土力学第1章 土的物理性质与工程分类.ppt

绪论,土力学基本原理,基础设计,地基处理,变形问题、强度问题、稳定问题、渗流问题,研究土体在荷载作用下，土中的应力、变形、强度和稳定性以及渗流规律的一门力学分支称它为土力学。专业基础课、理论为主。,土力学,土力学的研究主题,基础工程,运用土力学的基础理论研究结构物物地基基础的设计，以及下部结构与土层相互作用共同承担上部结构物所产生的各种变形和稳定问题，包括基础设计、地基设计两部分。研究的目的是为设计提供依据，解决岩土工程中的安全性和经济性这一对矛盾，专业课、应用为主。,上部结构：对于某一建筑结构而言，在岩土地层（土层或岩层）上的工程结构成为上部结构。,地基：支撑建筑物（上部结构）荷载、并且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。,天然地基：没有经过人工处理的地基。建筑物直接建筑在地基上。,人工地基：如果地基不满足工程要求，需要对地基进行加固处理，处理后的地基被称为人工地基。,基础：将上部结构的荷载传递到地基中的结构组成部分被称为基础。通常被称为下部结构。,浅基础：通常把埋置深度不大（小于或相当于基础底面宽度，一般认为小于5米）的基础。,深基础：若浅层土质不良，必须把基础埋置于较深处良好地层时（基础深度大于基础宽度）的基础。,持力层：直接承担基础荷载的土层被称为持力层。,下卧层：持力层下面的土层被称为下卧层。,软弱下卧层：承载力显著低于持力层的土层，如淤泥。,地基与基础示意图,地基,持力层,下卧层,第一章,土的组成与结构,土的物理性质指标,土的物理状态,土的渗透性及工程分类,渗透特性变形特性强度特性,土的三相组成土的结构与构造土的物理性质指标土的物理状态土的渗透性,影响,土的形成过程,本章脉络,土的分类,地质年代,太古代、元古代、古生代、中生代和新生代,地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相对应的时代段落。,地质年代和地层单位、顺序、名称对应关系表1-1,相对地质年代,古生物的演化岩层形成的顺序,第四纪地质年代细分表表1-2,土的概念,地壳表层原来坚硬连续的岩石，经历长期的风化作用以及剥蚀、搬运、沉积等作用，在各种交错复杂的自然环境中在地表形成的各种散粒堆积物称为“第四纪沉积物”或“土”。,岩石,土,风化作用,沉积过程,由人类文化期以来的沉积土称为“新近沉积土”,生成产物,产生原因,岩石的风化,物理风化、化学风化、生物风化,物理风化,风化后的产物仅由大变小，化学成分不变，物理化学性状较稳定。,风化特征,属于原生矿物颗粒,易生成巨粒土、粗粒土，如漂石、砾类土、砂类土等。,、地质构造力；、温差；、冰胀；、碰撞,生成产物,产生原因,风化后的产物改变其矿物的化学成分，形成新的矿物。,风化特征,属于次生矿物颗粒,易生成细粒土，最主要的是黏土颗粒及大量的可溶性盐。,、水解作用；、水化作用；、氧化作用；、溶解作用,生物的物理风化,生物的化学风化,化学风化,生物风化,残积土,残积土,颗粒表面粗糙、多棱角、粗细不均匀、无层理。,特点,坡积土,坡积土（物、层）断面,搬运土,搬运距离短；土中组成物的尺寸相差很大，性质很不均匀。,特点,作用力,重力、雨水或雪水,洪积土,洪积土（物、层）断面,有一定的分选性，搬运距离近的沉积物颗粒较粗，力学性质较好；搬运距离远的沉积物颗粒较细，力学性质较差。洪积土还常呈现不规则交错的层理构造。,特点,作用力,暴雨或山洪,冲积土,山区河谷断面示例,由于经过较长时间的搬运，浑圆度和分选性更为明显，常形成砂土层和黏性土层交叠的地层。,特点,作用力,河流流水,风积土风力,湖泊沼泽沉积土缓慢的水流或静水条件,海相沉积土海水,冰积土冰川或冰水,颗粒细，磨圆度、分选性好，表层土质松软，黄土具有湿陷性；沙丘在风力推动下随时改变形状和位置。,这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有生物化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质的淤泥或淤泥质土，工程性质都很一般。,颗粒细，表层土质松软，工程性质较差。,颗粒粗细变化也较大，土质不均匀。,土的工程性质的概念,是指与变形、强度、稳定和渗流等有关的土的性质。它有3个基本特征和2个基本特点，从而导致土力学不同于其他力学学科（包括岩石力学）。,土体的三个基本特征,1、三相体,土的组成,土粒,土中水,土中气,固相,液相,气相,饱和土,非饱和土,干土,土体工程性质的二个基本特点,3、自然变异性或不均匀性,土的自然变异性是指土的工程性质随空间与时间而变异的性质，有时也称其为不均匀性。这种变异性是客观的、自然形成的。,1、不确定性,2、易变性,原因,土的性质复杂,埋藏于地下，难以直接测量,土粒间的联结为无黏结或弱黏结。土体是碎散的，是一种以摩擦为主的集聚性材料，具有散粒性和孔隙性。,2、碎散性,粒径,粒度,粒组,界限粒径：,土颗粒的大小,土颗粒大小的程度,将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组，称为粒组。,划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,国标土的分类标准（GBJ145-90）规定的界限粒径200、60、2、0.075和0.005mm。