當(dāng)材料被拉斷時(shí)，拉應(yīng)力超過(guò)了材料分子原子間的化學(xué)鍵的引力而斷裂。但壓力會(huì)使材料分子、原子間的間距越來(lái)越緊密，所以理論上不存在材料被“壓壞”這種情況，除非像黑洞那樣的壓力才可能把原子本身壓塌縮。但很多的構(gòu)件的確受到“壓縮”而破壞，本質(zhì)是材料找到了側(cè)向逃脫的渠道而避免了過(guò)大的壓縮荷載�；炷恋膲簼�，鋼材的“壓扁”本質(zhì)都是形成側(cè)向逃脫的剪應(yīng)力的存在導(dǎo)致的。
從材料力學(xué)我們知道，水平面上的垂直應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生斜截面上的剪應(yīng)力。當(dāng)顆粒足夠密時(shí)，繼續(xù)增加的上部壓力產(chǎn)生的某斜截面上的剪應(yīng)力達(dá)到該截面的抗剪應(yīng)力的時(shí)候，土體就會(huì)滑動(dòng)，也就是我們常說(shuō)的土體“失穩(wěn)”。所以地基有兩種破壞情況，一種是“失穩(wěn)”，比如滑坡、基坑坍塌、地基極限承載力等本質(zhì)上都屬于這個(gè)。
二是壓縮變形即基礎(chǔ)的沉降，其本質(zhì)并不是地基土的破壞，而是土體壓縮變形到一定程度（土體還可以承受壓力的增加造成的土體變形，距離其局部剪切破壞仍有很大的富裕），上部結(jié)構(gòu)無(wú)法承受了，即規(guī)范所謂的變形控制。
所以建筑地基結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)既要保證不能“失穩(wěn)”破壞，也要保證地基土的壓縮變形不能超過(guò)結(jié)構(gòu)允許的程度�？聪聢D：
Pcr 代表的是土體僅僅壓縮變形時(shí)的最大應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的變形模量用來(lái)算建筑的沉降，這個(gè)距離土體的剪切破壞的失穩(wěn)還有好遠(yuǎn)一段距離。Pcr后開(kāi)始土體最大的剪應(yīng)力處開(kāi)始剪切破壞，即所謂的土體局部塑性，逐步發(fā)展，直到Pu時(shí)，剪切面連在一起形成整體滑切失穩(wěn)破壞，叫極限穩(wěn)定平衡狀態(tài)，也即我們所謂的地基極限承載力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能用這個(gè)極限承載力，太不安全了，所以一般用剛開(kāi)始時(shí)候的那個(gè)承載力比Pcr稍微大一點(diǎn)。
本文擬談?wù)劦鼗恋?ldquo;失穩(wěn)”破壞問(wèn)題，首先就是土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
一：土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)
無(wú)需多言，結(jié)構(gòu)人都知道土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是黏聚力c和內(nèi)摩擦角地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_4。
見(jiàn)下圖：
這就是著名的庫(kù)倫公式。黏聚力c可以理解為土顆粒之間的復(fù)雜的電化學(xué)作用，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_6更容易理解，就是土顆粒之間的咬合力，我們初中學(xué)到的摩擦系數(shù)。
有水的時(shí)候，情況就變了，這些參數(shù)都變小了。水在地基里面是一個(gè)非常重要的課題，本系列還未涉及，后文會(huì)專(zhuān)門(mén)描述。
砂土的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_7一般比粘性土，大約為30~400，但c比粘性土�。s10KPa以?xún)?nèi)），粘性土地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_8一般為0~300，c從10KPa~200 KPa。
得到這些土的指標(biāo)及保證準(zhǔn)確性是非常不容易的事兒，是巖土工程的重要課題之一，結(jié)構(gòu)師只需理解這些概念即可，以便正確的運(yùn)用地勘給出的這些參數(shù)。
二：土的剪切破壞（極限平衡理論）
土中任何一點(diǎn)既有剪應(yīng)力又有壓應(yīng)力，當(dāng)該點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪應(yīng)力時(shí)就是平衡狀態(tài)。上文我們知道了土的抗剪應(yīng)力的公式，那土中外荷載作用下的剪應(yīng)力是多少呢？
