土力学与基础工程教案

1 土力学与基础工程土力学与基础工程 绪论绪论 一 土力学与基础工程的研究对象一 土力学与基础工程的研究对象 土是在第四纪地质历史时期地壳表层母岩经受强烈风化作用后所形成的大小不等的 颗粒状堆积物 是覆盖于地壳最表面的一种松散的或松软的物质 土是由固体颗粒 液体 水和气体组成的一种三相体 土在地球表面分布极广 它与工程建设关系密切 在工 程建设中土被广泛用作各种建筑物的地基或材料 或构成建 筑物周围的环境或护层 在土层上修建工业厂房 民用住宅 涵管 桥梁 码头等时 土是作为承受上述结构物荷载的地 基 修筑土质堤坝 路基等时 土由被用作建筑材料 在我国的边远和不发达地区 目前 仍有大量的土木结构类型的农舍存在 土作为建筑环境和护层的情况 在工程地质学中已 有论述 此处不再赘述 总而言之 土的性质对于工程建设的质量 性状等 具有直接而 有重大的影响 受建筑物影响的那部分 承受建筑物荷载的地层 地层称为地基 地基又分为 天受建筑物影响的那部分 承受建筑物荷载的地层 地层称为地基 地基又分为 天 然地基 人工地基两类 然地基 人工地基两类 土的性质极其复杂 当地层条件较好 地基土的力学性能较好 能满足地基基础设计对地基的要求时 建筑物的基础被直接设置在天然地层上 这样的地 基被称为天然地基天然地基 而当地层条件较差 地基土强度指标较低 无法满足地基基础设计对 地基的承载力和变形要求时 常需要对基础底面以下一定深度范围内的地基土体进行加固 或处理 这种部分经过人工改造的地基被称为人工地基人工地基 与地基接触并传递荷载给地基的结构物称为基础 与地基接触并传递荷载给地基的结构物称为基础 基础的结构形式很多 具体设计时 应该选择既能适应上部结构 符合建筑物使用要求 又能满足地基强度和变形要求 经济 合理 技术可行的基础结构方案 基础底面到地面的距离称为基础埋深 依据埋深不同 基础分为浅基础和深基础两大类 通常把埋置深度不大 一般不超过 5 0m 只需经过挖槽 排水等普通施工工序就可以建造起来的基础称为浅基础 而把埋置深度较大 一般不小于 5 0 并需要借助于一些特殊的施工方法来完成的各种类型基础称之为深基础 地基和基础是建筑物的根基 又属于隐蔽工程 它的勘察 设计和施工质量直接关系 着建筑物的安危 工程实践表明 建筑物的事故很多都与地基基础问题有关 而且一旦发 生地基基础事故 往往后果严重 补救十分困难 有些即使可以补救 其加固修复工程所 2 需的费用也十分可观 二 二 国内外土木工程事故举例国内外土木工程事故举例 综合分析可以得到 与地基基础有关的土木工程事故可主要概括为以下类型 地基 产生整体剪切破坏 地基发生不均匀沉降 地基产生过量沉降以及地基土液化失效 均匀沉降 地基产生过量沉降以及地基土液化失效 现分别举例如下 地基产生整体剪切破坏 巴西某十一层大厦 1955 年始建的巴西某十一层大厦长 25m 宽 12m 支承在 99 根 21m 长的钢筋混凝土桩上 1958 年大厦建成后 发现其背后明 显下沉 1 月 30 日 该建筑物的沉降速度高达每小时 4mm 晚 8 时许 大厦在 20s 内倒塌 后查明该大厦下有 25m 厚的沼泽土 图 0 2 加拿大特朗斯康谷仓的地基事故 而其下的桩长仅有 21m 为深入其下的坚固土层 倒塌是由于地基产生整体剪切破坏所致 加拿大特朗斯康谷仓 图 0 2 是建于 1914 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 的软粘土层 谷仓建成后初次贮存谷物达 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 27o 后查明谷 仓基础底面单位面积压力超过 300kPa 而地基中的软粘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七十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 单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 3 地基产生不均匀沉降 意大利比萨斜塔 图 0 3 比萨斜塔建造 经历了三个时期 第一期 自 1173 年 9 月 8 日动工 至 1178 年 建至第 4 层 高度约 29m 时 因塔倾 斜而停工 第二期 钟塔施工中断 94 年后 于 1272 年复工 至 1278 年 建完第 7 层 高 48m 再次停工 第三期 经第二次施工 中断 82 年后 于 1360 年再复工 至 1370 年竣工 全塔共八层 高度为 55m 目前塔北侧沉降一米多 南侧沉降近三米 塔顶偏离中心线约 5 54m 倾斜约 5 8o 为使斜塔安全留存 后在国际范围内进行 了招标 对斜塔进行了加固处理 我国 名胜苏州虎丘塔 苏州虎丘塔建于 959 961 年期间 为七级八角形砖塔 塔底直径 13 66m 高 47 5m 重 63000kN 塔建成后由于历经战火沧桑 风雨侵蚀 使塔体严重损坏 为了使该名胜古迹安全 留存 我国于 1956 1957 年期间对其进 行了上部结构修缮 但修缮的结果使塔体 重量增加了约 2000 kN 同时加速了塔体 的不均匀沉降 塔顶偏离中心线的距离由 1957 年的 1 7m 发展到 1978 年的 2 31m 并导致地层砌体产生局部破坏 后于 1983 年对该塔进行了基础托换 使其不均匀 沉降得以控制 因地基 意大利比萨斜塔 图 0 3 产 生不均匀沉降而导致基础断裂 上部结构破坏的事例不胜枚举 地基产生过量沉降 广深铁路 k2 150 段线路 我国广深铁路 k2 