中南大學(xué)土力學(xué)課件

土的強(qiáng)度理論土的壓縮性與地基沉降計(jì)算土體中的應(yīng)力計(jì)算土的滲透性與水的滲流土的物理性質(zhì)與工程分類緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力地基承載力土力學(xué)張升zhsh1230@126.com教材及參考書教材：①馬建林主編，《土力學(xué)》（第三版），中國(guó)鐵道出版社②阮波，張向京主編，《土力學(xué)試驗(yàn)》，中南大學(xué)出版社參考書：①ArnoldVerruijt,《SOILMECHANICS》②陳希哲主編，《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社③邵光輝主編，《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》，人民交通出版社④陳仲頤主編，《土力學(xué)》，清華大學(xué)出版社教學(xué)環(huán)節(jié)：講課+習(xí)題課(34學(xué)時(shí))實(shí)驗(yàn)課(3次6學(xué)時(shí))考核及成績(jī)：70％（期末考試）10％（作業(yè)完成情況）

15％（實(shí)驗(yàn)：預(yù)習(xí)＋操作＋報(bào)告）

5％(平時(shí)表現(xiàn))土力學(xué)課程的安排和要求上課、實(shí)驗(yàn)課必須出席積極參加課堂討論獨(dú)立按時(shí)完成作業(yè)。抄襲、遲交或不認(rèn)真完成者在平時(shí)成績(jī)中扣分。為鼓勵(lì)個(gè)人獨(dú)立完成，作業(yè)錯(cuò)誤不扣分。課程要求：什么是土？土及土力學(xué)的特點(diǎn)？學(xué)習(xí)土力學(xué)的重要性？土力學(xué)的研究?jī)?nèi)容？土力學(xué)的發(fā)展方向？

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

主要內(nèi)容土地系指由地形、水文、局地氣候、巖石圈的上層、土壤和生物有機(jī)體等相互作用組成的自然地域綜合體，是地球表層歷史發(fā)展的產(chǎn)物。什么是土？

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

大氣圈水圈巖石圈生物圈風(fēng)化物土壤圈地下水一、土壤在自然界的位置土壤是巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈綜合作用形成的產(chǎn)物。其上界通常是綠色植物層頂，下界達(dá)植物根分布層。其垂直范圍，恰好是巖石圈的上層、大氣圈的下層、水圈及生物圈相互接觸的地方，是生物生命及人類生產(chǎn)活動(dòng)最集中的地方。

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

二、土壤的剖面和形成土壤有非常復(fù)雜的形成過程，并具有獨(dú)特的層狀構(gòu)造。土壤剖面一般包含枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層、淀積層和母質(zhì)層四個(gè)基本層次。地質(zhì)大循環(huán)：巖石土壤風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積生物小循環(huán)：生物活動(dòng)所造成的土壤

有機(jī)質(zhì)的循環(huán)地質(zhì)成巖作用土壤帶腐殖質(zhì)層淀積層母質(zhì)層傳統(tǒng)巖土工程的范疇

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

巖石因物理風(fēng)化作用破碎，在重力作用下堆積到山腳三、土的形成過程風(fēng)蝕蘑菇

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

高山下的沖積錐群黃河沖積三角洲

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

礫石料卵石砂粘土（人工破碎）四、工程與土力學(xué)中的土地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長(zhǎng)期的風(fēng)化作用而形成的、覆蓋在地表上碎散的、沒有膠結(jié)或膠結(jié)很弱的顆粒堆積物。

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

一、土體的特點(diǎn)一般固體：液體：土體（散粒）：可保持固定的形狀不具有特定的形狀具有一定但不固定的形狀土及土力學(xué)的特點(diǎn)？

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

巖石風(fēng)化或破碎的產(chǎn)物，是非連續(xù)體受力以后易變形，強(qiáng)度低體積變化主要是孔隙變化剪切變形主要由顆粒相對(duì)

位移引起固相-土骨架液相-水氣相-空氣受力后由土骨架、孔隙

介質(zhì)共同承擔(dān)相間存在復(fù)雜的相互作用孔隙流體流動(dòng)自然界的產(chǎn)物，存在自然變異性非均勻性各向異性時(shí)空變異性碎散性三相性天然性

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

學(xué)科研究對(duì)象理論力學(xué)質(zhì)點(diǎn)或剛體材料力學(xué)單個(gè)彈性桿件（桿、軸、梁）連續(xù)固體結(jié)構(gòu)力學(xué)若干彈性桿件組成的桿件結(jié)構(gòu)彈性力學(xué)彈性實(shí)體結(jié)構(gòu)或板殼結(jié)構(gòu)水力學(xué)不可壓縮的連續(xù)流體（水）連續(xù)流體土力學(xué)天然的三相碎散堆積物碎散材料二、土力學(xué)與其他學(xué)科的比較

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

三、土力學(xué)的特點(diǎn)

土力學(xué)研究土的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)以及土體在荷載、水、溫度等外界因素作用下工程性狀的應(yīng)用科學(xué)。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本知識(shí)描述碎散體特性的理論實(shí)驗(yàn)規(guī)律及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

四、土力學(xué)的發(fā)展歷史1773Coulomb（后Mohr發(fā)展）：摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論有關(guān)土力學(xué)的第一個(gè)理論1776

Coulomb：庫(kù)侖土壓力理論1856Darcy：達(dá)西滲流定律1857Rankine：朗肯土壓力理論1920Prandtl：普朗特極限承載力公式1921-1923Terzaghi：有效應(yīng)力原理及固結(jié)理論1925Terzaghi：出版《土力學(xué)》

土力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的標(biāo)志1936第一屆國(guó)際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程會(huì)議1960’s后現(xiàn)代土力學(xué)萌芽時(shí)期古典時(shí)期現(xiàn)代

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

土是工程中應(yīng)用最廣泛的建筑材料。由土層所構(gòu)成的廣袤大地是工程建設(shè)的基地是建筑物的地基是地下建筑的環(huán)境為土工構(gòu)筑物提供填筑材料因此，對(duì)土工程性質(zhì)認(rèn)識(shí)的偏差可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p失巨大的事故。學(xué)習(xí)土力學(xué)的重要性？

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆加拿大特朗斯康谷倉(cāng)

事故：1913年9月開始裝谷物，

至10月17日共裝入3萬(wàn)多Ｔ谷物，但此時(shí)發(fā)生破壞：1小時(shí)豎向沉降達(dá)30.5cm24小時(shí)傾斜26°53ˊ西端下沉7.32m東端上抬1.52m上部鋼混筒倉(cāng)完好無(wú)損概況：長(zhǎng)59.4m，寬23.5m，高31.0m，共65個(gè)圓筒倉(cāng)。鋼混筏板基礎(chǔ)，厚61cm，埋深3.66m。1913年完工，自重2萬(wàn)T。