這是材料力學(xué)的應(yīng)力求解在地基中的應(yīng)用，本無(wú)需講的，但考慮很多工程師估計(jì)都忘的差不多了，我們概念上一塊復(fù)習(xí)一下。
圖中某處微單元受到到兩對(duì)正應(yīng)力和兩對(duì)剪應(yīng)力的平衡力作用，見(jiàn)下圖（不考慮垂直紙面的方向），通過(guò)力的平衡方程總可以得到兩個(gè)互相垂直的微單元面上只有兩對(duì)正應(yīng)力而沒(méi)有剪應(yīng)力，這兩個(gè)正應(yīng)力就叫主應(yīng)力，知道了這個(gè)主應(yīng)力的大小和方向，就可以用公式求出任何一對(duì)垂直面上的正應(yīng)力和相應(yīng)的剪應(yīng)力，也可以用作圖的方法很容易的求解，這就是莫爾應(yīng)力圓。
見(jiàn)下圖：
莫爾應(yīng)力圓上的力是外力作用下的土體內(nèi)部某點(diǎn)單元體某個(gè)角度面上的應(yīng)力，而庫(kù)倫公式斜線(xiàn)上的是正應(yīng)力外力作用下的抗剪能力，所以抗剪能力關(guān)系斜線(xiàn)和莫爾圓的關(guān)系如上圖,如果剛好如土<2>的相切就正好是剪切平衡狀態(tài)。
注意，與主應(yīng)力面角度為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_10的應(yīng)力在莫爾應(yīng)力圓上直接量取2地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_11角度的圓上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就是對(duì)應(yīng)的該面上的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，這是幾何作圖很容易算出來(lái)的。
如果我們假設(shè)一個(gè)如下圖的護(hù)坡，土自重產(chǎn)生垂直應(yīng)力，護(hù)坡墻提供水平應(yīng)力，這兩個(gè)垂直面正好沒(méi)有剪應(yīng)力，可以當(dāng)成主應(yīng)力。那么該土體的滑切面與水平面的夾角就是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_12
郎肯、庫(kù)倫土壓力理論、靜止土壓力系數(shù)等都和這個(gè)所謂的滑切面有關(guān)（下文另說(shuō)）。
受到基礎(chǔ)壓力的地基土的極限承載力大小也和這個(gè)角度有關(guān)（下文另說(shuō)），見(jiàn)下圖：
三：擋土墻側(cè)向土壓力
1、靜止土壓力系數(shù)
如果擋土墻剛性非常大，例如建筑地下室的外墻，土體沒(méi)有任何位移，圖中的剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗剪應(yīng)力，類(lèi)似于材料彈性階段。所以可以用泊松比算出，當(dāng)然實(shí)際土體比較復(fù)雜，一般實(shí)驗(yàn)得出（見(jiàn)系列三），經(jīng)驗(yàn)公式為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_16，下圖為常見(jiàn)圖的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_17。
2、主動(dòng)土壓力理論
當(dāng)土體側(cè)壓力推動(dòng)擋土墻向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體沿地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_19滑切面向下維持平衡狀態(tài)時(shí)，這個(gè)滑動(dòng)土楔體對(duì)擋墻的推力，叫主動(dòng)土壓力。
對(duì)于有粘性的土，粘聚力C表現(xiàn)為負(fù)壓力，其值為常量不隨深度變化。在土體上部自重應(yīng)力較小處，會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，但實(shí)際是沒(méi)有負(fù)值的，只是土體和擋墻會(huì)脫開(kāi)，見(jiàn)上圖。
3、被動(dòng)土壓力
當(dāng)墻推動(dòng)土體產(chǎn)生向斜上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)達(dá)到滑切面的平衡狀態(tài)時(shí)，墻體受到的土壓力叫被動(dòng)土壓力，一般的建筑結(jié)構(gòu)這種情況比較少見(jiàn)，比如推力拱橋的基礎(chǔ)受到耳朵土壓力。
注意這時(shí)土壓力大于土垂直壓力，側(cè)壓力為應(yīng)力莫爾圓的那個(gè)大的主應(yīng)力地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_21，所以滑切面與垂直面夾角為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_22。見(jiàn)下圖：
