土力学教材课件ppt课件

.,土力学教案课次：第1次主要内容：绪论；地质作用；矿物与岩石；第四系沉积物重点内容：土与土力学的基本概念；外力地质作用；第四系沉积物教学方法：精讲启发式,.,绪论一、土力学的研究对象土力学是一门研究土的学科，主要解决工程中的土的性质、强度及稳定性问题。在工程建设中，土往往做为不同对象来研究。如在土层上修建房屋、桥梁、道路、铁路时，土是用来支撑上部建筑传来的荷载，这时土被用作地基；路堤、土坝等土工构筑物，土又成为建筑材料；地铁、隧道、涵洞等地下工程，土又是地下结构物周围的介质或环境。土分布在地壳的表面，其工程性质相差极大。因此，进行工程建设时，必须结合土的实际工程性质进行设计。,.,土力学研究的对象是分散土，它与岩石、土壤既有联系又有区别。土的主要特征是分散性、复杂性和易变性，其性质将随外界环境（如温度、湿度）的变化而发生显著的变化。岩石与土是有差别的，岩石中虽然有孔隙和裂隙，但可近似看成是连续介质。岩石主要是岩石力学（或隧道力学）的研究对象。土壤属农业学科，是土壤学研究的对象。土壤的主要特征是具有肥力，能够提供植物生长过程中所需要的养料。人类对土壤的认识和利用比土要丰富的多，土壤学的发展也比土力学要早得多。但应该指出，学科之间都是相互交叉，相互渗透的，岩石力学、土壤学与土力学是密切联系的，土力学在发展过程中，也利用了许多岩石力学和土壤学的成就。,.,二、土力学的研究内容基本概念(1)土：是岩石经过物理、化学、生物等风化作用的产物，是由矿物颗粒组成的集合体。(2)土的三相组成：固体颗粒（土粒）水和气体(3)土力学：是研究土的物理力学性质、变形及强度规律，以及土体稳定性的一门科学。土力学是岩土力学的一个分支。,.,2土力学的研究内容(1)土的物理、力学、物理化学性质；(2)宏观与微观结构；(3)土的压缩性；(4)强度特性；(5)渗透性；(6)动力特性等。为各类土木工程的稳定和安全提供科学的对策。,.,三、土力学发展概况（自学）四、本学科与土木工程专业的关系在土木工程设计与施工中，将会遇到大量的与土有关的工程技术问题。(1)在铁路或道路的路基工程中，土是修筑路堤的基本材料，同时它又是支承路堤的地基。路堤的临界高度和边坡的取值都与土的抗剪强度指标及土体的稳定性有关；(2)在路基工程中，土作为建筑材料要求用碾压法将土压实，以保证路堤的强度和稳定性。因此需要研究土的压实性，包括土的压实机理、压实方法及压实指标的评价等。,.,(3)挡土墙设计的主要外荷载-土压力的取用，需借助于土压力理论计算。(4)随着我国高速公路、高速铁路的大量修建，对路基的沉降计算与控制提出了更高的要求，而解决沉降问题需要对土的压缩特性进行深人的研究。(5)软土地基的加固技术，需要对软土进行大量的试验研究和现场监测。(6)在路面工程中，土基的冻胀与翻浆在我国北方地区是非常突出的问题，防治冻害的有效措施是以土力学的原理为基础的。,.,(7)稳定土是比较经济的基层材料，他是根据土的物理化学性质提出的一种土质改良措施；道路一般在车辆的重复荷载作用下工作，因此需要研究土在重复荷载作用下的变形特性。(8)在建筑物、桥梁等工程中，地基与基础是建筑物的根基，又属于地下隐蔽工程，经济、合理的基础工程设计需要依靠土力学基本理论的支持。(9)桥梁、房屋结构的抗震设计，需要研究土的动力特性。由此可见，土力学这门学科与土木工程专业课的学习和今后的技术工作有着十分密切的关系。学习这门课程是为了更好地学好专业课，也是为了今后更好地解决有关土的工程技术问题奠定坚实的基础。,.,第一章工程地质1.1概述从上面分析可以看出，工程地质与道桥工程的关系极为密切，因为各种道路和桥梁都是建在地球表面上的，都要与土打交道。建筑场地的工程地质条件直接影响道桥的设计方案、施工与工程投资。因此，首先讲一些有关土质学方面的内容。一、地质作用1内力地质作用：由地球自转产生的旋转能引起，如岩浆活动、地壳运动、变质作用等。2外力地质作用：由太阳辐射能和地球重力位能引起，如风化、剥蚀、搬运、沉积作用等。,.,二、风化作用1物理风化：由于地表岩石温度变化产生温度应力和裂隙水的冻胀以及盐类结晶膨胀而使岩石被碎崩解为碎块或岩屑，其化学成份尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。当气温升高时，岩石膨胀产生压应力，当气温降低时，岩石收缩产生拉应力，二者频繁交替，使岩石表层产生众多裂隙最终崩解。另一方面水冻胀时产生体积膨胀或盐类结晶膨胀加速了岩石崩解过程。土中的碎石，砾石、砂等粗颗粒便是岩石物理风化的产物。2化学风化作用：在水、大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下而使岩石的化学成份发生水化、氧化、还原、碳酸化溶解等过程，称为化学风化。,.,化学风化作用不仅破坏了岩石的结构，而且使化学成份改变，形成新的矿物。粘土颗粒便是岩石经化学风化后的产物。3生物风化作用：是指生物活动过程中对岩石产生的破坏作用。如树根生长时施加周围岩石的压力可超过岩石的强度，使岩石产生裂纹而破坏。活动在地表浅层的动物如老鼠、蚯蚓等也可使岩石被碎成土。开山、挖隧道等作用产生的土等。,.,三、剥蚀风化后的岩石产物在冰川、风、水和重力作用下，从母岩分离的现象称为剥蚀。四、搬运岩石碎块或岩屑从母岩分离后到达新的平衡位置，称为搬运。1搬运方式（1）风；（2）流水；（3）冰川；（4）雪崩；（5）自然起伏地形形成高差，在自重作用下由高处向低处；（6）人工填运。,.,2伴随现象（1）磨园；（2）进一步的破碎或开裂，这是由于相互碰撞、磨擦或冰冻作用的结果；（3）分选现象：在搬运过程中，存在着分选现象，同一粒组范围的颗粒集聚在同一地区，大颗粒的岩石碎块搬运距离一般较近，而细小的碎粒可被搬运到较远的地方沉积下来。五、沉积岩石碎块和岩屑经搬运后在某地带堆积下来，称为沉积。,.,1.2矿物与岩石一、主要造岩矿物1矿物：是地壳中具有一定化学成份和物理性质的自然元素或化合物，是组成岩石细胞。