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

處理：事后在下面做了七十多個(gè)支撐于基巖上的混凝土墩，使用388個(gè)50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，才把倉(cāng)體逐漸糾正過來(lái)，但其位置比原來(lái)降低了４米。原因：谷倉(cāng)的地基承載力按鄰近結(jié)構(gòu)物基槽開挖取土試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。1952年經(jīng)勘察試驗(yàn)與計(jì)算，地基實(shí)際承載力遠(yuǎn)小于谷倉(cāng)破壞時(shí)發(fā)生的基底壓力。因此谷倉(cāng)地基因超載發(fā)生強(qiáng)度破壞而滑動(dòng)。2653失事后1913.10.181952.10.5

試驗(yàn)孔填土褐色粉質(zhì)粘土灰色粉質(zhì)粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3試驗(yàn)孔

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆香港寶城滑坡

1972年7月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬(wàn)立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動(dòng)體正好沖過一幢高層住宅--寶城大廈，頃刻間寶城大廈被沖毀倒塌并砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。死亡６7人。原因：山坡上殘積土本身強(qiáng)度較低，加之雨水入滲使其強(qiáng)度進(jìn)一步大大降低，使得土體滑動(dòng)力超過土的強(qiáng)度，于是山坡土體發(fā)生滑動(dòng)。

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad香港寶城滑坡現(xiàn)場(chǎng)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

Early1972滑坡前July1972滑坡后

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆阪神大地震中的地基液化神戶碼頭：地震引起大面積砂土地基液化后產(chǎn)生很大的側(cè)向變形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到嚴(yán)重?fù)p傷

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

地基液化造成的路面塌陷

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

1964年日本新瀉地震地基的大面積液化

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

加拿大特朗斯康谷倉(cāng)地基失穩(wěn)香港寶城滑坡阪神等大地震中地基液化案例總結(jié)（一）

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

可歸結(jié)為與土有關(guān)的強(qiáng)度問題☆比薩斜塔1173年：動(dòng)工1360年：再?gòu)?fù)工，至1370年竣工，

全塔共8層，高度為55m1272年：復(fù)工，經(jīng)6年，至7層，

高48m，再停工1178年：至4層中，高約29m，

因傾斜停工

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

目前：塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m，塔頂離中心線已達(dá)5.27m，傾斜5.5°原因：地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，強(qiáng)度低，變形大。1590年:伽利略在此塔做

自由落體實(shí)驗(yàn)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

1838-1839：挖環(huán)形基坑卸載1933-1935：基坑防水處理基礎(chǔ)環(huán)灌漿加固1990年1月:封閉1992年7月：加固塔身，用壓重法和取土法進(jìn)行地基處理目前:已向游人開放。處理措施

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆蘇州虎丘塔概況：位于虎丘公園山頂，建于宋太祖建隆二年(公元961年)。塔高47.5m，平面呈八角形。問題：塔身向東北方向嚴(yán)重傾斜，塔頂離中心線達(dá)2.31m，底層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險(xiǎn)建筑物。原因：坐落于不均勻粉質(zhì)粘土層，產(chǎn)生不均勻沉降。處理：在四周建造圈樁排式地下連續(xù)墻并對(duì)塔周圍與塔基進(jìn)行鉆孔注漿和打設(shè)樹根樁加固塔身。

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

1986年：開工1990年：人工島完成1994年：機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)面積：4370m×1250m填筑量：180×106m3平均厚度：33m世界最大的人工島☆日本關(guān)西機(jī)場(chǎng)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

問題：沉降大且不均勻設(shè)計(jì)沉降：5.7-7.5m完成時(shí)(1990年)實(shí)際沉降：8.1m，5cm/月預(yù)測(cè)主固結(jié)需：20年比設(shè)計(jì)多超填：3m

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

意大利比薩斜塔蘇州虎丘塔日本關(guān)西機(jī)場(chǎng)案例總結(jié)（二）

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

可歸結(jié)為與土有關(guān)的變形問題土壩，高90m，長(zhǎng)1000m，1975年建成次年6月失事☆Teton壩（美國(guó)）

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

①②③⑤⑥

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

上午10:3011：0011:3011:57

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

損失直接8000萬(wàn)美元，起訴5500起，2.5億美元，死14人，受災(zāi)2.5萬(wàn)人，60萬(wàn)畝土地，32公里鐵路被沖原因

滲透破壞：沖蝕

水力劈裂

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆1998年長(zhǎng)江大堤

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

98洪水長(zhǎng)江堤防險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆九江大堤決口1998年8月7日13:10發(fā)生管涌險(xiǎn)情，20分鐘后，在堤外迎水面找到2處進(jìn)水口。又過20分鐘，防水墻后的土堤突然塌陷出1個(gè)洞，5m寬的堤頂隨即全部塌陷，并很快形成寬約62m的潰口。潰口原因：堤基管涌

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

☆溝后面板砂礫石壩位于青海省，高71米，長(zhǎng)265米，建于1989年。1993年8月7日突然發(fā)生潰壩，瞬間沖毀1000多戶房舍，288人喪生，上千人受傷。潰壩原因：面板止水失效，下游壩體排水不暢，

造成壩坡失穩(wěn)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

美國(guó)Teton壩失事

98洪水長(zhǎng)江堤防險(xiǎn)情溝后面板砂礫石壩潰壩案例總結(jié)（三）

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

可歸結(jié)為與土有關(guān)的滲透問題土工結(jié)構(gòu)物或地基土強(qiáng)度問題變形問題滲透問題強(qiáng)度特性變形特性滲透特性土力學(xué)可以解決工程實(shí)踐問題，這正是土力學(xué)存在的價(jià)值以及我們學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的?！顚W(xué)習(xí)土力學(xué)的目的

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

基礎(chǔ)和先導(dǎo)物理性質(zhì)土中應(yīng)力計(jì)算工程應(yīng)用土壓力土坡穩(wěn)定地基承載力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)…核心理論滲透特性變形特性強(qiáng)度特性土力學(xué)土力學(xué)的研究?jī)?nèi)容

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

土的物理性質(zhì)土的滲透性地基土的變形性質(zhì)地基土的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性土壓力土動(dòng)力學(xué)其他問題☆土力學(xué)的研究?jī)?nèi)容