被動(dòng)土壓力也分兩部分，摩擦力產(chǎn)生的和黏聚力產(chǎn)生的。
4、三種土壓力的討論
從上述分析可以看出幾點(diǎn)：
（1）主動(dòng)土壓力系數(shù)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_24<靜止土壓力系數(shù)< span="">地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_25<<被動(dòng)土壓力系數(shù)< span="">地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_26。壓力的大小取決于擋土墻與土的相對(duì)位移，所以并不是一個(gè)常數(shù)。上述的三個(gè)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_27只是三種特殊的情況而已。
有資料顯示，中密的砂時(shí)檔土墻的變形地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_28與土壓力的關(guān)系如下圖：
從圖中可以看出，產(chǎn)生被動(dòng)土壓力那種平衡狀態(tài)的難度比產(chǎn)生主動(dòng)土壓力時(shí)要難的多，其變形約為1/20~1/100,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于了建筑物或構(gòu)筑物允許的變形，所以實(shí)際的建筑工程很難發(fā)生被動(dòng)土壓力，因?yàn)樵诎l(fā)生被動(dòng)土壓力之前建筑已經(jīng)破壞了。
地震下的建筑地下室有朝向土體移動(dòng)的位移，可能造成被動(dòng)土壓力，從上述數(shù)據(jù)來(lái)看，這種相對(duì)土體的的推動(dòng)的位移實(shí)際很小，一般地下室的位移約為1/5000，從上圖看出，地震下的外墻土壓力非常接近靜止土壓力，對(duì)于巖石等很硬的土體，因?yàn)閹r石與外墻之間的防水保護(hù)等，實(shí)際的產(chǎn)生的土壓力會(huì)小于靜止土壓力。所以在地震作用下的山地建筑的外墻考慮1.2倍的靜止土壓力安全度是足夠的。
對(duì)于坡頂有建筑物或地面荷載時(shí)，靜止土壓力也包含坡頂有建筑物或存在地面荷載時(shí)產(chǎn)生的壓力。
《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T-472-2020》中對(duì)巖土對(duì)建筑外墻的力作如下規(guī)定：
《山地規(guī)范》地震下結(jié)構(gòu)外墻的土壓力的取值，被動(dòng)土壓力一定是太大了，彈性地震作用與靜止土壓力之和表述模糊，不如直接取靜止土壓力的1.2倍簡(jiǎn)單并且可靠。
（2）很容易判斷，摩擦角越大、粘聚力越大，靜止土壓力和主動(dòng)土壓力越小。被動(dòng)土壓力正相反，不過(guò)我們很少用到，出現(xiàn)這種情況時(shí)要知道土越硬土壓力越大。
（3）對(duì)于擋土墻的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)工程師一般只能做比較矮的擋土墻，按靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算基本上滿(mǎn)足要求，對(duì)于比較高的，情況比較復(fù)雜的，一般應(yīng)該由巖土工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。
上述均未涉及的水的影響，實(shí)際上其影響非常大，本系列擬專(zhuān)門(mén)另外論述。
四：土坡的穩(wěn)定（滑坡）分析的簡(jiǎn)單概念
滑坡是巖土工程設(shè)計(jì)師的工作重點(diǎn)，是非常復(fù)雜的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)工程師一般無(wú)法設(shè)計(jì)，但理解其概念也很重要。結(jié)構(gòu)工程師對(duì)于一塊山地的場(chǎng)地能夠敏感的感覺(jué)到坡地的穩(wěn)定性，以及當(dāng)建筑位于坡頂時(shí)場(chǎng)地的穩(wěn)定性都是非常重要的概念。理解這點(diǎn)可以很好的和巖土工程師去合作完成項(xiàng)目。
