绪论
项目要点
（1）土力学、地基、基础的概念。
（2）地基基础在建筑工程中的重要性。
（3）本课程的内容和学习要求。
（4）土力学的学科发展。
土力学、地基、基础虽然概念上是不同的，但是却相互关系密切。目前土力学的理论是指导工程建设的重要理论，是地基、基础建设的前提条件。
通过本项目的学习，了解土力学的一些基本概念，掌握土力学课程的特点、内容、学习要求及学习建议，了解学科的发展情况。
1.土力学的基本概念
（1）土力学。工程地质学和土力学两者都是工程实用科学，是研究作为建筑物地基的岩土体的形成、存在及其工程性状，应用于解决地基基础的设计与施工的岩土工程领域。但两者的学科内涵不同，研究方法不同。工程地质学是从宏观的角度出发来研究岩土工程问题，而土力学是从微观的角度出发研究土的强度、变形、稳定性和渗透性的一门学科。
研究土的基本物理特性和在建筑物荷载作用下的应力、应变、强度、稳定性以及渗透性等规律的学科就是土力学(Soil Mechanics)，将土力学与岩石力学统一于一个新的学科称为岩土力学(Geomechanics)。
土的定义(狭义)：岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等物理、化学、生物作用，在地壳表面形成的各种松散堆积物，建筑工程上就称为土，广义的土包括岩石在内。由于土是一种自然地质形成的产物，性质复杂多变，与一般的建筑材料不同，因而与其他学科的研究方法有所不同，主要采用勘探与试验、原位观测与理论分析和工程实践相结合的方法解决工程实际问题。
（2）土的特点。
1）土是自然历史的组合体。土不是一下子就形成的，它经过了漫长的地质历史时期，并且是在各种复杂的自然因素（包括风、雨、雪、河流、海洋等对岩石的作用）和地质作用下才形成的，随着形成的时间、地点以及形成的方式不同，土的工程特性也有所不同（图0.1）。沉积时间较长的土工程性质相对较好，形成时间较短的土工程性质相对较差；内陆沉积的土工程性质比沿海地区沉积的要好，所以在研究土的工程性质时应对土的成因类型等方面加以研究。
图0.1 土的生成
（a）土的生成地质剖面图；（b）坡积物
2）土是多相系的组合体。工程中所研究的土并不只是土的颗粒，而主要研究的是松散堆积物的整体，这个整体是由不同的相系所组成的多相体系。矿物颗粒组成土的骨架，骨架间有孔隙，若孔隙中同时存在着水和气体，则土是三相的，土粒、水和气体分别称为土的固相、液相和气相。有时土是由四相所组成，即固相、液相、气相及有机质。固相是构成土的主要成分，当土颗粒之间的孔隙被水所充满时就形成了两相的饱和土；当土颗粒之间的孔隙中没有水时也形成了两相（固相、空气)土（干土)。
3）土是多矿物的组合体。一般情况下，土中含有5～10种或更多的矿物，包括原生矿物和次生矿物。矿物，一般是指：存在于地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物；原生矿物，一般是指岩浆在冷凝过程中所形成的矿物（如石英、长石、云母等)；次生矿物，一般是指原生矿物经化学风化等作用后而形成的新的矿物。
（3）基础。地基、基础和上部结构三部分是彼此联系、相互影响和共同作用的，设计时应根据场地的工程地质条件，综合考虑地基、基础和上部结构三部分的共同作用和施工条件，选取安全可靠、经济合理的施工方案。
建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础。基础依据埋置深浅分为以下两类。
1）浅基础。通常把埋深不大（一般浅于5m)，不需要采用特殊方法施工的基础统称为浅基础（如墙下条形基础、柱下扩展基础等)。
2）深基础。若浅层地基不良，需要基础埋置较深时，一般都需要用特殊的施工方法和装备来修建的基础称为深基础（如桩基础、沉井、沉箱、地下连续墙等)。
（4）地基。建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担，受建筑物影响的那一部分地层称为地基，如图0.2所示。地基按是否经过人工处理分为以下两种。
1）天然地基。基础直接砌筑在未经人工处理的天然土层土，这种地基就称为天然地基，多数支承建筑物的土层都可以采用天然地基。
2）人工地基。当天然地基的承载力或变形不能满足设计要求时，对地基要进行人工加固处理，经人工处理后的地基称为人工地基。
基础下的地基可能有若干层，直接与基础接触的第一层土，并承受压力的土层称为持力层，地基范围内持力层下部的所有土层称为下卧层。
建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化，因此就必须研究在荷载作用下地基的变形和承载力问题，以便使地基基础的设计满足以下两个基本条件。
a.地基应有足够的强度。要求作用于地基上的荷载（基底压力）不超过地基承载力，保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。
