中南大学土力学课件

1、教材及参考书,教 材： 马建林主编，土力学（第三版），中国铁道出版社 阮波，张向京主编，土力学试验，中南大学出版社,参考书： Arnold Verruijt, SOIL MECHANICS 陈希哲主编，土力学与地基基础，清华大学出版社 邵光辉主编，土力学与地基基础，人民交通出版社 陈仲颐主编，土力学，清华大学出版社,教学环节 ：讲课+习题课 (34学时) 实验课 (3次 6学时),考核及成绩：70 （期末考试） 10 （作业完成情况） 15 （实验：预习操作报告） 5 (平时表现),土力学课程的安排和要求,上课、实验课必须出席 积极参加课堂讨论 独立按时完成作业。抄袭、迟交或不认真 完成者在平

2、时成绩中扣分。为鼓励个人独 立完成，作业错误不扣分。,课程要求：,什么是土？ 土及土力学的特点？ 学习土力学的重要性？ 土力学的研究内容？ 土力学的发展方向？,绪论：土力学及其特点,主要内容,土地系指由地形、水文、局地气候、岩石圈的上层、土壤和生物有机体等相互作用组成的自然地域综合体，是地球表层历史发展的产物。,什么是土？,绪论：土力学及其特点,一、土壤在自然界的位置,土壤是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈综合作用形成的产物。其上界通常是绿色植物层顶，下界达植物根分布层。其垂直范围，恰好是岩石圈的上层、大气圈的下层、水圈及生物圈相互接触的地方，是生物生命及人类生产活动最集中的地方。,绪论：土力学及

3、其特点,二、土壤的剖面和形成,土壤有非常复杂的形成过程，并具有独特的层状构造。土壤剖面一般包含枯枝落叶层、腐殖质层、淀积层和母质层四个基本层次。, 地质大循环：,岩石 土壤,风化、搬运、沉积, 生物小循环： 生物活动所造成的土壤 有机质的循环,地质成岩作用,土壤带,腐殖质层,淀积层,母质层,绪论：土力学及其特点,岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚,三、土的形成过程,风蚀蘑菇,绪论：土力学及其特点,高山下的冲积锥群,黄河冲积三角洲,绪论：土力学及其特点,砾石料 卵 石 砂 粘 土 （人工破碎）,四、工程与土力学中的土,地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化作用而形成的、覆盖在地表上

4、碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。,绪论：土力学及其特点,一、土体的特点, 一般固体： 液体： 土体（散粒）：,可保持固定的形状,不具有特定的形状,具有一定但不固 定的形状,土及土力学的特点？,绪论：土力学及其特点,岩石风化或破碎的产物，是非连续体,受力以后易变形，强度低 体积变化主要是孔隙变化 剪切变形主要由颗粒相对 位移引起,固相-土骨架 液相-水 气相-空气,受力后由土骨架、孔隙 介质共同承担 相间存在复杂的相互作用 孔隙流体流动,自然界的产物，存在自然变异性,非均匀性 各向异性 时空变异性, 碎散性, 三相性, 天然性,绪论：土力学及其特点,二、土力学与其他学科的比较,绪论：土力

5、学及其特点,三、土力学的特点,绪论：土力学及其特点,四、土力学的发展历史,1773 Coulomb（后Mohr发展）：摩尔-库仑强度理论 有关土力学的第一个理论 1776 Coulomb：库仑土压力理论 1856 Darcy：达西渗流定律 1857 Rankine ：朗肯土压力理论 1920 Prandtl：普朗特极限承载力公式 1921-1923 Terzaghi：有效应力原理及固结理论 1925 Terzaghi ：出版土力学 土力学成为一门独立学科的标志 1936 第一届国际土力学及基础工程会议 1960s后 现代土力学,绪论：土力学及其特点,土是工程中应用最广泛的建筑材料。由土层所构成

6、的广袤大地 是工程建设的基地 是建筑物的地基 是地下建筑的环境 为土工构筑物提供填筑材料 因此，对土工程性质认识的偏差可能会导致损失巨大的事故。,学习土力学的重要性？,绪论：土力学及其特点, 加拿大特朗斯康谷仓,事故： 1913年9月开始装谷物，至10月17日共装入3万多谷物，但此时发生破坏： 1小时竖向沉降达30.5cm 24小时倾斜2653 西端下沉7.32m 东端上抬1.52m 上部钢混筒仓完好无损,概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。1913年完工，自重2万T。,绪论：土力学及其特点,处理：事后在下面做了七十多个支撑

