當材料被拉斷時，拉應力超過了材料分子原子間的化學鍵的引力而斷裂。但壓力會使材料分子、原子間的間距越來越緊密，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)向逃脫的剪應力的存在導致的。
從材料力學我們知道，水平面上的垂直應力會產(chǎn)生斜截面上的剪應力。當顆粒足夠密時，繼續(xù)增加的上部壓力產(chǎn)生的某斜截面上的剪應力達到該截面的抗剪應力的時候，土體就會滑動，也就是我們常說的土體“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。
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的最大應力，對應的變形模量用來算建筑的沉降，這個距離土體的剪切破壞的失穩(wěn)還有好遠一段距離。Pcr后開始土體最大的剪應力處開始剪切破壞，即所謂的土體局部塑性，逐步發(fā)展，直到Pu時，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)計不能用這個極限承載力，太不安全了，所以一般用剛開始時候的那個承載力比Pcr稍微大一點。
本文擬談談地基土的“失穩(wěn)”破壞問題，首先就是土的抗剪強度指標。
一：土的抗剪強度指標
無需多言，結(jié)構(gòu)人都知道土的抗剪強度指標是黏聚力c和內(nèi)摩擦角地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_4。
見下圖：
這就是著名的庫倫公式。黏聚力c可以理解為土顆粒之間的復雜的電化學作用，地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_6更容易理解，就是土顆粒之間的咬合力，我們初中學到的摩擦系數(shù)。
有水的時候，情況就變了，這些參數(shù)都變小了。水在地基里面是一個非常重要的課題，本系列還未涉及，后文會專門描述。
砂土的地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_7一般比粘性土，大約為30~400，但c比粘性土�。s10KPa以內(nèi)），粘性土地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_8一般為0~300，c從10KPa~200 KPa。
得到這些土的指標及保證準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）
土中任何一點既有剪應力又有壓應力，當該點的剪應力等于該點的抗剪應力時就是平衡狀態(tài)。上文我們知道了土的抗剪應力的公式，那土中外荷載作用下的剪應力是多少呢？
這是材料力學的應力求解在地基中的應用，本無需講的，但考慮很多工程師估計都忘的差不多了，我們概念上一塊復習一下。
圖中某處微單元受到到兩對正應力和兩對剪應力的平衡力作用，見下圖（不考慮垂直紙面的方向），通過力的平衡方程總可以得到兩個互相垂直的微單元面上只有兩對正應力而沒有剪應力，這兩個正應力就叫主應力，知道了這個主應力的大小和方向，就可以用公式求出任何一對垂直面上的正應力和相應的剪應力，也可以用作圖的方法很容易的求解，這就是莫爾應力圓。
見下圖：
莫爾應力圓上的力是外力作用下的土體內(nèi)部某點單元體某個角度面上的應力，而庫倫公式斜線上的是正應力外力作用下的抗剪能力，所以抗剪能力關(guān)系斜線和莫爾圓的關(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，與主應力面角度為地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_10的應力在莫爾應力圓上直接量取2地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_11角度的圓上的點對應的坐標就是對應的該面上的正應力和剪切應力，這是幾何作圖很容易算出來的。
如果我們假設(shè)一個如下圖的護坡，土自重產(chǎn)生垂直應力，護坡墻提供水平應力，這兩個垂直面正好沒有剪應力，可以當成主應力。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)計思考與實踐—土的抗剪_12
郎肯、庫倫土壓力理論、靜止土壓力系數(shù)等都和這個所謂的滑切面有關(guān)（下文另說）。
受到基礎(chǔ)壓力的地基土的極限承載力大小也和這個角度有關(guān)（下文另說），見下圖：
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，土體沒有任何位移，圖中的剪應力遠小于其抗剪應力，類似于材料彈性階段。所以可以用泊松比算出，當然實際土體比較復雜，一般實驗得出（見系列三），經(jīng)驗公式為地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_16，下圖為常見圖的地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_17。
2、主動土壓力理論
當土體側(cè)壓力推動擋土墻向前運動時，土體沿地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_19滑切面向下維持平衡狀態(tài)時，這個滑動土楔體對擋墻的推力，叫主動土壓力。
對于有粘性的土，粘聚力C表現(xiàn)為負壓力，其值為常量不隨深度變化。在土體上部自重應力較小處，會出現(xiàn)負值，但實際是沒有負值的，只是土體和擋墻會脫開，見上圖。
3、被動土壓力
當墻推動土體產(chǎn)生向斜上的運動趨勢達到滑切面的平衡狀態(tài)時，墻體受到的土壓力叫被動土壓力，一般的建筑結(jié)構(gòu)這種情況比較少見，比如推力拱橋的基礎(chǔ)受到耳朵土壓力。
注意這時土壓力大于土垂直壓力，側(cè)壓力為應力莫爾圓的那個大的主應力地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_21，所以滑切面與垂直面夾角為地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_22。見下圖：
被動土壓力也分兩部分，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：