b.控制基础的沉降不超过允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或影响其正常使用。
图0.2 地基及基础示意图
除了满足上述两个基本条件外，还应该满足安全可靠、经济合理的原则。
建筑物是由地基、基础和上部结构组成的统一整体，既互相联系又互相制约。目前要把这三者完全统一起来进行设计尚有一定难度，但在处理地基基础问题时，应该从地基、基础和上部结构共同工作的整体概念出发，全面地加以考虑才能收到良好的效果。
2.地基和基础的重要性
地基和基础是建筑物的根基，又属于地下隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系到建筑物的安危。实践表明，许多建筑物的工程质量事故往往发生在地基基础之上，而且，一旦事故发生，补救并非易事。此外，随着城市的发展，高层建筑越来越多，基础的埋置深度越来越大，因此，基础工程费用占建筑物总造价的比例越来越高。所以地基与基础在建筑工程中的重要性显而易见。工程实践中的地基基础事故屡见不鲜，以下实例可见一斑。
图0.3 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故
（1）强度问题。图0.3是建于1913年的加拿大特朗斯康谷仓地基破坏情况。该谷仓由65个圆柱形筒仓构成，高31m，宽23.5m，其下为钢筋混凝土筏板基础，由于事前不了解基础下埋藏有厚达16m的软黏土层，谷仓建成后初次储存谷物达27000t后，发现谷仓明显下沉，结果谷仓西侧突然陷入土中7.3m，东侧上抬1.5m，仓身倾斜近27°。后查明谷仓基础底面单位面积压力超过300kPa，而地基中的软黏土层极限承载力才约250kPa，因此造成地基产生整体破坏并引发谷仓严重倾斜。该谷仓由于整体刚度极大，因此虽倾斜极为严重，但谷仓本身却完好无损。后于土仓基础之下做了70多个支承于下部基岩上的混凝土墩，使用了388个50t千斤顶以及支撑系统才把仓体逐渐扶正，但其位置比原来降低了近4.0m。这是地基产生剪切破坏，建筑物丧失其稳定性的典型事故实例。
（2）变形问题。举世闻名的意大利比萨斜塔就是一个典型实例，如图0.4所示。比萨斜塔建于1173年，当建至24m时发现倾斜面被迫停工，100年后建至塔顶，该塔共8层，55m高。由于地基压缩层厚度不均，塔基的基础深度不够，再加上用大理石砌筑，塔身非常重，达1.42万t。北侧沉降逾1m，南侧下沉近3m，沉降差达1.8m，倾斜5.8°,塔顶离中心线已达5.27m。比萨斜塔向南倾斜，塔顶离开垂直线的水平距离已达5.27m，比萨斜塔的倾斜归因于它的地基不均匀沉降。1590年，伽利略在此塔上做了著名的自由落体试验。1932年，曾向塔基灌注1000t水泥也未奏效。1997年2月，开始经历两年半通过土壤萃取的方法，钟塔的倾斜度减少了0.5°。2001年12月塔正式向公众开放。
（3）渗透问题。美国提堂坝位于爱达荷州斯内克（Snake）河支流提堂（Teton）河上，心墙土石坝，最大坝高93m（自河床至坝顶），水库总库容3.6亿m3，装有1台1.6万kW的水轮发电机组，灌溉面积6.5万hm2，兼有防洪作用。工程于1971年开工，1975年10月大坝建成并开始蓄水。1976年6月5日发生溃坝失事，如图0.5所示。1976年6月3日发现右岸坝头坝脚下游400m和460m两处渗出清水，至6月5日大坝溃决。失事后，坝体1/3土料被冲走。提堂河和斯内克河下游130km，面积780km2的地区全部或局部遭受溃水泛滥。4万hm2农田被淹，冲毁铁路52km，11人死亡，25000人无家可归。
图0.4 意大利比萨斜塔
图0.5 美国提堂（Teton）大坝溃决
我国连云港码头的抛石棱体，1974年发生多次滑坡。1998年长江全流域特大洪水时，万里长江堤防经受了严峻的考验，一些地方的大堤垮塌，大堤地基发生严重管涌，洪水淹没了大片土地，人民生命财产遭受巨大的威胁。
（4）冻融问题。查龙水电站位于西藏自治区那曲县境内怒江上游的那曲河上，海拔高程4250.00～4600.00m，水库总库容1.38亿m3，装机10.8MW，1995年8月投入运行。主要水工建筑物由混凝土面板堆石坝、开敞式溢洪道、泄洪放空洞、有压引水隧洞、发电厂房及开关站等组成。查龙水电站位于高海拔地区，自然气候条件恶劣，年最冷月月平均气温为-13.8℃，极限最低气温达-41.2℃，年气温正负变化交替次数达187次，结冻厚度约1m，加之严重缺氧、风沙大，混凝土结构极易产生冻融。查龙水电站枢纽工程完工6年时间，由于受到冻融、冲刷、施工及运行等因素的影响，溢洪道、泄洪放空洞的过水部位混凝土结构破损较为严重。
3.课程的特点、内容、学习要求及学习建议
（1）课程特点。本课程是一门理论性和实践性都较强的课程，与其他结构工程的课程不同，它有以下几个特点。
