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土力学全套课件 土力学 绪论土力学是力学的一个分支 是以土为研究对象的学科 研究内容 通过研究土的物理 力学 物理化学性质及微观结构 进一步认识土和土体在荷载 水 温度等外界因素作用下的反应特性即土的压缩性 剪切性 渗透性及动力特性 需要研究和解决的工程中的三大类问题 土体稳定或强度问题 土体变形问题 渗流 渗透变形与渗透稳定 2005年7月21日在广州海珠区江南大道南海珠广场深基坑南边发生滑坡 绪论 比萨斜塔是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼 位于比萨大教堂的后面 钟楼始建于1173年 设计为垂直建造 但是在工程开始后不久便由于地基不均匀和土层松软而倾斜 绪论 比萨 Pisa 斜塔 绪论 该城市人口密集 1850年开始抽取地下水 1891 1973年 整个老城下沉达8 7m造成地面道路 建筑及其他建筑设施的破坏 墨西哥城的下沉 土层中地下水位的下降 使有效应力增加 使地基进一步固结沉降 绪论 圣母教堂 因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜 并成为危房 绪论 LaConchita滑坡 1996年发生在美国加州的LaConchita 因居民已提前撤离固未造成人员伤亡 绪论 SantaTecla滑坡 2001年1月13日 萨尔瓦多发生了7 6级的强震 震中位于SantaMiguel西南60英里 因此在SantaTecla造成山体滑坡 最终导致700多人遇难 绪论 绪论 舟曲泥石流 绪论 舟曲泥石流 舟曲发生泥石流的主要因素 一 是三眼峪沟内部有滑坡 崩塌等大量的松散固体物质存在 为泥石流的发生提供了充分的物质条件 其中多数为1879年7月1日甘肃文县8级地震所诱发 同时舟曲位于龙门山地震活动带北缘 又临近天水地震活动带 此前也曾受汶川地震波及 土质相对疏松 一遇强降雨容易形成泥石流 二 是三眼峪沟流域上游植被以幼林为主 灌草比例高 局部裸露 储水能力较弱 在经历今年入夏以来长时间严重干旱后 表层土变得更加干松 三 是在近期强降雨作用下 土体强度极大地降低 形成坡面泥石流 并逐步带动沟坡崩滑岩土形成冲击力巨大的泥石流 在从中上游汇流至中下游过程中 使得因地震形成的天然堆石坝逐级溃决 并最终导致泥石流流量的增大和破坏力的增强 绪论 本章主要内容 1 1土的生成1 2土的三相组成1 3土的结构 构造1 4土的三相物理性质指标的测定及计算1 5无粘性土的特性1 6粘性土及粉土的特性1 7粘性土水 土系统的工程 物理 化学 特性1 8土的工程分类 第1章土的物理性质及工程分类 1 1土的生成 风化 搬运 堆积岩石土压密 岩化 一 土的概念土 覆盖在地表上的碎散矿物集合体 岩石 构成地壳的基本物质 是一种或多种矿物的聚合体 统称为大自然的产物 土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物 岩石风化分为物理风化 化学风化和生物风化 物理风化 岩石经受风 霜 雨 雪的侵蚀 或受波浪的冲击 地震等引起各种力的作用 温度的变化 冻胀等因素使整体岩石产生裂隙 崩解碎裂成岩块 岩屑的过程 化学风化 岩体 或岩块 岩屑 与氧气 二氧化碳等各种气体 水和各种水溶液等物质相接触 经氧化 碳化和水化作用 使这些岩石或岩屑逐渐产生化学变化 分解为极细颗粒的过程 特征 物理风化 量变过程 形成的土颗粒较粗 化学风化 质变过程 形成的土颗粒很细 对一般的土而言 通常既经历过物理风化 又有化学风化 只不过哪种占优势而已 1 1土的生成 土从其堆积或沉积的条件来看可分为 残积土 岩石风化后仍留在原地的堆积物 特点 湿热地带 粘土 深厚 松软 易变 寒冷地带 岩块或砂 物理风化 稳定 1 1土的生成 运积土 岩石风化后经流水 风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物 又分为冲积土 风积土 冰碛土和沼泽土等 冲积土 由水流冲积而成 颗粒分选 浑圆光滑风积土 由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物 没有层理 细砂或粉粒 黄土冰碛 qi 土 由冰川剥落 搬运形成的堆积物 不成层 从漂石到粘粒沼泽土 在沼泽地的沉积物 含有机质 压缩性高 强度低 1 1土的生成 气相 固相 液相 构成土骨架 起决定作用 重要影响 土体 次要作用 1 2土的三相组成 土是固体颗粒 水和空气的混合物 常称土为三相系 固相 土的颗粒 粒间胶结物 液相 土体孔隙中的水 气相 孔隙中的空气 1 2土的三相组成 当土骨架的孔隙全部被水占满时 这种土称为饱和土 当土骨架的孔隙仅含空气时 就成为干土 一般在地下水位以上地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水 此时的土体属三相系 称为湿土 根据土的粘性分 粘性土 颗粒很细 无粘性土 颗粒较粗 甚至很大 砂 碎石 甚至堆石 直径几十cm甚至1m 不同类型的土 1 2土的三相组成 一 土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质 是构成土的骨架最基本的物质 称为土粒 对土粒应从其矿物成分 颗粒的大小来描述 一 成土矿物 原生矿物 次生矿物原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物 如石英 长石 云母等 次生矿物是由原生矿物经过风化作用后形成的新矿物 如三氧化二铝 三氧化二铁 次生二氧化硅 粘土矿物以及碳酸盐等 1 2土的三相组成 二 土粒的大小和土的级配粒度 粒径粒组 把工程性质相近的土粒合并为一组 某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比土的级配 土中各种大小的粒组中土粒的相对含量随着颗粒大小的不同 土的性质可以有很大的差异 因此 人们常常按照粒径的范围 将土粒分为若干组 粒组之间的分界尺寸称为界限粒径 表1 1是国内常用的一种粒组划分 1 2土的三相组成 土粒粒组的划分表1 1 砂粒 