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

設(shè)計(jì)理論方面土的本構(gòu)模型土動(dòng)力學(xué)研究土力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)和研制復(fù)合地基和復(fù)合土體的設(shè)計(jì)和改進(jìn)土力學(xué)的發(fā)展方向

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

重大交通運(yùn)輸工程：高鐵、重載、機(jī)場(chǎng)、地鐵…廢料儲(chǔ)存：核廢料、垃圾、二氧化碳…重大巖土工程災(zāi)害：滑坡、地面塌陷…新能源開發(fā)：可燃冰、深部采礦…土力學(xué)的新領(lǐng)域

緒論：土力學(xué)及其特點(diǎn)

本章小結(jié)土力學(xué)定義、研究對(duì)象、研究的主要內(nèi)容土力學(xué)應(yīng)用中的成功經(jīng)驗(yàn)土力學(xué)應(yīng)用中的失敗教訓(xùn)：建筑物傾斜、地

基嚴(yán)重下沉、地基液化失效、土體滑坡土力學(xué)理論：古典土力學(xué)、太沙基影響時(shí)期、

計(jì)算機(jī)時(shí)代土力學(xué)設(shè)計(jì)理論、本構(gòu)模型、動(dòng)力學(xué)、試驗(yàn)設(shè)備第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類1.1土的形成1.2土的三相組成1.3土的結(jié)構(gòu)1.4土的物理狀態(tài)1.5土的工程分類1.6土的壓實(shí)性主要內(nèi)容1.1土的形成土巖石風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積地質(zhì)成巖作用土的組成、結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)過程、條件第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類一、風(fēng)化作用物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化生物風(fēng)化巖石和土的粗顆粒受各種氣候等物理因素的影響產(chǎn)生脹縮而發(fā)生裂縫,或在運(yùn)動(dòng)過程中因碰撞和摩擦而破碎是顆粒大小發(fā)生量的變化礦物成分與母巖相同，稱原生礦物產(chǎn)生無(wú)粘性土第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類母巖表面和碎散的顆粒受環(huán)境因素的作用而改變其礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物顆粒成分發(fā)生質(zhì)的變化礦物成分與母巖不同，稱次生礦物形成十分細(xì)微的土顆粒，最主要為粘性顆粒及可溶鹽類物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化生物風(fēng)化第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類包括植物、動(dòng)物和土壤微生物的作用可加劇物理和化學(xué)風(fēng)化構(gòu)成土中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán)導(dǎo)致腐殖質(zhì)的形成，改變土壤的結(jié)構(gòu)物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化生物風(fēng)化第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類殘積土

無(wú)搬運(yùn)運(yùn)積土

有搬運(yùn)二、土的沉積類型母巖表層經(jīng)風(fēng)化作用破碎成巖屑或細(xì)小顆粒后，未經(jīng)搬運(yùn)殘留在原地的堆積物殘積土強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無(wú)明顯層理第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類殘積土

無(wú)搬運(yùn)運(yùn)積土

有搬運(yùn)風(fēng)化所形成的土顆粒，受自然力的作用搬運(yùn)到遠(yuǎn)近不同的地點(diǎn)所沉積的堆積物坡積土：土粒粗細(xì)不同，性質(zhì)不均洪積土：有分選性，近粗遠(yuǎn)細(xì)沖積土：渾圓度分選性明顯，土層交迭湖泊沼澤沉積土：含有機(jī)物淤泥，土性差海相沉積物：顆粒細(xì)，表層松軟，土性差冰積土：土粒粗細(xì)變化較大，性質(zhì)不均勻風(fēng)積土：顆粒均勻，層厚而不具層理第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土中氣體氣相次要作用固體顆粒固相構(gòu)成土體骨架

起決定作用土中水液相重要影響1.2土體的三相構(gòu)成飽和土：土體孔隙完全被水充滿干土：土體孔隙完全被氣充滿非飽和土：孔隙中水和氣均存在第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類一、固體顆粒粒組按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑d(mm)礫石砂粒粉粒粘粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中細(xì)粗中細(xì)0.075粗粒細(xì)粒粗粒土：以礫石和砂礫為主要組成的土，也稱無(wú)粘性土。細(xì)粒土：以粉粒、粘粒和膠粒為主要組成的土，也稱粘性土。巨粒60第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類1、粒徑級(jí)配粒徑級(jí)配：各粒組的相對(duì)含量，用質(zhì)量百分

數(shù)來(lái)表示

分析方法：篩分法：適用于粗粒土孔徑大小不同的篩子水分法：適用于細(xì)粒土常采用比重計(jì)法表述方法:

粒徑級(jí)配累積曲線第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類孔徑105.02.01.0(0.075)200g土篩余0101618242238721009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.050.010.0050.001粒徑(mm)P100958778665536土的粒徑級(jí)配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005百分?jǐn)?shù)P(%)2613.510篩分法第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d50d10d30特征粒徑:斜率:某粒徑范圍內(nèi)顆

粒的含量陡-相應(yīng)粒組含量多緩-相應(yīng)粒組含量少平臺(tái)-相應(yīng)粒組缺乏d50:平均粒徑d60:控制粒徑d10

:有效粒徑d30;中間粒徑第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土的粗細(xì)度：用d50

表示土的不均勻程度：用不均勻系數(shù)：Cu=d60/d10

表示，Cu

5，稱為不均勻土，反之稱為均勻土連續(xù)程度:

用曲率系數(shù)

Cc=d302/(d60×d10

)

度量,Cc=1~3為連續(xù)級(jí)配,>3或<1為不連續(xù)級(jí)配1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d50d10d30第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類粒組含量用于土的分類定名；不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度：

Cu

5為不均勻土；Cu

5為均勻土曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度：

Cc=1~3為級(jí)配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1為級(jí)配不連續(xù)土不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級(jí)配優(yōu)劣：

Cu

5且Cc=1~3為級(jí)配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1為級(jí)配不良的土2、粒徑級(jí)配曲線和指標(biāo)的應(yīng)用第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類3、礦物成分固體成分原生礦物-石英、長(zhǎng)石、云母等次生礦物礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)無(wú)定形氧化物膠體可溶鹽粘土礦物具有和原生礦物很不相同的特性對(duì)粘土性質(zhì)的影響很大第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類3.1粘土礦物粘土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙特石三種類型。

硅片

鋁片SiSi氧離子O2-硅離子Si4+硅-氧四面體硅片的結(jié)構(gòu)硅片簡(jiǎn)圖第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類粘土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙特石三種類型。OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體硅片的結(jié)構(gòu)硅片簡(jiǎn)圖AlAl