150 段线路位于广州 市 该路段地处山涧流水地带 淤泥覆盖层较厚 通车后路基不断下沉 1975 年后 严重 地段每旬下沉量高达 12 16mm 其它地段每旬下沉量 8 12mm 不等 路基的下沉不仅增加 了该段铁路的维修保养作业量 更严重威胁着铁路列车的安全营运 该路段后采用高压喷 射注浆法进行了路基土加固处理 西安某住宅楼 西安某住宅楼位于西安市霸桥区 场 地为 级自重湿陷性黄土场地 建筑物长 18 5m 宽 14 5m 为六层点式砖混结构 基础采 用肋梁式钢筋混凝土基础 建筑物修建以前对地基未做任何处理 由于地下管沟积水 致 使地基产生湿陷沉降 在沉降发生最为严重的 5 天时间里 该建筑物的累计沉降量超过了 4 300mm 后虽经对基础进行托换处理止住了建筑物的继续沉降 但过量沉降严重影响了该建 筑物的使用功能 在门厅处不仅形成了倒灌水现象 而且门洞高度严重不足 人员出入极 不方便 地基液化失效 日本新泻地震 日本新泻市于 1964 年 6 月 16 日发生了 7 5 级大地震 当地大面积的砂土地基由于在地震过程中产生振动液化现象而失去了承载能力 毁坏房屋 近 2890 幢 唐山地震 1976 年 7 月 28 日发生在我国唐山市的大地震是人类历史上造成 损失最严重的地震之一 震级 7 8 级 大量建筑物在地震中倒塌损毁 地基土的液化失效 是其中的主要原因之一 唐山矿冶学院图书馆书库因地基液化失效致使其第一层全部陷入 地面以下 三 土力学与基础工程课程学习的内容三 土力学与基础工程课程学习的内容 土力学与基础工程分为两部分内容 1 是关于地基基础设计与施工的知识 即基础工程学的内容 2 是有关土的物理力学性质以及土的强度理论 渗透理论和变形理论的知识 即解 决土力学各种课题的基本理论和试验研究方法 土是由不同成因的岩石在风化作用 物理风化 化学风化和生物风化 后经重力 土是由不同成因的岩石在风化作用 物理风化 化学风化和生物风化 后经重力 流流 水 冰川和风力等营力搬运 沉积而成的自然历史产物 水 冰川和风力等营力搬运 沉积而成的自然历史产物 建筑物的地基基础和上部结构虽然各自功能不同 研究方法相异 但是无论从力学分 析入手还是从经济观点出发 这三部分却是彼此联系 相互制约的有机统一体 目前 要 把这三部分完全统一起来进行设计计算还十分困难 但从地基 基础 上部结构共同工作 的概念出发 尽量全面考虑诸方面的因素 运用力学和结构设计方法进行基础工程计算将 是土力学的主要研究内容之一 土的工程性质指标包括物理性质指标和力学性质指标两类 1 物理性质指标 用于定量描述土的组成 土的干湿 疏密与软硬程度的指标 2 力学性质指标 用于定量描述土的变形规律 强度规律和渗透规律的指标 土力学的内容包括土中的地下水的流网分析 土中应力计算 沉降计算 固结理论 地基承载力计算 土压力计算和土坡稳定分析等 5 土力学学科研究和解决工程中两大类问题 土体变形问题 土体稳定问题 南昌市市区地层情况大致为 南昌市赣江及其以东地区 地壳表层覆盖着第四系冲积 地层 一般厚度为 12 25m 赣江沿岸和抚河支流之间属一级阶地 由第四系全新统填土 层 淤泥 淤泥质土及松散 稍密状态的细 中 粗 砾砂组成 桩基础侧阻力较小 城 区的大部分地段属于二级阶地 由力学性质较好的第四系上更新统填土 粉质粘土 细 中 粗 砾砂及圆砾层等组成 具有明显的二元结构 下卧基岩为第三系古新统新余群紫 红色泥质粉砂岩 细砂岩 灰色钙质泥岩 这几种岩石呈不等厚互层 形成巨厚的红层 四 本学科的发展概况四 本学科的发展概况 地基基础是一项古老的建筑工程技术 早在史前的人类建筑活动中 地基基础作为一项 工程技术就被应用 我国西安市半坡村新石器时代遗址中的土台和石础就是先祖们应用这 一工程技术的见证 公元前 2 世纪修建的万里长城 始凿于春秋末期 后经隋 元等代扩 建的京杭运河 隋朝大业年间李春设计建造的河北赵州安济桥 我国著名的古代水利工程 之一 战国时期李冰领导修建的都江堰 遍布于我国各地的巍巍高塔 宏伟壮丽的供电 庙宇和寺院 举世闻名的古埃及金字塔等 都是由于修建在牢固的地基基础之上才能逾千 百年而留存于今 据报道 建于唐代的西安小雁塔其下为巨大的船形灰土基础 这使小雁 塔经历数次大地震而留存于今 上述一切证明 人类在其建筑工程实践中积累了丰富的基 础工程设计 施工经验和知识 但是由于受到当时的生产实践规模和知识水平限制 在相 当长的的历史时期内 地基基础仅作为一项建筑工程技术而停留在经验积累和感性认识阶 段 十八世纪欧洲产业革命以后 水利 道路以及城市建设工程中大型建筑物的兴建 提 出了大量与土的力学性态有关的问题并积累了不少成功经验和工程事故教训 特别是这些 工程事故教训 使得原来按以往建设经验来指导工程的做法已无法适应当时的工程建设发 展 这就促使人们寻求对许多类似的工程问题的理论解释 并要求在大量实践基础上建立 起一定的理论来指导以后的工程实践 例如 十七世纪末期欧洲各国大规模的城堡建设推 动了筑城学的发展并提出了墙后土压力问题 许多工程技术人员发表了多种墙后土压力的 计算公式 为库仑 Coulomb C A 1773 提出著名的抗剪强度公式和土压力理论奠定了基 础 十九世纪中叶开始 大规模的桥梁 铁路和公路建设推动了桩基和深基础的理论与施 工方法的发展 路堑和路堤 运河渠道边坡 水坝等的建设提出了土坡稳定性的分析问题 6 1857 年英国人 W J M 朗肯 Rankine 又从不同途径提出了挡土墙的土压力理论 1885 年 法国学者 J 布辛奈斯克 Boussinesq 求得了弹性半空间体在竖向集中力作用下的应力和 位移解 1852 年法国的 H 达西 Darcy 