗流、变形、稳定性

中图分类号：TG113文献标识码： A

土是岩石风化的产物。岩石在自然环境中不断受到风化剥蚀的作用，分解成大小不均匀的颗粒物，这些颗粒物经过河流、冰川等不同形式的搬运后，开始慢慢形成沉淀物，即是土，它具有散离性、多相性和自然变异性等特点，对人类的生存至关重要，而在人类的工程活动中，土体特性对其的作用也是第一位的。

一.土体强度的影响

土体强度可分为抗拉强度、抗压强度和抗剪强度，由于土本身特点导致其抗拉强度极弱，所以在生产中多研究利用土的抗压与抗剪性质。

1.抗压强度的影响

土的抗压强度在工程中主要表现为地基承载力，地基虽不是建筑物的组成部分,但它的好坏直接影响建筑物的寿命。一些学者研究发现建筑物因地基问题引起的破坏一般有两种可能：一种是由于建筑物在荷载作用下产生过大的沉降或沉降差致使建筑物严重下沉，上部结构开裂、倾斜而失去价值；另一种是由于建筑物的荷载过大,超过了持力层所能承受荷载的能力。由此可见，土的抗压强度对工程的设计、预算以及施工都具有非常重要的意义。

土体抗压强度与土体的类型、工程地质条件密切相关，一般取值可通过静载试验或固结、压缩试验获得。作为地基持力层的土多为第四季新生代沉积层，常见的土类别有粗、中、细、粉砂，粉土，粘性土，淤泥质土和淤泥等，其中以粗中砂及密实的粉土（e

由于土体承载力不能满足实际需求，往往导致大量工程事故的发生，如:(1)天津大港区某公司生活区，位于渤海湾西岸，北大港东北面，距海岸约8km,采用天然地基，未经详细勘察，土层除上层有少了杂填土与粘土外，下层都为淤泥质类土体，项目1984年4月动工，10月交工，1985年发现楼房有超沉降和明显倾斜现象，经过调查分析，发现导致地基产生超量变形和楼房倾斜的最主要原因是地基土的容许承载力低，土质均匀性差，以及楼房实际荷载较大。(2)某船厂浴室为二层砌体混合结构，结构刚度较差，该浴室位于长江河漫滩地区，历史上地势低洼，目前地势平坦，土质较差，经过一段时间后浴室局部轴线房屋及地面发生沉降，并出现较严重的裂缝，后发现这是由于地基土承载力不足，在上部荷载下产生压缩固结现象。像这样的事故还有很多，这些不仅对工程本身产生较大的损失，而且对人民生活带来极大的不便，所以土的抗压强度对结构体的影响应该引起足够的重视。

2.抗剪强度的影响

土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限值抵抗能力，与许多因素有关，主要有土的成份、结构、历史、应力应变等，作为土的力学指标的重要一项，其物理意义是由于土体颗粒间的内膜阻力以及胶结物与水膜分子引力所造成的粘聚力构成。土体抗剪强度主要涉及到建筑工程中地基承载力、挡土墙土压力以及土坡稳定等，正确的测定分析土体的抗剪强度具有重要的工程意义。当剪应力超过土的抗剪强度后，会产生小范围的塑性变形区，若继续扩张，会形成连续塑性变形滑动面，从而造成失稳产生破坏。

土体抗剪强度的确定可通过试验进行，如直接剪切、三轴压缩或原位十字板剪切等方法，还可通过库伦理论公式进行计算：

（1）

其中， 为抗剪强度，为剪切面的法向压力， 为内摩擦角，为粘聚力，对于无粘性土，，它表明土的抗剪强度指标即为土的内摩擦角和粘聚力。工程中抗剪强度的确定要根据工程问题的性质确定分析方法，进而决定采用总应力或有效应力强度指标，然后选择测试方法，一般工程中对于砂性土多用直剪试验代替三轴试验得到强度值，对于粘性土，需对直剪试验结果进行修正。

图1.1上海莲花河畔景苑楼盘倒塌

案例分析：2009年6月27日上海在建的莲花河畔景苑楼盘一幢38m高、13层的居民楼从根部断开倾覆，造成一名施工人员死亡。楼体桩基在距地表三、四米处折断，楼体结构为框架剪力墙，桩基为具有良好承载力的水泥空心桩，桩长2m，楼体在粉沙土质地层上，北侧有防汛墙，南侧开挖有地下车库基坑，由于南侧土方在短时间内快速堆积，产生了巨大的侧压力，加之楼体前方由于开挖基坑出现凌空面，导致楼体产生10cm左右的位移，对预应力混凝土管桩产生很大的偏心弯矩，最终破坏桩基，导致楼体倾覆。因此土体发生剪切破坏，蠕变失稳，地基丧失承载力是倾覆的主要原因。