硅片

鋁片第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類晶層間通過氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)，晶格不能自由活動(dòng)，水難以進(jìn)入晶格間能組疊很多晶層，多達(dá)百個(gè)以上，成為一個(gè)顆粒。顆粒長(zhǎng)寬約0.3-3，厚約0.03-1。主要特征：顆粒較粗，不容易吸水膨脹和失水收縮，或者說親水能力差。依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石蒙特石伊利石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高嶺石微粒1:1的兩層結(jié)構(gòu)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類晶層間是O2-對(duì)O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進(jìn)入晶層之間。每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒大小約為0.1-1

，厚約0.001-0.01。主要特征：顆粒細(xì)微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說親水能力強(qiáng)。2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi數(shù)層水分子依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石蒙特石伊利石第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類是云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化的產(chǎn)物。與蒙特石相似，由兩層硅片夾一層鋁片所形成的三層結(jié)構(gòu)，但晶層之間有鉀離子連結(jié)。主要特征：連結(jié)強(qiáng)度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之間。2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi鉀離子依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：高嶺石蒙特石伊利石第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類二、土中水結(jié)晶水礦物內(nèi)部的水結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場(chǎng)引力作用范圍之外的水

土中冰由自由水凍成，凍脹融沉

水蒸氣存在孔隙空氣中第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類-強(qiáng)結(jié)合水：排列致密，密度>1g/cm3

冰點(diǎn)處于零下幾十度完全不能移動(dòng)，具有固體的特性溫度略高于100°C時(shí)可蒸發(fā)-弱結(jié)合水：受電場(chǎng)引力作用，為粘滯水膜外力作用下可以移動(dòng)不因重力而流動(dòng)，有粘滯性粘土顆粒-----------------++++引力d水分子陽(yáng)離子強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水結(jié)合水：受顆粒表面電場(chǎng)作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動(dòng)的水第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類毛細(xì)水：由于土體孔隙的毛細(xì)作用升至自由水面以上的水。毛細(xì)水承受表面張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動(dòng)自由水：不受顆粒電場(chǎng)引力作用的孔隙水hc毛細(xì)水重力水第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類三、土中氣自由氣體：與大氣連通的氣體，對(duì)土的性質(zhì)影響不大封閉氣體：被土顆粒和水封閉的氣體

其體積與壓力有關(guān)。會(huì)增加土的彈性；阻塞滲流通道，降低滲透性溶解在水中的氣體吸附于土顆粒表面的氣體第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類一、粗粒土的結(jié)構(gòu)粒間作用力：重力起決定性的作用。在非飽和土中，還受到毛細(xì)力的作用排列形式：點(diǎn)與點(diǎn)

點(diǎn)與面單粒結(jié)構(gòu)示意圖1.3土的結(jié)構(gòu)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類二、細(xì)土顆粒間的作用力

范德華力：接觸點(diǎn)處的分子引力，作用范圍為幾個(gè)分子的距離，是細(xì)粒土粘結(jié)在一起的主因庫(kù)侖力：顆粒表面的靜電引力或斥力，隨距離衰減的速度比范德華力慢膠結(jié)力：土粒間通過膠體連結(jié)在一起，作用力是化合鍵，具有較高的強(qiáng)度毛細(xì)力：土中毛細(xì)作用形成的力土中細(xì)顆粒，比表面積大，重量輕，重力不起重要的作用，其他粒間力起主導(dǎo)作用：第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類三、細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)形成環(huán)境粒間作用力排列形式淡水中沉積表面力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢(shì))面與面天然通常不是單一結(jié)構(gòu)，可能是呈多種類型的綜合結(jié)構(gòu)。往往先形成團(tuán)粒凝聚結(jié)構(gòu)海水中沉積表面力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加)邊、角與面邊、角與邊示意圖分散結(jié)構(gòu)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類四、砂土的振動(dòng)密實(shí)和液化振動(dòng)密實(shí)：松砂受振動(dòng)時(shí)土顆粒在振動(dòng)中調(diào)整相互位置，土的結(jié)構(gòu)趨于更加密實(shí)和穩(wěn)定。振動(dòng)液化：顆粒比較細(xì)小的砂土被水飽和，在突然振密而排水不暢的情況下，土顆粒受到孔隙水的反作用而處于懸浮狀態(tài)，變成液體狀，稱為液化。第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類五、粘性土結(jié)構(gòu)性的指標(biāo)靈敏度觸變性St11-22-44-88-16>16粘性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動(dòng)3=0相同含水量、密度ququ原狀土重塑土靈敏度St：原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu之比第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類含水量不變，密度不變，因重塑而強(qiáng)度降低，又因靜置而逐漸強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標(biāo)。靈敏度觸變性第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類1.4土的物理狀態(tài)土的物理狀態(tài)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)表示影響力學(xué)特性第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類一、物理性質(zhì)指標(biāo)土的三個(gè)組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系密實(shí)程度干濕程度……特點(diǎn):

指標(biāo)概念簡(jiǎn)單，數(shù)量很多

要點(diǎn)：名稱、概念或定義、符號(hào)、表達(dá)式、

單位或量綱、常見值或范圍、聯(lián)系與區(qū)別

基本方法:定義三相草圖法第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類空氣Air三相草圖水Water固體Solidma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積1、土的三相圖第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類九個(gè)物理量:

VVvVsVaVw

msmwmam物性指標(biāo)是比例關(guān)系:可假設(shè)任一參數(shù)為1物理量關(guān)系:空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積三個(gè)獨(dú)立變量，干土或飽和土二個(gè)獨(dú)立變量其它指標(biāo)：三相草圖法計(jì)算實(shí)驗(yàn)室測(cè)定第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類2、基本物理性質(zhì)試驗(yàn)為了確定三相草圖諸量中的三個(gè)量，通常進(jìn)行三個(gè)基本的物理性質(zhì)試驗(yàn)：土的密度試驗(yàn)土粒比重試驗(yàn)土的含水量試驗(yàn)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類定義：土單位體積的質(zhì)量表達(dá)式：?jiǎn)挝?kg/m3

或g/cm3一般范圍:1.60~2.20g/cm3土的密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積相關(guān)指標(biāo):土的容重=g

單位:kN/m3

工程上更常用,用于計(jì)算土的

自重應(yīng)力第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類定義：土粒的密度與4?C時(shí)

純蒸餾水密度的比值表達(dá)式：?jiǎn)挝?無(wú)量綱一般范圍：粘性土2.70~2.75，砂土2.65土粒比重Gs=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類定義：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)

