第2章 土物理基本性質(zhì)及工程分類(xuesheng )

桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院第2章土的物理性質(zhì)及工程分類

土的滲透性：一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)。層流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透地下水在巖石的裂隙或空洞中流動，速度較大地下水運(yùn)動的兩種形式：土的滲透及滲流2023/2/3河灘路堤下的滲流

8研究滲流主要解決兩類問題

滲流量計(jì)算問題：深基坑開挖排水問題

滲流穩(wěn)定與滲流控制問題：產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞，如道路邊坡破壞、堤壩失穩(wěn)、地面隆起等

1.滲流速度斷面面積為A，通過的滲透流流量為q，則平均流速為：v=q/A

真實(shí)滲流僅發(fā)生在孔隙面積A內(nèi)，因此真實(shí)流速為：v0=q/A

于是

v/v0=A/A=n“平均流速要小于真實(shí)流速”能量是用水頭來表示，Bernoulli’sEquation：2.水頭

如果忽略流速的影響，則3.水頭差(A點(diǎn)與B點(diǎn))

水力梯度:單位流程總水頭的變化4.水力坡降

水頭的大小隨選取的基準(zhǔn)面不同而不同；注意：最關(guān)心的不是水頭而是水頭差；水在土中的滲流是從高水頭向低水頭流動。2023/2/3

法國學(xué)者達(dá)西(Darcy),砂土實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1852-1855）滲透速度與水頭梯度成正比：v=ki或

q=kiA式中：v—滲透速度(m/s)；

i—水頭梯度；

k—滲透系數(shù)(m/s)；

q—滲透流量(m2/s)A—截面積。

5Darcy滲透定律Δhh2h17土的滲透系數(shù)2023/2/31).常水頭滲透試驗(yàn)圖2-7常水頭滲透試驗(yàn)

則得故滲透系數(shù)為

截面積為A，流徑L；壓力水頭維持不變；試驗(yàn)開始時(shí)，水自上而下流經(jīng)土樣；待滲流穩(wěn)走后，測得水量Q；同時(shí)讀得a、b兩點(diǎn)水頭差h。2023/2/3常水頭滲透試驗(yàn)裝置整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化適用于適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土。2）變水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化

截面面積a任一時(shí)刻t的水頭差為h，經(jīng)時(shí)段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dQ=－adh

在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土3).現(xiàn)場抽水試驗(yàn)

粗顆粒土或成層的土，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)不易取得原狀土樣；小土樣不能反映天然土層的結(jié)構(gòu)性?，F(xiàn)場方法：野外注水試驗(yàn)和野外抽水試驗(yàn)等抽水量為Q觀測孔距離分別為rl和r2

，水位高度h1和h2r處水面高度h，過水?dāng)嗝鍭＝2rh圖2-9抽水試驗(yàn)

圖2-9抽水試驗(yàn)

即：兩邊積分：故滲透系數(shù)為

分析滲透系數(shù)值:

可見：不同土類的滲透系數(shù)值差異很大表滲透系數(shù)參考值

滲透系數(shù)的測定十分重要8、影響滲透系數(shù)的因數(shù)（1）.土粒大小與級配

細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。

（2）.土的密實(shí)度

（3）.水的動力粘滯系數(shù)

同種土在不同的密實(shí)狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實(shí)度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。

動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。（4）.土中封閉氣體含量

土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。T、20分別為T℃和20℃時(shí)水的動力粘滯系數(shù)，可查表

三、滲透力與滲透變形.滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的力滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出（2）.臨界水力坡降——使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降

GJ當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時(shí)，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)的水力坡降即為臨界水力坡降或

在工程計(jì)算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力坡降[i]。設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降[i]內(nèi)2、例題分析【例】某土壩地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計(jì)算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞

【解答】臨界水力坡降

由于實(shí)際水力坡降i

<[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞允許水力坡降

3、滲透變形

滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）

（1）.流土——在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時(shí)發(fā)生移動的現(xiàn)象

流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時(shí)常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞,細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞。（2）.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象

土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞。

（3）.流土與管涌的判別——滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān)粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu>10的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞

對Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:1.當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時(shí)，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌2.如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含量約為30%－35%），此時(shí)的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象四、滲流工程問題與處理措施

1、滲流工程問題（1）地下水的浮托作用

地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力。

（2）地下水的潛蝕作用

在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細(xì)砂、粉土地層中。

（3）流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)。

2、防滲處理措施（1）水工建筑物滲流處理措施

水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形

①垂直截滲

主要目的:延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截?cái)嗤杆畬?，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲②設(shè)置水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑粘土鋪蓋③設(shè)置反濾層設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層。

砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設(shè)置反濾層④排水減壓粘性土含水層減壓井

為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時(shí)，設(shè)置減壓井或深挖排水槽。

（2）基坑開挖防滲措施①工程降水

采用明溝排水和井點(diǎn)降水的方法人工降低地下水位在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出原地下水位明溝排水原水位面一級抽水后水位二級抽水后水位多級井點(diǎn)降水要求地下水位降得較深，采用井點(diǎn)降水。在基坑周圍布置一排至幾排井點(diǎn)，從井中抽水降低水位②設(shè)置板樁

沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時(shí)增加了地下水的滲流路徑，減小水力坡降鋼板樁③水下挖掘

在基坑或沉井中用機(jī)械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水頭差。為了增加砂的穩(wěn)定性，也可向基坑中注水，并同時(shí)進(jìn)行挖掘。§2.5地基土的工程分類一、分類的目的和原則

土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質(zhì)差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過通用的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，便于在不同土類間作有價(jià)值的比較、評價(jià)、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的交流分類原則：1、分類要簡明，既要能綜合反映土的主要工程性質(zhì)，又要測定方法簡單，使用方便2、土的分類體系所采用的指標(biāo)要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性是將工程性質(zhì)相近的土歸為一類分類方法：1.《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2011)

根據(jù)土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數(shù)把地基土（巖）分為巖石、碎石土、砂土、粉土和粘性土、人工填土六大類土巖石碎石土砂土粉土粘性土人工填土

2.5.1.巖石的分類

顆粒間牢固粘結(jié),呈整體或具有節(jié)理隙的巖體稱為巖石，堅(jiān)硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk分類堅(jiān)硬程度類別飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk(Mpa)堅(jiān)硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤52.5.2.碎石土的分類

粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土土的名稱漂石塊石卵石碎石圓礫角礫顆粒形狀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形及亞圓形為主棱角形為主顆粒級配粒徑大于200mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級配由大到小以最先符合者確定碎石土的分類2.5.3.砂土的分類

粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土

土的名稱礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂粒組含量粒徑大于2mm的顆粒含量占全重25％～50％注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級配由大到小以最先符合者確定粒徑大于0.5mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.25mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重85％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％砂土的分類2.5.4.粉土的分類

粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數(shù)IP≤10的土稱為粉土2.5.6.粘性土的分類塑性指數(shù)IP＞10的土稱為粘性土，粘性土根據(jù)塑性指數(shù)細(xì)分土的名稱粘土粉質(zhì)粘土塑性指數(shù)