教学课件·《土力学》

1、土力学 本课程教学目标1.掌握与土力学三大基本问题(渗透、变形、强度)相 关的基本理论2.利用土力学基本理论，掌握三个常见岩土工程问 题(土压力、土坡稳定性、地基承载力)的计算方法3.掌握5个基本土力学实验的原理及方法本课程考核方法1.考核方式：闭卷考试2.最终成绩组成(1)考勤：5%(2)作业：10%15%(3)期终考试：85%80%3.缺勤1/3者，不能参加考试1. 绪论 1.1 土力学、地基与基础的概念 1.2 本课程的主要内容和特点 1.3 本学科的发展概况(自修)复习：结构传力途径：本栋房屋（框架结构）梁柱 楼板人、物等重量地基基础建筑物组成：上部结构+基础+地基结构荷载基底压力d1

2、.基础的概念定义：埋入土层一定深度并将各种荷载传给地基 的建筑物下部结构。作用：将建筑物的全部荷载安全、可靠地传 给地基。材料：灰土、砖石砌体、混凝土或钢筋混凝土等。埋深(埋置深度)d：基础底面至地面的竖直距离。第一部分 土力学、地基与基础的概念类型：按埋深可分为两类： 浅基础：埋深d基础宽度b设计要求：与上部结构和地基相联系，综合考虑其 形式、材料、尺寸等。要求：具有足够的强度、刚度和耐久性。1) 单独基础常见的基础形式有如下类型：1) 单独基础Individual footing, pad foundation2) 条型基础2) 条型基础3) 片筏基础4) 桩基础软土层4) 桩基础2.地基

3、的概念定义：受到基础荷载影响的那部分土体。作用：承受基础传来的荷载。材料：岩石、土层或部分岩石部分土。它们均是自 然的产物。要求：强度(稳定性)要求：具有一定的承载能力，不能发生 整体破坏。即pf 变形要求：不能超过建筑物的允许变形值。即SS类型：天然地基：不加处理就可以直接在其上修建基础的 地基。人工地基：不能满足强度、变形和渗透要求，需要 事先进行人工处理后再在其上修建基础 的地基。设计时：尽量选择天然地基（造价低、施工方便）。人工地基重锤夯实加固振动压实加固重锤夯实加固振动压实加固3.土力学定义：利用力学原理，研究土的强度、变形及渗 透特性的学科。主要内容：变形问题 强度问题 渗透问题第

4、二部分 本课程的主要内容和特点 1.主要内容：土力学+实验土力学部分： 土的性质及工程分类 地基中的应力 土的变形性质及地基沉降计算 土的抗剪强度 工程应用（挡土结构上的土压力计算、地基承载力 确定、土坡稳定性分析）实验部分： 土的基本物理性质指标实验（必做） 黏性土的液塑限实验（必做） 土的侧限压缩实验（必做） 土的直接剪切实验（必做） 土的渗透实验（必做） 土的击实实验（选做）2.本课程的特点 涉及到的相关课程多 如：理论力学、材料力学、结构力学、水力学、工程地质与水文地质等 概念、术语多且较难理解 各章节之间连贯性差徒步行走的土力学原理脚后跟着地脚掌着地以脚趾行走1360年：再复工，至1

5、370年竣工，全塔共8 层，高度为55m1272年：复工，经6年，至7层，高48m，再 停工1178年：至4层中，高约29m，因倾斜停工1173年：动工目前：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5.51590: 伽利略在此塔做落体实验 意大利比萨斜塔基岩不均匀软土层地质剖面图原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，变形较大。1838-1839：挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固1990年1月: 封闭1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理目 前: 正常向游人开放。 处理措施加拿大特朗斯康谷仓 事故：

6、1913年9月装谷物，10月当装了3万m3谷物时，1小时竖向沉降达30cm24小时倾斜27西端下沉7.3m 东端上抬1.5m上部钢混筒仓完好无损原因：地基严重超载，加荷速率太快。 不满足强度条件加拿大特朗斯康谷仓 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388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了5米。 2009年6月27日5时30分（上海）Thanks for yourattention第1章 土的性质及工程分类主要内容： 土的三相组成及土的结构 土的物理性质指标 无黏(粘)性土的密实度 黏性土的物理特性 土的击实性 地基土的工程分类1.1-

7、1.2 概述及土的形成2.什么是土？岩石经过风化作用而剥落、搬运、沉积形成的矿物集合体。1.风化作用由于昼夜和季节的气温变化(使地表各种原岩不断发生热胀脱离、冷缩开裂等机械破碎)、水和水溶液的存在(使原岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂等化学和机械破碎)、动植物和微生物的活动(使原岩不断发生机械破碎和化学变化)，对原岩发生机械破碎和化学变化的作用，称为风化作用。3.风化的类型 物理风化定义：由于温度变化和岩石裂隙中水的冻结以及盐类的结 晶引起的岩石表面逐渐破碎崩解的过程。结果：主要使岩石机械破碎。风化的产物（原生矿物）与 原母岩矿物成分、化学性质相同。 化学风化定义：岩

8、石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物 作用下所引起的破坏过程。结果：不仅破坏了岩石的结构，而且使其化学成分发生了 变化，形成新的矿物（次生矿物）。 生物风化定义：生物活动过程中对岩石的破坏作用。结果：可能生物原生矿物或次生矿物。4.土性质复杂的原因 成因复杂（自然的产物） 组成复杂。通常由以下三部分组成： 土粒：构成土的骨架，称为固相。 孔隙中的水(及溶液物质)：称为液相。 孔隙中的气体：称为气相。由此可见：土是一种复合材料5.土与岩石的区别：仅在于颗粒间胶结的强弱。粒间无胶结：无黏性土（如砂、碎石等）粒间弱胶结：黏性土、粉土等。粒间强胶结：岩石。特殊情况下的两相土：干土：土孔隙中无水的