目前已发现的矿物有三千多种，但常见的造岩矿物仅三十多种。2.矿物种类（1）原生矿物：由岩浆冷凝而成，如石英、长石、角闪石，辉石、云母等。（2）次生矿物，由原生矿物风化产生，如长石风化产生高岭石、角闪石风化产生绿泥石等。,.,二、岩石1、岩石的类型（1）按成因：岩桨岩（火成岩）：地壳下面融岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝结晶后而形成的岩石；沉积岩：岩石经风化、剥蚀、搬运至低洼处而沉积，在常温常压下，受到压紧，化学物的胶结、再结晶或硬结等成岩作用而形成的岩石。沉积岩石分布广泛，约占地球表面的75。变质岩：在高温高压下，或化学性活泼的物质作用下，使原来岩石的结构、构造甚至矿物成份改变而形成的一种新的岩石，称为变质岩。,.,（2）按坚固性：硬质岩石：饱和单轴极限抗压强度Sb30MPa软质岩石：饱和单轴极限抗压强度Sb1，土处于流动状态。,.,由此可见，液性指数IL的大小反映了粘性土的软硬程度。IL越大，土越软。根据液性指数IL的大小，建筑地基基础设计规范将粘性土划分为五种软硬状态，划分标准见下表（四）粘性土的灵敏度和触变性天然状态下的粘性土，由于地质历史作用常具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高。工程上常用灵敏度St来衡量粘性土结构性对强度的影响。,粘性土的软硬状态,.,1灵敏度Si=qu/qu式中：qu原状土无侧限抗压强度，kPa；qu重塑土无侧限抗压强度，kPa。土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。,.,2粘性土的触变性：粘性土受扰动时强度降低，而静止时土的强度又重新增长的性质，称为土的触变性。土的触变性对桩基础很有利，打预制桩时，桩周围土受震结构破坏，强度降低，使桩容易打入。当打桩停止后，土的部分强度又恢复，使桩的承载力又提高了。（五）土的最优含水量1定义修建公路，有一半以上的路段为填方路段，人工填土作为路基必须处理，一般采用压路机碾压法。对于建筑工程，当人工填土作为建筑物地基时，也必须处理，一般利用人工夯实的方法进行分层夯实，以提高填土的强度，增加密实度和降低透水性，降低压缩量。,.,对于过干的土进行夯打时，由于土中水主要是强结合水，土粒周围的水膜很薄，颗粒间具有很大的分子吸引力，阻止颗粒间的移动，击实比较困难。当含水量继续增加时，土中含强结合水及弱结合水，水膜变厚，土粒间联结力减弱而使土粒便于移动，击实效果较好；当水含量继续增大时，土中出现了自由水，击实时，孔隙中过多的水分不易立即排出，势必阻止土粒间的靠扰，产生软弹现象（俗称橡皮土），击实效果反而下降。所以，要使土的击实效果最好，含水量必定有一个最佳值，即最优含水量。最优含水量：在一定夯击或压实能量下，填土达到最大干密度时，相应的含水量为最优含水量。,.,2最优含水量0P的测定用击实仪测定，如下图所示。图中击锤重24.5N，锤底直径50mm，落距460mm，击实筒的容积为1000cm3，内装土样。导筒起导向作用，将土样放，松手后击锤在自重作用下下落，可将土样击实。,.,试验时，对同一种土，配成若干份含水量不同的试样，对每一份先取1/3倒入击实筒内，进行击实。对于砂土一般20击，粘土30击。然后再取1/3倒入击实筒，再进行击实，最后将另外1/3倒入击实筒，进行击实，也就是分三层夯实，达到规定击数后，测定土样的含水量和干密度。含水量一般用烘干法测定，而土样的干密度可按下式计算，即,.,式中：m-击实筒的土样质量，g；A0-击实筒内面积，cm2；h-击实后试样高度，cm；-含水量，用烘干法测定。根据对不同含水量试样进行试验的结果，绘制击实曲线，即含水量与干密度关系的曲线，如下图所示，曲线处于峰值的含水量就是最优含水量0P，相应的干密度为dmax.,.,从击实曲线可以看出，当填土中的含水量低于最优含水量时，随着含水量的增加，干密度也随之加大，表明击实效果逐步提高。当含水量高于最优含水量后，随着含水量的增加，击实效果反而下降。因此，用人工填土作为地基时，首先应调整其含水量为最优含水量，然后再夯实或碾压，才能获得最高的密实度。3最优含水量经验值0p=p+2有时，在缺少击实仪条件下，可根据测得的塑限估计最优含水量。,.,二、无粘性土的密实度对于砂、卵石、砾石等无粘性土，属单粒结构，最主要的物理特性指标就是密实度。表明密实度的方法有三种：1.用孔隙比e作为划分密实度的标准，e值越小，土越密实。以相对密度Dr作为划分密实度的标准相对密度,.,式中：e天然孔隙比；emax最疏松状态下的孔隙比，即最大孔隙比；emin最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比。Dr01。Dr值越大，土越密实。则：10.67密实的0.670.33中密的0.330松散的,.,3.用标准贯入试验捶击数N63.5作为划分密实度的标准标准贯入试验是一种现场原位测试方法，是将标准贯入器打入土中一定距离（30cm）所需落锤次数（标贯击数），记为N63.5，该值反映了土的密实度的大小。该值越大，土越密实（见下表）,砂土和碎石土密实度的划分,.,2.5土的结构与构造一、土的结构1土粒间的连结关系（1）接触连结：是指颗粒之间的直接接触，接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种连结方式在碎石土、砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。（2）胶结连结：是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结连结在一起，一般其连结较为牢固。胶结物质般有粘土质，可溶盐和无定形铁、铝、硅质等。,.,3）结合水连结：是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式，又叫水胶连结。