7、于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。,原因：谷仓的地基承载力按邻近结构物基槽开挖取土试验结果计算。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,绪论：土力学及其特点, 香港宝城滑坡,1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7人。,原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是

8、山坡土体发生滑动。,绪论：土力学及其特点,香港宝城滑坡现场,绪论：土力学及其特点,绪论：土力学及其特点, 阪神大地震中的地基液化,神户码头： 地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤,绪论：土力学及其特点,地基液化造成的路面塌陷,绪论：土力学及其特点,1964年日本新泻地震地基的大面积液化,绪论：土力学及其特点,加拿大特朗斯康谷仓地基失稳 香港宝城滑坡 阪神等大地震中地基液化,案例总结（一）,绪论：土力学及其特点,可归结为与土有关的 强度问题, 比 萨 斜 塔,绪论：土力学及其特点,目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27

9、m，倾斜5.5,原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度低，变形大。,1590年: 伽利略在此塔做 自由落体实验,绪论：土力学及其特点,1838-1839：挖环形基坑卸载 1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固 1990年1月: 封闭 1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理 目 前 : 已向游人开放。,处理措施,绪论：土力学及其特点, 苏州虎丘塔,概况：位于虎丘公园山顶，建于宋太祖建隆二年(公元961年)。塔高47.5m，平面呈八角形。 问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达2.31m，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物。 原因：坐落于不均匀粉质

10、粘土层， 产生不均匀沉降。 处理：在四周建造圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔身。,绪论：土力学及其特点,1986年：开工 1990年：人工岛完成 1994年：机场运营 面积：4370m1250m 填筑量：180106m3 平均厚度：33m,世界最大的人工岛, 日本关西机场,绪论：土力学及其特点,绪论：土力学及其特点,意大利比萨斜塔 苏州虎丘塔 日本关西机场,案例总结（二）,绪论：土力学及其特点,可归结为与土有关的 变形问题,土坝， 高90m， 长1000m， 1975年建成 次年6月失事, Teton坝（美国）,绪论：土力学及其特点,绪论：土力学及其特点,上午1

11、0:30,11：00,11:30,11:57,绪论：土力学及其特点,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公里铁路被冲 原因渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,绪论：土力学及其特点, 1998年长江大堤,绪论：土力学及其特点,98洪水长江堤防险情统计,绪论：土力学及其特点, 九江大堤决口,1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面找到2处进水口。 又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5 m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成宽约62m的溃口。,溃口原因：堤基管涌,绪论：土力学及其特点, 沟后面板砂砾石坝,位于青海

12、省，高71米，长265米，建于1989年。 1993年8月7日突然发生溃坝，瞬间冲毁1000多户房舍，288人丧生，上千人受伤。,溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳,绪论：土力学及其特点,美国Teton坝失事 98洪水长江堤防险情 沟后面板砂砾石坝溃坝,案例总结（三）,绪论：土力学及其特点,可归结为与土有关的 渗透问题,土工结构物或地基,土,强度问题 变形问题 渗透问题,强度特性 变形特性 渗透特性,土力学可以解决工程实践问题，这正是土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的。, 学习土力学的目的,绪论：土力学及其特点,基础和先导 物理性质 土中应力计算,工程应用 土压力

13、土坡稳定 地基承载力 基础设计,核心理论 渗透特性 变形特性 强度特性,土力学,土力学的研究内容,绪论：土力学及其特点,土的物理性质 土的渗透性 地基土的变形性质 地基土的抗剪强度和稳定性 土压力 土动力学 其他问题, 土力学的研究内容,绪论：土力学及其特点,设计理论方面 土的本构模型 土动力学研究 土力学试验设备的改进和研制 复合地基和复合土体的设计和改进,土力学的发展方向,绪论：土力学及其特点,绪论：土力学及其特点,重大交通运输工程：高铁、重载、机场、地铁 废料储存：核废料、垃圾、二氧化碳 重大岩土工程灾害：滑坡、地面塌陷 新能源开发：可燃冰、深部采矿,土力学的新领域,绪论：土力学及其特点