粉粒 圆砾或角砾 1 2土的三相组成 颗粒大小 粒组按粗细进行分组 将粒径接近的归成一类界限粒径 1 2土的三相组成 三 颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量所占该土总质量的百分数 确定粒径分布范围的试验称为土的颗粒大小分析试验 常用的方法 筛分法 粒径 0 075mm密度计法 粒径0 075mm 1 2土的三相组成 1 筛分法利用一套孔径由大到小的筛子 将按规定方法取得的一定质量的干试样放入一次叠好的筛中 置振筛机上充分振摇后 称出留在各级筛上的土粒的质量 按下式计算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数X 式中 mi m 分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量 1 2土的三相组成 105 02 01 00 50 250 1 200g 10161824223872 小于某粒径之土质量百分数P 粒径 mm P 958778665536 土的粒径级配累积曲线 水分法 1 2土的三相组成 2 密度计法用于分析粒径小于0 1mm 0 075mm 的土 根据粗颗粒下沉速度快 细颗粒下沉速度慢的原理 可以把颗粒按下沉速度进行粗细分组 实验室常用比重计来进行细粒土的粒径分析 称为密度计法 1 2土的三相组成 3 土的级配曲线 1 1颗粒分析试验曲线 1 2土的三相组成 四 颗粒分析试验曲线的主要用途按粒径分布曲线可求得 1 土中各粒组的土粒含量 用于粗粒土的分类和大致评估土的工程性质 2 某些特性粒径 用于建筑材料的选择和评价土级配的好坏 根据某些特征粒径 可得到两个有用的指标 即不均匀系数Cu和曲率系数Cc 它们的定义为 1 2 1 2土的三相组成 1 3 式中 d10 d30和d60为粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量分别为10 30 和60 时所对应的粒径 d10称为有效粒径 d60称为限制粒径 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定 而土粒的均匀程度和曲线的形状又可用不均匀系数和曲率系数来衡量 Cu小 曲线陡 Cu大 易压密 Cc过大 台阶在d10 d30间 Cc过小 台阶在d30 d60间 规范 纯净砾 砂 Cu 5 且Cc 1 3时 级配良好 否则 不良 1 2土的三相组成 图土的颗粒级配曲线 1 2土的三相组成 二 土的液相 一 结合水强结合水性质接近于固体 冰点很低 沸点较高 且不能传递压力 弱结合水也称为薄膜水 不能传递压力 也不能在孔隙水中自由流动 但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移 由于它的存在 使土具有塑性 粘性 影响土的压缩性和强度 并使土的透水性变小 吸着水厚度影响因素 成土矿物 阳离子浓度及化学性质 阳离子价低 厚 阳离子浓度高 薄 1 2土的三相组成 二 自由水离开土颗粒表面较远 不受土颗粒电分子引力作用 且可自由移动的水称为自由水 分为毛细管水和重力水 1 毛细管水土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道 由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力 于是 将引起迫使相邻土粒相互积紧的压力 这个压力称为毛管水压力 1 2土的三相组成 2 重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称微重力水 具有溶解能力 能传递静水和动水压力 对土颗粒有浮力作用 当它在土孔隙中流动时 对所流经的土体施加渗流力 亦称动水压力 渗透力 计算中应考虑其影响 三 土的气相存在土中的气体分为两种基本类型 一种是与大气连通的气体 另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体 1 2土的三相组成 一 土的结构1 定义土粒或土粒集合体在空间的排列和互相联结形式称为土的结构 1 3土的结构 构造 2 类型 a 单粒结构 b 峰窝结构 c 絮状结构 1 单粒结构如图 a 所示 由颗粒大的土粒在水或空气中下沉堆积而成 粗粒土都具有单粒结构 单粒结构可以分为疏松的和紧密的 疏松单粒结构的土孔隙大 骨架不稳定 在外载作用下容易发生错位 产生很大的变形或沉降 因此 这种土未经处理一般不宜作为建筑物的地基 紧密单粒结构的土 由于颗粒排列紧密 强度高 压缩性小 在动 静载作用下都不会发生较大的沉降 是良好的天然地基 1 3土的结构 构造 2 峰窝结构如图 b 所示 粒径大约在0 02 0 002mm范围内的粉土或粘土颗粒 在水中单个下沉时 途中碰到已沉积的土粒时 由于土粒之间的分子引力大于土粒自重 使得土粒只能停留在最初的接触位置不能继续下沉 这样 一粒一粒相互吸引 最终将能形成具有很大孔隙的蜂窝状结构 1 3土的结构 构造 3 絮状结构如图 c 所示 直径小于0 002mm的极细粘粒 在水中能够长期悬浮而不下沉 如果水中掺有某些电解质 颗粒间的排斥力能被动削弱 运动着的土粒能够相互碰撞凝聚成絮状的小集粒而下沉 并相继与已沉积的絮状集粒接触 形成类似蜂窝而孔隙很大絮状结构 又称为二级蜂窝结构 以上三种结构中 密实的单粒结构工程性质最好 蜂窝结构和絮状结构如果受到扰动 强度就会降低 压缩性变高 难以作为天然地基 1 3土的结构 构造 二 土的构造 1 定义同一土层中颗粒或颗粒结合体相互间的位置与充填空间情况称为土的构造 其实 这一定义与大多书本一样仍然比较模糊 未交代结构与构造的关系 其实 土的结构着重于细微观 而构造可以理解为土体的宏观结构 1 3土的结构 构造 2 类型土体的构造一般可以分为以下四类 1 层状构造顾名思义 层状构造是由不同颜色和粒径的土粒构成的一层一层的结构状态 大部分细粒土的土层是这种构造 2 分散构造土层中的土粒分布均匀 性质相近 粗粒土大都是分散构造 1 3土的结构 构造 3 裂隙状构造土体被许多不连续的小裂隙所分割 破坏了原状土的整体性 使其工程性质变差 一些坚硬和硬塑状态的粘土具有这种结构 