,颗粒大小与粒组划分,粒组划分与颗粒级配（熟知）,粒组划分,粒组划分表1-3,方案一：建筑地基基础设计规范和岩土工程勘察规范方案二：土的分类标准（GBJ145-90）,土的颗粒级配,土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总质量的百分数)，这个百分数习惯上称为土的颗粒级配。,土颗粒分析试验,筛分法,沉降分析法,用于粒径小于等于60mm、大于0.075mm粗粒土。,用于粒径小于0.075mm的细粒土。,沉降分析法有密度计法（比重计法）、移液管法等。,孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075),200g土,筛余010161824223872,小于某粒径的土的百分含量（）,粒径(mm),P100958778665536,土的颗粒级配累计曲线,沉降法,筛分法,颗粒级配曲线,d60,d50,d10,d30,特征粒径:,斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡：相应粒组含量多缓：相应粒组含量少平台：相应粒组缺乏,d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30:中值粒径,A、B、C三种不同土样的颗粒级配曲线,A,B,C,颗粒级配曲线的应用,不均匀系数Cu,曲率系数Cc,在一般情况下，把Cu10的土属级配良好。,经验证明，当级配连续时，Cc的范围约为13；因此当Cc3时，均表示级配线不连续。,工程上要求同时Cu5且Cc=13的土为级配良好的土,粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度；Cu5为不均匀土；Cu5为均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度；Cc=13为级配连续土；Cc3或Cc3或Cc80%饱和的,表示土中含水程度的指标,重度,土的重力密度（重量）。单位（N/m3）或（kN/m3）,土的密度和土的重度；,土的干密度和土的干重度；,土的饱和密度和饱和重度；,有效密度(浮密度)和有效重度(浮重度)；,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,三相草图法,小结,特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别,步骤：首先绘出三相草图；明确所求指标的表达式或定义；作假设以减少未知量，求解。,例如,设：,推求,【例题1-1】,某完全饱和黏土试样,试计算该,【解】,土样的孔隙比、饱和重度和干重度。,令：,【例题1-2】,某饱和土样切满容器为24.51cm3的环刀内，称得总质量为110.8g，烘干后质量为100.4g。已知环刀质量为66.5g，土粒比重2.72,该土样的密度、有效密度、含水量、孔隙比。,【解】,【练习1-1】,一体积为150cm3的土样，湿土重270g，烘干后质量为204g,土粒比重2.67,求该土样的密度、含水率、孔隙比和饱和度。,由已知条件：,【解】,定义,【练习1-2】,某原状土，天然密度,（1）计算土的孔隙比、饱和度；,（2）当土中孔隙充满水时土的饱和密度和含水率。,（1）：,令：,【解】,（2）：,【练习1-3】,某饱和土体，重度,，土粒比重,（1）根据题中的已知条件，推导干重度,的表达式;,（2）根据（1）的结果，计算该土的干重度。,。,由已知条件：,令：,【解】,土的物理状态反映土的松密和软硬状态的指标无黏性土的松密程度黏性土的软硬状态,土的物理性质指标三相间的比例关系质量和体积之间的关系,黏性土的物理特征,黏性土,含水量,较硬,变软,流动,固态半固态可塑状态液体状态（流动状态),黏性土的可塑性,黏性土在外力的作用下可以任意改变形状而不开裂，外力撤去后仍能保持既得的形状的性能。,界限含水量,黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称为土的稠度界限或界限含水量。,塑限,液限,黏性土的状态反映土中水的形态,固态或半固态,可塑状态,流动状态,强结合水,弱结合水,自由水,w,强结合水膜最厚,出现相当数量自由水,黏性土的状态与土中水,缩限,定义黏性土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限wL。,1、液限wL(%),测定方法,锥式液限仪,操作过程：将黏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WL值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。,锥式液限仪,定义黏性土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为塑限wP,2、塑限wP(%),测定方法,操作过程：用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wp值。,搓好的泥条,滚搓法,入土深度与含水量的关系,制备3个不同含水量的试样，测定圆锥仪在5秒时的下沉深度，测定此时的含水量，在双对数坐标纸上绘出圆锥下沉深度和含水量的关系直线。深度10mm，对应的含水量为液限，2mm对应的含水量为塑限。,液、塑限联合测定法,定义黏性土呈半固态与固态之间的界限含水量称为缩限wS。,3、缩限wS(%),测定方法,用收缩皿法，用收缩皿或环刀盛满含水量为液限的试样，放在室内逐渐晾干，至试样的颜色变淡时，放入烘箱中烘至恒重，测定烘干后收缩体积和干土重，从而求得缩限。