量之比，用百分?jǐn)?shù)表示表達(dá)式：?jiǎn)挝?無(wú)量綱一般范圍：變化范圍大注意:其實(shí)是含水比,可達(dá)到或超過100％土的含水量W空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類可表示同一種土的松密，二者之間存在關(guān)系：3、換算指標(biāo)砂類土：28-35%粘性土：30-50%，的可達(dá)60-70%孔隙比e：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,為無(wú)量綱孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙體積與總體積之比,用百分?jǐn)?shù)表示可用三相草圖推出空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類對(duì)干土：Sr=0對(duì)飽和土：Sr=1飽和度：土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度：空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類干密度：土被烘干時(shí)的密度，

干容重：天然密度

天然容重飽和密度：土被飽和時(shí)的密度，

飽和容重：浮容重：靜水下的有效容重空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類天然密度干密度飽和密度天然容重干容重飽和容重浮容重空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積4、各種指標(biāo)的換算第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類【例】某土樣經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對(duì)密度Gs為2.66，求該土樣的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度d

、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度

【解】第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類二、土的物理狀態(tài)指標(biāo)1、粗粒土的密實(shí)狀態(tài)簡(jiǎn)單方便，但只能用于同一種土，不能反映級(jí)配的影響

物理性質(zhì)指標(biāo)：孔隙比e（孔隙率n）

干密度demin

=0.35emin

=0.20

相對(duì)密度：emax與emin：最大與最小孔隙比第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類最大孔隙比emax:

將松散的風(fēng)干土樣通過長(zhǎng)頸漏斗輕輕地倒入容器，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比最小孔隙比emin:

將松散的風(fēng)干土樣裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定方法振動(dòng)和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比理論上的最大與最小孔隙比在室內(nèi)的測(cè)定有時(shí)很困難◎粗粒土的最大與最小孔隙比第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類相對(duì)密度◎粗粒土的相對(duì)密度粗粒土密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)

Dr=0 最松狀態(tài)

Dr1/3 松散狀態(tài)1/3<Dr0.4稍密狀態(tài)0.4<Dr2/3 中密狀態(tài)

Dr>2/3 密實(shí)狀態(tài)

Dr=1 最密狀態(tài)相對(duì)密度指標(biāo)主要用于人工填土，對(duì)天然砂土層采用原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法測(cè)定第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類粘性土最主要的物理狀態(tài)特征是它的稠度，稠度是指土的軟硬程度或土對(duì)外力引起變形或破壞的抵抗能力稠度狀態(tài)與含水量有關(guān)粘性土含水量較硬變軟流動(dòng)2、粘性土的稠度狀態(tài)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類塑限wp液限wl粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水w土顆粒強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強(qiáng)結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水膜最大出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量自由水稠度界限稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)示意圖第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類液性指數(shù)：wpwwl

IL0堅(jiān)硬(半固態(tài))0<IL0.25 硬塑0.25<IL0.75 可塑

0.75<IL1 軟塑

IL>1 流塑◎液性指數(shù)不同的粘土，wp、wL

大小不同。對(duì)于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指數(shù)是表征土的含水量與分界含水量之間相對(duì)關(guān)系的指標(biāo)。對(duì)重塑土較為合適。第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類◎塑性指數(shù)問題：反映的是全部土顆粒吸附結(jié)和水的能力，不能充分反映粘土礦物表面活性的高低活性指數(shù)：粒徑小于0.002mm顆粒的質(zhì)量占土總質(zhì)量的百分比A<0.75 非活性粘土A=075–1.25 正常粘土A>1.25 活性粘土定義：大體上表示土的弱結(jié)合水含量反映吸附結(jié)合水的能力，即粘性大小大致反映粘土顆粒含量常作為細(xì)粒土工程分類的依據(jù)第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土的組成土的狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范-GB50007-2002分類法水利部SL237-1999分類法1.5土的工程分類目的：便于調(diào)查研究；便于分析評(píng)價(jià)；便于交流(基于共同的概念)

依據(jù)：最能反映土的物理力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)要求：要有一定的邏輯性、系統(tǒng)性，

綱目分明，簡(jiǎn)單易記，便于運(yùn)用第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類巖石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質(zhì)量50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓礫角礫粒徑大于20mm的顆

粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于2mm的顆粒超過全質(zhì)量50%名稱顆粒形狀粒組含量碎石土一、建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范-GB50007-2002分類法第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土的名稱粒組含量粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25-50%礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質(zhì)量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質(zhì)量50%巖石碎石土砂土粉土粘性土人工填土砂土土第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類巖石碎石土砂土粉土粘性土特殊性土粉土粘性土粘性土：塑性指數(shù)Ip>10的土粉質(zhì)粘土：10<Ip17的土粘土：Ip>17的土非活性粘土：A<0.75

正常粘土A=075–1.25

活性粘土A>1.25粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質(zhì)量50%而塑性指數(shù)Ip10的土土第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類二、水利部SL237-1999分類法土顆粒組成及其特性塑性指標(biāo)：液限、塑限、塑性指數(shù)有機(jī)質(zhì)含量土的分類巨粒土和含巨粒土粗粒土：礫類土、砂類土細(xì)粒土：根據(jù)塑性圖分類特殊土：黃土、膨脹土、紅粘土分類依據(jù)：第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類土的壓實(shí)：指通過夯打、振動(dòng)、碾壓等，使土體變得密實(shí)、以提高土的強(qiáng)度、減小土的壓縮性和滲透性壓實(shí)性：指土在一定壓實(shí)能量作用下密度增長(zhǎng)的特性研究擊實(shí)性的目的：

以最小的能量消耗獲得最大的壓實(shí)密度擊實(shí)方法：室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn):夯打、振動(dòng)、碾壓1.6土的壓實(shí)性第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類一、室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備：擊實(shí)筒V=1000cm3；擊實(shí)錘w=25牛頓

試驗(yàn)條件：土樣分層n=3層；落高d=30cm；

擊數(shù)N=27/層

擊實(shí)能量

試驗(yàn)方法：對(duì)w=cosnst的土，分三層壓實(shí)；

測(cè)定擊實(shí)后的w、，算定d

注意：僅適用于細(xì)粒土；對(duì)粗粒土，可用較大尺寸的擊實(shí)儀土第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類0481216202428含水量w(%)2.0干密度d(g/cm3)飽和曲線dmaxwop二、細(xì)粒土的擊實(shí)曲線

