第二章-土的性質(zhì)及工程分類

土力學(xué)與地基基礎(chǔ)SoilMechanicsandFoundation周先齊

該課程是土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課程，系統(tǒng)講述了土的性質(zhì)及工程分類、地基的應(yīng)力和沉降計(jì)算、土的抗剪強(qiáng)度、土壓力以及擋土墻和土坡穩(wěn)定分析；重點(diǎn)討論了淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算；簡要介紹了我國目前常用的各種軟土地基處理技術(shù)；并對(duì)區(qū)域性地基、地震區(qū)地基以及滑坡等進(jìn)行了討論。課程介紹

土是由巖石經(jīng)過長期的風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積作用而形成的未膠結(jié)的、覆蓋在地球表面的沉積物。第二章土的性質(zhì)及工程分類地質(zhì)作用內(nèi)力地質(zhì)作用外力地質(zhì)作用巖漿活動(dòng)地殼運(yùn)動(dòng)變質(zhì)作用氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風(fēng)、生物等2.1土的組成和結(jié)構(gòu)土的固體顆粒固相液相氣相三相體系干土二相體系水氣體飽和土2.1土的組成和結(jié)構(gòu)第二章土的性質(zhì)及工程分類土的礦物成分：

1原生礦物

2次生礦物

土粒粒組顆粒的大小性質(zhì)不同塊石六大粒組顆粒的成分碎石礫石砂粒粉粒粘粒2.1土的組成和結(jié)構(gòu)第二章土的性質(zhì)及工程分類顆粒級(jí)配2.1土的組成和結(jié)構(gòu)第二章土的性質(zhì)及工程分類不同粒組的分布情況級(jí)配曲線分布形態(tài)顆粒分析試驗(yàn)2.1土的組成和結(jié)構(gòu)第二章土的性質(zhì)及工程分類試驗(yàn)方法：篩分法沉降分析法固態(tài)液態(tài)氣態(tài)凍土對(duì)土的性質(zhì)沒影響強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水結(jié)合水自由水毛細(xì)水重力水固態(tài)105粘滯狀態(tài)存在狀態(tài)強(qiáng)度大解凍時(shí)強(qiáng)度大大降低

土中水第二章土的性質(zhì)及工程分類

土中水第二章土的性質(zhì)及工程分類黏土顆粒與水的相互作用（1）帶電現(xiàn)象（2）雙電層與擴(kuò)散層概念（3）影響雙電層的因素

土中水第二章土的性質(zhì)及工程分類毛細(xì)水（1）上升高度（2）毛細(xì)壓力

土中水第二章土的性質(zhì)及工程分類土的凍脹（1）土的因素（2）水的因素（3）溫度因素

與大氣相連通的氣體與大氣相隔離的氣體土變形穩(wěn)定需要很短時(shí)間粗粒細(xì)粒土變形穩(wěn)定需要很長時(shí)間

土中氣第二章土的性質(zhì)及工程分類是指土顆粒的大小、形狀、表面特征、相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。2、分

類單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)由較粗的礫石、砂粒在重力作用下沉積而成（無結(jié)構(gòu)性土）。由較細(xì)土粒在水中沉積而成，孔隙較大。由細(xì)粒土在水中處于懸浮狀態(tài)凝聚成海綿絮狀的集合體。1、定

義有結(jié)構(gòu)性土無結(jié)構(gòu)性土土的結(jié)構(gòu)第二章土的性質(zhì)及工程分類土的構(gòu)造第二章土的性質(zhì)及工程分類層理構(gòu)造裂隙構(gòu)造第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)三相簡圖土的物理指標(biāo)基本物理指標(biāo)——3個(gè)其它物理指標(biāo)——6個(gè)第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)三個(gè)基本試驗(yàn)指標(biāo)1、土的天然重度土在天然狀態(tài)下，單位體積的重量，稱為～。一般土18～20;砂土16～20第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)三個(gè)基本試驗(yàn)指標(biāo)2、含水量（%）在天然狀態(tài)下，土中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量之比的百分率，稱為～?！渴菢?biāo)志土的濕度的一個(gè)重要物理指標(biāo)。含水量大濕軟第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)三個(gè)基本試驗(yàn)指標(biāo)3、土的相對(duì)密度土顆粒的密度與水的密度之比值，稱為～。土粒相對(duì)密度取絕于土的礦物成分。粘性土2·70～2·75，砂土2·65左右。第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土單位體積質(zhì)量指標(biāo)1、干土重度2、土的飽和重度飽和土——孔隙完全被水充滿第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土單位體積質(zhì)量指標(biāo)第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土單位體積質(zhì)量指標(biāo)