创立了砂性土的渗流理论 达西定律 1922 年 瑞典学者 W 费兰纽斯 Fellenius 提出了一种土坡稳定的分析方法 这一时期的理论研 究为土力学发展成为一门独立学科奠定了基础 1925 年美国人 K 太沙基 Terzaghi 归纳了以往的理论研究成果 发表了第一本 土力学 专著 又于 1929 年与其它学者一起发表了 工程地质学 这些比较系统完整 的科学著作的出版 带动了各国学者对本学科各个方面的研究和探索 从此 土力学 作 为一门独立的科学而得到不断发展 我国著名学者黄文熙教授 陈宗基教授等也为土力学 的发展做出了突出贡献 7 第一章第一章 土的物理性质和工程分类土的物理性质和工程分类 第一节第一节 土的三相组成土的三相组成 土 一词在不同的学科领域有其不同的涵义 就土木工程领域而言 土是指覆盖在地 表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物 土与岩石的区分仅在于颗粒间胶结的强弱 自然界 的土是由岩石经风化 搬运 堆积而形成的 包括无机矿物颗粒和有机质 1 物理风化 指由于温度变化 水的冻胀 波浪冲击 地震等引起的物理力使岩体崩 解 碎裂成岩块 岩屑的过程 物理风化仅使岩石产生量的变化 2 化学风化 指岩体 或岩块 岩屑 与空气 水和各种水溶液相接触 经氧化 碳化和 水化作用分解为极细颗粒的过程 生物的活动也可助长风化的进程 而化学风化却使 岩石产生质的变化 土是由固体颗粒 水 气体三部分组成的三相组成 土 土粒 固相 水 液相 空气 气相 土 土粒 固相 水 液相 空气 气相 1 固相 包括多种矿物成分组成土的骨架 骨架间的空隙为液相和气相填满 这些空隙 是相互连通的 形成多孔介质 2 液相 主要是水 溶解有少量的可溶盐类 3 气相 主要是空气 水蒸气 有时还有沼气等 分类标准分类标准名称名称 无机土 来 源 有机土 残积土 搬运力 运积土坡积土 8 河流冲击土 风积土 洪积土 冰川沉积土 冰碛土 湿陷土 一 土的固相一 土的固相 1 土的矿物成分 土的矿物成分 土是岩石风化的产物 因此土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后 的风化作用 成土矿物可分为两大类即原生矿物和次生矿物 土的固相部分包括无机矿物 颗粒和有机质 主要是土粒 有时还有粒间胶结物和有机质 他们构成了土的骨架 原生矿物 由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成 它的成分与母 岩的相同 常见的有石英 长石和云母等 颗粒一般较粗 多呈浑圆形 块状或板状 吸附水的能力弱 性质比较稳 无塑性 次生矿物 由原生矿物经化学风化生成的新矿物 它的成分与母岩的完全不同 次生矿物主要 是粘土矿物 即高岭石 伊利石和蒙脱石 颗粒极细 且多呈片状 性质活泼 有较强的吸附水能力 尤其是由蒙脱石组成的颗粒 具塑性 遇水膨 胀 9 2 2 土的粒度成分 土的粒度成分 天然土是由大小不同的颗粒组成 土粒的大小称为粒度 土是由大小不同的土粒组成 的 土粒的粒径由粗到细逐渐变化时 土的性质相应地发生变化 例如土的性质随着粒径 的变细可由无粘性变化到有粘性 界限粒径界限粒径 划分粒组的分界尺寸 土的颗粒级配土的颗粒级配 土中各个粒组的相对含量 各粒组占土粒总重的百分数 本书称之为土 的粒度成分 得到的方法 1 筛分法 粒径 mm 2 沉降法 比重计法和移液管法 粒径 mm 土的颗粒级配 粒度成分 的表示方法 1 表格法 2 累计曲线法 颗粒级配累积曲线颗粒级配累积曲线 颗粒大小分析试验成果 由其横坐标 对数坐标 表示粒径 纵坐 标则表示用小于 或大于 某粒径的土重含量 或称累计百分含量 土粒质量累计百分数为 10 时 相应的粒径称为有效粒径有效粒径 d10 小于某粒径的土粒质 量累计百分数为 30 时的粒径用 d 0表示 当小于某粒径的土粒质量累计百分数为 60 时 该粒径称为限定粒径限定粒径 d 0 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标 如 d 0与 d10的比值 C 称 不均匀系数不均匀系数 曲率系数曲率系数 Cc 10 60 d d C 1060 30 2 dd d s C 不均匀系数 C 反映大小不同粒组的分布情况大小不同粒组的分布情况 C 越大表示土粒大小的分布范围 越大 其级配越良好 作为填方工程的土料时 则比较容易获得较大的密实度 曲率系数 Cc描写累积曲线的分布范围累积曲线的分布范围 反映曲线的整体形状 的土称为匀粒土 级配不良 5 u C 的土级配良好 10 u C 级配良好级配良好 曲线平缓 粒径大小相差悬殊 土粒不均匀 颗粒级配可以在一定程度上反映土的某 些性质 对于级配良好的土 较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充 因而土的密实度较 好 相应的地基土的强度和稳定性也较好 透水性和压缩性也较小 可用作堤坝或其它土 建工程的填方土料 10 3 三角坐标法 颗粒级配 粒度成分 分析方法颗粒级配 粒度成分 分析方法 1 粗粒土 采用筛分法 2 细粒土 用沉降分析法 3 土粒的形状 体积系数 c V 3 6 m d V c V 土粒体积 土粒的最大粒径 c V m d 形状系数 F 2 B AC F 分别为土粒的最大 中间 最小粒径ABC 二 土的液相二 土的液相 土中的水 土中水处于不同位置和温度条件下 可具有不同的物理状态 固态 零度下的冰夹层等 液态 气态 液态水是土中孔隙水的主要存在状态 因其受土粒 