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1、土 力 学,陈 学 光 2007年9月,土力学,第一章 土的物理性质和工程分类 ：,土的三相物理性质指标的测定及计算,4,粘性土水土系统的工程（物理化学）特性,土力学,第一节 土的生成 :,1.1 岩石风化的产物及成土作用： 岩石通过风化作用（物理风化、化学风化和生物风化），变成碎块、碎屑、颗粒状态，同时发生质变，经过自然力的搬运，在新的环境中形成沉积或堆积，由于时间经历短，固结压密和胶结作用还不够，不具备成岩条件而呈松散的颗粒状态，含有水和气体，形成了土。 冻土地区，岩石基本经受物理风化，生成碎屑型风化壳（岩石产生风化的厚度或深度范围）。 （半）沙漠和（半）干旱地区，气温高，空气干燥、降雨量

2、少，物理风化作用强烈、化学及生物风化作用微弱，生成氯化物和硫酸盐富集的风化壳。 一般温带地区（我国北方），物理风化为主，化学和生物风化较弱，土壤溶液呈弱碱性，生成碳酸盐富集的风化壳。 多雨湿热地区（我国南方），物理风化一般，但化学和生物风化作用强烈，土壤溶液呈弱酸性，生成富集氧化物（Al2O3，Fe2O3）的风化壳。 热带和亚热带地区（我国部分南方地区），化学风化进行彻底，生物风化较强，物理风化较弱，土壤溶液呈弱酸性或弱碱性。富集氧化物（Al2O3，Fe2O3， SiO2 ）的风化壳。,土力学,第一节 土的生成 :,1.2 陆相沉积： 根据第四纪的大环境，可将土分为陆相沉积和海相沉积两大类，“

3、相”是指沉积环境，即当年沉积物形成时的自然地理环境。 残积层：岩石风化后的产物未经自然力的搬运，残留在原地并具有一定的厚度叫残积层。分布在平顶山区、缓坡和低丘陵地带。 坡积层：岩石风化后，受到雨水、融雪水的冲刷或重力作用，在山坡地点或山脚下堆积下来，称为坡积层。作为地基，会产生沉降不均和滑动。 洪积层：在干旱和半干旱地区，由夏秋暴雨洪流在山麓地带冲刷形成的洪水沉积物，多为扇形。工程评价分为扇顶、扇中和扇边。扇顶多为粗大砾石和沙砾，通常为戈壁；扇中土质粗细适中，水源丰富，适于建设；扇边勉强适于农业，不宜作为地基。 河流冲积层：河流的地质作用是改变地貌，河水的巨大能量，对地层产生侵蚀和搬运作用，将

4、搬运的碎屑和颗粒物质在新的地方沉积和堆积下来。在陆相沉积物中，河流冲积层占有很大的比例，绝大多平原都为河流或洪水冲积层，是基本建设的普遍场所。 湖积层：主要为第三纪的湖水沉积，湖水消亡，形成河谷或内陆盆地。 风积层：风力使沙砾移动，形成沙暴或尘暴，产生风蚀和风积地貌，如沙漠和黄土堆积。,土力学,第一节 土的生成 :,1.3 海相沉积： 在海洋环境中形成的沉积称为海相沉积。分为滨海及泻湖沉积、浅海和深海沉积。 滨海沉积：滨海地带自陆地延至水下缓坡地带，这一地带常是海陆交接带，有深厚的淤泥沉积，近岸处形成沙海滩和海滨沙丘。 泻湖沉积：滨海的海湾受淤泥阻挡和大海分离后逐步形成泻湖，若有淡水流入泻湖，