4 结核状构造在细粒土中明显掺有粗颗粒或各种结核 如含结核的黄土等 该类土的性质主要决定于细粒土部分 1 3土的结构 构造 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 土的物理 力学性质不仅决定于它的三相组成性质和它的结构 而且还与三相之间量的比例关系密切相关 可分为两类 通过试验测定 如含水量 密度和土粒相对密度 称为直接指标 根据直接指标换算 如孔隙比 孔隙率 饱和度等 称为间接指标 土的三相图 从右图可以容易得到以下关系 Vv Vw VaV Vs Vv Vs Vw Vam ms mw 一 试验直接测定的物理性质指标 一 土粒相对密度 土粒比重 ds土粒相对密度定义为土粒的质量 或重量 与同体积4 时纯水的质量 或重量 之比 无因次 其表达式为 1 4 1 或 1 4 2 式中 土粒的密度 即土粒单位体积的质量 4 时纯水的密度 1 0g cm3 土粒相对密度在数值上等于土粒的密度 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 土粒相对密度常用比重瓶法测定 事先将比重瓶注满纯水 称瓶加水的质量 然后把烘干土若干克装入该空比重瓶内 再加纯水至满 称瓶加土加水的质量 按下式计算土粒相对密度 式中 m1 瓶 水的质量 m2 瓶 土 水的质量 ms 烘干土的质量 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 m0msm1m2空瓶质量烘干土的质量瓶 水的质量瓶 土 水的质量m1 ms 瓶 水 满 的质量 干土的质量 m1 ms m2 与土粒体积相同的水的质量 比重瓶法 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 二 土的天然含水量w土的天然含水量 定义为土中水的质量与土粒的质量之比 以百分数表示 其表达式为 1 4 3 将式 1 4 2 代入 1 4 3 中得测定含水率常用的方法是烘干法 先称出天然土的质量 然后放在烘箱中 在100 105 常温下烘干 称得干土质量 按上式可算得 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 三 土的天然密度 与重度 土的密度定义为单位体积土的质量 用 表示 单位为Mg m3 或g cm3 表达式如下 1 4 5 对于粘性土 土的密度常用环刀法测定 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 二 间接换算得物理性质指标 一 土的孔隙比e定义 土中孔隙的体积与土粒的体积之比 以小数表示 其表达式为 1 4 10 二 土的孔隙率n定义 土中孔隙的体积与土的总体积之比 或单位体积内孔隙的体积 以百分数表示 其表达式为 1 4 11 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 三 土的饱和度Sr定义 土中孔隙水的体积与孔隙体积之比 以百分数表示 其表达式为 1 4 12 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 土的干重度 单位体积内土粒的重量 表达式为 1 4 14 土烘干 体积要减小 因而 土的干密度不等于烘干土的密度 土的干密度或干重度也是评定土密实程度的指标 干密度或干重度愈大表明土愈密实 反之愈疏松 四 干密度 d与干重度 d土的干密度 单位体积内土粒的质量 表达式 1 4 13 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 五 饱和密度 sat与饱和重度 sat饱和密度定义 土中孔隙完全被水充满土处于饱和状态时单位体积土的质量 表达式为 1 4 15 在饱和状态下 单位体积土的重量称为饱和重度 其表达式为 1 4 16 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 六 浮密度 与浮重度 有效重度 土在水下 受到重力水的浮力作用 此时土中固体颗粒的质量再扣去固体颗粒排开水的质量与土样总体积之比 1 4 17 浮密度 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 与其相应 提出了浮密度的概念 土的浮密度是单位体积内的土粒质量与同体积水质量之差 其表达式为 1 4 18 或 1 4 19 从上述四种土的密度或重度的定义可知 同一土样各种密度或重度在数值上有如下关系 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 三 常用物理性质指标的实用计算公式 重点 难点 常用的土的物理指标共有九个 已知其中任意三个 通过换算可以求出其余的六个 一 孔隙比与孔隙率的关系设土体内土粒的体积为1 则可知 孔隙的体积Vv为e 土体的体积V为 1 e 于是有 或 三相示意图 a 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 二 干密度与天然密度和含水量的关系设土体的体积V为1 则 d ms V 土体内土粒的质量ms为 d 由w mw ms水的质量mw为w d 于是 按t天然密度的定义可得 或 1 22 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 三 孔隙比与土粒相对密度和干密度的关系设土体内土粒的体积为1 则按 孔隙的体积Vv为e 由 s ms Vs得土粒的质量ms为 s 于是 按 d的定义可得 应用式 1 6 整理得 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 四 饱和度与含水量 相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒的体积为1 则按e VV VS得体积VV e 由 s ms Vs得土粒的质量ms s 按w mw ms 得质量mw w s 则得体积Vw mw w w s w 于是 当土饱和时 即Sr为100 则 式中 wsat 饱和含水率 