表面双电层影响程度的不同可分为结合水 毛细水 重力水 后两者也称为非结合水 自 由水 按照水与土相互作用程度的强弱 可将土中水分为结合水和自由水 液态水是土 中孔隙水的主要存在状态 因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水 毛细水 重力水 后两者也称为非结合水 自由水 一 结合水 土颗粒表面带有一定的电荷 当土粒与水相接触时 由于静电作用力 将吸引水化离 子和水分子 形成双电层 土粒表面的负电荷 和其形成的电场中有钙 钠 铝等阳离子 水 的 类 型主要作用力 结 合 水物理化学力 毛 细 水表面张力和重力 非 结 合 水 重 力 水重 力 11 在双电层影响下的水膜称为表面结合水 双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄 结合水 具有与一般自由水不同的性质 其密度较大 粘滞度高 流动性差 冰点低 比热较大 介电常数较低 这种差异随距离增加而减弱 水的正电荷 氧离子 对着土 土的表面是 负电荷 1 强结合水 特性接近固体 完全不能移动 2 弱结合水 粘滞水膜 能发生变形 但不因重力而流动 土产生塑性的原因 二 非结合水 在双电层影响以外的水为自由液态水 它主要受重力作用的控制 土粒表面吸引 力居次要地位 这部分水称为非结合水 它包括毛细水和重力水 1 毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水 毛管现象是毛细管壁对水 的吸力和水的表面张力共同作用的结果 毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂 水 与地下水无直接联系 和毛细水上升水 与地下水相连 两种 毛细水是受毛细管作用 控制的水 可以把土的孔隙看作是连续变截面的毛细管 毛细管放在水中 管中的水位会 上升到自由水位以上的一定高度 毛管直径愈细上升高度愈高 毛细区域 内的水压力与一般静水压力的概念相同 它与水头高度非常成正比 负号表示拉力 自 c h 由水位以下为压力 自由水位以上 毛细区域内为拉力 颗粒骨架承受水的反作用力 因 此自由水位以下 上骨架受浮托力 减小颗粒间的压力 自由水位以上 毛细区域内 颗 粒间受压力 毛细压力呈倒三角形分布 弯液面处最大 自由水面处为零 2 重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水 它是在重力或压力差作用下运 动的自由水 对土粒有浮力作用 重力水只受重力控制 不受土粒表面吸引力的影响 三 土的气相三 土的气相 12 分为与大气连通的和不连通的两类 吸附于土颗粒表面及溶于水的气体 与大气相通的气体 可以排出 封闭性的气体 不可以排出 存在有封闭气体的土 称为橡皮土 工程中决不允许含气体的土称为非饱和土 校园现场观察土的特点 现场提问答疑 本次课总结 1 土是由固体 土粒 液体 水 和气体 空气 三相所组成 2 粒径级配曲线的特点及用途 3 常见土的结构及构造形式 复习思考 1 粘土颗粒表面哪一层水膜对土的工程性质影响最大 为什么 2 为什么土的级配曲线用半对数坐标 课后作业 第二节第二节 土的三相比例指标土的三相比例指标 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标 所谓土的物理性质指标土的物理性质指标 就是表示土中三相比例关系的一些物理量 土的物理性质指标可以分为两类 1 必须通过试验测定的 如含水率 密度和土粒比重 2 可以根据试验测定的指标换算的 如孔隙比 孔隙率和饱和度等 土粒质量 s g 土中水质量 w g 土的总质量mg 土粒体积 土中水体积 土中气体积 13 土中空隙体积 V 土的总体积 一 试验指标一 试验指标 1 土的密度 天然密度 天然状态下 单位体积土的质量 单位为或 3 cmg 即 3 mt V g 天然密度变化范围较大 一般粘性土 砂土 3 0 28 1cmg 3 0 26 1cmg 腐殖土 天然密度一般用 环刀法 测定 用一个圆环刀 刀口向下 3 7 15 1cmg 放在削平的原状土样面上 徐徐削去环刀外围的土 边削边压 使保持天然状态的土样压 满环刀内 称得环刀内土样质量 求得它与环刀容积之比值即为其密度 2 土粒密度 比重 干土粒质量与其体积之比 即 s g s V s s V g s 土粒相对密度 土粒质量与同体积的 4 时纯水的质量之比 一般用或表示 无量 s d s G 纲 即 式中 土粒密度 s 3 cmg 纯水在 4 时的密度 单位体积的质量 等于 1或者 1 1w 3 cmg 3 mt 试验测定方法 比重瓶法 实际上 土粒比重在数值上就等于土粒密度 但前者无因次 土粒比重决定于土 14 的矿物成分 它的数值一般为 2 6 2 8 有机质土为 2 4 2 5 同一种类的土 其比重 变化幅度很小 土粒比重可在试验室内用比重瓶测定 将置于比重瓶内的土样在 105 110 下烘 干后冷却至室温用精密天平测其质量 用排水法测得土粒体积 并求得同体积 4 纯 水的质量 土粒质量与其比值就是土粒比重 由于比重变化的幅度不大 通常可按经验数值选用 粘性土 土的名称砂土粉土粘质粉土 粉质粘土 粘土 土粒比重2 65 2 69 2 70 2 712 712 72 2 732 74 2 76 3 土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比 一般用表示 以百分数计 即 s w g g w 含水量是反映土的湿度的一个重要物理指标 天然状态下土层的含水量称天然含水 量 