1、土的强度理论土的压缩性与地基沉降计算土体中的应力计算土的渗透性与水的渗流土的物理性质与工程分类绪论：土力学及其特点挡土结构物上的土压力地基承载力土力学概况一点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容整体概述概况三点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容教材及参考书教 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
2、仲颐主编，土力学，清华大学出版社教学环节 ：讲课+ +习题课 (34(34学时) ) 实验课 (3(3次 6 6学时) )考核及成绩：7070 （期末考试） 10 10 （作业完成情况） 1515 （实验：预习操作报告） 5 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：F 什么是土？ F 土及土力学的特点？F 学习土力学的重要性？F 土力学的研究内容？F 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
3、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。F什么是土？ 绪论：土力学及其特点 大气圈水圈岩石圈生物圈风化物土壤圈地下水一、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。FF 地质大循环：岩石 土壤风化、搬运、沉积FF 生物小循环： 生物
4、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传统岩土工程的范畴 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FF 一般固体：FF 液体：FF 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F土及土力学的特点？ 绪论：土力学及
5、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 学科研究对象理论力学 质点或刚体材料力学 单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学 弹性实体结构或板壳结构水力学不可压缩的连续流体（水）连续流体土力学天然的三相碎散堆积物碎散材料二、土力学与其他学科的比较 绪论：土力
6、学及其特点 三、土力学的特点 土力学研究土的物理、化学和力学性质以及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下工程性状的应用科学。连续介质力学的基本知识描述碎散体特性的理论实验规律及工程实践经验 绪论：土力学及其特点 四、土力学的发展历史1773 Coulomb1773 Coulomb（后MohrMohr发展）：摩尔- -库仑强度理论 有关土力学的第一个理论17761776 CoulombCoulomb：库仑土压力理论1856 Darcy1856 Darcy：达西渗流定律1857 Rankine 1857 Rankine ：朗肯土压力理论1920 Prandtl1920 Prandtl：普朗特极限承
7、载力公式1921-1923 Terzaghi1921-1923 Terzaghi：有效应力原理及固结理论1925 Terzaghi 1925 Terzaghi ：出版土力学 土力学成为一门独立学科的标志1936 1936 第一届国际土力学及基础工程会议19601960s s后 现代土力学萌芽时期古典时期现代 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。F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：19131
8、913年9 9月开始装谷物，至1010月1717日共装入3 3万多谷物，但此时发生破坏： 1 1小时竖向沉降达30.5cm30.5cm 24 24小时倾斜26265353 西端下沉7.32m7.32m 东端上抬1.52m1.52m 上部钢混筒仓完好无损概况：长59.4m59.4m，宽23.5m23.5m，高31.0m31.0m，共6565个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm61cm，埋深3.66m3.66m。19131913年完工，自重2 2万T 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于基岩上的混凝土墩，使用388388个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来
9、，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。19521952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。2653失事后1913.10.181952.10.5 试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 试验孔 绪论：土力学及其特点 香港宝城滑坡 19721972年7 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 7人。
10、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 Early 1972 滑坡前July 1972 滑坡后 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 F 加拿大特朗斯康谷仓地基失稳F 香港宝城滑坡F 阪神等大地震中地基液化案例总结（一） 绪论
11、：土力学及其特点 可归结为与土有关的 强度问题 比 萨 斜 塔11731173年：动工13601360年：再复工，至13701370年竣工， 全塔共8 8层，高度为55m55m12721272年：复工，经6 6年，至7 7层， 高48m48m，再停工11781178年：至4 4层中，高约29m29m， 因倾斜停工 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5.27m，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。15901590年: : 伽利略在此塔做 自由落体实验 绪论：土力学及其特点 1838-18391838-1839：挖环
12、形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固19901990年1 1月: : 封闭19921992年7 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F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。F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。F原因：坐落于不均匀粉质粘土层， 产生不均匀沉降。F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：
13、土力学及其特点 19861986年：开工19901990年：人工岛完成19941994年：机场运营面积：4370m4370m1250m1250m填筑量：18018010106 6m m3 3平均厚度：33m33m世界最大的人工岛 日本关西机场 绪论：土力学及其特点 问题：沉降大且不均匀 设计沉降：5.7-7.5 m 完成时(1990年)实际沉降：8.1 m，5cm/月 预测主固结需：20年 比设计多超填：3m 绪论：土力学及其特点 F 意大利比萨斜塔F 苏州虎丘塔F 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90m90m，长1000m1000m，19
14、751975年建成次年6 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10:3010:30 11 11：000011:3011:3011:5711:57 绪论：土力学及其特点 损失直接80008000万美元，起诉55005500起，2.52.5亿美元，死1414人，受灾2.52.5万人，6060万亩土地，3232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 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
15、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省，高7171米，长265265米，建于19891989年。19931993年8 8月7 7日突然发生溃坝，瞬间冲毁10001000多户房舍，288288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 F 美国TetonTeton坝失事F 9898洪水长江堤防险情F 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
16、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 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F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 F 设计理论方面F 土的本构模型F 土动力学研究F 土力学试验设备的改进和研制F 复合地基和复合土体的设计和改进F土力学的发展方向 绪论：土力学及其特点 绪
17、论：土力学及其特点 F 重大交通运输工程：高铁、重载、机场、地铁F 废料储存：核废料、垃圾、二氧化碳F 重大岩土工程灾害：滑坡、地面塌陷F 新能源开发：可燃冰、深部采矿F土力学的新领域 绪论：土力学及其特点 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 1.1 土的形成1.2 1.2 土的三相组成1.3 1.3 土的结构1.4 1.4 土的物理状态1.5 1.5 土的工程
18、分类1.6 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
19、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：土的物理性质与工程分类 残积土 无搬运 运积土 有搬运二、土的沉积类型母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物 残积土 强风化 弱风化 微风化 母岩体 颗粒表面粗糙 多棱角 粗细不均 无明显层理第一章：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