9、土。饱和土：土孔隙中无气的土(如地下水位以下的土)。物理风化产物，石英、长石、云母等。颗粒粗，为砂、砾组主要成分。（1）原生矿物化学风化产物，颗粒细，为粘粒组的主要成分。（2）次生矿物特点：化学性质稳定，水稳性强。特点：颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。1.土的固体颗粒(固相)：通常由以下三部分组成：1.3 土的三相组成a. 粘土矿物复合的铝硅酸盐晶体，片状。高岭石：伊利石：蒙脱石：亲水性：蒙脱石伊利石高岭石b. 倍半氧化物及次生二氧化硅c. 可溶性次生矿物（3）有机质蒙 脱 石2.土颗粒的大小和形状 自然界中存在的土，都是由粒径大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相

10、应地发生变化。因此可将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、60、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组:漂石(块石)颗粒（粒径200mm）卵石(碎石)颗粒（粒径介于20060mm）圆砾(角砾)颗粒（粒径介于602mm）砂粒（粒径介于20.075mm）粉粒及粘粒（粒径介于0.0750.005mm）粘土的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各 种难溶盐类，它们都是次生矿物。表1-3 土的粒组划分3.土的颗粒级配(粒径级配)土的颗粒级配：土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总 量的百分数)。颗粒级配的用途：作为确定土的名称和选用建

11、筑材料的重 要依据。它是决定无粘性土工程性质的主 要因素。颗粒级配的分析方法颗分试验筛分法：适用于粒径0.075mm。比重计法或移液管法(水分法)：适用于粒径5为级配良好； Cu5和Cc105 0C)下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。（2）结合水 受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。0-毛细水重力水自由水弱结合水强结合水与土粒表面结合的水结合水土粒矿物内部的水-结晶水土中水4.土中的水(液相)105oO-2H+H+粘土颗粒水分子极 性强结合水弱结合水自由水（2-1）强结合水：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固体，具有极大的粘滞度、弹性

12、和抗剪强度。（2-2）弱结合水：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑性。(3)自由水（3-1）重力水：在受重力作用在土中流动的水。（3-2）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。5.土中的气(气相)（1）开敞气体：孔隙中与大气相通的那部分气体。该部分气体 对土的性质影响不大。（2）封闭气体：密闭与孔隙中不与大气相通的那部分气体。该 部分气体使土的渗透性减小，弹性增大和拖延 了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。1.4 土的

13、结构和构造(2)土的结构类型(1)土的结构：土粒的大小、形状、空间排列和粒间连接特征。单粒结构 蜂窝结构(粒径0.0750.005mm) 絮状结构(粒径0.005mm)(a) 疏松(b) 密实(3)各类型土的形成方式及其特点单粒结构的土形成方式：在沉积过程中，较粗的颗粒在其自重作用下沉落，每个颗粒都受到 周围已经沉稳的各个颗粒的支承，使各个颗粒相互依靠、交错重叠。特点：土粒之间是点与点接触。按其生成条件不同，形成紧密或疏松的状态， 前者较稳定，力学性能好；后者较稳定，力学性能差。颗粒较粗的粉土、砂土和砾石土类均以该种结构为主。蜂窝结构的土形成方式：较细的土粒在自重作用下沉积，碰到已沉稳的颗粒时

14、，由于颗粒较 细，重量轻，如果土粒接触点处的分子引力大于下沉土粒的重量 时，土粒便被吸住而不再下沉。这样逐渐形成链状单元。很多个这 样的链状单元联结起来，便形成孔隙较大疏松的蜂窝结构。特点：孔隙大、疏松。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。颗粒较细的粉土、黏性土均以该种结构为主。絮状结构的土形成方式：极细小的黏土颗粒大都呈针状或片状。它们受水分子作用，其表面 都有一层极薄的水膜。这种带有水膜的土粒在水中运动时，由于土 粒之间相互吸引，因而之间以点、线、面的各种薄片结合，然后再 沉积，形成所谓的絮状结构。特点：孔隙大、疏松。当扰动而破坏其天然结构时强度低、压缩性大。在海积粘土中常见。注意：

15、在天然情况下，任何一种土都是由大小不同的颗粒所组成的，因而土的结构就不会是单一的，常以某种结构为主而由上述几种结构混合而成。(4)土的构造定义：土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特征(结构)。主要形式：层理(状)结构：这种构造的土层通常由不同颜色、不同颗粒的土组成层理， 呈现成层性。土的构造的最主要特征就是层理(状)结构或成层性。分散构造裂隙构造分散构造：土层中土粒分布均匀，性质相近。裂隙构造：土体中有很多不连续的小裂隙。这种土的强度低、渗透性大。土的物理性质指标：表示土的三相之间比例关系的指标。1.5 土的物理性质(三相)指标指标的分类：1.基本试验指标：必须通过试验才能确定的指标。 包括：土的

