一开始，超前伸梁掘进法是在软弱土层中建造隧道的唯一方法。超前掘进伸梁是一块大约5英尺（1.5m）长并且前端被锐化成一点的重重的厚板。他们被插入隧道表面的支撑柱的顶层水平条内。然后超前伸梁向外倾斜钻入土层表面，在所有顶层杆被插入一半深度后，一根木料被交叉放置在它们的外露端来抵抗所有的外部应变。伸梁就这样提供了一种可以伸缩的坑道支撑，表面在其下伸出来。当杆的末端伸到后，再添加新的木材，伸梁被插入土中供隧道下一节使用。
压缩空气的使用简化了软土中的施工。首先建成一个空气锁，人和设备通过它进出，在开挖过程中，足够的空气压力来维持坑道表面的坚固直至木材或其他支撑设施树起来。
另一种发展是以铸铁或钢铁圆盘嵌固隧道四周其后以水压力盾构支撑。这种铁盘在施工过程中为隧道提供了足够的支撑力，同样为施工人员提供了足够的施工空间。
水下隧道
施工最困难的隧道是在一条河的下面一定深度处或水域其他部分中开挖隧道。在这种情况下，水会通过可渗透材料或裂缝渗出，影响了在上部水压力作用下的隧道施工进度。当隧道穿越粘稠土质时，水的流量也许会小到用水泵就可以抽干。在更大渗透性的土壤中，必须使用压缩空气来排水。所需空气压力随隧道距离表层的距离增加而增加。
实践证明，圆形盾构抵抗软土压力是最有效的，所以大多数盾构掘进的隧道都是圆形的。盾构曾经是由钢盘和角撑组成，再加上前端一个很重的支撑隔层。前端隔层有许多开的门以便工人可以在盾构前部开挖。在进一步的改进中，盾构向河床的粉质粘土中灌浆，通过这种方式将软弱土质从门里挤压进隧道，再从隧道将土运出。柱状的盾构壳可以在隔层前伸长好几尺以提供一个剪切面。后面的部分被称为尾巴向后伸展好几尺来保护施工工人。在大型的盾构机械中，一个起重臂被用在盾构的尾部延隧道四周来代替金属支撑段。
盾构向前移动的阻力可能超过1000磅/平方尺（4880公斤/平方米）。液压千斤顶被用来克服这个阻力推动盾构向前，它能在盾构外侧提供每平方尺5000磅压力（24，500公斤/平方米）
盾构可以通过各种起重机左右上下调整，以适应隧道左右上下的方向。千斤顶延隧道线向每一段向前的装炉内挤浆。整个循环过程是向前推进，定线，运土，然后另一段向前推进。1955年用于纽约市林肯隧道第三段的盾构长18尺（5.5米）直径31.5尺（9.6米）。每次向前推进32英寸（81.2cm），在其后制作一个32英寸的支撑环。
铸铁段通常被用在这样的盾构后面。它们被立起来并在短时间内熔为一体以提供强度和防水。在林肯隧道的第三节，每段7尺（2m）长，32英寸（81cm）宽，14英寸（35.5cm）厚，重大约1.5吨。这些段由14个小片段环熔合在一起。这种熔合的加紧先由手工后由机器完成。一旦它们就位，这些片段被旱在一起以保证永久性防水。
水下隧道
当河床心土很坚固并且河水水量当前不是很充足的时候，岸边制造的隧道段可以拉到一个河床中已经准备好的壕沟里并沉入水底以形成一个水下隧道。第一个主要的预制漂浮式沉管隧道是位于安大略省的底特律和Windsor之间的底特律河隧道。这条运输隧道建于
1906-1910年。第二条类似方法建成的主要运输隧道是Posey隧道，竣工于1928年。它位于加州的奥克兰和Alameda之间的一条咸水河中。从那以后许多其他水底隧道被建于水下或是咸水区域中，特别是位于奥克兰和圣弗朗西思科的Transbay隧道。
柱状隧道段通常位于向河岸的场地并由钢铁制成。每段大约300尺（90m）长，28到48尺（8.5-14.6m）的半径。在每一段末端的开口处后面是用钢制挡水墙封口，管子准备成发射船的样式。节段一旦放入水中，将使用混凝土压载直到达到最小浮力。然后这个节段被拖到隧道指定位置。在每一个节段就位之前，挖泥船和水下挖掘机会为隧道挖出一个合适深度
