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第一章
分类，有效应力和应力分布
1.1简 介
在进行基础设计之前，必须先确定相关的土壤剖面。土壤概况是根据以下三个信息基础编制的：
bull;实验室分类和土壤样品测试的现场测试结果
bull;孔隙压力（气压计）观测
bull;整体场地地质评估
经常出现施工困难，纠纷和诉讼的项目有一个共同点：确定土壤剖面肘，认为钻孔记录的副本就足够了。
基础设计的基本部分是设计一种基础类型和尺寸，以产生可接受的变形（沉降）值和足够的破坏安全性（土壤强度的利用程度）。 变形是由于有效应力的变化引起的，而土壤强度与有效应力成正比。 因此，所有基础设计必须从确定基础单元周围和下方的土壤的有效应力分布开始。 然后，该分布用作设计分析的基础。
有效应力是总应力减去孔隙压力（孔隙中的水压）。 确定有效应力需要土壤的基本参数，相参数和孔隙压力分布是已知的。 不幸的是，太多的土壤报道缺乏有关相参数和孔隙压力分布的足够信息。
1.2土的三相性
土壤是“微粒间介质”。 土壤块由固体颗粒的异质集合组成，中间有空隙。 固体由矿物质或有机材料的颗粒组成。 空隙包含水和气体。 水可以是干净的，也可以包含溶解的盐和气体。 该气体类似于普通空气，有时会与有机物腐烂产生的气体混合。 固体，水和气体称为土壤的三相。
为了帮助对土壤质量进行合理分析，将三个阶段“断开”。 土壤分析利用了基本定义以及体积，质量，密度，含水量，饱和度，空隙率等的关系，如图1.1所示。 定义是相关的，一些知识将使岩土工程师推导出所有其他知识。
例如，当工程师想要在现场建立有效应力分布并且不知道土壤的总密度时，仅需水分含量，便需要进行相系统计算。 要么，在Proctor测试中根据初始含水量和总密度确定干密度和饱和度时。 或者，在里程表测试中根据测得的最终水含量计算最终空隙率时。 虽然水含量通常是一个测量值，因此是一个可靠的数字，但实验室报告的许多其他参数是基于固体密度的假定值，通常取值为2670 kg / m3，再加上被测样品的假定值。 已饱和。 后一种假设通常是非常错误的，然后，该错误会导致土壤参数明显错误。
图1.1 相系统定义
从图1.1中所示的定义开始，可以得出一系有用的公式，如下所示：
（1.1）
（1.2）
（1.3）
（1.4）
（1.5）
（1.6）
（1.7）
在执行相位计算时，工程师通常会知道或假定土壤固体的密度值。有时，可以认为土壤已完全饱和（但是，细颗粒土壤中存在的气体通常可能会导致其即使在地下水位以下也未完全饱和；有机土壤很少饱和，填充物几乎永远不会饱和）。知道密度和另外一个参数（例如含水量）后，可以使用上述公式计算所有其他关系（它们也司以在许多基础教科书中找到，或者可以很容易地从基 础知识中得出定义和关系）。
请注意，虽然可以假定大多数基于二氧化硅的粘土由固体密度为2670 kg / m3 （165 pcf）的颗粒组成，但其他类型的粘土的固体密度可能会大不相同。例如，钙质粘土的固体密度可以为2, 800 kg / m3 （175 pcf）。但是，与此同时，钙质土壤，特别是珊瑚砂，可能具有很大的空隙，以致 与硅土相比，其堆积密度非常低。
水的密度通常为1,000 kg /洲。但是，温度（尤其是盐含量）会使此值变化超过几个百分点。例如，在纽约州锡拉丘玆（Syracuse）的地方，地下水中的盐含量最高为16% （重量）。确定孔隙 压力和有效应力的分布肘，不能忽略这么大的盐含量。
有机材料通常具有比无机材料小的固体密度。因此，当土壤中含有有机物时，其平均固体密度通 常小于无机材料。
土壤是由矿物质组成的，不同矿物质之间的固体密度也不同。下表列出了岩石中常见的，因此土壤中常见的矿物的固体密度值。（可以通过给出与水密度相关的密度来避免在两个单位中列出密 度的需要，在现代国际术语中将其称为“相对密度”，而在现在已被废弃的旧术语中则称为“比重'。），而是在两种单位制中显示值，避免了使用两个提及的术语中的哪个；无论是正确的术 语（很多人会误解）还是错误的术语（都理解），但是使用后者会表明无知转移到诸如“比重' 之类的自制术语（有时会在文献中出现），不会使无知变得更小）