其变化范围很大 与土的种类 埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关 一般干的 粗砂土 其值接近于零 而饱和砂土 可达 40 坚硬的粘性土的含水量约小于 30 而 饱和状态的软粘性土 如淤泥 则可达 60 或更大 一般说来 同一类土 当其含水量 增大时 强度就降低 土的含水量一般用 烘干法 测定 先称小块原状土样的湿土质量 然后置于烘干箱内 维持 100 105 烘至恒重 再称干土质量 湿 干土质量之差与干土质量的比值 就是土 的含水量 课堂讨论 相对密度 比重 与天然密度 重度 的区别 注意 从公式可以看出 对于同一种土 在不同的状态 重度 含水量 下 其比重 不 变 土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比 以百分数表示 100 s m m 试验测定方法 烘干法 讨论 含水量能否超过 100 从公式可以看出 含水量可以超出 100 15 二 换算指标二 换算指标 1 土的干密度 土的固相质量与土的总体积之比 土单位体积中固体颗粒部分质 d 量 即 V g d s 孔隙比 含水量 ew 在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标 以控制填土工程的施工质量 2 土的饱和密度 土孔隙中充满水时 单位体积质量 即 sat V gg sat sw 式中为水的密度 近似等于 w 3 1cmg w 3 土的有效重度 是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比 又称为浮重度 wsatV Vg wss 10 有效密度 土体中土粒的质量扣除浮力后 即为单位体积中土粒的有效质量 即 4 土的孔隙比 e 是土中孔隙体积与土粒 固相 体积之比 孔隙比用小数表示 即 土粒比重 土的干密度 土的天然密度 土的含水量 水的密度 s d d w w 近似等于 天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比 它是一个重要的物理性指标 3 1cmg 可以用来评价天然土层的密度程度 一般的土是密实的低压缩性土 的土6 0 e0 1 e 是疏松的高压缩性土 5 土的孔隙率 土中孔隙所占体积与总体积之比 空隙率用百分数表示 即 n 16 一般粘性土的孔隙率为 30 60 无粘性土为 25 45 6 土的饱和度 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比 以百分率计 即 r S 土的干密度 水的密度 近似等于 含水量 孔隙率 d w 3 1cmgwn 孔隙比 e 饱和度可以反映土的干湿程度 砂土根据饱和度 Sr 的指标值分为稍湿 很湿与饱和三 种湿度状态 其划分标准见下表 砂土湿度状态稍湿很湿饱和 饱和度 Sr Sr 505080 讨论 孔隙比 孔隙率 饱和度能否超过 1 或 100 三 指标间的相互换算三 指标间的相互换算 已知 Gs或 相对密度 e n Sr sat sat d d 等的 s d 表达式 推导间接指标的关键在于 熟悉各个指标的定义及其表达式 能熟练利用土的三相简 图 推导公式主要步骤 利用 VS作为未知数 将土的三相图中的各相物质的质量用 Gs或 相对密 s d 度 和 VS表示出来 填在图中 17 先将孔隙比 e 的表达式求出来 然后将其它指标用 Gs 和 e 来表达 依上图 将 m 1 Gs Vs 和 V 1 e Vs代入中可得 V m 1 1 s G e 注意 此时 e 已是 已知 的指标 根据各间接指标的定义 利用三相简图可求得 或 1 d e Gs d 1 e eGs sat 1 e eGs sat 1 或 e Gs 1 1 we ds 1 1 或 e e n 1 s d G n 1 e G S s r 课堂思考 可否用其它简洁方法上述推导公式 如令 Vs 1 课堂先自习例题后讲解 例 1 1 某土样经试验测得何种为 100 3 湿土质量为 187g 烘干后 干土质量 为 167 g 若土粒的相对密度 Gs为 2 66 试求该土样的含水量 密度 重度 干重度 d 孔隙比 饱和重度 sat和有效重度 解题思路 利用定义先求 后根据公式求相关指标 例 2 1 某完全饱和粘性土的含水量为 40 土粒相对密度 Gs 2 7 试按定义 求土的孔隙比 和填密度 d 解题思路 18 本题给出的条件是饱和土 Sr 100 利用三相图求出各相的质量和体积 用定义求出e和 d 现场提问答疑 本次课小结 1 各指标的定义 2 利用三相图进行指标间的相互换算 复习思考 1 在土的三相比例指标中 哪些指标是直接测定的 用何方法 2 在三相比例指标中 哪些指标的数值可以大于 1 哪些不行 课后作业 第三节第三节 土的结构土的结构 土的结构是指土粒的大小 形状 互相排列及联结的特征 1 单粒结构 以点 点接触占优势 这是碎石土和砂土的结构特征 其特点是土粒间 没有联结存在 或联结非常微弱 可以忽略不计 19 2 片堆结构 分散结构 以面 面接触为主 以粉粒为主的土的结构特征 3 片架结构 絮凝结构 以点 面接触为主 是粘土颗粒特有的结构 第四节第四节 粘性土的界限含水量粘性土的界限含水量 一 粘性土的状态与界限含水量一 粘性土的状态与界限含水量 粘性土由于含水量的不同 分为固态 半固态 可塑状态和流动状态 这即是粘性 土的稠度状态 各稠度状态间的临界含水量称界限含水量界限含水量 界限含水量随粘粒含量和矿物 成份的不同变化较大 也反映出工程地质性质的显著差别 