14、,本章小结,土力学定义、研究对象、研究的主要内容,土力学应用中的成功经验,土力学应用中的失败教训：建筑物倾斜、地 基严重下沉、地基液化失效、土体滑坡,土力学理论：古典土力学、太沙基影响时期、 计算机时代,土力学设计理论、本构模型、动力学、试验设备,第一章：土的物理性质与工程分类,1.1 土的形成 1.2 土的三相组成 1.3 土的结构 1.4 土的物理状态 1.5 土的工程分类 1.6 土的压实性,主要内容,1.1 土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构 和物理力学性质,过程、条件,第一章：土的物理性质与工程分类,一、风化作用,物理风化 化学风化 生物风化,岩

15、石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎 是颗粒大小发生量的变化 矿物成分与母岩相同，称原生矿物 产生无粘性土,第一章：土的物理性质与工程分类,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物 颗粒成分发生质的变化 矿物成分与母岩不同，称次生矿物 形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,物理风化 化学风化 生物风化,第一章：土的物理性质与工程分类,包括植物、动物和土壤微生物的作用 可加剧物理和化学风化 构成土中有机质和营养物质的生物循环 导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,物理风化 化学风化 生物风化,第一章：

16、土的物理性质与工程分类,残积土 无搬运 运积土 有搬运,二、土的沉积类型,第一章：土的物理性质与工程分类,残积土 无搬运 运积土 有搬运,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物 坡积土：土粒粗细不同，性质不均 洪积土：有分选性，近粗远细 冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭 湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差 海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差 冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀 风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理,第一章：土的物理性质与工程分类,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,1.2土体的三相构成,第

17、一章：土的物理性质与工程分类,一、固体颗粒,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,d (mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,中,细,粗,中,细,0.075,粗粒,细粒,粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。 细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。,巨粒,60,第一章：土的物理性质与工程分类,1、粒径级配,粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示 分析方法： 筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土 常采用比重计法 表述方法: 粒径级配累积曲线

18、,第一章：土的物理性质与工程分类,孔径 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 (0.075),200g土,筛余 0 10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P 100 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,水分法,筛分法,第一章：土的物理性质与工程分类,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; 中间粒径,第一章：土的物理性质与工程分类,土的

19、粗细度：用d50 表示 土的不均匀程度：用不均匀系数： Cu = d60 / d10 表示，Cu 5，称为不均匀土，反之称为均匀土 连续程度: 用曲率系数 Cc = d302 / (d60 d10 ) 度量, Cc=13为连续级配, 3或1为不连续级配,小于某粒径之土质量百分数（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,d60,d50,d10,d30,第一章：土的物理性质与工程分类,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： Cu 5为不均匀土； Cu 5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Cc1为 级配 不良的

20、土,2、粒径级配曲线和指标的应用,第一章：土的物理性质与工程分类,3、 矿物成分,固体成分,原生矿物 - 石英、长石、云母等 次生矿物,矿物质 有机质,无定形氧化物胶体 可溶盐 粘土矿物,具有和原生矿物很不相同的特性 对粘土性质的影响很大,第一章：土的物理性质与工程分类,3.1 粘 土 矿 物,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,第一章：土的物理性质与工程分类,粘土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成，可分成高岭石、伊利石和蒙特石三种类型。,硅片 铝片,第一

21、章：土的物理性质与工程分类,晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间 能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-3，厚约0.03-1。 主要特征：颗粒较粗，不容易吸水膨胀和失水收缩，或者说亲水能力差。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,第一章：土的物理性质与工程分类,晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。 每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1 ，厚约0.001-0.01。 主要特征：颗粒细微，具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性，或者说亲水能力强。,依硅片和铝片组叠形式的不

22、同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,第一章：土的物理性质与工程分类,是云母在碱性介质中风化的产物。 与蒙特石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。 主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙特石，其特征也介于两者之间。,依硅片和铝片组叠形式的不同，可分成如下三种类型：,高岭石 蒙特石 伊利石,第一章：土的物理性质与工程分类,二、土 中 水,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，冻胀融沉 水蒸气 存在孔隙空气中,第一章：土的物理性质与工程分类,- 强结合水： 排列致密，密度1g/cm3 冰

23、点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于100C时可蒸发 - 弱结合水： 受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,粘土 颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,第一章：土的物理性质与工程分类,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,第一章：土的物理性质与工程分类,三、土 中