这种连结在一般粘性土中普遍存在。（4）冰连结：是指含冰土的暂时性连结，融化后即失去这种连结。2土的结构类型（1）单粒结构（a）为舒松状态（b）为密实状态,.,（2）蜂窝结构主要由粉粒（粒径为0.005mm0.075mm）组成的结构形式，在水中因自重作用而下沉，碰到别的正在下沉或已沉积的土粒，由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力，则下沉土粒被吸引，不再下沉，逐渐形成链环状单元。很多这样的链环联结起来，便形成较大孔隙的蜂窝结构,.,（3）絮状结构絮状结构又称絮凝结构，细微的粘粒（粒径小于0.005mm）大都呈针状或片状，形成絮状结构。蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强，这种强度称为结构强度。,.,二、土的构造1层状构造土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理，一层层互相平行，反映不同年代不同搬运条件形成的土层2分散构造是指颗粒在其搬运和沉积过程中，经过分选的卵石、砾石、砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造,.,结核状构造在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含礓石的粉质黏土、含砾石的冰则黏土等，均属结核状构造。裂隙构造裂隙构造是因土体被各种成因形成的不连续的小裂隙切割而形成的，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造，如图l所示。裂隙将破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。,.,2.6土的工程分类土是自然地质历史的产物，它的成份、结构和性质是是千变万化的，其工程性质也是千差万别的。因此，有必要对土进行科学的分类，即把工程性质近似的土划分为一类。人们在长期的生产实践中，已提出过不少分类系统。如：地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类等。每一种分类系统，反映了土某些方面的特征。在工程实践中需要的是适合于工程用途的工程分类方法，既按土的主要工程特性进行分类。下面主要介绍建筑地基基础设计规范的分类法和公路桥涵地基与基础设计规范分类法。,.,一、建筑地基基础设计规范分类法1岩石岩石是指颗粒间牢固粘结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。（1）按岩石的坚硬程度，分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩,岩石坚硬程度的划分,.,（2）按岩石的风化程度，分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。（3）按岩石的完整程度，分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎2碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。,岩石的完整程度,.,2碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾,碎石土的分类,.,3砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，而粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土。根据粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂,砂土的分类,.,4粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且塑性指数IP10的土。5粘性土粘性土是指塑性指数Ip大于10的土。根据塑性指数Ip可分为粉质粘土（10Ip17）和粘土（Ip17）。6人工填土人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。（1）根据其物质组成和成因,可分为素填土、杂填土和冲填土三类。素填土：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土，不含杂质或含杂质很少。杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。,.,冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。（2）按堆填时间,分为老填土和新填土。老填土：堆填时间超过10年的粘土或超过5年的粉土。新填土：堆填时间小于10年的粘土或小于5年的粉土。7特殊性土（1）淤泥和淤泥质土淤泥：天然含水量L，天然孔隙比e1.5的粘性土称为淤泥。淤泥质土：天然含水量L，天然孔隙比1.050，裂隙发育，具有明显收缩性的棕红、褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土，一般分布于北纬33度以南地区。次生红粘土：经搬运但仍保留红粘土特征，且液限L45的土，称为次生红粘土。（3）黄土：是一种含大量碳酸盐类，且常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土。天然黄土在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较低。但当其受水浸湿后，因黄土自身大孔隙结构的特征，压缩性剧增使结构受到破坏，土层突然显著下沉，同时强度也随之迅速下降，这类黄土统称为湿陷性黄土。