因此界限含水量及界限含水量 与天然含水量的关系 即塑性指数和液性指数塑性指数和液性指数 流动状态 可塑状态 半固体状态 固体状态 土由半固态到可塑状态的界限含水量称为塑限塑限 用表示 用 搓条法 测定 即用 p w 双手将天然湿度的土样搓成小圆球 球径小于 10mm 放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚 成小土条 用力均匀 搓到土条直径为 3mm 出现裂纹 自然断开 这时土条的含水量就 是塑限值 p w 土由可塑状态到流动状态的界限含水量称为液限液限 用表示 我国采用锥式液限仪来 l w 测定 其工作过程是 将粘性土调成均匀的浓糊状 装满盛土杯 刮平杯口表面 将 76 克 重圆锥体轻放在试样表面的中心 使其在自重作用下徐徐沉入试样 若圆锥体经 5 秒种恰 好沉入 10mm 深度 这时杯内土样的含水量就是液限值 为了避免放锥时的人为晃动影 l w 响 可采用电磁放锥的方法 注意 塑限 液限是一个含水量 二 塑性指数二 塑性指数 20 塑性指数是指液限和塑限的差值 省去 号 即土处在可塑状态的含水量变化范围 用表示 p I plp wwI 显然 塑性指数愈大 土处于可塑状态的含水量范围也愈大 塑性指数的大小与土中 结合水的可能含量有关 土中结合水的含量与土的颗粒组成 矿物组成以及土中水的离子 成分和浓度等因素有关 由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素 因此 在工 程上常按塑性指数对粘性土进行分类 三 液性指数三 液性指数 液性指数 粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 用表示 即 l I 从式中可见 当土的天然含水量小于时 小于 0 天然土处于坚硬状态 w p w l I 当大于时 大于 1 天然土处于流动状态 w l w l I 当在与之间时 即在 0 1 之间 则天然土处于可塑状态 w p w l w l I 因此 可以利用液性指数来表示粘性土所处的软硬状态 值愈大 土质愈软 反 l I l I 之 土质愈硬 建筑地基基础设计规范 GBJ7 89 规定粘性土按液性指数值划分为 状态坚硬硬塑可塑软塑流塑 液性指数IL 00 IL 0 250 25 IL 0 750 751 0 讨论 液性指数是否会出现 IL 1 0 和 IL0 67 密实的 22 0 67 Dr 0 33 中密的 0 33 Dr 0 松散的 相对密实度试验适用于透水性良好的无粘性土 如纯砂 纯砾等 一般情 况很难保证砂土的原状结构 因此很难测得天然孔隙比 e 工程中常用标准贯 入击数 N 确定砂土的密实度 讨论 相对密度是否会出现 Dr 1 0 和 Dr 0 的情况 优点 在理论上比孔隙比能够更合理确定土的密实状态 缺陷 测定 e emax与 emin困难 通常多用于填方工程的质量控制中 对于天然土尚难 以应用 例 某砂土试样 通过试验测定土粒相对密度 Gs 2 7 含水量 9 43 天然天然密 度 1 66 3 已知砂样牌最密实状态时称得干砂质量 ms1 1 62 牌最疏松状态时称得干 砂质量 ms2 1 45 试求此砂土的相对密度 Dr 并判断砂土所处的密实状态 解题思路 先利用三个基本指标求出天然孔隙比 e 土最密实时有最大干密度 dmax和最小孔隙比 emin 土最疏松时有最小干密度 dmin和 最 大孔隙比 emax 利用公式 d 和 e 求得 emin与 emax V ms 1 d s G 利用相对密度的定义式求得其密实度 minmax max ee ee Dr 二 标准贯入试验二 标准贯入试验 标准贯入试验 SPT 是动力触探的一种 它利用一定的锤击动能 锤重 63 5 0 5kg 落 距 76 2cm 将一定规格的对开管式的贯入器 对开管外径 51 1mm 内径 35 1mm 长度 457mm 下端接长度 76 1mm 刃角 18 20 刃口端部厚 1 6mm 的管靴 上端接一内 外径与对开管相同的钻杆接头 长 152mm 打入钻孔孔底的士中 根据打入土中的贯阻抗 判别土层的工程性质 贯入阻抗用贯入器贯入土中 30cm 的锤击数 N 表示 N 也称为标贯 击数 23 该实验的的应用主要有评定砂土的相对密度 评定地基土承载力 估算单桩承载力等 以下提供前两方面的经验数据 优点 可现场测定土的密实度 得到广泛应用 工程经验 在工地现场要判别土料是否在最优含水量附近时 可按下述方法 用手 抓 起一把土 握紧后松开 如土成团一点都不散开 说明土太潮湿 如土完全散开 说明土 太干燥 如土部分散开 中间部分成团 说明土料含水量在最优含水量附近 第六节第六节 粘性土的物理化学性质粘性土的物理化学性质 一 粘土颗粒的矿物成分 形状和比表面积一 粘土颗粒的矿物成分 形状和比表面积 粘性土的性质与粗颗粒土很不相同 主要是因为矿物成分不同 粘土颗粒则主要由粘土 矿物组成 如 高岭石 蒙脱石 伊利石 成分与含量不同形成了土的不同的工程性质 1 高岭石 具有不活动的双层晶格构造 含高岭石的粘性土具有较好的工程性质 2 蒙脱石 具有很大活动性的三层晶格构造 含蒙脱石的粘性土呈不良的工程性质 过 大的粘着性和可塑性 强烈的干缩与湿胀 水稳定性很差 3 伊利石 是一种过渡性的矿物 其性质介是上面两者之间 二 粘性土的胶体性质二 粘性土的胶体性质 1 粘土颗粒的带电性 粘土颗粒是带负电的 2 土中水的水化离子 3 双电层和结合水膜 土粒表面的负电荷和反离子层合起来称为双电层 扩散层中的离子电荷与土粒表面电荷相反 则称之为反离子层 4 胶溶和凝聚 是土粒间引力和斥力相互作用的结果 