24、气,自由气体：与大气连通的气体，对土的性质影响不大 封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性 溶解在水中的气体 吸附于土颗粒表面的气体,第一章：土的物理性质与工程分类,一、粗粒土的结构,粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用 排列形式：点与点 点与面,1.3 土 的 结 构,第一章：土的物理性质与工程分类,二、细土颗粒间的作用力,范德华力：接触点处的分子引力，作用范围为几个分子的距离，是细粒土粘结在一起的主因 库仑力：颗粒表面的静电引力或斥力，随距离衰减的速度比范德华力慢 胶结力：土粒间通过胶体连结在一起，作用力是化合

25、键，具有较高的强度 毛细力：土中毛细作用形成的力,土中细颗粒，比表面积大，重量轻，重力不起重要的作用，其他粒间力起主导作用：,第一章：土的物理性质与工程分类,三、细粒土的结构,形成环境 粒间作用力 排列形式,淡水中沉积 表面力、胶结力 （粒间斥力占优势) 面与面,天然通常不是单一结构，可能是呈多种类型的综合结构。往往先形成团粒,海水中沉积 表面力、胶结力 （斥力减小引力增加) 边、角与面 边、角与边,示意图,第一章：土的物理性质与工程分类,四、砂土的振动密实和液化,振动密实：松砂受振动时土颗粒在振动中调 整相互位置，土的结构趋于更加 密实和稳定。,振动液化：颗粒比较细小的砂土被水饱和，在 突然

26、振密而排水不畅的情况下，土 颗粒受到孔隙水的反作用而处于悬 浮状态，变成液体状，称为液化。,第一章：土的物理性质与工程分类,五、粘性土结构性的指标,灵敏度 触变性,第一章：土的物理性质与工程分类,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,第一章：土的物理性质与工程分类,1.4 土的物理状态,土的物理状态 粗粒土的松密程度 粘性土的软硬状态,土的物理性质指标 (三相间的比例关系),表示,第一章：土的物理性质与工

27、程分类,一、物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,密实程度 干湿程度 ,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 基本方法:,定义,三相草图法,第一章：土的物理性质与工程分类,三 相 草 图,1、土的三相图,第一章：土的物理性质与工程分类,三个独立变量， 干土或饱和土二个独立变量,其它指标： 三相草图法计算,实验室 测定,第一章：土的物理性质与工程分类,2、基本物理性质试验,为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验： 土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验,第一章：土的物理性质与工程

28、分类,定义：土单位体积的质量 表达式： 单 位: kg/m3 或 g/cm3 一般范围: 1.602.20 g/cm3,土的密度,相关指标: 土的容重 =g 单位: kN/m3,工程上更常用, 用于计算土的自重应力,第一章：土的物理性质与工程分类,定义：土粒的密度与4C时纯蒸馏水密度的比值 表达式： 单 位: 无量纲 一般范围：粘性土 2.702.75， 砂土 2.65,土粒比重Gs,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,第一章：土的物理性质与工程分类,定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示 表达式： 单 位: 无量纲 一般范围：变化范围大,注意: 其实是含水比,可达

29、到或超过100,土的含水量W,第一章：土的物理性质与工程分类,可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：,3、换算指标,砂类土：28-35% 粘性土：30-50%，的可达60-70%,孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 为无量纲,孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示,可用三相草图推出,第一章：土的物理性质与工程分类,对干土：Sr=0 对饱和土：Sr=1,饱和度：土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度：,第一章：土的物理性质与工程分类,干密度：土被烘干时的密度， 干容重：,天然密度 天然容重,饱和密度：土被饱和时的密度， 饱和容重：,浮容重：,静

30、水下的有效容重,第一章：土的物理性质与工程分类,天然密度 干密度 饱和密度,天然容重 干容重 饱和容重 浮容重,第一章：土的物理性质与工程分类,4、各种指标的换算,第一章：土的物理性质与工程分类,【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度,【解】,第一章：土的物理性质与工程分类,二、土的物理状态指标,1、粗粒土的密实状态,简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响,物理性质指标：孔隙比e（孔隙率n） 干密度d,相对密度：,emax与