,.,（4）膨胀土：是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分（如蒙脱石、伊利石等），在环境温度及湿度变化影响下，可产生强烈胀缩变形的土。由于膨胀土通常强度较高，压缩性较低，易被误认为是良好的地基。但遇水后，就呈现出较大的吸水膨胀和失水收缩的能力，往往导致建筑物和地坪开裂、变形而破坏。（5）多年冻土：是指冻结状态在自然界连续保持3年或3年以上的土。当自然条件改变时，它将产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象。,.,（6）盐渍土：是指易溶盐含量大于0.5，且具有吸湿、松胀等特性的土。由于可溶盐遇水溶解，可能导致土体产生湿陷、膨胀以及有害的毛细水上升，使建筑物遭受破坏。二、细粒土按塑性图分类（自学）三、公路桥涵地基与基础设计规范分类法1碎石土的分类与建筑地基基础设计规范完全相同，参见表。2.砂土的分类名称和标准见表。3.粘性土的分类名称和标准见表,.,砂土分类,粘性土分类,.,作业：P29：第3题、第4题,.,土力学教案课次：第4次主要内容：土的毛细性；土的渗透性；土在冻结过程中的水分迁移与集聚重点内容：土的毛细现象及其危害；达西定律；冻土现象及其对工程的危害教学方法：精讲启发式,.,第三章土中水的运动规律土中水并非处于静止不变的状态，而是在不停的运动着。土中水的运动原因和形式很多，主要有：（1）在重力作用下，地下水的渗流-土的渗透性问题。（2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出-土的固结问题。（3）由于表面张力作用产生的水份移动-土的毛细现象。（4）在电分子引力作用下，结合水的移动-冻结时土中水的迁移。（5）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。,.,地下水的运动影响工程的设计方案、施工方法、施工工期、工程投资以及工程长期使用，而且，若对地下水处理不当，还可能产生工程事故。因此，在工程建设中，必须对地下水进行研究。本章重点研究土中水的运动规律及其对土性质的影响。3.1土的毛细性一、土的毛细现象1定义：是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或其它方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水，对工程产生一定的影响。2.影响（1）毛细水上升引起路基冻害。（2）对于房屋建筑，毛细水上升会引起地下室过分潮湿，需解决防潮问题。,.,下面主要介绍毛细现象中的几个概念。二、毛细水带土层是由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，可分如下三种1、正常毛细水带（又称毛细饱和带）它位于毛细水带的下部，与地下潜水相连通。,.,这部分毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的，毛细水几乎充满了全部孔隙。该水带会随着地下水位的升降而作相应的移动。2、毛细网状水带它位于毛细水带的中部。当地下水位急剧下降时，它也随着急速下降，这时在较细的毛细孔隙中有一部分毛细水来不及移动，仍残留在孔隙中。而在较粗的孔隙中因毛细水下降，孔隙中留下气泡，这样使毛细水呈网状分布。,.,3、毛细悬挂水带它位于毛细水带的上部。这一带的毛细水是由地表水渗入而形成的，水悬挂在土颗粒之间。当地表有水补给时，毛细悬挂水在重力作用下向下移动。上述三个毛细带不一定同时存在，这取决于当地的水文地质条件。如地下水位很高时，可能只有正常毛细水带，而没有毛细悬挂水带和毛细网状水带；反之，当地下水位较低时，则可能同时出现3个毛细水带。,.,三、毛细水上升高度1、理论计算公式假设一根直径为d的毛细管插入水中，可以看到水会沿毛细管上升。其上升最大高度为：式中：水的表面张力（见P32表21）；d-毛细管直径，m；w-水的重度，取10kN/m3。从上式可以看出，毛细水上升高度与毛细管直径成反比，毛细管直径越细时，毛细水上升高度越大。,.,2、经验公式在天然土层中，毛细水的上升高度是不能简单地直接采用上面的公式的。这是因为土中的孔隙是不规则的，与园柱状的毛细管根本不同，使得天然土层中的毛细现象比毛细管的情况要复杂得多。例如，假定粘土颗粒直径为d=0.0005mm的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径d110-5cm，代入上式可得毛细水上升高度为dmax=300m，这是根本不可能的。实际上毛细水上升不过数米而已。,.,海森（A.Hazen）提出了下面的经验公式：式中：h0-毛细水实际上升高度，m；e-土的孔隙比；d10-土的有效粒径；C-系数，一般C=（15）10-5m2。无粘性土毛细水上升高度的大致范围见表2-2。,.,土中的毛细水上升高度,.,由上表可见，砾类与粗砂，毛细水上升高度很小；细砂和粉土，不仅毛细水高度大，而且上升速度也快，即毛细现象严重。但对于粘性土，由于结合水膜的存在，将减小土中孔隙的有效直径，使毛细水在上升时受到很大阻力，故上升速度很慢。四、毛细压力（自学）3.2土的渗透性土孔隙中的自由水在位势差作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。渗透性是土的重要工程性质之一。与土的强度、变形问题一样，也是土力学中主要研究课题之一。,.,一、渗流的基本规律（一）层流渗透定律（达西定律）1基本概念（1）流线：水点的运动轨迹称为流线；（2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流；（3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。