当引力与斥力互相平衡以后的净作用力为斥力时 互相排斥 处于胶溶状态 当净作用力 为引力时 互相吸引 则产生凝聚 形成絮状结构 三 粘性土胶体性质对工程性质的影响三 粘性土胶体性质对工程性质的影响 24 1 土在形成过程中的胶体物理化学现象 2 对粘性土可塑性的影响 3 对土的触变性的影响 4 粘性土的胀缩性 四 在工程实践中的应用四 在工程实践中的应用 1 触变性质的利用 2 离子交换性质的利用 3 电渗 电泳规律的利用 4 路基冻胀的机理分析 第七节第七节 土的工程分类土的工程分类 地基土的分类是根据不同的原则将其划分为一定的类别 同一类别的土在工程地质性 质上应比较接近 土的合理分类具有很大的实际意义 例如根据分类名称可以大致判断土 的工程特性 评价土作为建筑材料的适宜性及结合其他指标来确定地基的承载力等 作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下列原则进行 1 根据地质成因可分为残积土 坡积土 洪积土 冲积土 风积土等 2 根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土 砂土 粉土和粘性土 3 根据土的工程特性的特殊性质可分为一般土和特殊土 一 无粘性土 一 无粘性土 一般指碎石土和砂土 碎石土是粒径大于 2mm 的颗粒含量超过全重的 50 的土 碎石土根据粒组含量及形状按下表分类 土的名称颗粒形状 颗粒级配 漂石 块石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于 200mm 的颗粒超过全重 50 卵石 碎石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于 20mm 的颗粒超过全重 50 圆砾 角砾 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于 2mm 的颗粒超过全重 50 砂土是指粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重 50 粒径大于 0 075mm 的颗粒超过 25 全重 50 的土 砂土按粒组含量分类如下表 土的名称颗粒级配 砾砂粒径大于 2mm 的颗粒占全重 25 50 粗砂粒径大于 0 5mm 的颗粒超过全重 50 中砂粒径大于 0 25mm 的颗粒超过全重 50 细砂粒径大于 0 75mm 的颗粒超过全重 85 粉砂粒径大于 0 75mm 的颗粒超过全重 50 二 粉土 二 粉土 介于无粘性土与粘性土之间 是指粒径大于 0 075mm 的颗粒含量不超过全重 50 塑性指数小于或等于 10 的土 又可根据颗粒级配分为 p I 砂质粉土 粒径小于 0 005mm 的颗粒含量不超过全重 10 粘质粉土 粒径小于 0 005mm 的颗粒含量超过全重 10 粉土的颗粒级配中 0 05 0 1mm 和 0 005 0 05mm 的粒组占绝大多数 而水与土粒之间 的作用是明显不同于粘性土和砂土 这主要表现 粉粒 的特性 其工程性质介于粘性土和 砂土之间 若用含水量接近饱和的粉土 团成小球 放在掌上左右反复摇幌 并以另一手 震击 则土中水迅速渗出 并呈现光泽 这是野外鉴别时常用方法之一 三 粘性土三 粘性土 是指塑性指数大于 10 的土 粘性土类的工程性质与土的成因 生成年代 p I 的关系很密切 不同成因和年代的粘性土 尽管其某些物理性质指标值可能很接近 但其 工程性质可能相差很悬殊 1 粘性土按沉积年代分为 老粘性土 第四纪晚更新纪 及其以前沉积的粘性土 它是一种沉积年代久 工 3 Q 程性质较好的粘性土 一般具有较高的强度和较低的压缩性 一般粘性土 第四纪全新世 文化期以前 沉积的粘性土 其分布面积最广 4 Q 遇到的也最多 工程性质变化很大 新近沉积的粘性土 指文化期 千年 以来新近沉积的粘性土 强度较低 2 粘性土按塑性指数分类 粘性土按塑性指数分类标准如下表 p I 26 土的名称 粉质粘土粘土 塑性指数 10 IP 17 四 塑性图分类四 塑性图分类 第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 第一节第一节 概述概述 土是由固体相的颗粒 孔隙中的液体和气体三相组成的 而土中的孔隙具有连续的性 质 当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时 水就会在水头差作 用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧 渗透渗透 存在于地基中的地下水 在一定的压力差作用下 将透过土中的这些孔隙发生 流动 在水头差作用下 水透过土体孔隙的现象 渗透性 土允许水透过的性能称为土的渗透性 水在土体中渗透会产生两方面的影响影响 一方面会造成水量损失 影响工程效益 另一 方面将引起土体内部应力状态的变化 从而改变水土建筑物或地基的稳定条件 甚者还会 酿成破坏事故 不同的土具有不同的透水能力 主要由土的颗粒组成和孔隙比等决定 定量指标为渗渗 透系数透系数 土层中所有名点在同一方向的透水能力相同时 称为均质土层均质土层 否则称为非均质非均质 土层土层 土层中任一点各个方向透水能力相同时 称为各向同性土层各向同性土层 否则称为各向异性土各向异性土 层层 此外 土的渗透性的强弱 对土体的固结 强度以及工程施工都有非常重要的影响 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律 以及渗透力渗透变形等问题 