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 五 浮密度与土粒相对密度和孔隙比的关系设土体内土粒体积为1 则按e VV VS 孔隙的体积VV为e 由 s ms Vs得土粒的质量ms为 s 于是 按式浮密度的定义可得 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 例题 例题1 1 某干砂试样 经细雨后 体积未变 饱和度达到Sr 40 试问细雨后砂样的密度 重度和含水量各是多少 解 对于干砂试样 其密度应为 孔隙比 雨后含水量 雨后砂样密度 雨后砂样重度 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 例题1 2 有一个完全饱和的粘土土样 测得总体积V1 100cm3 已知土粒对水的相对密度ds 2 66 土样含水量w1 45 将该土样置于烘箱中烘了一段时间之后 测得土样的体积V2 95cm3 w2 35 问土样烘干前后的密度 干密度 孔隙比 饱和度各为多少 解 烘烤前因为土样完全饱和即Sr1 100 所以孔隙比 干密度 密度 烘烤后土样中的干土质量不变即 此时土样的总质量 土样密度 土样干密度 土样孔隙比 土样的饱和度 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 例题1 3 某一块试样在天然状态下的体积为60cm3 称得其质量为108g 将其烘干后称得质量为96 43g 根据试验得到的土粒比重ds为2 7 试求试样的湿密度 干密度 饱和密度 含水率 孔隙比 孔隙率和饱和度 解 1 已知V 60cm3 m 108g 则由式 1 4 得 m v 180 60 1 8g cm3 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 2 已知ms 96 43g 则mw m ms 108 96 43 11 57g按式 1 8 于是w mw ms 11 57 96 43 12 3 已知ds 2 7 则Vs ms s 96 43 2 7 35 7cm3Vv V Vs 60 35 7 24 3cm3按式 1 11 于是 4 按式 1 12 n Vv V 24 3 60 40 5 5 根据 w的定义Vw mw w 11 57 1 11 57cm3于是按式 1 13 Sr Vw Vv 11 57 24 3 48 24 3 35 7 0 68 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 例1 4 某土样在天然状态下的孔隙比e 0 8 土粒比重ds 2 68 含水量 24 求 a 天然状态下的重度 干重度和饱和度 b 若该土样加水后 达到饱和状态 计算饱和时的含水量 及饱和重度 假定土的孔隙比保持不变 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 解 a b 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 例1 5 某饱和土样重0 4N 体积为21 5cm3 放入烘箱内烘一段时间后取出 称得其重量为0 33N 体积减小至15 7cm3 饱和度为75 试求该土样烘烤前的含水量w 孔隙比e及干容重 d 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 解 设烘一段时间后 孔隙体积为Vv2 孔隙水所占体积为Vw2 则 在烘后状态 在烘前状态 联立求解得 4 8cm3 3 6cm3 1 4土的三相物理性质指标的测定及计算 上一节讲的9个三相指标主要是反映土的物理性质的 还不能直接表现土的物理状态 本节讲授反映土的物理状态的有关指标 所谓土的物理状态 对于粗粒土来讲 就是指它的密实程度 对于细粒土 则是指它的软硬程度即粘性土的稠度 consistency 1 5和1 6土的物理状态指标 一 无粘性土 粗粒土 的密实度 1 5节 土的密实度 指单位体积的土体中固体颗粒的含量 干容量 d和孔隙比e 或孔隙率n 都是表示土的密实度的指标 但这种直接用土粒的含量或孔隙含量表示密实度的方法具有明显的缺点 最主要的就是它们没有考虑到土粒粒径级配这一重要因素的影响 不同级配的砂土 即使孔隙比相同 所处的松密状态并不会相同 1 5和1 6土的物理状态指标 为了更好的表明粗粒土的密实状态 可以将天然孔隙比e与同一种土的最密实状态的孔隙比emin和最松散状态孔隙比emax进行对比 看天然的e是靠近emin还是靠近emax 以此来判别它的密实度 这种度量密实度的指标称为相对密度 relativedensity Dr 式中 Dr 相对密实度 emax 无粘性土处在最松状态时的孔隙比 emin 无粘性土处在最密状态时的孔隙比 e 无粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比 1 5和1 6土的物理状态指标 显然 当e接近于emin时 Dr接近于1 土呈密实状态 当e接近于emax时 Dr接近于零 土呈松散状态 通常根据Dr可以把粗粒土的松密状态分为下列三种 0 Dr 0 33松散0 33 Dr 0 67中密0 67 Dr 1密实 1 5和1 6土的物理状态指标 天然砂土的密实度只能在现场利用标准贯入试验 静力触探试验等原位测试方法来获得 通常根据标准贯入试验的锤击数N 将天然砂土分为表1 5 2中的四种密实度状态 表1 5 2天然砂土的密实度划分 1 5和1 6土的物理状态指标 碎石土可以用可挖性 可钻性等方法进行现场鉴别 一般也可区分为密实 中密和稍密三种密实度状态 细粒土 粘性土 无法在实验室测定最大和最小孔隙比 实际上也不存在emax和emin 因此只能根据孔隙比e或干密度 d来判断其密实度 1 5和1 6土的物理状态指标 稠度 指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力 是粘性土最主要的物理状态指标 二 粘性土的稠度 1 6节 一 粘性土的稠度状态 粘性土的稠度状态常用流动 软 可塑 硬等描述 粘性土 1 5和1 6土的物理状态指标 粘性土从一种状态过渡到另一种状态 