具有峰值最大干密度dmax

最優(yōu)含水量Wop位于飽和曲線之下

粘性土透水性小，擊實(shí)過程中含水量幾乎不變，要想擊實(shí)到飽和狀態(tài)是不可能的。Sr=1第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類含水量Wop： 顆粒表面水膜很薄，相對(duì)移動(dòng)困難含水量=Wop： 水膜潤(rùn)滑作用效果最佳，孔隙氣尚沒有形成封閉

氣泡，易排出含水量﹥Wop： 水膜潤(rùn)滑作用不再明顯增加；封閉氣泡難以排出;

水的相對(duì)含量增加壓實(shí)機(jī)理顆粒破碎（細(xì)粒土較少）粒間聯(lián)結(jié)力被破壞，顆粒

間孔隙被壓縮土粒定向排列0481216202428

含水量w(%)2.0干密度d(g/cm3)飽和曲線dmaxWop壓實(shí)與含水量三、細(xì)粒土的壓實(shí)機(jī)理

第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類四、細(xì)粒土壓實(shí)功能

對(duì)于同一種土,最優(yōu)含水量和最大干密度并不恒定,而隨壓密功能變化，壓實(shí)功能愈大,最優(yōu)含水量愈小，相應(yīng)的最大干密度愈高超過最優(yōu)含水量后，壓實(shí)功能的影響隨含水量的增加逐漸減小。擊實(shí)曲線均靠近于飽和曲線第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類0481216202428含水量w(%)1.3干密度d(g/cm3)飽和曲線N=36N=29N=25N=18五、細(xì)粒土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

填土施工時(shí)應(yīng)將土料含水量控制在Wop左右，以期用較小的能量獲得最好的密度。在設(shè)計(jì)土料時(shí)應(yīng)根據(jù)填土的要求和當(dāng)?shù)赝亮系奶烊缓浚x定合適的含水量，一般要求為：工程上常采用壓實(shí)度Dc，作為填方壓實(shí)密度控制的標(biāo)準(zhǔn)：第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類六、粗粒土的壓實(shí)性

擊實(shí)曲線壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：常用相對(duì)密度控制Dr>0.7-0.75不存在最優(yōu)含水量，在完全風(fēng)干或飽和狀態(tài)下易于擊實(shí)。在潮濕狀態(tài)下，存在假凝聚力，加大了阻力同細(xì)粒土不同，粗粒土在擊實(shí)過程中可以自由排水粗砂w=4~5%，中砂w=7%時(shí)，干密度最小

，

含水量w干密度粗砂中砂第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類第一章：土的物理性質(zhì)與工程分類本章小結(jié)土的形成、三相組成、結(jié)構(gòu)、土的膨脹、收

縮及凍脹性土的粒徑組成、級(jí)配曲線土的三相指標(biāo)定義、表達(dá)式及換算土的物理狀態(tài)及有關(guān)指標(biāo)土的工程分類土的壓實(shí)性2.1概述2.2土的滲透性與滲透規(guī)律2.3滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素2.4滲透力與滲透變形

第二章：土的滲透性和水的滲流主要內(nèi)容2.1概述土顆粒土中水滲流土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在空間互相連通。當(dāng)飽和土中的兩點(diǎn)存在能量差時(shí)，水就在土的孔隙中從能量高的點(diǎn)向能量低的點(diǎn)流動(dòng)水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象稱為滲流土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性第二章：土的滲透性和水的滲流透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流防滲體壩體浸潤(rùn)線工程實(shí)例第二章：土的滲透性和水的滲流板樁圍護(hù)下的基坑滲流透水層不透水層基坑板樁墻第二章：土的滲透性和水的滲流透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q第二章：土的滲透性和水的滲流渠道、河流滲流原地下水位滲流時(shí)地下水位第二章：土的滲透性和水的滲流降雨入滲引起的滑坡第二章：土的滲透性和水的滲流位置水頭：到基準(zhǔn)面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢(shì)能測(cè)管水頭：測(cè)管水面到基準(zhǔn)面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢(shì)能在靜止液體中各點(diǎn)的測(cè)管水頭相等一、位置、壓力和測(cè)管水頭zA00ABu0pazB基準(zhǔn)面靜水2.2土的滲透性和滲透規(guī)律第二章：土的滲透性和水的滲流位置勢(shì)能：mgz壓力勢(shì)能：00基準(zhǔn)面質(zhì)量m壓力u流速vz動(dòng)能：總能量：稱為總水頭，是水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力單位重量水流的能量：二、總水頭第二章：土的滲透性和水的滲流ABLhAzA基準(zhǔn)面總水頭：?jiǎn)挝恢亓克w所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢(shì)能（任選基準(zhǔn)面）壓力水頭u/w：水體的壓力勢(shì)能（u孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動(dòng)能（對(duì)滲流多處于層流≈0）滲流的總水頭：也稱測(cè)管水頭，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處第二章：土的滲透性和水的滲流A點(diǎn)總水頭：三、水力坡降A(chǔ)BLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡降線B點(diǎn)總水頭：二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流由于摩阻力造成的能量損失

水力坡降i：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失第二章：土的滲透性和水的滲流四、達(dá)西滲透定律LAh1h2QQ透水石1856年達(dá)西(Darcy)在研究城市供水問題時(shí)進(jìn)行的滲流試驗(yàn)或：其中，A是試樣的斷面積第二章：土的滲透性和水的滲流達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度，單位：cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度其中，Vs為實(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速第二章：土的滲透性和水的滲流適用條件：層流（線性流動(dòng)）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律?？捎美字Z數(shù)進(jìn)行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達(dá)西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)礫石粗砂中砂細(xì)砂極細(xì)砂h10dvRe=Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re＞5時(shí)為過渡區(qū)

第二章：土的滲透性和水的滲流2.3滲透系數(shù)的測(cè)定方法

常水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)方法野外試驗(yàn)方法第二章：土的滲透性和水的滲流變水頭試驗(yàn)法井孔注水試驗(yàn)一、室內(nèi)試驗(yàn)方法-常水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測(cè)變量:體積V，t適用土類：透水性較大的砂性土i=Δh/LV=Qt=vAtv=kihL土樣AVQ第二章：土的滲透性和水的滲流二、室內(nèi)試驗(yàn)方法-變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)條件:Δh變化

A，a，L=const量測(cè)變量:h，t適用土類：透水性較小

的粘性土土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測(cè)管開關(guān)a第二章：土的滲透性和水的滲流土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭測(cè)管開關(guān)在tt+dt時(shí)段內(nèi)：