表1.1矿物质的固体密度
根据土壤孔隙率和饱和度，土壤的总密度可以在宽广的范围内变化。下表列出了一些代表性的值。
表1.2一些典型土壤的总饱和密度
表1.3均匀硅砂的总饱和密度
1.3按粒度进行土壤分类
所有语言都描述“粘土”，“沙”，“砾石”等，这些术语主要基于晶粒尺寸。 在20世纪初，瑞典科学家和农业学家Atterberg提出了基于特定粒度的分类系统。 稍作修改，仍使用Atterberg系统。 表1.4列出了根据国际岩土标准的尺寸。
表1.4粒度边界的分类（mm）
土壤由大小范围广泛的谷物组成，并根据特定粒度的一部分来命名。 使用了几种分类系统，例如ASTM，AASHTO和国际岩土工程学会。 表1.5指出了后者，它也是加拿大的标准（CFEM 1992）。
表1.5粒度边界的分类（mm）
以上命名约定在某些方面与美国惯例中占主导地位的AASHTO和ASTM系统有所不同。 例如，国际标准中粉砂和沙子之间的边界为0.060mm，而AASHTO和ASTM标准将该边界放置在200号筛子上，其开口为0.075mm。 有关分类系统的详细信息和示例，请参见Holtz和Kovacs（1981）。
使用一组标准筛确定土壤的粒度分布。 按照惯例，筛分分析的结果以对数刻度的横坐标绘制在图上，如图1.2所示。 根据表1.5将所示的三个粒度曲线A，B和C归类为A：“砂痕砾石”。 B：沙质粘土和一些淤泥，C（分别占粘土，淤泥的21％，44％，23％和12％，沙子和砾石大小的颗粒），将其命名为粘土质沙质淤泥。 样品A和B是冲积土，并适当命名。 但是，样品B来自冰川耕作地，土壤的所有粒度部分通常都被称为形容词，即样品是“粘土沙质粉质冰川耕作地”。
图1.2粒度图
有时将晶粒尺寸分析结果绘制在如图1.3所示的称为“三元图”的三轴图中，这使得对轮廓尺寸部分的描述一目了然。
图1.3三元图示例
1.4有效应力
如上所述，有效应力是总应力减去孔隙压力（孔隙中的水压）。确定某一深度的总应力是所有值中最容易确定的，因为它是总单位重量（总密度乘重力常数）的总和。 如果现场的孔隙水压力分布是静水压力，那么在同一点的孔隙压力就是直到地下水位的水柱高度，这被定义为零孔隙压力的最高水平。 （注意，土壤可以在地下水位以上也被部分饱和。 然后，由于毛细作用，地下水位上方的部分饱和区域的孔隙压力可能为负。 在常规计算中，通常假定地下水位以上区域的孔隙压力为零。但是请注意，孔隙压力分布并不总是流体静力学的，实际上与流体力学压力相距甚远。静水孔隙 水压力的垂直压力梯度等于1 （无垂直流）o但是，在任何位置，栖息的地下水位都可能存在向下 的梯度，或者地下的含水层可能存在向上的梯度（含水层是包含自由流动水的土壤层）。
但是请注意，孔隙压力分布并不总是流体静力学的，实际上与流体力学分布相差甚远。 静水孔隙水压力的垂直压力梯度等于1（无垂直流）。 但是，在任何位置，从栖息的地下水位开始可能存在向下的梯度，或者从下方的含水层开始存在向上的梯度（含水层是包含自由流动水的土壤层）。
通常，确定土壤层引起的有效应力∆sigma;的常用方法是将土壤的浮力单位重量gamma;与层厚度∆h相乘。 通常，将浮力单位重量确定为土壤的总单位重量gamma;t减去水的单位重量gamma;w，前提是土壤中水流没有垂直梯度。
（1.8a）
深度有效应力sigma;z是土壤层贡献的总和，如下所示。
（1.8b）
通常认为浮力单位重量gamma;是土壤的总单位重量（gamma;t）减去水的单位重量（gamma;w）。 但是，这只是一种特殊情况。 因为大多数站点都显示垂直的水梯度，要么是向上流动，甚至可能是自流（水头大于深度），要么是向下流动，因此浮力单位重量是土壤中梯度的函数，如下所示。
（1.8c）