,.,2达西定律法国学者达西（HDarcy）于1856年通过砂土的渗透试验，发现了地下水的运动规律，称为达西定律。试验装置下图所示。L-试样长（砂土）；A-截面积；h-水位差；t-时间（s）；Q-试验开始t秒钟后盛水容器所接水量（cm3）。,.,则每秒钟渗透量达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成：则渗透速度（单位时间通过单位面积的水量）式中：渗透速度，m/s；i-水力坡降（水头梯度）；K-渗透系数,.,由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到电分子引力的作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗拉强度后才能开始渗流。我们将克服此抗拉强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度ib。这样在粘土中，达西定律为：V=k(i-ib)式中:ib-起始水头梯度（起始水力坡降）。,.,砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如上图（c）所示，需建立紊流情况下的公式关系。,.,3渗透系数（自学）4影响水渗透性的因素（1）土的粒度成份及矿物成份土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性越大。反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。（2）土的矿物成份关于土的矿物成份对无粘性土的渗透性影响不大，但对于粘性土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性较大的粘土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低了土的渗透性，含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。,.,（3）结合水膜厚度粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。（4）土的结构构造天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。（5）水的粘滞度水在土中的渗透速度与水的重度及粘滞度有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的重度随温度变化很小，可略去不计，但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。,.,（6）土中气体当土中存在封闭气泡时，会阻塞水的渗透，从而降低了土的渗透性。二、动水力及渗流破坏1动水力水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力T的作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上，我们把水在土中渗流时，对单位体积土骨架所产生的作用力称为动水力GD（KN/m3）。GD=iw,.,*总结：动水力是一个渗透力，也是一个体积力，是地下水在渗流过程中对单位体积土骨架所产生的作用力，其大小与水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。2流砂当水流向下流动时，动水力方向与重力方向一致，使土颗粒压得更加紧密，对工程有利。反之，当水流向上渗流时，动水力的方向与重力方向相反。当动水力GD的数值等于或大于土的浮重度r时，土体颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，,.,这种现象称为流砂。即流砂产生的条件为GD或：i/w令,icr=/w称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实际水力坡降，则会产生流砂。容许水力坡降（取安全系数K2.02.5），设计时渗流逸出处的水力坡降应满足如下要求：,.,流砂现象主要发生在细砂、粉砂及粉土等土层中。对于饱和的低塑性粘性土，当受到扰动时，也流砂现象一般会发生流砂现象，而在粗颗粒及粘土中则不易发生。发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。基坑开挖排水时，常采用排水沟明排地下水的方法。此时地下水流动的方向向着基槽，由于基槽中土体已挖除，形成临空面，在动水力的作用下可能产生流砂现象。这时，坑底土一面挖一面会随水涌出，无法清除，站在坑底的人和放置的施工设备也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑，使坑底土的结构破坏，强度降低，将来会使建筑物产生附加沉降。,.,一般情况下，施工前应做好周密地勘测工作，当基坑底面的土层属于容易引起流砂现象的土质时，应避免采用排水沟明排地下水，而应采用人工降低地下水位（井点降水）的方法进行施工。3管涌：当水力坡降i很大时，引起紊流，水流会将土体中细颗粒土带走，破坏土的结构，这种现象称为管涌。长期管涌的结果会形成地下水洞，土洞由小逐渐扩大，可导致地表塌陷，如美国的伯明翰市。,.,河滩路堤两侧有水位差时，在路堤内或基底土内发生渗流，当水头梯度较大时，可能产生管涌现象，导致路堤坍塌破坏。为了防止管涌现象发生，一般可在渗流逸出部位铺设反滤层，或做防渗铺盖或施工防渗墙等。流砂和管涌的区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部。3.3流网及其应用（自学）3.4土在冻结过程中的水分迁移与集聚一、冻土现象及其危害,.,在寒冷季节因大气负温影响，土中水冻结成冰，此时土称为冻土。