入流量：dVe=-adh出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt連續(xù)性條件：dVe=dVo

-adh=k(Δh/L)Adthdhtt+dt選擇幾組量測(cè)結(jié)果

，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值第二章：土的滲透性和水的滲流三、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法－抽水試驗(yàn)抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗(yàn)條件:Q=const量測(cè)變量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)觀察井第二章：土的滲透性和水的滲流A=2rhi=dh/dr計(jì)算公式：r抽水量Qr1r2h1h2井不透水層dhdrh地下水位≈

測(cè)壓管水面第二章：土的滲透性和水的滲流是土中孔隙直徑大小的主要影響因素因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。因此，土的滲透系數(shù)常用有效粒徑d10來(lái)表示，如哈臣公式：土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)四、滲透系數(shù)的影響因素

第二章：土的滲透性和水的滲流是單位土體中孔隙體積的直接度量對(duì)于砂性土，常建立孔隙比e與滲透系數(shù)k之間的關(guān)系，如：土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)第二章：土的滲透性和水的滲流對(duì)粘性土，影響顆粒的表面力不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石>伊里石>蒙脫石；當(dāng)粘土中含有可交換的鈉離子越多時(shí)，其滲透性將越低塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)第二章：土的滲透性和水的滲流影響孔隙系統(tǒng)的構(gòu)成和方向性，對(duì)粘性土影響更大在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，扁平狀粘土顆粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)第二章：土的滲透性和水的滲流水的動(dòng)力粘滯系數(shù)：溫度，水粘滯性，k飽和度（含氣量）：封閉氣泡對(duì)k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)第二章：土的滲透性和水的滲流五、層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層土的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀多個(gè)土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變第二章：土的滲透性和水的滲流hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層等效滲透系數(shù):kx已知條件:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi達(dá)西定律:等效條件:1、層狀地基的水平等效滲透系數(shù)第二章：土的滲透性和水的滲流2、層狀地基的垂直等效滲透系數(shù)H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kzvi=ki(Δhi/Hi)已知條件:達(dá)西定律:等效條件:v=kz(Δh

/H

)等效滲透系數(shù):第二章：土的滲透性和水的滲流算例說明按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz第二章：土的滲透性和水的滲流2.4滲透力與滲透變形Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來(lái)自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力j：滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致一、滲透力第二章：土的滲透性和水的滲流截面積

A=1h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abWW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw

R=L土水整體受力分析-靜水第二章：土的滲透性和水的滲流截面積

A=1WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw

R=L-wh土水整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab第二章：土的滲透性和水的滲流R=L-wh土水整體受力分析-對(duì)比h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab靜水中的土體滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少R=L減少的部分由誰(shuí)承擔(dān)？總滲透力：J=wh滲透力j：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力j=J/V=wh

/L=wi第二章：土的滲透性和水的滲流物理意義：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大小：

j=wi方向：與水力坡降方向一致作用對(duì)象：土骨架

滲透力的性質(zhì)第二章：土的滲透性和水的滲流向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時(shí)的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開始發(fā)生流土破壞時(shí)的水力坡降：R=L-wh=0臨界水力坡降h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abicr=h/L=/w由于icr取決于土的物理性質(zhì)第二章：土的滲透性和水的滲流土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型基本類型：管涌流土接觸流土接觸沖刷二、滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式第二章：土的滲透性和水的滲流1、滲透變形-流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實(shí)度有關(guān)第二章：土的滲透性和水的滲流壩體2、滲透變形–

管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失2.孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷第二章：土的滲透性和水的滲流3、流土與管涌的比較

流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口第二章：土的滲透性和水的滲流Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設(shè)計(jì)：4、流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無(wú)粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：第二章：土的滲透性和水的滲流土是否會(huì)發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件和水力條件5、管涌可能性的判別第二章：土的滲透性和水的滲流第二章：土的滲透性和水的滲流本章小結(jié)

達(dá)西滲透定律滲透系數(shù)的測(cè)定

滲透力及臨界水力梯度

成層土的平均滲透系數(shù)滲透變形：流土、管涌第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算3.1應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系3.2有效應(yīng)力原理3.3自重應(yīng)力3.4基底壓力計(jì)算3.5附加應(yīng)力主要內(nèi)容一、土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定

材料力學(xué)+-正應(yīng)力剪應(yīng)力拉為正壓為負(fù)順時(shí)針為正逆時(shí)針為負(fù)+-土力學(xué)壓為正拉為負(fù)逆時(shí)針為正順時(shí)針為負(fù)3.1地基土的應(yīng)力狀態(tài)第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算三維應(yīng)力狀態(tài)（一般應(yīng)力狀態(tài)）二、地基中的應(yīng)力狀態(tài)yyzxyzxxzyxoz第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算三維應(yīng)力狀態(tài)（三軸應(yīng)力狀態(tài)）試樣水壓

力c軸向力F應(yīng)變條件應(yīng)力條件獨(dú)立變量第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算

二維應(yīng)力狀態(tài)（平面應(yīng)變狀態(tài)）yyzxyzxxzyxozzxzxzx

垂直于y軸斷面的幾何形狀與應(yīng)力狀態(tài)相同沿y方向有足夠長(zhǎng)度，L/B≧10在x,z平面內(nèi)可以變形，但在y方向沒有變形第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算

二維應(yīng)力狀態(tài)（平面應(yīng)變狀態(tài)）應(yīng)變條件應(yīng)力條件獨(dú)立變量第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算

側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)：指?jìng)?cè)向應(yīng)變?yōu)榱愕囊环N應(yīng)力狀態(tài)yxoz水平地基半無(wú)限空間體半無(wú)限彈性地基內(nèi)的自重應(yīng)力只與Z有關(guān)土質(zhì)點(diǎn)或土單元不可能有側(cè)向位移側(cè)限應(yīng)變條件任何豎直面都是對(duì)稱面應(yīng)變條件第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算