16、天然密度(重度)、土的含水量和土粒相对密度ds2.换算指标：由基本试验指标及水的密度w(重度w)和重力加速度g换算 出的指标。气水土 粒虽然土粒、水和气三相在土中是混合的，但我们可以抽象地把这三部分分开，做出下图1.22示的三相图。该图左边表示质量(重量)，右边表示体积。计算方法：三相图法土粒质量：ms （g或kg)水的质量：mw （g或kg)空气质量：ma0土总质量m= ms + mw土粒体积：Vs (cm3或m3)水的体积：Vw (cm3或m3)气的体积：Va (cm3或m3)孔隙体积： Vv= Vw+Va土的总体积：V=Vs+Vv图1.22 土的三相关系示意图(第一类三相图)一、基本指标

17、1. 土的天然密度定义：单位体积土的质量。计算公式：试验测定方法：环刀法。用已知内腔体积V的环刀取样，用天平称出土的质量（环刀与土的质量减去环刀质量），代入上式即可。土的天然重度(重力密度)：单位体积土的重量。即由于W=mg，故 g2. 土粒相对密度 (比重)ds定义：土粒质量ms与同体积40C时纯水的质量mw1=w1Vs 之比。计算公式：式中：s=ms/Vs为土粒的密度（单位体积土粒的质量），g/cm3 w1为40C时纯水的密度， 按1g/cm3计算试验测定方法：比重瓶法。由于ds变化幅度不大（通常在2.62.8之间),通常可按经验数值选用，如下表。土粒比重参考值粘性土土的名称砂土粉土粉质粘

18、土粘土土粒比重2.652.692.702.712.722.732.742.763. 土的含水量定义：土中水的质量mw(或重量Ww)与土粒质量ms(或重量Ws)之比的百分数计算公式：试验测定方法：烘干法。先称一定质量的土m，放在1001050C下烘干至恒重，则此时的质量即为土粒的质量ms，土中水的质量mw=m-ms。代入上式即可。计算公式：定义：单位体积的土在水分烘干后的质量，即干土的密度。常见值：1.31.8t/m3工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。换算公式：二、反映土单位体积质量(重量)的指标土的干重度d:单位体积的土在水分烘干后的重量，即干土的重度。1.土的干密度d2.土的

19、饱和密度sat定义：土中孔隙充满水时单位体积土的质量。计算公式：式中：w=1g/cm3=1t/m3,为水的密度。土的饱和重度sat:土中孔隙充满水时单位体积土的重量。3.土的有效密度(浮密度)定义：土体淹没在自由水以下时，单位体积土粒的质量减去同体积水的质量 后，即单位体积土粒的有效质量。 （注意：有浮力）计算公式：土的有效重度:土体淹没在自由水下时单位体积土的重量。三、反映土的孔隙特征、含水程度的指标1.孔隙比e定义：土中孔隙体积Vv与土粒体积Vs之比。计算公式：注意：由于Vv可以大于Vs，因此孔隙比e可以大于1。如淤泥或淤泥质土的e一般 都大于1。2.孔隙率n定义：土中孔隙体积Vv与土的总

20、体积V之比。计算公式：3.孔隙比与孔隙率之间的关系孔隙比e和孔隙率n是反映土密实程度的重要物理性质指标，e或n越大，土越疏松，反之土越密实。一般e1.0的土是疏松的高压缩性土。4.土的饱和度Sr定义：土中水的体积Vw与孔隙体积Vv之比。计算公式：作用：砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态： Sr50为稍湿； 5080饱和因Vs=1，由e=Vv/Vs知：Vv= e 及 V=Vs+Vv=(1+e)四、换算指标的计算方法1.物理指标的特点 都是比值(比例)关系，不需各量的绝对值，只需相对值。因此可假定某些量为单位值(1)。常假定土粒体积Vs=1m3（cm3）或土的总体积V=1m3

21、（cm3） 。假定土粒体积Vs=1 (以及w1= w=1g/cm3=1t/m3)因ds=ms/(wVs)，故 ms=ds w 及Ws=dsw因mw/ms，故 mw=dsw Ww=dsw m=ms+mw=dsw (1+) W=ws+ww=dsw (1+)图1.23 土的三相指标换算图(第二类三相图)利用以上关系，即可将图1.22的三相图转换为图1.23。2.图1.23的应用其它指标换算公式见表1.8。图1.23 土的三相指标换算图(第二类三相图)例题：某工地需填方2000m3，土方来自于临近山丘的开挖。经勘查，现场土粒的相对密度为2.7，含水量为15%，孔隙比为0.6。要求填方土的含水量为17%

22、，干重度为17.6kN/m3.（1）取土现场土的重度、干重度和饱和度是多少？（2）应从现场开采多少方土？（3）碾压时应洒水多少？填土的孔隙比是多少？解:(1)设现场测试时土样中土粒的体积Vs=1m3，则:土样中土粒质量ms=ds w Vs=2.71t/m31m3=2.7t土样中水的质量mw=ms=0.152.7=0.405t土样的总质量m=ms+mw=2.7+0.405=3.105t土样中孔隙体积Vv=eVs=0.61=0.6m3土样中水的体积Vw=mw/w =0.405/1=0.405m3土样总体积V=Vs+Vv=1+0.6=1.6m3由此可见，现场土的：重度=W/V=mg/V=3.105t

23、10m/s2/1.6m3=19.41kN/m3干重度d=Ws/V=msg/V=2.710/1.6=16.88kN/m3饱和度Sr=Vw/Vv=0.405/0.6=0.675=67.5%（2）注意填方过程中土粒的质量不变。填方2000m3需要的土粒质量ms填= d填V填=(d填/g)V填=(17.6/10)2000=3520t又因d填=ms填/V，故需开挖的土方体积V=ms填/d填=3520/(17.6/10)=2085.3m3(3)根据填=mw填/ms填及填方过程中土粒质量不变，可得 ms填=mw填/填。即 mw填=ms填=(0.17-0.15)3520=70.4t填土的重度填土的孔隙比4.密