二.土体渗流的影响

土是具有连续孔隙的介质，它能在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧，水等在土体孔隙中流动的现象称为渗流，土体允许水透过的性能则称为土的渗透性。土的渗透性是土力学中极其重要的课题，在许多实际工程中都会遇到渗流问题，如水利工程中的土坝和闸基、边坡、建筑物基础开挖的基坑等，如下图2.1。

（a）土石坝坝身渗流 （b）板状围护下基坑渗流

（c）水井渗流 （d）渠道渗流

图2.1 渗流现象

上图中(a)为土石坝坝身渗流路径，水绕过防渗墙，从高水头向低水头渗透；（b）中为基坑中水渗流示意图，支护外侧水在自重力作用下向坑底涌出；（c）中为水井渗流，周围水体通过漏斗形式不断渗向水井；(d)为渠道渗流，水的不断渗透抬升了使地下水水位上升。

渗透系数的大小不仅取决于土的类型、孔隙的大小、形状和连通性，也与水的粘滞性和容量相关，因此，温度、有机物、无机物和含量多少均对系数有影响，表2.1中是依据经验划分的不同类型土的渗透系数范围。

表2.1 土渗透系数平均值

渗透系数

达西发现水的渗透速度与试样两端面间水头差成正比，而与相应渗透路径成反比，即渗透速度可表示为：

（2）

或渗流量表示为: （3）

式中-渗透速度（m/s）；-试样两端的水头差（m）； -渗透路径（m）； 为水力梯度，无量纲；-渗透系数（m/s）,物理意义是当渗透系数时的渗透速度；-渗流量（m3/s）；-试样截面积（m3）。

水在土中流动的同时也将对土骨架产生拖拽力，即渗透力；渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。渗透力的大小与计算点的位置有关，单位体积内土粒的渗透力可用下式表示：（4）

式中为渗透力，为土的重度，为水力梯度。

水的渗透是一种重要的地质营力，与岩土之间相互作用，既改变着岩土体的物理、化学及力学性质，也改变着地下水的物理性质和化学组分，如水的运输使土体中离子迁移交换，改变土体结构。

渗流对基坑工程的影响主要体现在以下方面：（1）下水的渗流会使基坑周围形成较大的降水漏斗，随着开挖的进行，地下水自由面不断下降，从而使坑外土体的有效应力增加，墙后土体将发生不均匀固结沉降；（2）渗流对基坑带来的渗透破坏主要有两种形式，即流土和管涌，渗流水将整个土体带走的现象称为流土，渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象称为管涌。在粘性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现表面隆起变形，而在粉砂、细砂及粉土等粘聚性差的细粒土中，水力梯度达到一定值后，渗流逸出处出现表面隆起变形的同时，还可能出现渗流水流夹带泥土向外涌出的砂沸现象，使有效应力消失，致使地基破坏，这种现象也称为流砂。

渗流对边坡工程的影响主要是：水的渗透会降低土质边坡的抗剪强度，对土层起到作用，能够软化和泥化胶结物；土体渗透时内部孔隙静水压力和孔隙动水压力随着渗透都会加大，土体容重增大，孔隙水压力随之增大，有效应力随之减小，造成剪应力增大；同时土体形成的渗流场与土体应力场之间相互耦合，水在渗流运动中，产生的动水压力会使岩土应力场发生变化，应力场变化会造成土移场改变，位移场的改变使得土体内部孔隙大小发生变化，由于多孔介质的渗透系数与其中的孔隙多少和大小分布密切相关，这就必然引起土体渗透系数的改变，两者相互影响、相互制约，对边坡稳定产生较大的影响。