3、有效重度第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土的孔隙特征、含水程度的指標(biāo)1、土的孔隙比e——小數(shù)（0·6～1·0）第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土的孔隙特征、含水程度的指標(biāo)2、土的孔隙率n%反映土的密實(shí)程度第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)反映土的孔隙特征、含水程度的指標(biāo)3、土的飽和度描述土體中孔隙被水充滿的程度。干土為0；濕土為100%。第二章土的性質(zhì)及工程分類2.3土的物理性質(zhì)指標(biāo)指標(biāo)換算無粘性土碎石土砂土密實(shí)疏松強(qiáng)度高密實(shí)度一、碎石土的密實(shí)度重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N63·551020松散稍密中密密實(shí)N63·5強(qiáng)度低判別方法第二章土的性質(zhì)及工程分類2.4無粘性土的密實(shí)度二、砂土的密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)NN101530松散稍密中密密實(shí)判別方法工程上用密實(shí)度來判定無粘性土的承載力密實(shí)壓縮性小強(qiáng)度高承載力大2.4無粘性土的密實(shí)度第二章土的性質(zhì)及工程分類2.5粘性土的物理特性一、界限含水量二、塑性指數(shù)三、液性指數(shù)五、靈敏度和觸變性四、天然稠度一、界限含水量1、土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)為另一種狀態(tài)的分界含水量，叫～。固態(tài)半固態(tài)流動(dòng)狀態(tài)可塑狀態(tài)2、可塑性：土在某一含水量范圍內(nèi)時(shí)，可以塑成任何形狀，并當(dāng)外力移去后仍保持所得形狀，土的這種特性叫做可塑性。所處狀態(tài)叫可塑狀態(tài)。塑限液限縮限二、塑性指數(shù)對(duì)于粘性土來說——可塑性范圍越大越好1、定義：液限與塑限的差值，做～。給土命名工程上用粘性土1017粉質(zhì)粘土粘土三、液性指數(shù)判斷土的軟硬程度工程上用堅(jiān)硬00.250.751硬塑可塑軟塑流塑第二章土的性質(zhì)及工程分類2.5粘性土的物理特性四、天然稠度第二章土的性質(zhì)及工程分類2.5粘性土的物理特性五、靈敏度和觸變性37本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要難點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）注重對(duì)物理概念和意義的深入理解注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn)水頭及水力坡降二維流網(wǎng)及其應(yīng)用滲透力及其分析方法2.6土的滲透性和滲流問題

碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性能量差土顆粒土中水滲流概述2.6土的滲透性和滲流問題

概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流2.6土的滲透性和滲流問題

滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流滑坡滲流滑坡概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形揚(yáng)壓力土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基坑等地下施工多雨地區(qū)邊坡概述2.6土的滲透性和滲流問題

ABL

土的滲透性與滲透規(guī)律透水層不透水層基坑板樁墻一．滲流中的水頭與水力坡降2.6土的滲透性和滲流問題

二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

h1，A（面積），L=const量測變量:

V（總水量），T（時(shí)間）h2Δh=h1-h2Q=V/T土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

2.達(dá)西定律滲透定律在層流狀態(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)。二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律注意：AAvv：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝vA

＝vsAvk:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

2.達(dá)西定律

適用條件：層流（線性流）

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律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)Re進(jìn)行判斷：Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re＞5時(shí)為過渡區(qū)

2.達(dá)西定律（1）粗粒土：①礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

兩種特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三.滲透系數(shù)的測定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1.測定方法

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測變量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

hL土樣AVQ例題：定水頭滲透試驗(yàn)中，已知滲透儀直徑D為75mm，在L=200mm的滲透途徑上的水頭損失H=83mm，在60s時(shí)間內(nèi)的滲水量Q=75cm3，試求土的滲透系數(shù)。解：根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，滲透儀的截面積A=?D2/4=?*7.52/4=44.2cm2滲透系數(shù)k=QL/AHT=75*20/（44.2*8.3*60）=6.8*10-2cm/sk=2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法適用土類：透水性較小的黏性土例題：變水頭滲透試驗(yàn)中，黏土試樣的截面積30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管內(nèi)徑D為0.4cm，試驗(yàn)開始時(shí)的水位差為145cm，經(jīng)8分鐘后觀測的水位差為100cm，試求土的滲透系數(shù)。解：根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，滲透儀的截面積A=?D2/4=?*0.42/4=0.1256cm2滲透系數(shù)=1.29*10-5cm/sk=2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）

野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)1.測定方法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

積分2.影響因素粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)三.滲透系數(shù)的測定及影響因素飽和度（含氣量）水的動(dòng)力粘滯系數(shù)

土的滲透性與滲透規(guī)律2.6土的滲透性和滲流問題

流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)——滲流場中的兩族相互正交曲線——等勢線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。等勢線——測管水頭相同的點(diǎn)之連線。流網(wǎng)法——通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。H△h02.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網(wǎng)ABCDlsH△h00ls二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用繪制方法一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形初步繪制流網(wǎng)流線→等勢線→反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖工具：鉛筆＋橡皮2.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網(wǎng)二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用H△h0lsls2.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網(wǎng)

對(duì)于各向同性的滲透介質(zhì)，流網(wǎng)具有下列特征：（1）流線與等勢線彼此正交；（2）每個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；（3）相鄰等勢線間的水頭損失相等；（4）各流槽的滲流量相等。測管水頭

h實(shí)際應(yīng)用確定孔壓確定流速確定流量二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用水力坡降H△h0lslsM:流道數(shù)ΔH=Δh/N:相鄰等勢線間的水頭損失2.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網(wǎng)一.滲透力1、試驗(yàn)觀察滲透變形滲透力二.滲透變形（滲透破壞）2、物理本質(zhì)3、計(jì)算方法土水整體分析土水隔離分析

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

一.

滲透力1、試驗(yàn)觀察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。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。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件防治措施

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象滲流原因：

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

1.基本類型管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒徑的孔隙通道外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(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。管涌管涌破壞二.滲透變形（滲透破壞）

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

1.基本類型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)配的無粘性土或分散性粘土破壞過