的壕沟。当这个管段被精确地放到它最终就位的位置时，灌浆直至它沉到合适的沟槽里。隧道的所有分段以同样方式运输和下沉就位。
每段都有施工缝或是凸盘通过阴阳榫电焊来拼装起来或是和前面段衔接。在每一段及其后续段下沉之后，潜水工人通过螺栓将接合处上紧啮合。钢盘被沿着两个封闭的挡水墙之间的连接处滑下。连接处再用混凝土焊在一起以增强段与段之间的防水性。当所有的段被就位并连接好后，上面再填土以给予其稳定性和保护。从这个意义上讲，水下管道技术是老式挖填土方法在水下的应用。
当施工结束时，工作人员从隧道每一节末端进入并在进入管道中心时推掉挡水墙。然后再用混凝土做管道内衬以获得更好的外形和更大的安全性。随后贴瓷砖，做风道衬里，安电线，水泵，管道等。
第15课土力学
土力学研究的是力学和水力学的法则在牵涉土的工程问题中的应用。土是一种天然矿物颗粒的聚集物，有的含有有的不含有机成分，它由岩石的风化或是机械作用形成。它包括三种成分：固体矿物质，水以及空气和其他气体。土质组成变化很大，正是这种不均质性大大地阻碍了科学家对这些沉积物的研究。渐渐地，对挡土墙，基础，护堤，人行道和其他结构的事故的调查发现其原因涉及到许多天然土的知识并且它们的工况充分提高了土力学作为工程科学的一个分支。
历史
直到18世纪后半期，法国物理学家查尔斯-奥斯丁库仑出版他的土压力理论（1773年）之前，以科学的基础处理土的问题几乎没有任何进展。1857年，苏格兰工程师威廉姆朗金发展了一种土体平衡理论并将其用于一些初步的基础工程问题。这两大理论仍然构成了当今计算土压力理论的基础，尽管他们建立在所有土都象干沙一样不考虑内聚力这一错误概念的基础上。二十世纪的进步在于：把内聚力引入计算；了解了通常情况下土的基本物理特性和特殊情况下粘土的特性；系统地研究了土的剪切特性，即——滑动剪切条件下的变形。
库仑和朗金土压力理论都假设土的剪切破坏面在一个平面内。然而对于砂土来说这是近似可信的，有内聚力土的滑动剪切面接近一个曲面。在二十世纪早期，瑞典工程师证明滑动剪切面是一个圆弧面。上个世纪后半段，在土的科研，理论的应用以及用于工程设计的经验数据方面都有了明显进步。
一个显著的进步是德国工程师卡尔泰沙基在1925年出版了一本关于粘土在许用应力下固结情况的力学调查。他的被工程经验证实的分析解释了在充分渗透的粘土上沉降随时间增长的问题。泰沙基在1925年出版了Erdbaumechanik(“土力学”)一书后开辟了土力学时代。
关于地基材料，人行道下的天然基础的研究始于1920年美国公共道路局。他们做了一些关于人行道设计的和天然土有关的简单实验。在英格兰，道路研究司创建于1933年。1936年第一个岩土方面的世界会议在哈佛举行。
今天，市政工程极大地依赖于实验的大量数据来巩固经验以及与之相关的新的问题来建立解决方案。获得这样的土质实验的典型例子，无论如何是很极其困难的；因此有一种在实验室做比例模型来代替这种现场实验的趋向，并且许多重要的性质都是由这种方法得到的。
土的工程性质
决定土的工程适用性的性质包括：内摩擦力，内聚力，压缩性，弹性，渗透性以及毛细性。
内摩擦力是土体抵抗滑动的力。砂土和砾石土比粘土有更大的内摩擦力；后期水气的增加会降低内摩擦力。土在重结构压迫下滑动的趋势可以转化成剪力；即使一部分土体在一个平面内水平的竖直的或其他方向的移动。这样一种剪切移动会给建筑带来危险。