三.土体变形的影响

土是与建筑实体直接接触的、也是众多工程依托的对象，是一种具有多相性、散体性和自然变异性的材料，与其它材料有着本质的区别，土的变形特性与工程结构的稳定息相关。

土的变形特性主要有以下几个方面：(1)非线性和非弹性，大部分坚硬的材料，如金属或混凝土在受到轴向拉压时，应力-应变曲线如图3.1（a）所示，初始阶段为直线，材料处于弹性变形状态，当应力达到某一临界值时，应力-应变关系明显地转为曲线，材料同时存在弹性变形和塑性变形，土体也有类似的特性，图3.1（b）为土的三轴试验得出的轴向应力与轴向应变的关系，与（a）不同的是，出事的直线段很短，对于松砂和正常固结黏土，几乎没有直线段或弹性阶段，土体非线性变形特性比其他材料明细得多。

(a)金属或混凝土 (b)土体

图3.1 材料应力-应变关系曲线

土体非线性的产生是因为除弹性变形外还出现不可恢复的塑性变形，如果加荷到某一应力后再卸荷，如图中oa为加载段，ab为卸荷段，卸荷后并不能与原线重合，这说明土体在各种应力状态下都有塑性变形，甚至在加荷载初始应力-应变关系接近直线的阶段，变形仍然包含弹性和塑性两部分。所以在实际工程中发生一些建筑物出现过多沉降，一方面是因为土的承载力不足，另一方面就是因为土的弹性特性很弱，受力后往往发生不可回弹的变形。

（2）塑性体积应变和剪胀性，土体受力后会有明显的塑性和体积变形，由于土样在经历各向同等压力作用后再卸除，从所得的曲线中可看出存在不可恢复的塑性体积应变，而且它往往比弹性体积应变更大，这一点与金属不同，金属被认为没有塑性体积变形的，它只体现形状改变。土在受压状态时，微观上颗粒是由错动的，压缩前，颗粒架空，有较大的孔隙，压缩后，有些颗粒挤入原来的孔隙中，颗粒错动，相对位置调整，颗粒间存在着剪切位移，荷载卸除后，不能再使它们架空，无法恢复原来的体积，便产生较大的塑性体积变形。不仅压力会引起塑性体积变形，而且剪切也会引起塑性体积变形，所引起的体积收缩叫剪缩，体积膨胀则为剪胀，软土和砂土常表现为剪缩，紧密砂土、超固结黏土常表现为剪胀，通常土的缩胀统称为剪胀。

（a）硬化 （b）软化

图3.2 硬化和软化曲线

（3）硬化和软化，如图3.2（a）应力随应变一直增加的现象称为硬化，软土和松砂表现为这种形态；应力达到某一峰值后转化为下降曲线，而应变一直在增加，这种形态称为软化性型,图3.2（b）。紧密砂和超压密黏土表现为这种形态。密砂受剪时，由于顺位排列紧密，一部分颗粒要滚过另一部分颗粒而产生相对错动，必须克服较大的咬合作用力，表现出较高的抗剪强度。而一旦一部分颗粒绕过了另一部分颗粒，结构便松动，抗剪能力减小，因而表现为软化。超固结黏土剪切破坏后结构粘聚力丧失，强度降低，表现为软化。对于松砂和软土，剪切过程中结构变的紧密，一般表现为剪缩，因而强度提高，呈硬化特性，硬化和软化与剪缩和剪胀，常有一定联系，但也不是必然联系，软化类的土往往是剪胀的，剪胀土未必都是软化的。

在设计过程中，如果考虑相当的安全度，不允许材料达到破坏，那么软化阶段也就不会出现，就可以不考虑软化问题，在实际工程中，只要破坏区域不大，不致危机建筑物整体安全，允许局部达到剪切破坏，实际破坏区将比不考虑软化特性时大。这时便需要考虑软化问题。

(4) 应力路径和应力历史时变形的影响，在应力空间内，代表应力状态的某点所移动的轨迹，叫应力路径。应力历史是指历史上的应力路径，由于塑性变形不可恢复，历史上所发生的的变形将保存和累计起来，会对今后的变形造成一定的影响，图3.1中，经过一个加荷卸荷循环后，再加荷载时变形会减小，这就是应力历史的影响。a点和c点有着不同的应力历史，加荷后产生不同的变形，所以会有超固结土比正常固结土变形小的现象。

土的变形特性是非常复杂、也是非常重要的性质，土体的适量变形对建筑物影响不大，也许只是产生一定的损伤作用，而在大变形时，便会对建筑物产生破坏作用，尤其在建筑地基时，变形特性直接关系到建筑物的沉降量及沉降是否均匀的特性，同时不同的土质还具有其各自的特点，目前还有很多仍在进一步研究过程中，但是在实际工程生产中，应该掌握住土的关键特性，避免因土体变形而出现工程事故。