可用某一界限含水率来区分 这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限 二 界限含水率及其测定 1 界限含水率 1 5和1 6土的物理状态指标 液限 WL 从流动状态转变为可塑状态的界限含水率 也就是可塑状态的上限含水率 塑限 Wp 从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率 也就是可塑状态的下限含水率 缩限 Ws 从半固体状态转变为固体状态的界限含水率 亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的含水率 1 5和1 6土的物理状态指标 测定塑限的方法 搓滚法和液 塑限联合测定法 2 液 塑限的测定 测定液限的方法 碟式仪法 锥式液限仪 和液 塑限联合测定法 1 5和1 6土的物理状态指标 联合测定仪 1 5和1 6土的物理状态指标 锥式液限仪 1 5和1 6土的物理状态指标 蝶式仪 25击合拢长度 13mm时含水率为液限 1 5和1 6土的物理状态指标 土的缩限用收缩皿法测定 3 缩限的测定 式中 ws 土的缩限 w 制备时的含水率 V1 湿试样的体积 cm3 V2 干试样的体积 cm3 1 5和1 6土的物理状态指标 1 塑性指数 三 塑性指数和液性指数 塑性指数 液限和塑限之差的百分数值 去掉百分号 用Ip表示 取整数 粘土粉质粘土粉土 1 5和1 6土的物理状态指标 2 液性指数 式中 IL 液性指数 以小数表示 w 土的天然含水率 1989和2002 建筑地基基础设计规范 都根据IL将粘性土划分成了表1 6 1中的五种状态 粘性土的软硬状态表1 6 1 1 5和1 6土的物理状态指标 四 灵敏度 触变性及活动度土的结构形成后就获得了一定的强度 并且这种强度会随时间而增长 在含水量不变的情况下 将原状土捏碎 重新按原来的密度制备成重塑土 由于原状结构遭到了彻底破坏 重塑土样的强度会比原状土样有明显的降低 原状土样的单轴抗压强度qu与重塑土样的单轴抗压强度qu 之比称为土的灵敏度St 即 St qu qu 1 6 6 根据灵敏度的大小可以将粘性土分为三类 低灵敏土 14 1 5和1 6土的物理状态指标 与灵敏度密切相关的另一特性是触变性 结构受破坏 强度降低以后的土 若静置不动 则土颗粒与水分子和离子会重新组合排列 形成新的结构 强度又将得到一定程度的恢复 这种在含水量和密度不变的条件下 土因重塑而软化 又因静置而逐渐硬化的性质称为土的触变性 1 5和1 6土的物理状态指标 在实际工程中 有时两种粘土的塑性指数Ip很接近 但性质可能会有很大差异 为了进一步加以区别 英国土力学家斯肯普顿在1953年又引入了活动度A的概念 即 A Ip m式中m为粒径小于0 002mm的土粒质量占土样总质量的百分数 1 5和1 6土的物理状态指标 试验设备击实筒V 1000cm3 击实锤w 25牛顿试验条件土样分层n 3层 落高d 30cm 击数N 27 层击实能量 试验方法对 常数的土 分三层压实 测定击实后的 算定 d 注意 仅适用于细粒土 对粗粒土 可用较大尺寸的击实仪 土 1 7粘性土水 土系统的工程特性 击实试验 土的压实性 指在一定的含水率下 以人工或机械的方法 使土能够压实到某种密实度的性质 1 8地基土的工程分类 一 土的工程分类依据按前面的分析 影响土的工程性质的三个主要因素是土的三相组成 土的物理状态和土的结构 在这三者中 起主要作用的无疑是三相组成 在三相组成中 关键又是土的固体颗粒 而颗粒的粗细是最为重要的 1 碎石土指粒径大于2mm的颗粒含量超过总土重50 的土 根据粒组含量及颗粒形状 还可按表1 8 1细分为漂石 块石 卵石 碎石 圆砾和角砾六类 碎石土的分类表1 8 1 注 分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定 1 8地基土的工程分类 2 砂土指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50 而粒径大于0 075mm的颗粒含量超过全重的50 的土 砂土根据粒组含量不同又被细分为砾砂 粗砂 中砂 细砂和粉砂五类 如表1 8 2所示 砂土的分类表1 8 2 注 分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定 1 8地基土的工程分类 3 粉土指粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过50 且塑性指数3 Ip 10的土 这类土既不具有砂土透水性大 容易排水固结 抗剪强度较高的优点 又不具有粘性土防水性能好 不易被水冲蚀流失 具有较大粘聚力的优点 在许多工程问题上 表现出较差的性质 如受振动容易液化 冻胀性大等等 1 8地基土的工程分类 4 粘性土指塑性指数Ip 10的土 其中10 Ip 17的土称为粉质粘土 Ip 17的土称为粘土 粘性土可以根据液性指数IL分为坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑五种状态 此外自然界中还分布有许多具有一般土所没有的特殊性质的土 如黄土 软土 红土 冻土 膨胀性土 分散性土等 它们的分类都各有自己的规范 同学们在将来的实际工作中碰到具体的工程问题时 可查找相应的规范 1 8地基土的工程分类 第一章总结 1 1土的形成与特征一 土的概念岩石经过风化作用在不同条件下形成的自然历史产物二 土的种类1 残积土 sedentaryorresidualsoil 2 运积土 sedimentarysoil 1 坡积土 cliffsoil 2 洪积土 floodsoil 3 冲积土 alluvialsoil 4 湖泊沼泽沉积土 5 海相沉积土 6 冰积土 7 风积土 1 2土的三相组成 一 土的固体颗粒 土粒 1 土的颗粒级配曲线分析不均匀系数Cu d60 d10 曲率系数Cc 2 土粒矿物成份一类是原生矿物 如石英 长石 云母等 粗粒土的土粒往往都是原生矿物 另一类是次生矿物 土中的次生矿物主要是粘土矿物 蒙脱石 伊里石 高岭土是三种最常见的粘土矿物 二 土中的水和气体1 土中的水 1 结合水 Boundwater 