梯度i定义为两点之间的水头差除以这两点之间水必须流动的距离。 向上的流量梯度为负，向下的流量梯度为正。 例如，如果对于自流条件的特定情况，梯度几乎等于-1，则浮力权重几乎为零。 因此，有效应力也接近于零，土壤几乎没有强度。 “快速砂”就是这种情况，它不是特定类型的砂，而是经受特定孔隙压力条件的土壤，通常是粉质细砂。在非流体静力学条件下的梯度通常难以确定。但是，可以避免困难，因为通过分别计算总应力和 孔隙水压力最容易找到有效应力。然后，通过简单地从前者减去后者来获得有效应力。
非静水压条件下的梯度通常难以确定。 但是，可以避免困难，因为通过分别计算总应力和孔隙水压力最容易找到有效应力。 然后，通过简单地从前者减去后者来获得有效应力。
注意，术语“有效应力和孔隙压力”的差异反映了土壤力与水中力之间的根本差异。 应力是方向性的，即应力根据土壤中作用平面的方向而变化。 相反，压力是全向的，即与方向无关。 不要使用“土壤压力”一词，这是一个错误的说法。
确定土壤的有效应力和总压力，如下所示：计算土壤剖面中某一点的总垂直应力（符号sigma;z）（也称为“总覆盖应力”）。作为土壤柱所施加的应力，是通过将土壤总（或散装）单位重量乘以柱高（或当土壤剖面由一系列具有不同单位的独立土壤层组成时的独立权重之和）而确定的 重量）。 单位总重量的符号为gamma;t（下标“ t”代表“总计”）。
or： （1.9）
同样，如果在立管中测量孔隙压力（符号u），则其等于水的单位重量gamma;w乘以立管中水柱高度h的乘积。 （如果直接测量孔隙压力，水头等于压力除以水的单位重量gamma;w）。
（1.10）
表示水压的水柱（压头）的高度通常不是到地面的距离，甚至不是地下水位。 因此，该高度通常称为“潜水高度”或“气压高度”，以将其与地下水位以下的深度或地面以下的深度分开。
孔隙压力分布是通过以下事实确定的：在静止状态下，孔隙压力分布在每个单独的或单独的土壤层中都可以假定为线性，并且在“夹在”较低渗透性层之间的透水土壤层中， 孔隙压力是静水压力的（即垂直梯度是统一的）。
然后，将有效的上覆应力（符号sigma;z）也称为“有效垂直应力”，作为总应力与孔隙压力之差。
（1.11）
通常，岩土工程师会提供单位密度rho;而不是单位重量gamma;。 单位密度是每体积质量，单位重量是每体积力。 因为在习惯英语中单位制，两种类型的单位均以磅/体积为单位，差异尚不清楚（通常不表示一种是磅质量，另一种是磅力）。 在SI系统中，单位密度以kg / m3表示，单位重量以N / m3表示。 单位重量是单位密度乘以重力常数g。 （对于大多数基础工程而言，可以将重力常数设为10 m / s2，而不是9.81 m / s2的过精确值）。
（1.12）
许多土壤报告都没有指出土壤的总密度或密度rho;t，仅提供了水分含量w和干燥密度rho;d。 知道干燥密度，饱和土壤的总密度可以计算为：
（1.5）
1.5应力分布
施加到身体表面的负载会依次分布到整个身体上。 计算应力分布的最简单方法是通过2：1方法。 此方法假定负载分布在一个区域上，该区域的宽度与负载区域下方的深度成比例地增加，如图1.4所示。 由于相同的垂直载荷Q作用于越来越大的区域，因此应力（单位表面积的载荷）随深度减小。 数学关系如下。
（1.14）
此处 qz = 深度为z处的轴力
z = 考虑qz时的深度
L = 加载区域的长度
q0 = 外加应力 = Q / BL
图1.4 2：1方法
请注意，2： 1分布仅在加载区域的足迹内部（下方）有效，并且绝不能用于计算足迹外部的应力。
计算有效应力和应力分布的原理可通过以下土壤剖面中的计算得到说明：正常固结的沙质粉砂上部4 m厚的层沉积在17 m的软质，可压缩，略有超固结的粘土上，然后是6 m中等密度的粉砂，下面是中等密度至非常稠密的砂质烧蚀的厚沉积冰山地下水位位于1.0 m的深度。对于“原始条件”，孔隙压力从地下水位到整个土壤剖面都是静水压分布的。对于“最终条件”，沙子中的孔隙压力发生了变化。尽管仍然是静水分布的（在较不透水的土壤之间夹有一个更透水的土壤，这种情况是计算孔隙压力和有效应力分布时要考虑的一个重要事实），但它现在是自流层，其地面高度为5 m，这意味着粘土中的孔隙压力已变为非
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