24、实度指标(1)孔隙比e 建筑地基基础规范以孔隙比e作为砂土密实度的划分标准，分为：密实、中密、稍密、松散四状态。1.6.1 无粘性土的密实度2.密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。3.密实度对无粘性土工程性质的影响 若土粒排列紧密(即密实度大)，其结构就稳定，压缩变形小，强度高，是良好的天然地基。反之，若密实度小，则呈疏松状态，结构不稳定，变形大、强度低。无粘性土的工程性质主要取决于其密实度。1.无粘性土：具有单粒结构的碎石土和砂土(颗粒间无粘结能力的土)。1.6 土的物理状态特征（2）相对密度Dr用孔隙比e判别无粘性土的密实度的缺点：不能考虑颗粒级配的影响。相对密度式中：emax和emin分

25、别为无粘性土处于最疏松和最密实时的孔隙比。由于emaxeemin，故1Dr0利用相对密度Dr，可判别无粘性土的密实度：1Dr0.67 密实 0.67Dr0.33 中密 0.33Dr0 松散 (3)标准贯入试验（Standard Penetration Test，SPT） 虽然相对密实度从理论上能反映颗粒级配、颗粒形状等因素。但由于对砂土很难采取原状土样，故天然孔隙比不宜测准。规范用标准贯入试验的锤击数来划分砂土的密实度。见表1.10。 标准贯入数 N63.5 锤 重：63.5kg 落 距：760mm 打入深度：300mm(4)碎石土密实度野外鉴别方法 碎石土更不宜取得原状土样，也难于将贯入器击

26、入其中。对这类土可在现场进行观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性及可钻性鉴别。将碎石土分为密实、中密和稍密和松散四种。详见规范。3.(粘性土的)稠度：指粘性土的软硬状态或对受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。4.界限含水量同一种粘性土随其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。由一种状态转变到另一种状态的分界含水量，叫界限含水量。1.6.2 粘性土的物理特征1.粘性土：具有可塑状态性质的土(颗粒间具有粘结能力的土)。2.影响粘性土工程性质的最主要因素：含水量。即土粒与水的相互作用。当含水量较低时，土就较硬，变形小、强度高。反之，当含水量较大时，土就较软，甚至为流态(如泥浆

27、)。粘 粒强结合水弱结合水自由水液 态可塑态固态或半固态5.界限含水量的测定方法(1) 液限L ：锥式液限仪(如下图示)或液塑限联合测定仪锥式液限仪：将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，使76g圆锥体(含平衡球，锥角300)在自重作用下徐徐沉入土样，经过15s圆锥进入土中深度恰好为10mm时，此时该试样的含水量即为液限L。锥式液限仪(2) 塑限p：搓条法(滚搓法)或液塑限联合测定仪 将测定完液限后的土样重塑均匀后，用手掌在毛玻璃板上搓成小土条。搓滚过程中，水分逐渐蒸发。若土条刚好搓至直径3mm时产生裂缝并开始断裂，则此时土条的含水量即为塑限。搓条法示意图(3) 液塑限联合测定仪锥式液限仪

28、和搓条法的缺点：人为因素影响较大，测定结果不稳定。液塑限联合测定仪：采用电磁放锥，光电方式测读圆锥入土深度。试验时，对同种土的3个不同含水量的试样分别测出其入土深度，然后在双对数纸上做出各次入土深度及相应含水量的关系（大致为直线），则对应入土深度为10mm及2mm时土样的含水量，即分别为该土的液限和塑限。测试结果整理IP与颗粒粗细、矿物成分和水中离子成分的浓度有关。土粒越细且含量越多，则比表面越大,土的结合水含量越高，IP越大。当水中高价阳离子浓度增加时,土粒表面吸附的离子层厚度变薄结合水含量相应减少,IP也小；反之，IP变大。 IP作用：用于对粘性土进行定名。（1）塑性指数IP：表示土处于可

29、塑状态的含水量范围大小。（省去%）6.粘性土的塑性指数Ip和液性指数ILIL的作用：判别粘性土的软硬状态。流动状态可塑状态固态粘性土软硬状态的划分（2）液性指数IL：表示土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系。 天然状态的粘性土当受扰动后，其强度降低、压缩性增大。土的结构性对强度的这种影响，可用灵敏度St衡量：根据灵敏度将饱和粘性土分为：中灵敏高灵敏触变性：饱和粘性土当受扰动后，其强度降低，但当扰动停止后，强度又随时间增大，这种特性称为触变性。qu：原状试样的无侧限抗压强度qu：重塑试样的无侧限抗压强度7.粘性土的灵敏度和触变性低灵敏8.黏性土的活动度(活性指数) 黏性土的活动度A定义为塑性

30、指数IP与土中胶粒含量百分数P0.002的比值。即(1-30)式中P0.002为粒径0.002mm颗粒的重量占土总重量的百分数。 活动度A反映了黏性土中所含矿物的活动性(即矿物吸附结合水的能力)大小。根据A的大小，可将黏性土分为非活动性黏土、正常黏土和活动性黏土3类，见表1-15. 表1-15 黏性土按活动度的分类黏性土类别活动度(活性指数)A非活动性黏土A1.25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。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 击实方法：室内：击实试验现场: 夯打、振动、碾压1.7 土的压(击)实性1.7.1 细粒