31、emin ：最大与最小孔隙比,第一章：土的物理性质与工程分类,最大孔隙比emax: 将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比 最小孔隙比emin : 将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比,理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难,粗粒土的最大与最小孔隙比,第一章：土的物理性质与工程分类,相对密度,粗粒土的相对密度,相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位标准贯入试验法测定,第一章：土的物理性质与工程分类,粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度

32、是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,2、粘性土的稠度状态,第一章：土的物理性质与工程分类,塑限wp,液限wl,粘性土的稠度反映土中水的形态,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,强结合水膜最大,出现相当数量自由水,第一章：土的物理性质与工程分类,液性指数：,IL0 坚硬(半固态) 01流塑,液性指数,不同的粘土，wp、wL 大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。,第一章：土的物理性质与工程分类,塑性指数,问题

33、：反映的是全部土颗粒吸附结和水的能力，不能充分反映粘土矿物表面活性的高低,活性指数：,粒径小于0.002mm颗粒的质量占土总质量的百分比,A 1.25活性粘土,定义：,大体上表示土的弱结合水含量,反映吸附结合水的能力，即粘性大小 大致反映粘土颗粒含量 常作为细粒土工程分类的依据,第一章：土的物理性质与工程分类,土的组成 土的状态 土的结构,建筑地基基础设计规范- GB50007-2002分类法,水利部SL237-1999分类法,1.5 土的工程分类,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) 依据：最能反映土的物理力学性质的指标 要求：要有一定的逻辑性、系统性， 纲目

34、分明，简单易记，便于运用,第一章：土的物理性质与工程分类,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,土,一、建筑地基基础设计规范- GB50007-2002分类法,第一章：土的物理性质与工程分类,土的名称 粒组含量,粒径大于2mm的颗粒占全质量25 - 50%,砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂,粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%,粒径大于0.075mm的 颗粒超过全质量50%,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,砂土,土,第一章：土的物理性质与工程分类,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 特殊性

35、土,粉土 粘性土,粘性土：塑性指数Ip10的土,粉质粘土：1017的土,非活性粘土： A 1.25,粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土,土,第一章：土的物理性质与工程分类,二、水利部SL237-1999分类法,土颗粒组成及其特性 塑性指标：液限、塑限、塑性指数 有机质含量,土的分类,巨粒土和含巨粒土 粗粒土：砾类土、砂类土 细粒土：根据塑性图分类 特殊土： 黄土、膨胀土、红粘土,分类依据：,第一章：土的物理性质与工程分类,土的压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性 压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长

36、的特性 研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度 击实方法： 室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、碾压,1.6 土的压实性,第一章：土的物理性质与工程分类,一、室内击实试验,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w=cosnst的土，分三层压实； 测定击实后的w、，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,第一章：土的物理性质与工程分类,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%),饱和曲线,dmax,wop,二、细粒土的击实曲线,具有峰

37、值 最大干密度dmax 最优含水量Wop,位于饱和曲线之下,粘性土透水性小，击实过程中含水量几乎不变，要想击实到饱和状态是不可能的。,第一章：土的物理性质与工程分类,含水量Wop：颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 含水量=Wop：水膜润滑作用效果最佳，孔隙气尚没有形成封闭 气泡，易排出 含水量Wop：水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出; 水的相对含量增加,压实机理 颗粒破碎（细粒土较少） 粒间联结力被破坏，颗粒 间孔隙被压缩 土粒定向排列,压实与含水量,三、细粒土的压实机理,第一章：土的物理性质与工程分类,四、细粒土压实功能,对于同一种土,最优含水量和最大干密度并不恒定,而随压密功能变化

38、，压实功能愈大,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高 超过最优含水量后，压实功能的影响随含水量的增加逐渐减小。击实曲线均靠近于饱和曲线,第一章：土的物理性质与工程分类,五、细粒土的压实标准,填土施工时应将土料含水量控制在Wop左右，以期用较小的能量获得最好的密度。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：,工程上常采用压实度Dc，作为填方压实密度控 制的标准：,第一章：土的物理性质与工程分类,六、粗粒土的压实性,击实曲线,压实标准：常用相对密度控制 Dr0.7-0.75,不存在最优含水量，在完全风干或饱和状态下易于击实。在潮湿状态下，存在假凝聚力，加大了