5、形成淡水湖。 浅海沉积：指自低潮带至水下深度小于200m的水域，这一带称为大陆架，该区域都是细粒土沉积。 深海沉积：大陆架以远区域，以黏土、淤泥和海洋生物遗骸混杂而成的生物软泥，地质较为复杂。,土力学,第二节 土的三相组成 :,土的三相组成包括固体、液体和气体。有时为两相物质，没有气体时为 饱和土，没有液体时为干土。 2.1 土中的固体颗粒： 粒度、粒径和粒组划分： 土颗粒的大小为粒度，土颗粒形状大小各异，但可将其体积简化为同当 量的小球体，据此计算小球体的直径，称为当量粒径，简称粒径，根据粒径 大小对颗粒进行分类定名。粒径相近，工程性质相近，工程上把土颗粒按粒 径大小划分为若干组，称为粒组。

6、（砂石是混凝土的主要组成之一，粒径在 4.75mm以上为石子，4.72mm以下为砂子） 颗粒分析和粒径级配曲线 颗粒分析就是确定颗粒粒组和粒径。工程经验表明，粒径大于0.1mm的 颗粒为粗颗粒，粒径小于0.1mm的为细颗粒。前者用筛分法进行颗粒分析， 后者采用密度计法或移液管法进行颗粒分析。 根据颗粒分析的结果所绘制的曲线，就是粒径级配曲线。,土力学,第二节 土的三相组成 :,粒径级配曲线描述的是土样中各种粒经大小所占的比例，或累计比例的 的粒经大小。 粒径级配不均匀系数： 粒径级配曲率系数,土力学,第二节 土的三相组成 :,粒径级配不均匀系数与粒径级配曲率系数的实际意义： 我国规范规定：Cu

7、10，且Cc=13 时称为级配良好的土，若不能同时 满足上述两个条件，称为级配不良的土。级配良好的地基土或土料，粒经分 布范围较大，大中小颗粒都有一定比例，填塞较密实，地基强度高，压缩性 低，透水性小，稳定性好。 3. 土粒的矿物、化学成分： 土粒的矿物、化学成分包括原生矿物、次生矿物，可溶、难溶及不溶盐 类，有机质，各种化合物及许多微量元素。 土粒的矿物、化学成分和土粒的粒径级配对土的工程性质影响很大，细 粘土、粘性土，土粒的矿物化学成分对土的工程性质的影响尤为显著。对于 粗粒土的工程性质，粒经级配的影响是首要的。,土力学,第二节 土的三相组成 :,粘土矿物是次生矿物中最主要的一种，对粘性土

8、的性质的影响是具有决 定性的。 颗粒极细，比表面积大； 吸附能力极强； 粘土矿物颗粒的带电性。 2.2 土中的水 按与土颗粒的关系分为：矿物结晶水或化学结合水、结合（吸附）水、自由水。 结合水根据与土颗粒表面的远近距离分为强结合水和弱结合水。 自由水：水分子距土颗粒表面的距离超过了固定层（强结合水）和扩散层（弱结合水）之后，就不再受土颗粒的吸附作用。,土力学,第二节 土的三相组成 :,依自由水的存在状态分为毛细水和重力水。 毛细水是在一定条件下存在于地下水位以上土颗粒间空隙的水。 重力水是地下水位以下的水，为普通的液态水，受重力规律支配。 2.3 土中的空气 土中的空气主要存在于地下水位以上的

9、包气带中，与大气相通，也存在于粘性土中的一些封闭空隙中。,土力学,第三节 土的结构、构造 :,3.1 土粒结构 土粒结构是由土粒形成的某种结构状态，通常指微观状态。 碎石、砾石和砂类土等粗粒土属于单粒结构； 粉土是蜂窝状结构； 粘土颗粒是絮凝状结构。 3.2 土体构造 土体构造是土体中各组成部分之间的排列、分布及外貌特征。 第四纪地层构造特征包括：层状、裂隙、分散、结核和包裹状。,土力学,第四节 土的三相物理性质指标测定及计算:,4.1 土的常用物理性质指标及应用 常用物理指标分为基本指标和换算指标 基本指标： 土粒相对密度：土粒质量与同体积的水（4C）的质量之比，以ds表示； 土的天然含水量