側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)：側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱愕囊环N應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)變條件應(yīng)力條件獨(dú)立變量側(cè)壓力系數(shù)第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算E、與位置和方向無(wú)關(guān)理論：彈性力學(xué)解求解“彈性”土體中的應(yīng)力方法：解析方法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，易于繪成圖表等碎散體非線性彈塑性成層土各向異性三、應(yīng)力計(jì)算時(shí)的基本假定εpεe加載卸載線彈性連續(xù)介質(zhì)（宏觀平均）線彈性體（應(yīng)力較小時(shí)）均質(zhì)各向同性體（土層性質(zhì)變化不大）第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算對(duì)所受總應(yīng)力，骨架和孔隙流體如何分擔(dān)？它們?nèi)绾蝹鬟f和相互轉(zhuǎn)化？它們對(duì)土的變形和強(qiáng)度有何影響？外荷載總應(yīng)力土體是由固體顆粒骨架、孔隙流體（水和氣）三相構(gòu)成的碎散材料，受外力作用后，總應(yīng)力由土骨架和孔隙流體共同承受Terzaghi的有效應(yīng)力原理和固結(jié)理論3.2有效應(yīng)力原理第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算外荷載總應(yīng)力一、飽和土中的應(yīng)力形態(tài)飽和土是由固體顆粒骨架和充滿其間的水組成的兩相體。受外力后，總應(yīng)力分為兩部分承擔(dān)：由土骨架承擔(dān)，并通過顆粒之間的接觸面進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，稱之為粒間應(yīng)力由孔隙水來(lái)承擔(dān)，通過連通的孔隙水傳遞，稱之為孔隙水壓力?？紫端荒艹袚?dān)剪應(yīng)力，但能承受法向應(yīng)力第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算外荷載總應(yīng)力AaaPsv接觸點(diǎn)PsA：Aw：As：土單元的斷面積顆粒接觸點(diǎn)的面積孔隙水的斷面積a-a斷面豎向力平衡：有效應(yīng)力σ1二、飽和土有效應(yīng)力原理第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分σ和u，并且：土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力一般地，有效應(yīng)力總應(yīng)力已知或易知孔隙水壓測(cè)定或計(jì)算第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算三、有效應(yīng)力原理的討論孔隙水壓力的作用有效應(yīng)力的作用討論它在各個(gè)方向相等，只能使土顆粒本身受到等向壓力，不會(huì)使土顆粒移動(dòng)，導(dǎo)致孔隙體積發(fā)生變化。由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小水不能承受剪應(yīng)力，對(duì)土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻(xiàn)因而孔隙水壓力對(duì)變形強(qiáng)度沒有直接影響，稱為中性應(yīng)力第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算孔隙水壓力的作用有效應(yīng)力的作用討論是土體發(fā)生變形的原因：顆粒間克服摩擦相對(duì)滑移、滾動(dòng)以及在接觸點(diǎn)處由于應(yīng)力過大而破碎均與有關(guān)是土體強(qiáng)度的成因：土的凝聚力和粒間摩擦力均與有關(guān)第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算孔隙水壓力的作用有效應(yīng)力的作用討論討論：海底與土粒間的接觸壓力哪一種情況下大？1mσz=u=0.01MPa104mσz=u=100MPa第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算穩(wěn)定滲流條件：向上滲流AHΔh砂層(承壓水)sat向上滲流土水整體分析總應(yīng)力：?jiǎn)挝煌林退目傊亓喀?satH孔隙水壓力：凈水壓強(qiáng)u=w(H+h)有效應(yīng)力：σ=-u

=satH-

wH-wh=H-wh滲透壓力，向上滲流使得有效應(yīng)力減小四、飽和土孔壓和有效應(yīng)力計(jì)算

第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算穩(wěn)定滲流條件：向下滲流A土水整體分析總應(yīng)力：σ=satH孔隙水壓力：u=w(H-h)有效應(yīng)力：σ=-u

=satH-

wH+wh=H+whHhsat向下滲流砂層（排水）滲透壓力，向下滲流使得有效應(yīng)力增加可導(dǎo)致土層發(fā)生壓密變形，稱滲流壓密第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算3.3土體的自重應(yīng)力假定：水平地基半無(wú)限空間體半無(wú)限彈性體 有側(cè)限應(yīng)變條件一維問題定義：在修建建筑物以前，地基中由土體本身

的有效重量而產(chǎn)生的應(yīng)力目的：確定土體的初始應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算： 地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算豎直向自重應(yīng)力：土體中無(wú)剪應(yīng)力存在，故地基中Z深度處的豎直向自重應(yīng)力等于單位面積上的土柱重量均質(zhì)地基：成層地基：水平向自重應(yīng)力：容重： 地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重1H12H23H3zszsxsy地面地下水第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算分布規(guī)律分布線的斜率是容重在等容重地基中隨深度呈直線分布自重應(yīng)力在成層地基中呈折線分布在土層分界面處和地下水位處發(fā)生轉(zhuǎn)折或突變1H12H22H3zszsxsy地面地下水sz1H12H22H3z第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算H1H2地面地下水位靜水條件：地下水位總應(yīng)力：?jiǎn)挝煌林退目傊亓喀?H1+satH2孔隙水壓力：凈水壓強(qiáng)u=wH2有效應(yīng)力：σ=-u=H1+(sat-w)H2

=H1+H2σ=σ-uu=wH2u=wH2H1A（-)第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算H1地面A地下水位靜水條件：水位下降總應(yīng)力：σ=H1+satH2孔隙水壓力：u=wH2有效應(yīng)力：σ=-u地下水位下降會(huì)引起σ增大，土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個(gè)主要原因H1H2u=wH2σ=σ-u(-)u=wH2地下水位下降引起σ增大的部分第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算靜水條件：海洋土總應(yīng)力：?jiǎn)挝煌林退目傊亓喀?wH1+satH2孔隙水壓力：凈水壓強(qiáng)u=w(H1+H2)有效應(yīng)力：σ=-u=H2H1H2=-uu=w(H1+H2)地面水位wH1Au=w(H1+H2)(-)第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算靜水條件：毛細(xì)飽和區(qū)H1H2σ=σ-u地面總應(yīng)力：?jiǎn)挝煌林退目傊亓緼σ=H1+satH孔隙水壓力：凈水壓強(qiáng)u=wH2有效應(yīng)力：σ=-u

=H1+satHc+

H2毛細(xì)飽

和區(qū)u=wH2(+)(-)u=-wHcHcHu=wH2(+)(-)H1H1+satHc第三章：土體中的應(yīng)力計(jì)算【思考題】現(xiàn)有一兩層土組成的地基，上層為粉砂，，厚6m，下層為軟塑粉質(zhì)粘土，地下水面以上土的天然重度為17kN/m3，飽和重度19kN/m3，粉質(zhì)粘土的飽和重度為20kN/m3，試計(jì)算10m深范圍內(nèi)的自重應(yīng)力的分布。如果砂土中出現(xiàn)毛細(xì)水，毛細(xì)水面上升1.0m，土的自重應(yīng)力分布將出現(xiàn)怎樣的變化?粉質(zhì)粘土粉