第二节第二节 渗透理论渗透理论 一 渗流模型一 渗流模型 土体中空隙的形状和大小是极不规则的 因而水在土体空隙中的渗透是一种十分复杂 的现象 由于土体中的空隙一般非常微小 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 对渗流作出如下二方面的简化 27 一 是不考虑渗流路径的迂回曲折 只分析它的主要流向 二 是不考虑土体中颗粒的影响 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满 渗流模型假定 1 在同一过水断面 渗流模型的流量等于真实渗流的流量 2 在任意截面上 渗流模型的压力与真实渗流的压力相等 3 在相同体积内 渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等 二 达西二 达西 Darcy Darcy 渗透定律渗透定律 理想重力的能量方程式 伯努利方程式 1738 年瑞士数学家应用动能定理推导出 来的 c g v r p Z 2 2 饱和土体空隙中的渗透水流 也遵从伯努利方程 并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能 水头 实际上就是单位重量水体所具有的能量 按照伯努利方程 液流中一点的总水头 h 可以用位置水头 Z 压力水头 U rw和流速 水 头 V2 2g 之和表示 即 g v r u Zh w 2 2 此方程式中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能 而其量纲都是 长度 式中 相对于任意选定的基准面的高度 代表单位重量液体所具有的位能 位置高z 度 故称为位置水头 z 代表单位重量液体所具有的压力势能 而代表某点的水柱高度 故称为压力u w u w u 水头 即代表单位重量液体所具有的动能 故称为流速水头 g v 2 2 28 单位重量液体所具有的机械能 故称之为总水头 h 此外 称为测管水头 代表单位重量液体所具有的总势能 w r u z 当土中渗流阻力大时 V 一般都很小 形成的流速水头 V2 2g 更小 可不计 这时 总 水头 h 可用测管水头来代替 即 w r u Zh 一 达西渗透实验与达西定律 1956 年 法国工程师达西利用图 2 3 教材 P28 所示试验装置 对砂土的渗流性进行 了研究 发现水在土中的渗流速度与圆筒断面积试样两端面间的水头差成正比 而Ah 与渗流长度成反比 于是他把渗流速度表示为 或Ki l h Kv KiAvAq 这就是著名的达西定律 式中 表示断面平均渗透速度 单位 vsmm 渗透系数 mm s 其物理意义是当水力坡降 i 1 时的渗透速度 k 为 A B 两点之间的总水头差 代表单位重量液体从 A 点向 B 点流动时 为克h 服阻力而损失的能量 二 达西定律的适用范围 1 在层流状态的渗流中 渗流速度 V 与水力坡降的一次方成正比 并与土的性质 有关 或 砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系 2 但对于密实的粘土 由于吸着水具有较大的粘滞阻力 因此只有当水力坡降达到 某一数值 克服了吸着水的粘滞阻力以后 才能发生渗透 我们将这一开始渗透时的水力 坡降称为粘性土的起始水力坡降起始水力坡降 i 试验资料表明 密实的粘土不但存在起始水力坡降 而且当水力坡降超过起始坡降后 渗透速度与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈线性关系 29 0 iiKv 式中 指密实粘土的起始水力坡降 0 i 此外 试验也表明 在粗颗粒土中 如砾石 卵石 只见在小的水力坡降下 渗透速 度与水力坡降才能呈线性关系 而在较大的水力坡降下 水在土中的流动即进入紊流紊流 不 规则的相互混杂的流动形式 状态 渗透速度与水力坡降呈非线性关系 此时达西定律不 能适用 三 渗透系数的确定三 渗透系数的确定 主要分现场试验和室内试验两大类 一般说 现场试验比室内试验所得到的成果要准 确可靠 1 实验室测定法 常水头试验法 透水性大的砂性土 变水头试验法 透水性小的无粘性土 2 现场测定法 实测流速法 色素法 电解质法 食盐法 注水法 抽水法 降低水位法 平衡法 不平衡法 水位恢复法 一 实验室测定法 1 常水头试验 常水头试验适用于透水性大 k 10 3cm s 的土 例如砂土 常水头试验就是在整个试验过程中 水头保持不变 试验时测出某时间间隔 t 内流过 试样的总水量 根据达西定律Q At L h kkiAtqtQ 即 hAt QL k 2 变水头试验 粘性土由于渗透系数很小 流经试样的总水量也很小 不易准确测定 因此 应采用 变水头试验 30 变水头试验就是在整个试验过程中 水头随时间而变化的一种试验方法 利用数学方 法可得到渗透系数 2 1 12 ln h h ttA LA k 如用常用对数表示 上式可写为 2 1 12 lg3 2 h h ttA LA k 二 现场测定法 四 影响渗透系数的因素四 影响渗透系数的因素 渗透系数是一个代表土的渗透性强弱的定量指标 也是渗透计算时必须用到的一个基 本参数 影响渗透系数的主要有 1 土的粒度成分和矿物成分的影响 土的颗粒大小 形状及级配 影响土中空隙大小及形 状 因而影响渗透性 土粒越粗 越浑园 越均匀时 渗透性就大 砂土中含有较多粉土 或粘土颗粒时 其渗透系数就大大降低 土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质时 也大大降低土的渗 透