,定义黏性土与粉土的液限与塑限的差值（去掉%），称塑性指数，记为IP。,工程应用,用塑性指数IP作为黏性土定名的标准。,黏性土的物理状态指标,物理意义,土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。,黏土,粉质黏土,塑性指数IP,液性指数又称相对稠度，是将土的天然含水量w与wL及wP相比较，以表明w是靠近wL还是靠近wP，反映土的软硬不同。,物理意义,工程应用,定义黏性土的液性指数为天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比，称液性指数，记为IL。,液性指数IL,黏性土的状态（GB50007),黏性土结构性的演示黏性土因受扰动而原结构被破坏后，其工程性质通常会变差，强度将明显下降。土中所示土样在保持天然结构时(原状土)，其上承受了1.5kg的压力，但当结构完全破坏而成为重塑土时，变为可流动的泥浆。,黏性土的结构性,灵敏度触变性,黏性土的结构性,黏性土含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。,土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。,灵敏度触变性,用孔隙比e为标准,无黏性土,按天然孔隙比e划分砂土的密实度（74规范）表1-6,密实度：土的固体颗粒排列的紧密程度。,评价：（1）优点：简捷方便；（2）缺点：无法反映土的粒径级配与颗粒形状因素。,一般指砂（类）土和碎石（类）土，这两大类土中一般黏粒含量少，不具有可塑性，呈单粒结构，它们的物理状态主要取决于土的密实程度，即密实度。,无黏性土的相对密度,用相对密度Dr划分砂土的密实度,评价：（1）优点：理论上完善；（2）缺点：实际上难以操作。,1-穿心锤2-锤垫3-触探杆4-贯入器头5-出水孔6-贯入器身7-贯入器靴,标准贯入试验标准贯入试验(SPT)适用于砂土、粉土和一般黏土，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm）,将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，先按打入15cm，再打入30cm，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N63.5表示,N63.5也称为标贯击数。,以标准贯入试验锤击数N为标准,标准贯入试验(SPT),我国现行建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)采用原位标准贯入试验锤击数N（N63.5）来评价砂类土的密实度。根据N可将砂土分为：,该试验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。,碎石土的密实度划分,砂类土的密实度划分,碎石土密实度按重型（圆锥）动力触探锤击数划分。,碎石土密实度野外鉴别方法,岩土工程勘查规范(GB50021-2001),粉土密实度分类,粉土湿度分类,存在于地面以下岩石和土孔隙、缝隙和孔洞中的水。,地下水,上层滞水,潜水,承压水,渗流,液体从物质微孔中透过的现象,渗透性,土允许水等液体透过的性能称为土的渗透性,为什么土体具有渗透性？,土的渗透性研究的主要问题,渗流量问题,渗流破坏问题,渗流控制问题,基坑开挖挡水建筑物集水建筑物引水结构物地下工程隧道工程,渗透特性变形特性强度特性,概况：Teton坝位于美国Idaho州的Teton河上，是一座防洪、发电、旅游、灌溉等综合利用工程。最大坝高126.5m(至心墙齿槽底)。坝顶高程1625m，坝顶长945m。建于1972-1975年，1976年6月失事。,损失：直接8000万美元。起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路。,原因：渗透破坏水力劈裂造成管涌。,工程实例Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,工程实例Teton坝,工程实例,11：00左右，洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加。,工程实例Teton坝,工程实例,11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,工程实例Teton坝,工程实例,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,工程实例Teton坝,工程实例,11:57坝坡坍塌，泥水狂泻而下。,工程实例Teton坝,工程实例,12：00过后坍塌口加宽,工程实例Teton坝,工程实例,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,工程实例Teton坝,工程实例,失事现场目前的状况,工程实例Teton坝,工程实例,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,产生渗流变形，坝体失稳、坍塌,渗流问题：1.渗流量？2.渗透力？3.渗透破坏？,工程实例,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,产生渗流变形，基坑积水、坍塌,工程实例,渗流问题：1.