1冻土分类（1）季节性冻土：是指冬季冻结，夏季全部融化的冻土；（2）隔年冻土：若冬季冻结，一两年不融化的土层；（3）多年冻土：凡冻结状态持续三年或三年以上的土层。多年冻土的表层常覆盖有季节性冻土，故又称融冻层。我国的多年冻土分布，基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区，如东北的大兴安岭北部的小兴安岭北部，青藏高原以及西部天山，阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的20左右，而季节性冻土分布范围更广。,.,2冻土现象在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，会发生一些独特的现象，称为冻土现象。冻土现象包括冻胀现象和融陷现象。（1）冻胀现象：某些细粒土层随着土中水的冻结，土体产生体积膨胀，这种现象称为冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成水时其体积要增大9的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中的水分增加，冻结的水分逐渐增多，土体积也随之发生膨胀隆起。（2）融陷现象：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，这种现象称为融陷现象。,.,3冻土现象对工程的危害（1）冻胀时，路基被隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝或折断；（2）修建在冻土上的建筑物，冻胀引起建筑物的开裂、倾斜甚至轻型构筑物倒塌；（3）发生融陷后，路基土在车辆反复碾压下，轻者路面变得松软，重者路面翻浆。（4）季节性冻土地区，当土层解冻融化后，土层软化，强度大大降低，使得房屋、桥梁和涵管等发生过量沉降和不均匀沉降，引起建筑物的开裂破坏。因此，冻土现象必须引起注意，并采取必要的防治措施。,.,二、冻胀机理与影响因素1冻胀的原因其主要原因是：冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果。解释水分迁移的学说很多，其中以“结合水迁移学说”较为普遍。大家知道，土中水区分为结合水和自由水两大类，结合水又根据其所受电分子引力的大小分为强结合水与弱结合水；自由水分为重力水和毛细水。其中重力水在00C时冻结，毛细水的冰点稍低于00C；结合水的冰点则随着其受到的引力增加而降低，弱结合水的外层在-0.50C时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，弱结合水要在-200C300C时才全部冻结，而强结合水在-780C仍不冻结。所以，在冬季气温下，参与冻结的是重力水、毛细水和部分弱结合水。,.,当大气温度降至负温时，土层中的温度也随之降低，土孔隙中的自由水首先在00C时冻结成水晶体。随着气温的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这样，冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加。这样便产生渗附压力（即当两种溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中有水向浓度较大的溶液渗流。）在两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即结冰，使水晶体增大，而不平衡引力继续存在，则未冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移集聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生急剧膨胀。这种冰晶体的不断扩大，一直到水源的补给断绝后才停止。,.,2.影响膨胀的因素（1）土的因素冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质亚粘土和粉质粘土等。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，毛细上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道。同时，这类土颗粒较细，能持有较多的结合水，从而能使大量的结合水迁移和积聚。粘土的冻胀性较上述粉质土为小，这是因为粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，水分在迁移过程中受到的阻力很大，没有畅通的水源补给通道，所以其冻胀性反而小。对于砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，其毛细现象也不显著，不会发生水分的迁移和积聚，因而不会发生冻胀。所以，在工程实践中常在地基或路基中换填砂土，以防治冻胀。,.,（2）水的因素从前面的分析可以看出，土层发生冻胀的原因是水分的迁移和集聚，因此，当冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到冻结线，使冻结区能得到外部水源充分补给时将发生较强烈的冻胀现象。反之，冻胀将轻微。（3）温度的因素如气温骤降，冻结速度较快时，土中弱结合水及毛细水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所堵塞。这样，水分迁移和集聚不会发生，在土层中看不到冰夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般无明显的冻胀。如气温缓慢下降，负温持续时间又较长，就能促使未冻区水分不断地向冻结区迁移集聚，在土层中形成冰夹层，出现明显的冻胀现象。