31、土的压实性1.室内击实试验和击实曲线土 试验设备 (1)重型仪器：锤重量4.5kg 落高457mm 适用粒径20mm的土 (2)轻型仪器：锤重量2.5kg 落高305mm 适用粒径5mm的土 轻型击实仪实验 (1)取代表性土样20kg，风干碾碎，过5mm筛，制备56种 含水量不同的试样。各样含水量相差约2%； (2)对每个试样的实验，将土分3层(次)装入击数筒。每层 25击； (3)测出击实后土样的总质量、含水量，计算出干密度。 (4)绘制击实曲线 在直角坐标中，以含水量为横坐标，以干密度d为纵坐标，对56个击实后的试样绘出d 曲线。该曲线称为击实曲线。 电动击实仪 手动击实仪2.击实特性 击

32、实曲线具有峰值，即存在最大干密度dmax与最优含水量op 击实曲线位于理论饱和曲线之左下方。即 0 4 8 12 16 20 24 28含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.1若因为则（理论饱和曲线）理论饱和曲线假定土中的气完全被排出，孔隙完全被水充满，从而击实到饱和状态，但这是不可能的。因为当土的含水量大于最优含水量后，土孔隙中的气越来越处于与大气不连通的状态，击实作用已不能将其排出土体之外、土的体积不可能减小(即此时的土变成“橡皮泥”)。为什么 ？为什么 后 ？ 3.压实机理水膜润滑作用效果最佳 尚没有形成封闭气泡，气易于排出当

33、 op, d dmax颗粒表面水膜很薄，相对移动困难 当 op , d op , d0.95；但对路基的下层或次要工程，取值可降低。不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态下易于击实；潮湿状态下d明显降低。1.7.2 粗粒土的压实性 粗砂 =45%中砂 =7%； 时，干密度最小 （1）压实特点（2）理论分析对粗粒土，击实过程中可以自由排水，不存在细粒土中出 现的现象。在潮湿状态下，存在着假凝聚力，加大了阻力。（3）压实标准常用相对密度控制 Dr0.70.75施工过程中要么风干，要么就充分洒水，使土料 饱和 2.工程中压实度的测定灌砂(水)法塑料袋塑料袋灌水或砂挖坑并将挖出土称重坑中铺设塑料

34、袋灌水或砂至水平，并称重1.8 地基土(岩)的工程分类1.分类的目的 便于工程勘查、设计和施工； 便于正确选择对土的研究方法； 便于对土的工程性质做出合理的评价； 便于工程人员对土有共同的概念，能够经验交流。2.分类的原则 简单明了。分类体系所采用的指标，既能综合反映土的主要工程性质， 又要测定方法简单且便于使用。 反映土的工程性质的差异。采用指标要在一定程度上反映不同类工程用 的土的不同特性。 可依据土的成因、地质年代等原则进行分类。1.8.1 土的分类目的、原则和体系3.分类的体系及依据(1) 第一类：粗粒土按“粒度成分(土的颗粒大小及其级配)”、细粒土按 “塑性图(塑性指数与液限之间的关

35、系图)”为分类依据。 原因：粒度是各类土性质差别很大的一个主要原因；塑性指数、液限及 有机质含量是影响细粒土性质的重要因素。 如：土的工程分类标准(GB/T 50145-2007) 水利水电工程土工试验规程 (DL/T 5355-2006) 公路土工试验规程 (JTG E40-2007)(2) 第二类：粗粒土按“粒度成分(土的颗粒大小及其级配)”、细粒土按 “塑性指数”为分类依据。 原因：粒度是各类土性质差别很大的一个主要原因；塑性指数是影响细 粒土性质的重要因素。如： 岩土工程勘察规范 (GB 50021-2009) 建筑地基基础设计规范 (GB 5007-2011) 水运工程岩土勘察规范

36、(JTS 133-2013) 公路桥涵地基与基础设计规范 (JTG D63-2007)(3) 其它依据：土的成因及形成年代。 原因：同一成因的土具有相近的工程性质；土的生成年代越久，一般 工程性质越好。 但注意：目前还未找到土的成因及形成年代与其工程性质的定量关系，故规范中还无法考虑这一因素。如： 岩土工程勘察规范 (GB 50021-2009) 建筑地基基础设计规范 (GB 5007-2011)粒径10%的土）1.8.3 根据建筑地基基础设计规范,地基土可分为以下六类： 一、岩石1.定义：颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。2.分类(1)按成因(生成原因)分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩

37、。 (2)按坚固性分为：硬质岩石、软质岩石。见表1-20示。(3)按风化程度分为：未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化5种。(4)按完整程度分：完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎5种，见表1-21.二、碎石土1.定义：粒径d2mm的颗粒含量超过全重50%的土。2.分类依据：土的粒组含量及颗粒形状。3.定名：漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。见表1-22。4.工程性质：根据骨架颗粒含量占总重的百分比，颗粒的排列，可挖性与 可钻性分为密实、中密、稍密三等。 常见碎石土强度大、压缩性小、渗透性大，为良好地基。 三、砂土1.定义：粒径d2mm的颗粒含量不超过全重的50%，且粒 径d0.075mm

38、的颗粒超过全重50%的土。2 .分类依据：粒组含量。3 .定名：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。见表1-23。4 .密实度：密实、中密、稍密、松散四状态。5 .工程性质：砾砂、粗砂、中砂一般为良好地基；细砂、粉 砂具体分析。1.定义：粒径d0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且Ip10的土。2.组成：一般为砂粒、粉粒、粘粒的混合体。3.分类：根据粒径d0.005mm的黏粒含量是否超过全重10%，分为粘质 粉土(超过10%)、砂质粉土(不超过10%)。见表1-26。4.密实度：根据孔隙比e大小分为：密实(e0.65)、中密(0.65e1为松散状态,属软弱地 基；饱和稍密粉土，地震时易产生液化