10、：在天然状态下，土中含水的质量与土粒的质量之比，以W并用百分数表示； 土的天然密度：土样的总质量与其总体积之比。用表示。,土力学,第四节 土的三相物理性质指标测定及计算:,4.1 土的常用物理性质指标及应用 换算指标： 孔隙比：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比，以e表示； 孔隙率：土中孔隙体积与总体积之比，以n表示； 饱和度：孔隙体积中水占有的体积与孔隙体积之比。用Sr表示； 干密度与干重度：土中固体部分质量与土样总体积之比或土单位体积内的干土质量，用d表示；干重度为d= dg； 饱和密度与饱和重度：土中的空隙充满水时，土中固体颗粒和水的质 量之和与土样总体积之比，用sat表示；饱和重度为d=

11、sat g； 土的浮密度与浮重度（有效密度与有效重度）土中固体颗粒的质量扣 除颗粒排开水的质量（扣去浮力）与土样的总体积之比，以表示，浮重度 为g；,土力学,第四节 土的三相物理性质指标测定及计算:,4.2 常用物理性质指标的实用计算公式： 空隙比e： 孔隙率n：,土力学,第五节 无粘性土的特性:,5.1 孔隙比： 用土的孔隙比表达土的密实度较为简便。 5.2 相对密度： 5.3 现场试验： 标准贯入试验与静力触探试验确定土的密实度。,土力学,第六节 粘性土及粉土的特性:,6.1 粘性土粘性的来源： 原始内聚力 固化内聚力 6.2 含水状态特性及界限含水量的测定： 液限或流限（WL）：含有大量

12、自由水； 塑限（WP） ：可塑状态，含有少量自由水及充分的弱结合水； 缩限（Ws） ：半固体、坚硬含有少量弱结合水及全部强结合水。 6.3 两个重要指标及其工程应用： 1 塑性指数（IP）： 5.3 现场试验： 标准贯入试验与静力触探试验确定土的密实度。,土力学,第六节 粘性土及粉土的特性:,2 液性指数（IL）及稠度指数（Ic） ： 6.4 粘性土的活动度、灵敏度及触变性：,土力学,第七节 粘性土水土系统的工程特性:,7.1 粘性土的夯实性： 7.2 粘性土的收缩、膨胀及崩解： 7.3 粘性土的土质改良： 7.4 粘性土的降、排水： 7.5 粘性土冻结过程中水分的迁移和积聚：,Ip10附近，

13、容易地震液化；,土力学,第八节 土的工程分类:,8.1 碎石、砾石类土： 8.2 砂类土的分类： 8.3 粉土： 8.4 粘性土： 8.5 特殊土： 8.6 细粒土的塑性图分类：,Ip10附近，容易地震液化；,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第一节 土的渗透性 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透。 主要讨论水在土体中的渗透规律以及与渗透有关的土体变形问题。在渗流作用下的有效应力和孔隙水压力等基本内容。 土的渗透定律达西定律 渗透试验 影响渗透系数的因素 层状地基的等效渗透系数,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、土的渗透定律达西定律 地下水在土的孔隙或微小裂隙渗透属于层流运动，即

14、渗透速度按照达西实验的直线渗透定律计算。 层流：在地下水渗流过程中，水中质点形成的流线相互平行，经过空间某处之流速均匀、水流平稳。下部泥土翻不上来，飘在水流表面的浮物始终处在表层不被翻滚到下部。 湍流：地下水在渗流过程中，水中质点形成的流线相互混交，呈曲折、混杂、不规则运动，存在跌水和漩涡，也称为紊流。二、地下水的运动方式和判别： 雷诺（Reynolds，英物理学家）1883圆管的水流实验，得出划分层流和湍流定量界限。,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、渗透试验,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、影响渗透系数的因素 土的粒经大小与级配 土的孔隙比 土的结构与矿物成分 土的封闭气体含量