39、阻力 同细粒土不同，粗粒土在击实过程中可以自由排水 粗砂w=45%，中砂w=7%时，干密度最小 ，,第一章：土的物理性质与工程分类,第一章：土的物理性质与工程分类,本章小结,土的形成、三相组成、结构、土的膨胀、收 缩及冻胀性,土的粒径组成、级配曲线,土的三相指标定义、表达式及换算,土的物理状态及有关指标,土的工程分类,土的压实性,2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透系数的测定及影响因素 2.4 渗透力与渗透变形,第二章：土的渗透性和水的渗流,主要内容,2.1 概述,土颗粒,土中水,渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔

40、隙中从能量高的点向能量低的点流动,水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,第二章：土的渗透性和水的渗流,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,防渗体,坝体,工程实例,第二章：土的渗透性和水的渗流,板桩围护下的基坑渗流,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,第二章：土的渗透性和水的渗流,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,第二章：土的渗透性和水的渗流,渠道、河流渗流,原地下水位,渗流时地下水位,第二章：土的渗透性和水的渗流,降雨入渗引起的滑坡,第二章：土的渗透性和水的渗流,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

41、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,一、位置、压力和测管水头,2.2 土的渗透性和渗透规律,第二章：土的渗透性和水的渗流,压力势能：,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,单位重量水流的能量：,二、总水头,第二章：土的渗透性和水的渗流,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0）,渗流

42、的总水头：,也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处,第二章：土的渗透性和水的渗流,A点总水头：,三、水力坡降,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,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,第二章：土的渗透性和水的渗流,四、达西渗透定律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,第二章：土的渗透性和水的渗流,达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关 渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位： cm/s

43、, m/s, m/day 渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,第二章：土的渗透性和水的渗流,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断 ：,Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区,第二章：土的渗透性和水的渗流,2.3 渗透系数的测定方法,常水头试验法,井孔抽水试验,室内试验方法 野外试验方法,第二章：土的渗透性和水的渗流,变水头试验法,井孔注水试验,一、室内试验方法-

44、常水头试验法,试验条件: h，A，L=const 量测变量: 体积V，t,适用土类：透水性较大的砂性土,第二章：土的渗透性和水的渗流,二、室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量: h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,第二章：土的渗透性和水的渗流,在tt+dt时段内：,第二章：土的渗透性和水的渗流,三、现场测定法抽水试验,试验条件: Q=const 量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长,第二章：土的渗透性和水的渗流,第二章：土的渗透性

45、和水的渗流,是土中孔隙直径大小的主要影响因素 因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,四、渗透系数的影响因素,第二章：土的渗透性和水的渗流,是单位土体中孔隙体积的直接度量 对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,第二章：土的渗透性和水的渗流,对粘性土，影响颗粒的表面力 不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石 ；当粘土中含有可交换的钠离子

46、越多时，其渗透性将越低 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,第二章：土的渗透性和水的渗流,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大 在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平k垂直 在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,第二章：土的渗透性和水的渗流,水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k 饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道,土的性质 水

47、的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,第二章：土的渗透性和水的渗流,五、层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数,天然土层多呈层状,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,第二章：土的渗透性和水的渗流,等效渗透系数:,1、层状地基的水平等效渗透系数,第二章：土的渗透性和水的渗流,2、层状地基的垂直等效渗透系数,等效渗透系数:,第二章：土的渗透性和水的渗流,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,第二章：土的渗透性和水的渗流,2.4 渗透力与渗透变形,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 h0 水

48、在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。,渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致,一、渗透力,第二章：土的渗透性和水的渗流,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L(+ w) + whw,R = L,土水整体受力分析-静水,第二章：土的渗透性和水的渗流,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = wh1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L(+ w) + whw,R = L - w

49、h,土水整体受力分析-渗流,第二章：土的渗透性和水的渗流,R = L - wh,土水整体受力分析- 对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,R = L,减少的部分由谁承担？,总渗透力： J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j = J/V = wh /L = wi,第二章：土的渗透性和水的渗流,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 大小： j = wi 方向：与水力坡降方向一致 作用对象：土骨架,渗透力的性质,第二章：土的渗透性和水的渗流,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降

50、icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：,R = L - wh=0,临界水力坡降,icr = h/L =/w,第二章：土的渗透性和水的渗流,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型 基本类型： 管涌 流土 接触流土 接触冲刷,二、渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,第二章：土的渗透性和水的渗流,1、渗透变形 - 流土,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,第二章：土的渗透性和水的渗流,2、渗透变形 管涌,原因