39、，为不良地基。(注意:当IP=310时也称为轻亚黏土(亚砂土) 四、粉土五、粘性土1.定义：Ip10的土。2.分类依据：塑性指数Ip3.定名：Ip17为粘土；10液限 L、天然孔隙比e1.0。分类 (1)淤泥：天然含水量液限L、天然孔隙比e1.5的粘性土。 (2)淤泥质土：天然含水量液限L、1.5e 1.0的粘性土。 (3)泥炭：天然含水量液限L、e1.0、有机质含量60%。 (4)泥炭质土：天然含水量液限L、e1.0、有机质含量在1060%。 （注：有机质土：有机质含量10%的土。）工程性质：压缩性大、强度低、灵敏度高、渗透性差。 2.花岗岩残积土定义：地表及浅层的花岗岩完全风化剥落后未被搬

40、运而残留在原地堆积 而成的土。特性1.8.4 公路地基土的工程分类1.公路桥涵地基土 (公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)、公路工程地质勘察规范(JTG C20-2011) 与建筑地基基础设计规范(GB 5007-2011)基本相同，见表1-32。(1).总体分类体系(图1.37)2.公路路基土 (公路土工试验标准(JTG E40-2007)、公路工程地质勘察规范(JTG C20-2011)2.巨粒土分类体系(图1.38)3.砾类土分类体系(图1.39)4.砂类土分类体系(图1.40)5.细粒土分类体系(图1.41)作业P5859“四、计算题”中：习题4、5、6、7、8、9

41、、10、12Thanks for yourattention第2章 土的渗透性及渗流2.土的渗透性：水透过土中孔隙流动的难易程度(土体被水透 过的性质)。1.土的渗流：水透过土中孔隙流动的现象。3.土中水发生渗流的原因：外因：存在水头(压力)差 内因：土中有连通的孔隙2.1 概述4. 渗流产生的工程问题(1)渗漏：由于渗流而引起的水量损失。(2)渗透力：渗流作用在土粒(骨架)上的作用力,方向与渗流方向相同。(3)渗透破坏(变形)：在渗透力作用下，可能引起土体变形，产生流土、管 涌渗透破坏，改变建筑物或地基的稳定性，影响工程 安全。 由于渗流作用使土体出现变形或破坏的现象称为渗透破坏或渗透变形。

42、(4)渗透控制问题：当渗流量和渗透变形不能满足工程设计要求时，变形采 取工程措施加以控制。渗流量渗透变形土石坝浸润线透水层不透水层石坝坝基坝身渗流渗透压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流2.2 土的渗透性2.2.1 达西定律及其适用范围1.地下水流动的两种形式（1）层流：地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗流。 特点：相邻两个水分子的运动轨迹(流线)相互平行。 一般土(黏性土和砂土等)的孔隙较小，水在其中的流动很缓慢，因此多数 情况下都属层流。 但在孔隙较大的碎石土中，如果渗流速度较大，则通常是紊流.（2）紊流：地下水在孔隙较大的碎石土中、岩石的裂隙或空洞中

43、流动，速度较大。 特点：相邻两个水分子的运动轨迹(流线) 相互交叉混流。2.渗流中的水头与水力坡降(水力梯度)ABL透水层不透水层基坑沿流线取一截面积A、长度为L的土样(包括孔隙中的水)z：位置水头(从选定基准面算起)u/ w：压力(测压管)水头v2/2g：流速水头。因流速v很小(v1cm/s),故忽略A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降(梯度)：ABLh1h2zAzB00基准面uAuB3.渗透试验与达西定律试验前提：层流(1)渗透试验试验结果：试验装置：如图2-3试验条件: h1,A(土样截面积)，L=const量测变量: h2 ，时间t ， 时间t内水量Qh=h1-h2单位时间内的水量

44、(流量)q=Q/t断面平均流速水力坡降Q图2-3 渗透试验装置(2)达西(Darcy)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。即比例系数k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数(参见下表)物理意义：单位水力坡降i1时的渗流速度(mm/s, cm/s, m/s, m/day)土的名称渗透系数(cm/s)致密黏土 Av Vs=q/Av V=q/A粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度: vcr=0.3-0.5cm/s(3)适用条件层流(线性流):大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土。 v=k i(4)两种特例密实粘性土：近似适用

45、： v=k(i - i0 ) ( i i0 ) i0：起始水力梯度ivovcrivi0ivo(a) 层流(b) 密实黏性土(c) 粗粒土2.2.2 渗透系数的测定方法 常水头试验法 (适用透水性较大的砂性土)变水头试验法 (适用透水性较小的粘性土)井孔抽水试验井孔注水试验野外试验测定方法室内试验测定方法1. 室内试验测定方法(一)常水头试验法 (适用透水性较大的砂性土)Q 试验过程中保持水头差h不变，测定经过一定时间t的透水量Q，则有即(2-9)图2-3 渗透试验装置 设土样的截面积为A，细玻璃管的截面积为a，则dt时间内流过玻璃管的水量dQ=-adh应等于流过试样的水量dQ=Avdt=Aki