渗流量？2.渗透力？3.渗透破坏？,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,工程实例,珠海祖国广场基坑失事,基坑渗流破坏,工程实例,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,渗流问题：1.渗流量？2.地下水的影响范围？,工程实例,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,渗流问题：1.渗流量？2.降水深度？,工程实例,降雨入渗引起的滑坡,工程实例,渗流问题：1.渗流力？2.渗入过程？,相邻两个水分子的运动轨迹相互平行而不混流,层流,渗流模型,假定：1.不考虑渗流路径的迂回曲折，只考虑主流方向；2.不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙与颗粒所占的空间均为渗流所填充。,a)实际的渗流土体,渗流模型,b)理想的渗流模型,满足条件：1.同一过水截面，模型渗流流量等于真实渗流流量；2.任意过水截面上模型渗流压力等于真实渗流压力；3.相同体积内模型渗流所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。,过水截面(过水界面）,水在饱和土体中渗流时，在垂直于渗流方向取一个土体截面。,渗流模型,假定在时间t内渗流通过过水截面（面积为A）的渗流量为Q，渗流速度表达式为：,单位时间内的渗流量为(cm3/s)：,渗流速度可表达为(cm/s)：,实际平均速度与假想平均流速的关系,渗流速度,总水头位置水头压力水头速度水头（动水头）,是渗流的总驱动能，土体中的水总是从水头高处流向水头低处,水头：单位重量的水所具有的能量。,测管水头,水头,位置水头：到基准面的竖直距离。代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能。压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高。表示单位重量液体所具有的压力势能。测管水头：测管水面到基准面的垂直距离。等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能。在静止液体中各点的测管水头相等,位置、压力和测管水头,A点总水头：,B点总水头：,二点总水头差反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失。,水力梯度（坡降）：单位渗流长度上的水头损失。,水力梯度,装置中2是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为L的测压管。多孔滤板3下部放碎石，上部放颗粒均匀的砂土样。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管4溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从出水管5流入量杯6中，并以此来计算渗流量Q。,单位时间内的渗出水量q与水力梯度和圆筒断面积成正比，且与土的透水性质有关。,达西定律：,达西渗透试验装置示意图,结论：,0,0,反映土的渗透性强弱的指标称为渗透系数（cm/s）,h,a,b,h2,h1,3,达西定律,砂土,密实黏土,起始水力梯度,渗透速度与水力梯度的关系,砾类土,达西定律适用于层流，不适用于紊流,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏。,渗流,临界水力梯度,管涌：是渗透变形的另一种形式，它是指在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙道中发生移动并被带走的现象。,渗流,过程演示,1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,流土现象防治措施,、减小或消除水头差；、增加渗流路径；、在向上的流出口处地表用透水材料覆盖以平衡渗透力；、土层加固处理，如冻结法、注浆法等。,管涌现象的防治,黏性土（分散性土例外）属于非管涌土；无黏性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件,改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降,土的组成土的状态土的结构,目的便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)分类的原则依据：最能反映土的物理力学性质的指标土的工程分类体系,简明原则工程性质差异原则,建筑工程系统的分类体系建筑地基基础设计规范等,工程材料系统的分类体系土的分类标准公路土工试验规程,ArthurCasagrande，（1902-1981）生于奥地利，后移居美国，他对土力学的贡献巨大，如土的分类、土坡的渗流、土的剪切强度、砂土液化的流动结构和临界孔隙比等。,他提出的分类标准考虑了土的粒度和塑性指标，忽略了土的结构性。我国的国标土的分类标准（GBJ145-90）采取了与之类似的分类原则。,1、按沉积年代分为：老沉积土（Q3）、一般黏性土（Q4）、新近沉积土2、根据地质成因（形成条件）分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、风积土等3、根据