1)土力学是以土的三相体系作为一个整体进行研究的，成分复杂，从坚硬的岩石到软弱的淤泥及淤泥质土，工程性质差异甚大，进行建筑物设计时必须掌握土的工程性质。
2)地基土质条件不以人的愿望来选择，一旦建筑物场地确定，就无选择的余地，有时场地位置稍有变化，土的性质就会相差很大。
3)地基和基础在地面以下，属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接影响建筑物的安全，一旦发生地基基础的质量事故，较难挽救处理。因此，它的技术要求高，不可以轻易处置。
4)本课程内容多，涉及范围广。本课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工等几个学科领域，内容广泛，综合性强。
（2）学习内容。本课程学习主要有10个项目，绪论和项目1主要介绍了土力学的基本概念和土的物理性质与工程分类知识；项目2~项目4是土力学的基本原理部分，要求理解土中应力分布规律及地基沉降计算方法，学会用规范的方法计算地基沉降，掌握土的抗剪强度定律、抗剪强度指标的测试方法与选用方法，了解土的极限平衡原理与条件，并学会确定地基承载力的规范方法。项目5要求了解岩土工程勘察的基本知识，掌握常用的勘察方法和勘察报告的阅读方法；项目6要求了解土压力的概念和产生条件，学会一般情况下的土压力计算方法，熟悉边坡稳定分析的基本方法和适用条件，熟悉基坑支护的设计理论及施工方法；项目7~项目10为地基基础部分，包括浅基础设计、桩基础、区域性地基和地基处理的有关知识，要求能够运用土力学理论解决实际工程中经常遇到的一般性地基基础问题；土工试验部分有土工试验指导书列出相关试验的理论及方法。
（3）学习要求。本课程的学习内容包括理论、试验和经验。理论学习方面要掌握理论公式的意义和应用条件，明确理论的假定条件，掌握理论的适用范围；试验学习方面要了解土的物理性质和力学性质，重点掌握基本的土工试验技术，尽可能多动手操作，从实践中获取知识，积累经验；重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资料能力的培养；经验在工程应用中是必不可少的，要不断从实践中总结经验，以便能切合实际地解决工程实际问题。
（4）学习建议。在学习本课程时，应充分认识到本学科的特点，学习理论知识要密切联系工程实际问题。学习时应突出重点、兼顾全面，学习过程中要善于总结、归纳，应该重视工程地质学的基本知识，培养阅读和使用工程地质勘察资料的能力；牢固掌握土的应力、变形、强度和地基计算等土力学的基本原理，熟悉常见的基坑支护方法及其原理，从而能够应用这些基本概念和原理，结合有关建筑结构理论和施工知识，分析和解决地基基础问题。
4.本学科发展概况
在建筑工程领域中，土力学与基础工程是个重要的学科，它既是一项古老的工程技术，又是一门年轻的应用科学。
本学科的发展经历了漫长的过程，是人类在长期的生产实践中发展起来的一门学科。18世纪欧洲工业革命开始以后，随着资本主义工业化的发展，经很多学者的研究，初步奠定了土力学的理论基础。直到1925年，美国著名科学家、土力学奠基人太沙基归纳前人的成就，出版了《土力学》一书，比较系统地介绍了土力学的基本内容，土力学才成为一门独立的学科。在此以前，很多科学家也对土力学学科发展作出了突出贡献，库仑于1773年根据试验建立了库仑强度理论，随后还发展了库仑土压力理论。达西1856年研究了砂土的渗透性，发展了达西渗透公式。朗肯1857年研究了半无限体的极限平衡，随后发展了朗肯土压力理论。布辛涅斯克1885年求得了弹性半空间在竖向集中荷载作用下应力和变形的理论解答。弗伦纽斯1922年建立了极限平衡法，用于土坡稳定分析。这些理论的建立与发展为土力学学科的形成奠定了基础。同时这些理论与方法，直到今天，仍不失其理论与实用的价值。基础工程工艺更是早在史前人们的建筑活动中就出现了。例如，西安半坡村新石器时代遗址中的土台和石础，公元前2世纪修建的万里长城，后来修建的南北大运河、黄河大堤以及天坛、故宫和苏州虎丘塔、赵州桥等宏伟建筑，虽经历沧桑变迁，仍能留存至今。随着土力学学科的发展，以土力学作为理论基础的基础工程也得到了空前的发展。
20世纪60 年代后期，由于计算机的出现、计算方法的改进与测度技术的发展以及本构模型的建立等，迎来了土力学发展的新时期。现代土力学主要表现为“一个模型”（即本构模型）、“三个理论”（即非饱和土的固结理论、液化破坏理论和逐渐破坏理论）、“四个分支”（即理论土力学、计算土力学、实验土力学和应用土力学）。由于基础工程是处在地下的隐蔽工程，工程地质条件极其复杂且差异较大，虽然土力学与基础的理论与技术比以往有了突飞猛进的发展，但仍有许多问题值得研究与探索。
习题
0.1 土力学的研究对象、研究内容是什么?
0.2 试说明地基与基础的意义、作用和分类，并说明建筑物对地基与基础的要求。
0.3 什么是持力层?什么是下卧层?
0.4 联系本地区的实际说明学习本课程的重要性。