强结合水 弱结合水 2 自由水 重力水 毛细水2 土中的气体粗粒土中的空气 对土的性质没有多大影响 细粒土中的气体 由于常常处于封闭状态 使土层具有很高的压缩性 1 3土的结构与构造 一 土粒结构 1 单粒结构 2 峰窝结构 3 絮状结构二 土的构造 1 层状构造 2 分散构造 3 裂隙状构造 4 结核状构造 1 4土的三相比例指标 1 三个基本指标土粒相对密度 particlespecificgravity ds含水量 watercontent w土的天然密度 bulkdensityofsoil 2 其它六个常用指标 换算指标 1 特定条件下的密度 重度 干密度 drydensity d 饱和密度 water saturateddensity sat 有效密度 浮密度buoyantdensity 2 表示土中孔隙含量的指标 孔隙比 voidratio e 孔隙率 porosity n 3 反映土中含水程度的指标饱和度 degreeofsaturation Sr3 指标间的换算能够熟练的用三相草图计算三相指标 1 5和1 6土的物理状态指标 一 粗粒土的密实度相对密实度 relativedensity Dr Dr 1 3松散1 32 3密实天然砂土的密实度划分表1 2 二 细粒土的物理性质1 分界含水量液限wL 塑限wP 缩限wS2 液性指数IL和塑性指数IpIp wL wp粘性土的软硬状态表1 3 1 8地基土的工程分类 1 碎石土2 砂土3 粉土指粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过50 且塑性指数Ip 10的土 4 粘性土粉质粘土 10 Ip 17的土粘土 Ip 17的土 EndofChapter1结束 作业情况 1 1 1 证明 错误做法 证明 证明题要详细的证明 计算题可以用结论 1 9解 注意g的单位 粘土 细砂 粗砂 碎石 卵石 碎石 粘土 土样筛 颗分筛 密度计 密度 环刀法 烘干法 联合测定仪 蝶式仪 击实仪 第二章土的渗透性及渗流 本章主要内容 2 1土的渗透性及举例2 2土的水理性质2 3地下水的运动方式和判别2 4达西定律及其适应范围2 5渗透系数的测定2 6二维渗流及流网应用2 7渗透力 潜蚀和流沙的危害及防治2 8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 学习要求 掌握 1土的渗透性2土的渗流3渗透力与渗透破坏4渗透系数的测定5渗流情况下的孔隙水应力和有效应力的计算难点 渗流重点 达西渗透定律 渗流情况下的孔隙水应力和有效应力的计算 2 1土的渗透性及举例 土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体 地基本身的结构 强度等状态的变化 从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题 由于土是具有连续孔隙的介质 当土中两点存在着能量差时 也就是存在水位差时 水就在土的孔隙中从能量高的点 水位高的点 向能量低的点流动 这种水透过土体孔隙的现象就叫做渗透 渗流 土具有被水等液体透过的性质叫渗透性 浸润线 土石坝坝基坝身渗流 土的渗透性及举例 板桩墙 板桩围护下的基坑渗流 土的渗透性及举例 渗流量 渗流时地下水位 渠道渗流 土的渗透性及举例 透水层 不透水层 天然水面 水井渗流 漏斗状潜水面 Q 渗流滑坡 土的渗透性及举例 土的水理性质 土体在水的作用及其变化的条件下 产生土的物理 力学状态及性质的变化以及对工程的影响 2 2土的水理性质 这里主要讨论以下的两方面问题 土的毛细水性质土的冻胀 土的毛细水性质 土的毛细现象 土中水在表面张力作用下 沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象土能够产生毛细现象的性质称为土的毛细性 土的水理性质 土的毛细性对工程的影响 毛细水上升是引起路基冻害的因素之一对于房屋建筑 毛细水的上升会引起地下室过分潮湿毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化 对工程及农业经济都有很大的影响 土的冻胀影响冻胀的因素有下列三个方面 1 土的因素2 水的因素3 温度的因素 土的水理性质 上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件 其结论是 在持续负温作用下 地下水位较高处的粉砂 粉土 粉质粘土等土层常具有较大的冻胀危害 主要措施 将构筑物基础底面置于当地冻结深度 可查有关规范 以下 以防止冻害的影响 2 2地下水的运动方式和判别 地下水 地下水位以下的重力水 除特殊情况外 地下水总是处在运动状态之中 地下水的运动方式的分类 1 按流线形态 层流 湍流2 按水流特征随时间的变化状况分为 稳定流运动 非稳流运动3 按水流在空间上的分布状况分为 一维流动 二维流动 三维流动 地下水运动的基本方式 地下水的运动方式和判别 地下水运动方式的判别 雷诺数 雷诺 英国 1883年得出了划分层流与湍流的定量界限 称雷诺数 圆管中水的流动雷诺数 式中 v为圆管水流的速度 cm s d为圆管的直径 cm s为水的运动粘滞系数 也称斯托克斯系数 1ST 1cm2 s 当温度T 0摄氏度时 当温度T 30摄氏度时 根据计算结果当Re 2000 2300 时属湍流 水的渗流是由水头势能驱动 从水头高 势能大 的地方流向水头低 势能小 的地方 水头 waterhead 单位重量水体所具有的能量 渗流中一点的总水头h可用下式表示 h z 2 1 z 位置水头 压力水头 流速水头 流速水头近似等于0它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能 几个重要的概念 1 各种水头概念及水力坡降 A点总水头 B点总水头 总水头 水力坡降 渗流流过单位长度时的水头损失 几个重要的概念 水力坡降的物理意义 注意 土体中两点是否会发生渗流 只取决于总水头差 若hA hB时 才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动 但水并非一定向低处流 几个重要的概念 2管内水流动的两种形式 