46、dt。即积分有即式(2-10)或(2-11)(2-10)(2-11) 选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1，利用式(2-11)计算出相应的渗透系数k，然后取其平均值作为该土样的渗透系数。 2-6(注意:i=h/L)2. 现场井孔抽水试验(1)室内试验的优缺点优点：设备简单、操作方便、费用低廉。缺点：取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土，导致室内 测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。(2)现场试验优点：更符合土层的实际渗透条件；测 定的渗透系数是现场较大范围内 土的平均渗透系数。抽水试验方法：在现场设置一个直径不小于15cm的抽水井和两个以上的观测井。边抽水边观测水

47、位变化。参见图2-7。图2-7 现场抽水试验观测井观测井抽水井当抽水过程中抽水井和观测井中的水位稳定(此时抽水量也稳定)后，单位时间内从距井中心r处、高为h的井侧面积A=2rh流入的水量为对上式分离变量后积分可得(2-12)式中h1和h2分别为距离抽水井水平距离为r1和r2的两个观测井的稳定水位，见图2-7。hr2.2.3 渗透系数的影响因素 土粒特性流体特性 粒径大小、形状及级配 土粒越粗、越均匀，渗透系数越大 砂土中含较多粉土或黏土颗粒时渗 透系数大为降低 孔隙比 孔隙比越大，土越疏松，渗透系数 越大 矿物成分 土中含亲水性较大的黏土矿物或有机质越多，结合水薄膜越厚，渗透性越差 结构和构造

48、 扰动土的渗透性大于原状土 一般土水平向渗透性大于垂直向(但黄土例外) 水的动力粘滞系数(水温) 水温越高，其粘滞性越低，渗透系数越大 饱和度(含气量) 土中封闭气泡越多，对渗流的堵塞越严重，渗透系数越小 土中含气量越多，析出的气泡越多，会降低土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数 当地基由多层不同渗透特性的土层组成时，多层土折算成一层均质土的等效渗透系数可以利用达西定律求出。均质，kx等效1.水平渗流均质，kx等效均质，kvh等效2.垂直渗流2.4 渗透力(动水力)及渗透破坏1.渗透力(动水力)j定义：渗流作用在单位体积土内骨架上的作用力。(j是一个体积力,kN/m3)计算公式： 从土

49、体中取一截面积为S的土柱AB，以该土柱内的水为脱离体。则 进水断面A处受到的作用力F进=uAS=whAS 出水断面B处受到的作用力F出=uBS=whBS 水在出、进断面间损失的总力为F损= wS(hA-hB) =wS h方向：与渗流方向相同。作用位置：作用在土的骨架(土粒)上ABLF进F出水流水流对土骨架的总作用力J=F损，但方向与F损相反。这样，单位体积土内骨架上的作用力(即渗透力)为 j=J/VAB= wS h/(SL)=wi (kN/m3)力F损是水流为了克服土骨架对其的阻碍而产生的。根据牛顿第三定律，2.渗透破坏(1)流砂(流土)动水力的存在改变了土的受力状态；如果水流与重力一致，则动

50、水力使土颗粒压得更密，这种情况对工程 是有利的；如果水流与重力相反，则动水力使土颗粒浮托，特别当动水力大于重 力时，土体将随水流运动，这种情况对工程是不利的。定义：在向上的渗透作用下,表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。判别：因地下水位以下为饱和土，单位体积的有效重量为，因此产 生流砂的条件为j 。即产生流砂的临界水力梯度 wi 或 i/w=sat/w-1j土粒渗流方向如果iicr，则土体发生流砂流土 在工程设计时，为了保证建筑物的安全，通常要求实际的水力坡降i不能超过容许坡降i。即(2-34)式中Fs为流土安全系数，通常取1.52.0。流土(2)管涌(潜蚀)定义：在渗流作用下土体的细土粒

51、在粗土粒形成的孔隙通道中 发生移动并被带出的现象。 长期管涌破坏土的结构，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍陷。管涌破坏(土体坍塌)管涌(土体内部细颗粒被带走)判别土类条件 管涌主要发生在砂砾土中(黏性土一般只会发生流土)。几何条件(必要条件) 土中颗粒形成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，细粒才可能在渗透力作用下从孔隙中移动。 如果土的不均匀系数Cu10的较不均匀土，则既可能发生流土，也可能发生管涌，主要取决于土的级配和细粒含量。见表2-3示。级配孔隙及细粒判定较均匀的土（Cu10）粗粒形成的孔隙比细粒小非管涌土不均匀的土（Cu35%非管涌土细粒含量25%管涌土细粒含量=2535%过

52、渡型土连续d0=0.25d20d0d5管涌土d0=d3d5过渡型土表2-3 管涌土几何条件判定备注：1. d0=0.25d20称为土的孔隙平均直径2. d20为小于某粒径的土质量占总质量为20%的粒径。其它类推。水力条件 使细粒能够在土孔隙中滚动或移动而发生管涌的渗透力条件，可用水力坡降(梯度)代表。可参考表2-4。水力坡降级配连续土级配不连续土破坏水力坡降icr0.20.40.10.3允许水力坡降i0.150.250.10.2表2-4 管涌水力坡降范围流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部

53、滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口3.渗透破坏的防治措施(1)思路(利用 )降低土中水流的水力梯度。如降低水位(水头差)，或增加 水的渗径长度在渗流出口处设置反滤层、加盖压重，或在建筑物下游设 置减压井、减压沟等。(2)具体措施水工建筑物防渗 一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗，延长渗径；下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形。基坑开挖防渗工程实例： 2003年7月1日，上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍塌事故，防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、