51、,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,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道,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,第二章：土的渗透性和水的渗流,3、流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过

52、粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,第二章：土的渗透性和水的渗流,Fs: 安全系数1.52.0, i : 允许坡降,i icr :土体处于稳定状态,i = icr :土体处于临界状态,i icr :土体发生流土破坏,工程设计：,4、流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,第二章：土的渗透性和水的渗流,土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应

53、的几何条件和水力条件,5、管涌可能性的判别,第二章：土的渗透性和水的渗流,第二章：土的渗透性和水的渗流,本章小结,达西渗透定律,渗透系数的测定,渗透力及临界水力梯度,成层土的平均渗透系数,渗透变形：流土、管涌,第三章：土体中的应力计算,3.1 应力状态及应力应变关系 3.2 有效应力原理 3.3 自重应力 3.4 基底压力计算 3.5 附加应力,主要内容,一、土力学中应力符号的规定,3.1 地基土的应力状态,第三章：土体中的应力计算,三维应力状态（一般应力状态）,二、地基中的应力状态,第三章：土体中的应力计算,三维应力状态（三轴应力状态）,应变条件,应力条件,独立变量,第三章：土体中的应力计算

54、,二维应力状态（平面应变状态）,垂直于y轴断面的几何形状与应力状态相同 沿y方向有足够长度，L/B10 在x, z平面内可以变形，但在y方向没有变形,第三章：土体中的应力计算,二维应力状态（平面应变状态）,应变条件,应力条件,独立变量,第三章：土体中的应力计算,侧限应力状态：指侧向应变为零的一种应力状态,水平地基半无限空间体 半无限弹性地基内的自重应力只与Z有关 土质点或土单元不可能有侧向位移侧限应变条件 任何竖直面都是对称面,应变条件,第三章：土体中的应力计算,侧限应力状态：侧向应变为零的一种应力状态,应变条件,应力条件,独立变量,第三章：土体中的应力计算,E、与位置和方向无关,理论：弹性力

55、学解求解“弹性”土体中的应力 方法：解析方法优点：简单，易于绘成图表等,碎散体,非线性 弹塑性,成层土 各向异性,三、应力计算时的基本假定,连续介质 （宏观平均）,线弹性体 （应力较小时）,均质各向同性体 （土层性质变化不大）,第三章：土体中的应力计算,对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？ 它们如何传递和相互转化？ 它们对土的变形和强度有何影响？,土体是由固体颗粒骨架、孔隙流体（水和气）三相构成的碎散材料，受外力作用后，总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,Terzaghi的有效应力原理和固结理论,3.2 有效应力原理,第三章：土体中的应力计算,外荷载 总应力 ,一、饱和土中的应力形态,饱和土是

56、由固体颗粒骨架和充满其间的水组成的两相体。受外力后，总应力分为两部分承担：,由土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，称之为粒间应力 由孔隙水来承担，通过连通的孔隙水传递，称之为孔隙水压力。孔隙水不能承担剪应力，但能承受法向应力,第三章：土体中的应力计算,a-a断面竖向力平衡：,二、饱和土有效应力原理,第三章：土体中的应力计算,饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分和u，并且： 土的变形与强度都只取决于有效应力,一般地，,有效应力,总应力已知或易知 孔隙水压测定或计算,第三章：土体中的应力计算,三、有效应力原理的讨论,孔隙水压力的作用 有效应力的作用 讨论,它在各个方向相等，只

57、能使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒移动，导致孔隙体积发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小 水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献 因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响，称为中性应力,第三章：土体中的应力计算,孔隙水压力的作用 有效应力的作用 讨论,是土体发生变形的原因：颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动以及在接触点处由于应力过大而破碎均与有关 是土体强度的成因：土的凝聚力和粒间摩擦力均与有关,第三章：土体中的应力计算,孔隙水压力的作用 有效应力的作用 讨论,第三章：土体中的应力计算,稳定渗流条件：向上渗流,土水整体分析,总应力：单位土柱和水柱的总重量, = satH,孔隙水压力：净水压强,u = w(H+h),有效应力：, = -u = satH- wH-wh =H - wh,渗透压