1 流动时相邻的两质点流线永不相交的流动称为层流 2 若水流动时 相邻的两个质点流线相交 流动时将出现漩涡 这种流动称为湍流 土体中水的流速很小可看作为层流 2 4达西定律及其适用范围 达西 H Darcy 1803 1858 法国水力工程师 1856年 达西发表了著名的多孔介质地下水运动或流动的报告 报道了他所做的关于水在沙柱中流动的实验 达西发现通过沙柱的流量与所用砂的透水性和观测点的水头有关 该关系的数学表达式即为达西定律 可以说 达西的发现首次从数量上揭示了多孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量关系 使多孔介质中地下水流计算成为可能 现代地下水流计算中 几乎所有的经典计算方法和计算模型 都是直接或间接地由达西定律推倒而得来 所以可以毫不夸张地说 达西是水文地质学的奠基人之一 他的实验成果开创了一门研究地下水流在多孔介质中运动的科学 地下水动力学 一 达西渗透定律由于土体中的孔隙一般非常微小 水在土体中流动时的粘滞阻力很大 流速缓慢 因此 其流动状态大多属于层流 著名的达西 Darcy 渗透定律 渗透速度 或渗流量为 达西定律及其适用范围 式中 水在土中的渗透速度 cm s 它不是地下水的实际流速 而是在单位时间 sec 内流过单位土截面 cm2 的水量 cm3 是土体断面的平均渗透速度 i 水力梯度 即土中两点的水头差 如下图 为H1 H2 与两点间的流线长度 L 之比 k 土的渗透系数 cm s 与土的渗透性质有关的待定系数 达西定律及其适用范围 必须指出 由式 2 1 求出的渗透速度v是一种假想的平均流速 因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的 而实际上 渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动 实际平均流速v 要比假想的平均流速大很多 它们之间的关系为 达西定律及其适用范围 二 达西渗透定律的适用条件只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律 达西渗透定律的适用界限可以考虑为 满足达西渗透定律的土的平均粒径 对于比粗砂更细的土来说 达西渗透定律一般是适用的 而对粗粒土来讲 只有在水力坡降很小的情况下才能适用 达西定律及其适用范围 达西定律及其适用范围 对粘性土 三 两种特殊情况 对于粘性很大的密实粘土 有一起始坡降i0 当ii0时 水流挤开结合水膜的堵塞 渗流才能发生 如右下图所示 达西定律及其适用范围 对砾土 粗颗粒 只有在水力坡降很小的情况下才能适用 在较大水力梯度下 水在土中的流动进入湍流状态 渗流速度与水力梯度呈非线性关系 此时达西定律不能适用 如图 c 所示 渗透系数是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标 一 实验室内测定渗透系数可分为 常水头试验和变水头试验 一 常水头法是在整个试验过程中 水头保持不变 常水头法适用于透水性强的无粘性土 土的渗透系数 2 5渗透系数的测定 二 变水头法在整个试验过程中 水头是随着时间而变化的 适用于透水性弱的粘性土 土的渗透系数 渗透系数的测定 渗透系数的测定 二 成层土的渗透系数天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成 对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况 当各土层的渗透系数和厚度为已知时 我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数 作为进行渗流计算的依据 渗透系数的测定 如上图 a 所示与层面平行的渗流情况 通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和 即 a 根据达西定律 总渗流量又可表示为 b c 整个土层与层面平行的平均渗流系数为 渗透系数的测定 通过整个土层的总渗流量qy应为通过各土层的渗流量 即 a b c 整个土层与层面垂直的平均渗流系数为 渗透系数的测定 2 6二维渗流和流网的特征 一 拉普拉斯方程 在稳定流的条件下 在均匀且各向同性介质中的渗流 其渗流场可以用拉普拉斯方程来描述 式中 h为渗流的水头或水头差流线可以用流函数来描述 在均匀且各向同性介质中的渗流 流函数满足拉普拉斯方程等势线可以用势函数 就渗流问题来说 一组曲线称为等势线 在任一条等势线上各点的总水头是相等的 另一组曲线称为流线 它们代表渗流的方向 等势线和流线垂直交织在一起形成的网格叫流网 二 流网及其特征 二维渗流和流网的特征 对于各向同性的渗透介质 流网具有下列特征 1 流线与等势线彼此正交 2 每个网格的长宽比为常数 3 相邻等势线间的水头损失相等 4 各流槽的渗流量相等 二维渗流和流网的特征 2 7渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 一 渗流压力的概念在饱和土体中水的渗流分析中 把土颗粒骨架视为不可变形的刚体 发生渗流时 受到土粒的阻力 引起水头损失 同时水也对土颗粒施加渗流作用力 单位体积土骨架所受到的渗流作用力称为渗流压力 seepageforceorseepagepressure 或动水压力 用Gd表示 渗流压力的计算 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 渗流压力是一种体积力 单位是kN m3 渗流压力的大小和水力梯度成正比 方向与渗流方向一致 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 基本类型 流土 管涌 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 形成条件 防治措施 二 渗透破坏类型 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 1 潜蚀 在渗流情况下 地下水对岩土的矿物 化学成分产生溶蚀 