土坡的穩(wěn)定本質(zhì)上是一塊土體沿斜面的滑動(dòng)，也是剪切平衡的問(wèn)題，和土體的摩擦角和粘聚力兩個(gè)參數(shù)有關(guān)，和土坡本身的坡度關(guān)系也很大，與水的關(guān)系更大。土體的復(fù)雜性使確定滑動(dòng)面變的很難。砂土的滑動(dòng)一般是斜平面，所以砂土確定其滑切面相對(duì)容易，按滑動(dòng)面上的土楔體的平衡進(jìn)行計(jì)算。粘性土是一般是斜向的弧面，確定非常復(fù)雜，計(jì)算理論很多，主要是各種分條法，按沿弧面轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡力矩進(jìn)行平衡計(jì)算，結(jié)構(gòu)工程師不需太關(guān)注。
五：地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值的確定
本文開(kāi)始已經(jīng)說(shuō)道，地基承載力是在地基壓縮到一定程度，開(kāi)始出現(xiàn)局部滑切破壞時(shí)的承載力叫臨塑承載力，而極限承載力為滑切面形成整體時(shí)平衡的承載力。規(guī)范的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值一般是按極限承載力的1/2~1/3確定。但很軟的土，幾乎從一開(kāi)始就伴隨著壓縮開(kāi)始出現(xiàn)局部剪切即局部塑性變形，對(duì)這種承載力只好按某一較小的變形量來(lái)確定為地基承載力了。
建筑基礎(chǔ)沉降的控制值一般要求是小于臨塑荷載時(shí)的沉降。理論上變形計(jì)算滿(mǎn)足了，地基承載力也自然滿(mǎn)足，但是沉降計(jì)算比較復(fù)雜，不好控制，所以對(duì)重要的建筑兩者一般都需要計(jì)算。
對(duì)于一般的要求不高的建筑，按上述原則確定的地基承載力設(shè)計(jì)的建筑其變形一般都在臨塑荷載以前的階段，變形主要是壓縮變形，不會(huì)發(fā)生剪切的塑性變形（可以很小范圍的塑性變形），承載力滿(mǎn)足時(shí)，其沉降變形自然滿(mǎn)足，所以地基承載力的確定暗含這變形的控制要求。
從上圖可以看出，極限承載力和土體的抗剪指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角以及基礎(chǔ)地面以上一定范圍（約2倍的基礎(chǔ)寬度）的荷載（填土或建筑重量）有關(guān)。規(guī)范給出的未修正的承載力特征值是沒(méi)有考慮地基頂面上部荷載的情況下得出的，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。知道極限承載力來(lái)歷的概念，就很容易理解規(guī)范的承載力修正的道理了。
（1）寬度修正系數(shù)是因?yàn)榛A(chǔ)實(shí)際寬度帶來(lái)地基土滑切面的比實(shí)測(cè)值或?qū)嶒?yàn)值的擴(kuò)大帶來(lái)的有利影響，故和基底以下的土的重量地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_35有關(guān)。而深度修正系數(shù)是基底越深，基底上部的荷載越大，所以和基底以上的土重地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐—土的抗剪_36有關(guān) 。當(dāng)位于水位以下時(shí)，因?yàn)橛行У暮奢d變小了（一部分荷載直接被水傳到下面地層了）所以要采用浮重度。
（2）無(wú)論深度修正和寬度修正都和基底下土的抗剪特性有關(guān)，即土內(nèi)摩擦角越大，粘聚力越大，即抗剪強(qiáng)度越大，修正系數(shù)越大。規(guī)范給出承載力修正表中的這種趨勢(shì)是非常明顯的。
（3）結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，對(duì)于基坑沒(méi)有回填時(shí)，地基承載力應(yīng)該按未回填的地面計(jì)算，就很容易理解了。
（4）地規(guī)5.2.5直接利用地基的抗剪指標(biāo)進(jìn)行承載力計(jì)算，原理就是上面講述的，規(guī)范的承載力調(diào)整系數(shù)相對(duì)于極限承載力的三個(gè)系數(shù)小的多，顯然已經(jīng)考慮了足夠的安全度。但要注意，第一這個(gè)承載力不能進(jìn)行修正，第二還要計(jì)算地基變形，第三是基礎(chǔ)荷載偏心距不能超過(guò)0.033才能使用，所以實(shí)際工程中使用這個(gè)公式的很少。
（5）巖石無(wú)需修正，是因?yàn)樗珡?qiáng)大了，即使超高層的千米建筑也不足以使其整體滑動(dòng)破壞，只能是有限的壓縮，所以巖石用的是實(shí)驗(yàn)室的軸壓強(qiáng)度乘以一個(gè)折減系數(shù)，是足夠安全的。
本文只是簡(jiǎn)單的概念，以使結(jié)構(gòu)師理解復(fù)雜的地基巖土概念，便于應(yīng)用地勘的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)和建筑有關(guān)的巖土問(wèn)題更方便與巖土工程師合作。而實(shí)際巖土的復(fù)雜性比本文論述的要復(fù)雜的多的多。