54、造成三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。管涌管涌整体破坏水库塌岸土体中的应力计算 第 3 章强度问题变形问题地基中的应力状态1.应力状态及应力应变关系2.自重应力3.附加应力4.基底(附加)压力计算本章重点建筑物修建以前，地基中由土体本身的有效重量所产生的应力。应力应变关系建筑物修建以后，建筑物重量等外荷载在地基中引起的应力，所谓的“附加”是指在原来自重应力基础上增加的压力。5.有效应力原理3.1 概述1.应力：物体内部微小面积上的内力 (Pa 或 kPa=kN/m2)2.地基中应力产生的原因： 土本身的自重 结构物通过基础对地基作用荷载3.地基中应力的类型 自重应力:在修建建

55、筑物以前,由地基土本身的有效重量而产生的应力。 附加应力:由土体自重之外的荷载(如建筑物自重及作用在建筑物上的荷 载等)在地基内产生的应力。 有效应力：土骨架(土粒)承担或之间传递的应力。它是土体产生变形和 破坏的根本原因。 孔隙(压)应力：土中孔隙水和孔隙气承担或传递的应力。 孔隙水应力通常称为孔压，分为静孔隙水压力(即静水压力)和超静孔隙水压力(即超过静水压力的那一部分水压力)。 地基中的自重应力和附加应力产生的原因不同，对工程的影响也不同。 一般情况下，因土体的形成年代比较久远，在自重作用下已压缩稳定， 因此除了新近沉积或堆积的土层外，自重应力不会再引起地基的变形。 导致地基变形的主要原

56、因是地基中新增加的附加应力，同时，附加应 力也是导致地基强度破坏和失稳的重要原因。4.自重应力和附加应力对地基的影响土中应力状态发生变化引起地基土的变形,导致建筑物的沉降、倾斜或水平位移当应力超过地基土的强度时，地基就会因丧失稳定性而破坏，造成建筑物倒塌3.1.1 计算土中应力的假定假定：土是均质、连续、各向同性的线弹性体。实际情况：碎散、非线性弹塑性、成层、各向异性。pe线弹性体加载卸载非线性弹塑性体计算出的应力：与实际有偏差，但一般偏差不大。3.1.2 地基中的应力状态yzxo地表一、半无限空间二、地基中常见的应力状态1. 一般应力状态三维问题(i,j=x,y,z)2. 平面应变状态二维问

57、题(1)定义：当建筑物或基础的一个方向(如y向)的尺寸L远大于另一个方向(如x向)的尺寸B (如L/B10)、并且垂直于y轴切出的任意剖面的几何形状、作用荷载均相同，那么，除了建筑物沿y轴两端附近区域外，其它区域内垂直于y轴的任意剖面内的应力和应变状态必定是相同的(图3-4)。换言之，非端部区域剖面内的应力和应变状态就是一个二维平面应变问题，因为它们仅与x,z两个坐标有关而与y向无关。X-Z平面内任意点的应力状态x0 z0 zx0 y=0 yx=yz=0 地基内土体不仅在x-z平面内有应力，在y向也有应力(但不是独立变化的，且沿y向不变)。即x0 z0 zx0 y=(x+ z) 0 yx=yz

58、=0 (3)平面应变问题的特点 地基内土体在x-z平面内可以变形，但在y方向没有变形。即(2)常见的平面应变问题：堤坝、挡土墙、条形基础以下的地基式中为土的泊松比。3. 侧限应力状态二维问题3.1.3 地基土中应力正负号的约定3.2 土体自重应力的计算一、水平地基中的自重应力假定：天然土体是一个半无限体，地基中的自重应力状态属于侧限应力 状态，地基土在自重作用下只能产生竖向变形，不能有侧向变形 或剪切变形。地基中任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。 （同一深度应力状态相同，水平面是垂直主应力面）定义：在修建建筑物以前，地基中由土体本身的有效重量而 产生的应力。目的：确定土体的初始应力状态计算：

59、地下水位以上用天然重度，地下水位以下用浮重度1.计算公式设地基中某点P与地表的竖直距离为Z，过P点取一截面积为A的土柱，则作用在过P点的水平底面上的竖向重力即为土柱重量W。(1)均质地基设地基土的重度为，则土柱重量W=zA。根据应力的定义，有点P处竖直向自重应力：由于均质地基土的为常数，故自重应力随深度呈直线分布。 由于地基中的自重应力状态属于侧限应力状态,故x=y=0，且侧向(水平向)自重应力cx=cy，根据广义虎克定理，cx和cy应与cz成正比，而剪应力均为零，即：(1)土中任意截面都包括有骨架和孔隙的面积，所以在地基应力计算时考虑的是土中单位面积上的平均应力。(2)土中竖向和侧向的自重应

60、力一般均指有效自重应力。注意：点P处竖直向自重应力：点P处水平向自重应力：(2)成层土地基对下图示的成层土分布地基,土柱重量W=(1h1A)+(2h2A)+(3h3A)，则注意：因透水层中存在浮力，而不透水层中无浮力，故计算透水层以上土中自重应力时，土的重量应按有效重量(即不计水的重量)计算，而计算不透水层面处及其内自重应力时，土的重量应按总重量(水的重量+土的有效重量)计算。2.分布规律自重应力分布线的斜率是重度自重应力在等重度地基中随深度呈直线分布自重应力在成层地基中呈折线分布自重应力在土层分界面处和地下水位处发生转折有不透水层时顶面处为上覆水、土总重（参考P90例题3.1）均质地基成层地