,.,上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。通常在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层才具有较大的冻胀危害。因此，我们可以根据影响冻胀的三个因素，采取相应的防治冻胀的工程措施，如可将构筑物基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。三、标准冻结深度由于土的冻胀和冻融将危害建筑物的安全和正常使用，因此一般设计中均要求将基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。土的冻结深度与许多因素有关，如当地气候、土的类别、湿度以及地面覆盖情况等。下面介绍一个概念，即：,.,标准冻结深度Z0：在地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实测最大冻结深度的平均值称为标准冻结深度，在公路与桥涵地基与基础设计规范和建筑地基基础设计规范中，绘制了东北和华北地区标准冻深线图。,.,作业：P45：第2题、第3题,.,土力学教案课次：第5次主要内容：土的应力计算方法；土中自重应力；基底压力；地基附加应力重点内容：土的自重应力的计算；基底附加压力的计算；Flamant解教学方法：精讲启发式与逻辑推理式,.,第四章土中应力计算4.1概述一、土中应力计算的目的建筑物、构筑物、车辆等的荷载，要通过基础或路基传递到土体上。在这些荷载及其它作用力（如渗透力、地震力）等的作用下，土中产生应力。土中应力的增加将引起土的变形，使建筑物发生下沉、倾斜以及水平位移；土的变形过大时，往往会影响建筑物的安全和正常使用。此外，土中应力过大时，也会引起土体的剪切破坏，使土体发生剪切滑动而失去稳定。为了使所设计的建筑物、构筑物既安全可靠又经济合理，就必须研究土体的变形、强度、地基承载力、稳定性等问题，而不论研究上述何种问题，都必须首先了解土中的应力分布状况。,.,只有掌握了土中应力的计算方法和土中应力的分布规律，才能正确运用土力学的基本原理和方法解决地基变形、土体稳定等问题。因此，研究土中应力分布及计算方法是土力学的重要内容之一。二、土中应力计算的方法目前计算土中应力的方法，主要是采用弹性理论，也就是把地基土视为均质的、连续的、各向同性的半无限空间线弹性体。事实上，土体是一种非均质的、各向异性的多相分散体，是非理想弹性体，采用弹性理论计算土体中应力必然带来计算误差，对于一般工程，其误差是工程所允许的。但对于许多复杂工程条件下的应力计算，弹性理论是远远不够的，应采用其他更为符合实际的计算方法，如非线性力学理论、数值计算方法等等。,.,三、土中一点的应力在土中任取一单元体，如下图所示。作用在单元体上的3个法向应力（正应力）分量分别为，六个剪应力分量分别为。剪应力的脚标前面一个表示剪应力作用面的法线方向，后一个表示剪应力的作用方向。,.,应特别注意的是，在土力学中法向应力以压应力为正，拉应力为负，这与一般固体力学中的符号规定有所不同。剪应力的正负号规定是：以外法线与坐标轴方向一致的面为正面，反之为负面；在正面上剪应力与坐标方向相反者为正，反之为负；在负面上剪应力与坐标方向相同者为正，反之为负。四、土中应力的种类（1）自重应力：由土体重力引起的应力称为自重应力。自重应力一般是自土形成之日起就在土中产生，因此也将它称为长驻应力。,.,（2）附加应力：由于外荷载（如建筑物荷载、车辆荷载、土中水的渗透力、地震力等）的作用，在土中产生的应力增量。自重应力存在于任何土体中，附加应力则存在于受荷载影响的那部分土层中。修建建筑物前，土中应力属于自重应力；修建建筑物后，土中的应力为自重应力和附加应力之和，称为总应力，即总应力=自重应力+附加应力4.2土中自重应力的计算一、均质地基自重应力场,.,假设：（1）天然地表为无限大的水平面，即假定地基是半无限空间体，如下图所示。（2）土质均匀，其重度为。在地面下深度z处，任取一单元体，其上的自重应力分量为：竖向自重应力cz；水平自重应力cx=cy；不存在着剪应力，即cxy=cyx=0；cyz=czy=0;czx=cxz=0,.,1竖向自重应力竖向自重应力，等于单位面积上土柱体的重力W，如上图所示。当地基是均质土体时，在深度z处土的竖向自重应力为：式中：土的天然重度，kN/m3；W土柱体重力，kN；F土柱体截面积。由上式可见，自重应力随深度Z线形增加，呈三角形分布，如上图所示。,.,2水平自重应力由于假设地表为无限大的水平面，因此，在自重作用下只能产生竖向变形，而不能产生侧向变形，即：cx=cy=0，且cx=cy。根据广义虎克定律，有将侧限条件代入上式，得令，称为土的侧压力系数或静止土压力系数，则,.,土的侧压力系数反映了水平应力与竖向应力的比值。不同的土体，该值有所不同，一般情况下应采用实测法确定该值的大小。无实测资料时，也可近似采用经验值，见P49表31。从上面的分析可以看出，自重应力包括三个应力分量，但对于地基自重应力场的分析与计算，主要针对竖向自重应力。,.,.,二、成层土竖向自重应力的计算天然地基土一般都是成层的，而且每层的重力密度也不同，如下图所示。则竖向自重应力计算公式为：,.,式中：n-深度z范围内的土层总数；hi-第i层土层厚。当地下水位面位于同一土层时，地下水位面也应作为分界面；i-第层土的重度，地下水位以下取浮重度。从上面公式可以看出，这里计算的自重应力是指有效自重应力，按上述计算出的四层土的竖向自重应力分布如上图所示。三、下埋不透水层时自重应力的计算在地下水位线以下存在不透水层时，由于不透水层不存在浮力，所以，层面及层面以下自重应力应按上覆土层的水土总重计算，如上图所示。,.,4.3基底压力分布及简化计算基底压力：基础底面与地基间的接触压力称为基底压力。为了计算上部荷载在地基中引起的附加应力，应首先研究基底压力的大小及分布规律。