（1）主動土壓力系數(shù)地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_24<靜止土壓力系數(shù)< span="">地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_25<<被動土壓力系數(shù)< span="">地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_26。壓力的大小取決于擋土墻與土的相對位移，所以并不是一個常數(shù)。上述的三個地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—土的抗剪_27只是三種特殊的情況而已。
有資料顯示，中密的砂時檔土墻的變形地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—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)生被動土壓力那種平衡狀態(tài)的難度比產(chǎn)生主動土壓力時要難的多，其變形約為1/20~1/100,遠遠大于了建筑物或構(gòu)筑物允許的變形，所以實際的建筑工程很難發(fā)生被動土壓力，因為在發(fā)生被動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的位移，可能造成被動土壓力，從上述數(shù)據(jù)來看，這種相對土體的的推動的位移實際很小，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，對于巖石等很硬的土體，因為巖石與外墻之間的防水保護等，實際的產(chǎn)生的土壓力會小于靜止土壓力。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。
對于坡頂有建筑物或地面荷載時，靜止土壓力也包含坡頂有建筑物或存在地面荷載時產(chǎn)生的壓力。
《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準JGJ/T-472-2020》中對巖土對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，靜止土壓力和主動土壓力越小。被動土壓力正相反，不過我們很少用到，出現(xiàn)這種情況時要知道土越硬土壓力越大。
（3）對于擋土墻的設(shè)計，結(jié)構(gòu)工程師一般只能做比較矮的擋土墻，按靜止土壓力進行計算基本上滿足要求，對于比較高的，情況比較復雜的，一般應該由巖土工程師進行設(shè)計。
上述均未涉及的水的影響，實際上其影響非常大，本系列擬專門另外論述。
四：土坡的穩(wěn)定（滑坡）分析的簡單概念
滑坡是巖土工程設(shè)計師的工作重點，是非常復雜的問題。結(jié)構(gòu)工程師一般無法設(shè)計，但理解其概念也很重要。結(jié)構(gòu)工程師對于一塊山地的場地能夠敏感的感覺到坡地的穩(wěn)定性，以及當建筑位于坡頂時場地的穩(wěn)定性都是非常重要的概念。理解這點可以很好的和巖土工程師去合作完成項目。
土坡的穩(wěn)定本質(zhì)上是一塊土體沿斜面的滑動，也是剪切平衡的問題，和土體的摩擦角和粘聚力兩個參數(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。土體的復雜性使確定滑動面變的很難。砂土的滑動一般是斜平面，所以砂土確定其滑切面相對容易，按滑動面上的土楔體的平衡進行計算。粘性土是一般是斜向的弧面，確定非常復雜，計算理論很多，主要是各種分條法，按沿弧面轉(zhuǎn)動的平衡力矩進行平衡計算，結(jié)構(gòu)工程師不需太關(guān)注。
五：地基承載力標準值及設(shè)計值的確定
本文開始已經(jīng)說道，地基承載力是在地基壓縮到一定程度，開始出現(xiàn)局部滑切破壞時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平衡的承載力。規(guī)范的地基承載力標準值一般是按極限承載力的1/2~1/3確定。但很軟的土，幾乎從一開始就伴隨著壓縮開始出現(xiàn)局部剪切即局部塑性變形，對這種承載力只好按某一較小的變形量來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的沉降。理論上變形計算滿足了，地基承載力也自然滿足，但是沉降計算比較復雜，不好控制，所以對重要的建筑兩者一般都需要計算。
對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），承載力滿足時，其沉降變形自然滿足，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有考慮地基頂面上部荷載的情況下得出的，所以應該根據(jù)實際情況進行修正。知道極限承載力來歷的概念，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)是因為基礎(chǔ)實際寬度帶來地基土滑切面的比實測值或?qū)嶒炛档臄U大帶來的有利影響，故和基底以下的土的重量地基基礎(chǔ)設(shè)計思考與實踐—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)計思考與實踐—土的抗剪_36有關(guān) 。當位于水位以下時，因為有效的荷載變小了（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是非常明顯的。
（3）結(jié)構(gòu)施工完成時，對于基坑沒有回填時，地基承載力應該按未回填的地面計算，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進行承載力計算，原理就是上面講述的，規(guī)范的承載力調(diào)整系數(shù)相對于極限承載力的三個系數(shù)小的多，顯然已經(jīng)考慮了足夠的安全度。但要注意，第一這個承載力不能進行修正，第二還要計算地基變形，第三是基礎(chǔ)荷載偏心距不能超過0.033才能使用，所以實際工程中使用這個公式的很少。
（5）巖石無需修正，是因為它太強大了，即使超高層的千米建筑也不足以使其整體滑動破壞，只能是有限的壓縮，所以巖石用的是實驗室的軸壓強度乘以一個折減系數(shù)，是足夠安全的。
本文只是簡單的概念，以使結(jié)構(gòu)師理解復雜的地基巖土概念，便于應用地勘的有關(guān)數(shù)據(jù)進行設(shè)計，同時對和建筑有關(guān)的巖土問題更方便與巖土工程師合作。而實際巖土的復雜性比本文論述的要復雜的多的多。