四.土体稳定性的影响

土体稳定性是指处于一定时空条件的土体，在各种力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力学平衡状态的程度。当土体受到荷载作用后，土中各点产生法向应力和剪应力。在剪应力作用下，土体发生剪切变形。若某点剪应力达到该点的抗剪强度，土体即沿着剪应力作用方向产生相对滑动，此时称为该点的强度破坏。如荷载继续增加，则剪应力达到抗剪强度的区域（即塑性区）愈来愈大，最后形成连续的滑动面，使一部分土体相对另一部分土体产生滑动，使整个土体强度破坏而失稳，土体稳定性概念存在于任何一个工程实体中，稳定程度取决于土体强度和变形两大因素。

土体稳定性分析是一个比较复杂的问题，与地层特性、土坡及建筑物形状、土的物理力学特性、水文条件等密切相关，它包括边坡滑移稳定性、路基挡墙稳定性分析、地基承载力稳定性，抗倾覆稳定性等。对于不同类型的工程，计算土体稳定性所用的方法不同，对于无粘性土土坡稳定性分析，如图4.1(a),稳定安全系数通过抗滑力与滑动力的比值计算得出,即，其中为土的内摩擦角，为边坡倾角,可知当时土坡是稳定的。

（a）无粘性土坡稳定分析（b）粘性土坡稳定分析

图4.1 不同类型边坡示意图

对于粘性土坡，土坡失稳前一般在坡顶产生张拉裂缝，继而沿着某一曲面产生整体滑动，同时伴随着变形，如图4.1（b）,常用的方法有①整体圆弧滑动法，它假设土坡可能沿圆弧面滑动，把整个圆弧面当做刚体；②瑞典条分法，是把整个土体竖直分成若干个土体，把土条看成刚体，分别求出作用于各个土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，土坡的稳定安全系数，它假定滑动面是一个圆弧面，并忽略条块间的作用力；③毕肖甫条分法, 此法仍然是圆弧滑动条分法,它是一种考虑条块间侧面力的土坡稳定性分析方法；④普遍条分法，它的特点是假定条块间水平作用力的位置，在这一假定前提下，每个土条块都满足全部的静力平衡条件和极限平衡条件，滑动土体的整体力矩平衡条件也自然得到满足。对于边坡分析运用较广的还有数值分析方法，主要有有限元、有限强度折减法、流形元法、边界元法、离散元法、界面应力元法等,根据这些方法计算出抗滑与下滑力或弯矩的大小，将两者进行比较即可。

根据计算方法和工程实际可得出影响边坡稳定的主要因素有：①边坡土体材料力学特性，如弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等；②边坡几何尺寸，包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸及坡后方坡体形状，即不连续面与开挖面之间的几何关系；③边坡的外部荷载，包括地震力、重力场、渗流场、地质构成等；可知边坡稳定性与土体的强度、渗流等密切相关。

挡墙稳定性计算也与边坡类似，基坑支护或地基的稳定性也有其独特的计算方法，土体的稳定性的取值往往是对设计结果的验证和考验，直接关系到能否投入运营，能否正常生产，它给工程带来的破坏通常是整体性的，土体自身的稳定特性对工程的造价也有加大影响，决定了对其处理投资的规模，所以生产和设计一定要重视了解对土体稳定特性对工程的贡献与影响，

五.结论

（1）强度、渗流、变形和稳定性等是土非常重要的几个特性，对工程具有重要的意义，都直接或间接的影响工程的安全和成本费用。土体强度和稳定性直接影响工程实体是否发生危险，渗透和变形特性会对构筑物或边坡产生潜在隐患，直至发生破坏。

（2）土体的强度、渗流、变形及稳定性彼此之间是相互影响、相互作用的，强度与变形呈现反相关，和稳定性呈正相关，土体强度大，在同等应力下，其变形就相应会小，稳定性就会增大；而渗流作用可以降低土体的强度，增大变形，使其稳定性减弱。

（3）地基基础或边坡防护的设计应严格遵守先勘察后设计再施工的程序进行，查明土的物理力学特性，针对工程条件选用合适的方法进行验算，避免带来不必要的损失。

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作者简介：杨植 中铁七局集团有限公司高级工程师