内聚力可以减少这种剪切危险，这是由土颗粒间分子力产生的土颗粒之间相互吸引作用以及土粒间存在水气造成的。内聚力明显受土粒间大量湿气影响。内聚力在粘土中通常很大而在砂土和淤泥土中几乎不存在。内聚力值从干砂土的0到很粘稠的粘土2000磅每平方英尺之间变化。
因为可以通过碾压，夯实，振捣或其他方法压实土以增大其密度和提高其承载强度，所以可压缩性是土的一个重要特性。
弹性土在受压后趋向于恢复到初始条件。弹性（延性）土不适合作为柔性人行道的地基因为他们会在上面交通的作用下压缩延展导致地基沉陷。
可渗透性是土体允许水流通过其中的性质。冬季的冻融循环和夏季的干湿循环改变了土颗粒的填实密度。压缩可以减小渗透性。
毛细性导致自由水延土中孔隙上升到正常水平面以上。在多数土中都存在毛细性所需要的许多管道；在粘土中，水汽可在毛细作用下上升达30英尺。
土壤密度可以通过测量土的重量和体积来计算出或是通过特殊仪器测得。土的稳定性可以通过一种叫做稳定性试验机的设备来测量，它可以测量由交通荷载产生的水平压力。固结是由特殊荷载条件下产生的压缩或是土粒挤压在一起而发生的；这一性质也可以测量出。
基地勘探
土质调查是对将要承受工程冲击的天然及其扩展部分的土层数据的采集。花费在基地勘探上的工夫取决于工程的大小以及工程的重要性；勘探方法从肉眼观察到精细的地表下钻孔采集土样并做实验室测试。采集代表土样对于土层准确地鉴别和分类十分重要。采样数量取决于数据要求的精确度，土质的分类以及工程量的大小。通常情况下，在一个地方的天然剖面中，深度方向比水平方向有更多的土质分类参数。采集复合样品对于任何已知水平层来说都是不合适的，因为这样不能真实代表任何一处并且可能会误导。即使是水平层很细小的参数变动也要仔细表注出。土壤粒径的非类以及液限塑限的确定都是十分重要的步骤。
对原位实验中获取的数据的最终用途的了解很重要。场地条件的进一步信息对于规划任何勘探项目都是很有帮助的。地形学，地理数据（地面露头，道路河流切面，湖底，气候残留物等），古生物图，航拍照片，井道日志，开挖情况等信息都是很有价值的。地理勘测方法修正出有用的数据。电阻测量可提供若干土质内部参数。地震技术通过测量穿过土层的爆炸冲击波的波速来确定不同的地下土层参数。冲击波穿过不同土层的速度差别很大。通过测量冲击波从发出到触及基岩反射回来所需的时间可以确定基岩的深度。
所需要的表层信息只能通过开掘来获得。探针插入土中以显示穿透阻力。水枪或是麻花钻机用来将地表下的材料带到地表以上以获取土层信息。土的颜色的改变是此类实验可以显示的一个重要元素。多种钻探方法用于从地下获取土条。地堑或是坑可以提供浅层土质更完整的信息。如果遇到坚硬的岩石可以使用气钻或是钻石钻。至少要有一部分钻孔的深度要超过建筑结构的压力深度设计值。
避免取样对结构扰动的影响对一些实验不是很严格但是对原位密度以及剪切强度的测量影响很大。
完整和精确的记录，例如钻孔记录必须准备好保管好，并且样品自身也必须保管好供将来校对时用。
第十六课 基础
建筑物或其它的构造物是由土地上的基础支撑的。“foundation”这个单词或者是指土地本身，或者是指插入在土地上以提供支撑的物体，或者是指土地和立于其上的物体的合称。对于一栋多层办公楼，“foundation”可能是混凝土基础和支撑基础的土或岩石的合称。对于一个挡土坝，“foundation”可能指的是为大坝提供支持力的天然土地或岩石。混凝土基础或桩基或桩承台通常指的是“foundation”，不包括为基础提供支持力的土体或岩石，