一、基底压力的实际分布规律1柔性基础若一个基础作用着均布荷载，并假设基础是由许多小块组成，如下图所示，各小块之间光滑而无摩擦力，则这种基础即为理想柔性基础（即基础的抗弯刚度），基础上的荷载通过小块直接传递到地基土上，基础随着地基一起变形，基底压力均匀分布，但基础底面的沉降则各处不同，中央大而边缘小。,.,对于路基、坝基及薄板基础等柔性基础，其刚度很小，可近似地看成是理想柔性基础。此时，基底压力分布与作用的荷载分布规律相同，如由土筑成的路基，可以近似地认为路堤本身不传递剪力,那么它就相当于一种柔性基础,路堤自重引起的基底压力分布就与路堤断面形状相同是梯形分布，如上图所示。,.,2刚性基础是指基础刚度大大超过地基刚度，理论与实测证明，在中心受压时，刚性基础的接触压力为马鞍形分布，如下图所示。当上部荷载加大，基础边缘土中产生塑性变形区，边缘应力不再增大，应力分布变为抛物线形。当荷载继续增加接近地基的破坏荷载时，应力分布变成钟形。,.,从上面有分析可以看出，对于柔性基础在中心荷载作用下，基底压力一般均匀分布。而对于刚性基础，基底压力一般不是均匀分布，但为便于计算，一般也简化成均匀分布考虑。虽然不够精确，但这种误差也是工程所允许的。二、基底压力简化计算法1中心荷载作用下的基底压力对于中心荷载作用下的矩形基础，如下图a、b所示，此时基底压力均匀分布，其数值可按下式计算，即,.,式中：p基底（平均）压力，kPa；F上部结构传至基础顶面的垂直荷载，kN；G基础自重与其台阶上的土重之和，一般取kN/m3计算，kN；A基础底面积，A=lbm2。,.,对于条形基础（l10b），则沿长度方向取1m来计算。此时上式中的、代表每延米内的相应值，如上图c所示。2偏心荷载作用下的基底压力（1）单向偏心荷载作用下的矩形基础这是一个矩形基底，受偏向荷载（FG）的作用，偏心距为e,如用一等代力系代替，将（FG）移到中心，同时应有一力距M=(F+G)e。此时，基底压力分布应按左图所示，其最大值为pmax,最小值为pmin。,.,根据材料力学公式有：式中：A基底面积，Abl；M偏心矩，M=(F+G)e；W基底抵抗矩，W=bl2/6。则从上式可以看出：（1）当e0,基底压力呈梯形分布；（2）当e=l/6时，pmin=0,基底压力呈三角形分布；（3）当e6/l时，pmin0,也即产生拉应力。,.,但基底与土之间是不能承受拉应力的，这时产生拉应力部分的基底将与土脱开，而不能传递荷载，基底压力将重新分布，如下图所示。最大压力用表示pmax，根据静力平衡条件有：,.,在实际工程设计中，应尽量避免大偏心，此时基础难于满足抗倾覆稳定性的要求，建筑物易倾倒，造成灾难性的后果。(2）偏心荷载作用下的条形基础对于条形基础（l10b），偏心荷载在基础宽度方向的基底压力计算，只需取l=1m作为计算单元即可，即式中：F上部结构传至每延米长度基础上的垂直荷载，kN/m；G每延米长度的基础自重与其台阶上的土重之和，取G=20kN/m3计算，kN/m。,.,(3)双向偏心荷载作用下的矩形基础若矩形基础受双向荷载作用，如下图所示。则基底压力可按下式计算,.,式中：Wx基底对轴的抵抗矩，WX=bl2/6Wy基底对轴的抵抗矩，Wy=bl2/6三、基底附加压力基底压力减去基底处竖向自重应力称为基底附加压力，即：P0=P-a=P-0d式中：P0基底附加压力；p基底压力；d基础埋深；0基础埋深范围内土的加权平均重度。,.,基底附加压力的概念是十分重要的。建筑物修造前，土中早已存在自重应力，但自重应力引起的变形早已完成。基坑的开挖使基底处的自重应力完全解除，当修建建筑物时，若建筑物的荷载引起的竖向基底压力恰好等于原有竖向自重应力时，则不会在地基中引起附加应力，地基也不会发生变形。只有建筑物的荷载引起的基底压力大于基底处竖向自重应力时，才会在地基中引起附加应力和变形。因此，要计算地基中的附加应力和变形，应以基底附加压力为依据。,.,4.4土中附加应力的计算基底附加压力要在地基中引起附加应力，从而导致地基土的变形，引起建筑物的沉降。目前，地基中附加应力的计算方法是根据弹性理论建立起来的，即假定地基土是均匀、连续、各向同性的半无限空间弹性体。但事实上并非如此，从微观结构上看，由于其三相组成在性质方面的显著差异，决定了地基土是非均质体，也是非连续体；从宏观结构上看，天然地基土通常是分层的，各层之间的性质往往差别很大，从而表现出土的各向异性；试验结果表明，土的应力-应变关系也不是直线关系，而是非线性的，特别是当应力较大时。尽管如此，大量的工程实践表明，当地基上作用的荷载不大，土中塑性变形区很小时，土中的应力-应变关系可近似为直线关系，用弹性理论计算出来的应力值与实测值差别不大，所以工程上还普遍采用弹性理论。,.,一、平面问题基本解-Flamant解线荷载：在半无限空间弹性体的表面，作用在一条无限长直线上的均布荷载称为线荷载，如下图所示。在线荷载作用下，地基中的附加应力状态属于平面问题。只要确定了平面内的应力状态，其它垂直于轴平面上的应力状态都相同。这种情况的应力解答是由Flamant于1892年首先解出，故称为Flamant解，是弹性力学中的一个基本解。,.,采用极坐标时，Flamant解为若采用直角坐标系，可根据弹性力学中的坐标变换公式，即,.,在地基基础工程中，最重要的附加应力分量是竖向附加应力z。由上图可见，代入上式，可得则式中：z地基中某点的竖向附加应力；l线荷载作用下的竖向附加应力系数；,.,q线荷载集度；z计算点至地表的垂直深度。若求线荷载作用下地基中某点的竖向附加应力，则先计算出l值，再代入上式计算出z。,.,作业：P87：第1题、第2题、第3题、第4题,.,土力学教案课次：第6次主要内容：地基附加应力的计算重点内容：Boussinesq解；角点法教学方法：逻辑推理式与互动式,.,二、空间问题基本解-Boussinesq解在半无限空间弹性体的表面，作用一竖向集中力，如下图所示。在集中力作用下，地基中的附加应力状态属于空间问题。这种情况的应力解答是由J.V.Boussinesq于1885年首先解出，故称为Boussinesq解，是弹性力学中的另一个基本解