15、水的动力粘滞系数,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、层状地基的等效渗透系数 当天然沉积土层由渗透性不同且厚薄不一的多层土组成时，常把几个土层等效为厚度等于各土层之和，渗透系数为等效渗透系数的单一土层。 等效渗透系数相当于各层土的渗透系数按厚度加权的算术平均值。,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第二节 土的水理性质 土体在水的作用下及其变化的条件下，产生土的物理、力学状态及性质的变化及对工程的影响称为土的水理性质。 包括： 毛细水现象； 膨胀土特征； 粘性土的胶体特征； 饱和松砂的地震液化； 潜蚀和流沙现象；,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、 土的毛细水性质 土的毛细现象是指土中水在

16、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。 对工程的影响： 毛细水的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； 1、土层中的毛细水带（土层由于毛细现象所润湿的范围）： 正常毛细水带：位于毛细水带的下部，与地下潜水连通，随地下水位的升降左相应的移动； 毛细网状水带：位于毛细水带的中部，受到表面张力和重力作用而移动； 毛细悬挂水带：位于毛细水带的上部，受到地表水的重力作用；,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、 土的毛细水性质 2、毛细水的上升高度、上升速度和毛细压力： 水与空气的分界面上存在着表面张力

17、，缩小自己的表面积； 毛细管管壁的分子和水分子之间有引力作用；,上举力：F=SdcosO,重力：G=rwd2hmax/4,S = ,hmax= 4 /drw 理论公式,G = F,hc= C/ed10 理论公式,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,一、 土的毛细水性质 1、工程经验表明： 碎石类土，无毛细作用； 砂类土，hmax0.20.3m; 粉类土，hmax0.91.5m; 粘性土的hmax不及粉土，上升速度较慢；土颗粒周围吸附一层结合水膜，影响毛细水弯液面的形成。,2、 毛细压力（毛细粘聚力） 土颗粒接触面上的毛细水，由于表面张力作用，使得土颗粒相互靠拢；,土力学,第二章 土的渗透性与渗流

18、,一、 土的冻胀 受力分析： 负温传入土中，自由水结成冰晶体，随气温继续下降，弱结合水的最外层开始冻结，使冰晶体逐渐扩大，使土粒结合水膜减薄，土粒产生剩余的分子引力。 结合水膜减薄，使得水膜中的离子浓度增加，产生渗透压力，下卧未冻结区水膜较厚处的弱结合水，被吸引到水膜较薄的冻结区。 土层发生冻胀的三个必要条件： 土的因素：发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质粘土和粉土等； 水的因素：冻结区附件地下水位较高，毛细水上升高度达到或接近冻结线； 温度的因素：气温缓慢下降，冷却强度小，持续负温时间较长；,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第六节 二维渗流与流网 1.势流方程： 1.1连续方程： 根据

19、达西定律：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第六节 二维渗流与流网 1.势流方程： 1.1连续方程： 在完全饱和的土体单元： 单位时间流入水体积： 单位时间流出水体积：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第六节 二维渗流与流网 1.势流方程： 1.2 势函数： 满足拉普拉斯方程(拉普拉斯方程,又名调和方程,是一种偏微分方程,由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题，因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象的性质)： 积分后：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第六节 二维渗流与流网 1.势流方程： 1

20、.3 流函数：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第三节 二维渗流与流网 2.3.2.流网的绘制和应用（渗流量和压力计算） 基本条件： 流线和等势线必须正交 每个网格的长宽比为定值 流网的性质： 任意两相邻等势线间的水头损失相等； 任意两相邻流线间的渗流量相等,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第三节 二维渗流与流网 2.3.2.流网的绘制：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第三节 二维渗流与流网 2.3.2.流网的绘制和应用 对于整个流网而言，令h为总水头差，Nd为等势线落差数，Nf为流道数，相邻等势线间水头损失为： 单位时间渗水体积：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,第三节 二维渗流与流网 2.3.2.流网的应用 水压力分布（hp为该点的总水头，zp为位头）：,土力学,第二章 土的渗透性与渗流,2.4 渗流力与渗流破坏