已就位的基础和天然土体或岩石形成了一个基础系统，土体和岩石提供了系统的最终支持力。已就位的基础或者是由土地支撑或者是由岩石支撑。受强制施加的荷载时，土体或岩石的反应决定了基础系统功能的好坏。在选择就位点时，设计者必须决定安全压力，即作用在土体或岩石上并且结构能承受的整体建筑物和不同建筑物作用的荷载量。
基础系统已安装部分也许是独立基础，片筏基础，平板基础，箱型基础或者是桩基。它们都是将荷载从上部结构传入到地下。这些将荷载从上部结构传到地下的部分叫做下部结构。（图1）
图1：基础系统的例子。（a）支撑结构的基础由土体支撑。（b）支撑结构的基础支撑在岩石上。（c）结构由桩基础支撑。桩这样安装以便桩端最终插入到土中并且全部由土体提供支撑，否则，它们也许安装使桩尖插入到岩石里。
基础。独立基础或扩展基础被用作将来自柱或墙的荷载扩散到下面的土体或岩石。一般说来，基础由钢筋混凝土构成。然而，在一些情况下，它们也许由素混凝土或者砂浆构成。当一个基础只支撑一个柱的时候，它是方形的。支撑两个柱的基础被称作联合基础，它们也许是梯形也许是长方形。悬臂基础被用来传递两个柱的荷载，支持一个柱和另一个位于与建筑物线或者是外墙线相对应的基础尾端上的柱。支撑墙的基础叫做连续基础。（图2）
基础的尺寸是由可能施加在基础底部的荷载除以地基土和岩石能够承担的容许支撑力来确定的。大部分建筑规范和教科书关于基础部分都包括不同类型土体或岩石的容许支撑力图表。然而，这些图表仅仅给了一个对土体或岩石粗略分类的描述。因此，使用时必须小心。更多关于土体或岩石的具体信息要靠钻探试验：选择土体或岩石试样，室内试验和决定容许承载力的工程分析获得。如果荷载量是一个问题，那么也许有必要用一个可替换的基础形式，而不是独立基础，或者增大基础尺寸以减小承载力。
图2：基础类型。（a）柱基础。（b）联合基础，矩形或者梯形。（c）悬臂基础。（d）墙基
基础梁用在外部柱基础之间以便支撑墙。梁传递墙重到柱基础。梁也用在内部基础之间用作支撑或节点或支撑内部墙体。挡土墙是那些因墙后有土而承受水平土压力的墙。这些墙的基础必须和为其支撑的土体或岩石之间有足够的摩擦阻力，以便当它们受到水平土压力的时候不会滑移。另外，挡土墙必须设计成这样才不会倾覆，在冰冻敏感地区，基础必须置于冰冻线下。
筏式基础。板式基础或者浮筏基础通常是把荷载从柱子或者转和墙传到地基土或岩石的面积，厚度，重量都很大的钢筋混凝土底板。筏板也是联合基础，但比支撑两个柱的基础大得多。它们是连续基础，并且设计成传递相对一样的压力到下面的土地或岩石，筏板是刚性的并且像一架桥立在不连续的土地或岩石上。平板建造在地面以下几米深处，当与外墙结合时就是所谓的浮筏基础。从地表到平板底部所挖掘的土体重量也许等于或接近于整个结构的重量。这种情况下，极少或者是没有荷载作用在地基土上，结构的荷载也许在建造后降低到最小。
平板基础。平板基础并用在轻结构上，在这里，柱子和墙直接支撑在底板上，底板被加厚了，而且在柱子和墙荷载作用的地方更重重的加强了。
特殊问题。下部结构置于地下水位线以下时，地下水是一个与基础设计安装相联系的重要问题。从深井中抽水或从集水井中抽水是在基础施工期间用于施工现场排水的方法。其它不常用的方法有：冰冻土中水，电渗排水和安装由开挖周围灌浆形成的止水帷幕。如果排水作业在有现存建筑物包围的场地进行，就必须采取预防措施来保护这些建筑物，因为降低地下水有可能引起支撑这些建筑物的土下沉。
如果地下室部分或者完全位于地下水位线以下，那么它的墙除了设计成承受墙后土压力还要承受外面的静水压力。一个替代方法就是安装一个渗透系统把水移到墙外。一些位于地