滤液后这些成分被带走以及水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中直接带走 这种作用叫潜蚀 潜蚀是岩土体内部的水土流失 在渗流出口处表现为管状涌水并带出细小颗粒 所以潜蚀也称管涌 原因 内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因 渗透力足够大 千里之堤 溃于蚁穴 潜蚀的防治 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 2 流砂或流土在自下而上的渗流发生时 渗流压力的大小超过土重度 土颗粒完全失重 土体的表面隆起 浮动或某颗粒群悬浮 移动的现象称为流土 soilboiling 流土现象比较容易在粉细沙 粉土地层中发生 所以常称为流沙 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 地震引起的砂土液化 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 发生流沙的条件当竖向渗流力等于土体的有效重量 浮重度 时 土体就处于流土临界状态 当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时 就会出现流砂现象 以濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度 Gd Gd 渗流压力 浮重度 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 例如图装置 土样厚度L 25cm 水头差h 20cm 1 计算渗流压力的大小 2 若砂土的土粒相对密度2 68 e 0 72 是否会出现流土现象 3 若要出现流土 计算最小的水头差 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 解 1 渗流压力的大小为 2 计算土样的浮重度 3 当时刚好发生流土 渗流力 潜蚀和流沙的危害及防治 回顾 浮密度 浮重度饱和密度 饱和重度水头h流网 2 8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 一 饱和土体中的孔隙水压 应 力和有效应力 把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力 我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接触力的法向分力之总和FN 除以所研究平面的总面积A所得到的平均应力来定义有效应力 把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为孔隙水压力 常以u表示 其值等于该点的测压管水柱高度hw 与水的重度的乘积 A Aw As 土单元的截面积 颗粒接触点的截面积 孔隙水的截面积 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 把孔隙水压力和有效应力之和称为总应力 式中 a为研究平面内粒间接触面积所占的比值 可忽略不计 著名的有效应力原理 二 在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 地下水位下降引起 增大的部分 u u wh2 u wh2 地下水位下降会引起 增大 土会产生压缩 这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 一 渗流方向由上向下 三 在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 二 渗流方向由下向上 h hw 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 h hw 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 静水条件和渗流情况下的应力情况比较 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 流网绘出以后 渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的水柱高度 或称压力水头 乘以水的重度得到 四 根据流网确定孔隙水压力 当计算点位于下游静水位以下时 按照测压管中水柱高度算出的孔隙水压力是由两部分组成的 其一是由下游静水位产生的孔隙水压力 通常将这一部分孔隙水压力称为静孔隙水压力 其二是由渗流所引起的 即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水压力 通常将这一部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力 注意 土体的超静孔隙水压力除可由渗流产生以外 荷载 动的或静的 也能够在土体内引起超静孔隙水应力 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 例题 如图所示 若地基上的土粒相对密度ds为2 68 孔隙率n为38 0 试求 1 a点的孔隙水应力和有效应力 2 渗流逸出处1 2是否会发生流土 3 图中网格9 10 11 12上的渗流力是多少 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 a点在第二根等势线上 因此 该点的测压管水位应比上游水位低 h 0 8m 从图中直接量得下游静水位至a点的高差ha 10m 而超过下游静水位的高度应为ha h h 8 0 8 7 2m 则a点测压管中的水位高度hw ha ha 10 7 2 17 2m 所以 a点的孔隙水应力为u whw 9 8 17 2 168 56kPa 1 由图中可知 上下游的水位差h 8m 等势线的间隔数N 10 则相邻两等势线间的水头损失 h h 10 8 10 0 8m 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为u wha 9 8 10 98kPa而由渗流引起的超静孔隙水应力为u