20、：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土体的三相构成饱和土 ：土体孔隙完全被水充满干 土 ：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在第一章：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6020.0750.0050.0020.250
21、.5520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 1、粒径级配F 粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示F 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F 表述方法: : 粒径级配累积曲线第一章：土的物理性质与工程分类孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土筛余0101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P P（）
22、105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)(mm)0.050.050.010.010.0050.005百分数P(%)P(%)262613.513.51010筛分法第一章：土的物理性质与工程分类1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)(mm) 土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30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
23、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, 33或13 或 Cc1为级配不连续土F 不均匀系数Cu和曲率系数Cc 用于判定土的级配优劣： Cu 5且 Cc=13为级配 良好的土；如果Cu3 或Cc1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略
24、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n 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n 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 气F自由
25、气体：与大气连通的气体，对土的性质影响不大F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F溶解在水中的气体F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F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F排列形式：点与点 点与面单粒结构示意图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，作用力是化合键，
26、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。往往先形成团粒凝聚结构海水中沉积表面力、胶结力（斥力减小引力增加) )边、角与面边、角与边示意图分散结构 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 突然振密而排水不
27、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S St t1 11-21-22-42-44-84-88-168-161616粘性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动 3=0相同含水量、密度 ququ原状土重塑土灵敏度St：原状土的无侧限抗压强度qu和重塑土的无侧限抗压强度qu之比第一章：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
28、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) )表示影响力学特性第一章：土的物理性质与工程分类一、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空气 Air三 相 草 图水 Water固体 Solidma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积1 1、土的三相图第一章：土的物理性
29、质与工程分类九个物理量: V Vv Vs Va Vw ms m w ma m物性指标是比例关系: 可假设任一参数为1wavwasVVVVVVV wwwaawsVm0mmmmm 物理量关系:空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积三个独立变量，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 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：F 土的密度试验F 土粒比重试验F 土的含水量试验第一章：土的物理性质与工程分类 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
30、.602.20 g/cm3awswsVVVmmVm n 土的密度 空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积 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 2.65C4wsC4wsss)(VmGn 土粒比重GsC4w =1.0 g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积第一章：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
31、数表示 表达式： 单 位: 无量纲 一般范围：变化范围大ssswmmmmm(%)w 注意: : 其实是含水比, ,可达到或超过100100n 土的含水量W空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积第一章：土的物理性质与工程分类n 可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：3、换算指标e1en n1ne 砂类土：28-35%粘性土：30-50%，的可达60-70%svV/Ve n 孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 为无量纲V/V(%)nvn 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空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积第一章
32、：土的物理性质与工程分类对干土：Sr=0对饱和土：Sr=1 vwrVVS n 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：空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积第一章：土的物理性质与工程分类n 干密度：土被烘干时的密度， 干容重：gddV/msdn 天然密度 天然容重awswsVVVmmVm gn 饱和密度：土被饱和时的密度， 饱和容重：VVmvwssat gsatsat wsat n 浮容重：静水下的有效容重空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积第一章：土的物理性质与工程分类dsatdsatn 天然密度n 干密度n 饱和密度VmmVmws
33、VVmvwssat V/msdn 天然容重n 干容重n 饱和容重n 浮容重gdd g gsatsat wsat 空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积第一章：土的物理性质与工程分类eGVmws1)1 (11eGVmwssd1)1 (1wsdwsGGeeeGVVmwswVssat1)(eGwssat1) 1(eGVmVVSsWVwVwr空气水固体ma=0mwmsm质量VaVwVsVvV体积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、
34、重度 、干重度d 、孔隙比e、饱和重度sat和有效重度 【解】%98.11167167187%100smm3/87. 1100187cmgVm3/7 .181087. 1mkNg3/7 .1610100167mkNgdd593. 0187. 1)1198. 01 (66. 21)1 (sGe%7 .53593. 066. 21198. 0eGSsr3/4 .2010593. 01593. 066. 21mkNeeGssat3/4 .10104 .20mkNwsat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 l 物理性质
35、指标：孔隙比e e（孔隙率n n） 干密度 d demin = 0.35emin = 0.20minmaxmaxreeeeD l 相对密度：e emaxmax与e emin min ：最大与最小孔隙比第一章：土的物理性质与工程分类F最大孔隙比e emaxmax: : 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F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
36、分类l 相对密度minmaxmaxreeeeD dmindmaxdmaxdminddr)()(D 粗粒土的相对密度l 粗粒土密 实度标准 Dr = 0 最松状态 Dr 1/3松散状态1/3 Dr 0.4 稍密状态0.4 2/3密实状态 Dr = 1最密状态l 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n 粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度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w wp p液限w wl l粘性土的稠度反映土中
37、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 w土颗粒强结合水弱结合水土颗粒强结合水土颗粒自由水弱结合水强结合水强结合水膜最大出现相当数量自由水稠度界限稠度状态含水量土中水的形态示意图第一章：土的物理性质与工程分类pLpLwwwwI 液性指数：wpwwl IL 0 坚硬(半固态) 0IL 0.25硬塑0.25 IL 0.75可塑 0.75 1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F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pLpwwI 塑性指数n 问题：反映的是全部
38、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 n 活性指数：002. 0ppIA 粒径小于0.002mm0.002mm颗粒的质量占土总质量的百分比A 1.25活性粘土n 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- GB50007-2002分类法 水利部SL237-1999SL237-1999分类法1.5 土的工程分类F 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) )F 依据：
39、最能反映土的物理力学性质的指标F 要求：要有一定的逻辑性、系统性， 纲目分明，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漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm200mm的颗粒超过全质量50%50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm20mm的颗粒超过全质量50%50%粒径大于2mm2mm的颗粒超过全质量50%50%名称 颗粒形状 粒组含量碎石土一、建筑地基基础设计规范- GB50007-2002- 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2mm2
40、mm的颗粒占全质量25 - 50%25 - 50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm0.5mm的颗粒超过全质量50%50%粒径大于0.25mm0.25mm的颗粒超过全质量50%50%粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒超过全质量85%85%粒径大于0.075mm0.075mm的颗粒超过全质量50%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土粉土粘性土n 粘性土：塑性指数Ip10的土 粉质粘土：10I1017的土 非活性粘土： A 1.25n 粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip 10的土土第
41、一章：土的物理性质与工程分类二、水利部SL237-1999SL237-1999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n 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n 分类依据：第一章：土的物理性质与工程分类n 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n压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性n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n击实方法： 室内击实试验 现场试验: : 夯打、振动、碾压1.6 1.6 土的压实性第一章：土的物理
42、性质与工程分类一、室内击实试验 F 试验设备：击实筒V=V=1000cm3；击实锤w=25牛顿F 试验条件：土样分层n=3层；落高d=30cm； 击数N=27/ /层F 击实能量 3/5 .607mmkNVwdNnEF 试验方法：对w w=cosnst的土，分三层压实； 测定击实后的w、 ，算定 dF 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(%)w(%)2.01.81.61.4干密度 d(g/cm3)饱和曲线 dmaxwop二、细粒土的击实曲线 具有峰值 最大干密度 dmax 最优含水量Wopsat
43、dd)( 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。rswsdS/wG1G wG1G)(swssatd Sr=1第一章：土的物理性质与工程分类 含水量 Wopop： 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n 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0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%)w(%)2.01.81.61.4干密度 d(g/cm3)饱
44、和曲线 dmaxWop n 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 F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，压实功能愈大, ,最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高F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0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%)w(%)1.91.71.51.3干密度 d(g/cm3)饱和曲线N=36N=29N=25N=18%)32(wwop 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
45、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：%100dmax室内标准击实试验的填土的干密度cDn 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 n 击实曲线n 压实标准：常用相对密度控制 Dr0.7-0.75Dr0.7-0.75 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 ， 含水量w干密度 粗砂中砂第一章：土的物理性质与工程分类第一章：土的物理
46、性质与工程分类 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 2.1 概述2.2 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 渗透系数的测定及影响因素2.4 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 2.1 概述土颗粒土中水渗流n 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，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动F 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流F 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
47、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浸润线第二章：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n 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能n 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n 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n 在静
48、止液体中各点的测管水头相等一、位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAu zBwBu 基准面静水2.2 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n 位置势能：mgzwumg n 压力势能：00基准面质量 m压力 u流速 vzwu n 动能：2mv212wmv21umgmgzE n 总能量：2gvuzh2w 称为总水头，是水流动的驱动力n 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ABLhAzAwAu 基准面g2vuzh2w wuzh n 总水头：单位重量水体所具有的能量 位置水头Z 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
49、压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0）n 渗流的总水头：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wBBBuzh A A点总水头：三、水力坡降ABLhAhBzAwAu wBu zBh h基准面水力坡降线wAAAuzh B 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BAhhh 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失Lhi 第二章：土的渗透性和水的渗流四、达西渗透定律LAh1h2QQ透水石1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验LhAQ或：iAkQ 其中，A是试样的断面积第二
50、章：土的渗透性和水的渗流ikAQvn 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n 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, m/s, m/dayn 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nvvvs其中，V Vs s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n 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 ：0 0.5
