第二章-土的性质及工程分类

土力学与地基基础SoilMechanicsandFoundation周先齐

该课程是土木工程专业基础课程，系统讲述了土的性质及工程分类、地基的应力和沉降计算、土的抗剪强度、土压力以及挡土墙和土坡稳定分析；重点讨论了浅基础、桩基础的常规设计计算；简要介绍了我国目前常用的各种软土地基处理技术；并对区域性地基、地震区地基以及滑坡等进行了讨论。课程介绍

土是由岩石经过长期的风化、搬运、沉积作用而形成的未胶结的、覆盖在地球表面的沉积物。第二章土的性质及工程分类地质作用内力地质作用外力地质作用岩浆活动地壳运动变质作用气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等2.1土的组成和结构土的固体颗粒固相液相气相三相体系干土二相体系水气体饱和土2.1土的组成和结构第二章土的性质及工程分类土的矿物成分：

1原生矿物

2次生矿物

土粒粒组颗粒的大小性质不同块石六大粒组颗粒的成分碎石砾石砂粒粉粒粘粒2.1土的组成和结构第二章土的性质及工程分类颗粒级配2.1土的组成和结构第二章土的性质及工程分类不同粒组的分布情况级配曲线分布形态颗粒分析试验2.1土的组成和结构第二章土的性质及工程分类试验方法：筛分法沉降分析法固态液态气态冻土对土的性质没影响强结合水弱结合水结合水自由水毛细水重力水固态105粘滞状态存在状态强度大解冻时强度大大降低

土中水第二章土的性质及工程分类

土中水第二章土的性质及工程分类黏土颗粒与水的相互作用（1）带电现象（2）双电层与扩散层概念（3）影响双电层的因素

土中水第二章土的性质及工程分类毛细水（1）上升高度（2）毛细压力

土中水第二章土的性质及工程分类土的冻胀（1）土的因素（2）水的因素（3）温度因素

与大气相连通的气体与大气相隔离的气体土变形稳定需要很短时间粗粒细粒土变形稳定需要很长时间

土中气第二章土的性质及工程分类是指土颗粒的大小、形状、表面特征、相互排列及其联结关系的综合特征。2、分

类单粒结构蜂窝结构絮状结构由较粗的砾石、砂粒在重力作用下沉积而成（无结构性土）。由较细土粒在水中沉积而成，孔隙较大。由细粒土在水中处于悬浮状态凝聚成海绵絮状的集合体。1、定

义有结构性土无结构性土土的结构第二章土的性质及工程分类土的构造第二章土的性质及工程分类层理构造裂隙构造第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标三相简图土的物理指标基本物理指标——3个其它物理指标——6个第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标三个基本试验指标1、土的天然重度土在天然状态下，单位体积的重量，称为～。一般土18～20;砂土16～20第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标三个基本试验指标2、含水量（%）在天然状态下，土中水的质量与土颗粒质量之比的百分率，称为～。※含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。含水量大湿软第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标三个基本试验指标3、土的相对密度土颗粒的密度与水的密度之比值，称为～。土粒相对密度取绝于土的矿物成分。粘性土2·70～2·75，砂土2·65左右。第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标反映土单位体积质量指标1、干土重度2、土的饱和重度饱和土——孔隙完全被水充满第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标反映土单位体积质量指标第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标反映土单位体积质量指标

3、有效重度第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标反映土的孔隙特征、含水程度的指标1、土的孔隙比e——小数（0·6～1·0）第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标反映土的孔隙特征、含水程度的指标2、土的孔隙率n%反映土的密实程度第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标反映土的孔隙特征、含水程度的指标3、土的饱和度描述土体中孔隙被水充满的程度。干土为0；湿土为100%。第二章土的性质及工程分类2.3土的物理性质指标指标换算无粘性土碎石土砂土密实疏松强度高密实度一、碎石土的密实度重型圆锥动力触探锤击数N63·551020松散稍密中密密实N63·5强度低判别方法第二章土的性质及工程分类2.4无粘性土的密实度二、砂土的密实度标准贯入试验锤击数NN101530松散稍密中密密实判别方法工程上用密实度来判定无粘性土的承载力密实压缩性小强度高承载力大2.4无粘性土的密实度第二章土的性质及工程分类2.5粘性土的物理特性一、界限含水量二、塑性指数三、液性指数五、灵敏度和触变性四、天然稠度一、界限含水量1、土由一种状态转为另一种状态的分界含水量，叫～。固态半固态流动状态可塑状态2、可塑性：土在某一含水量范围内时，可以塑成任何形状，并当外力移去后仍保持所得形状，土的这种特性叫做可塑性。所处状态叫可塑状态。塑限液限缩限二、塑性指数对于粘性土来说——可塑性范围越大越好1、定义：液限与塑限的差值，做～。给土命名工程上用粘性土1017粉质粘土粘土三、液性指数判断土的软硬程度工程上用坚硬00.250.751硬塑可塑软塑流塑第二章土的性质及工程分类2.5粘性土的物理特性四、天然稠度第二章土的性质及工程分类2.5粘性土的物理特性五、灵敏度和触变性37本章特点学习要点主要难点有较严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体（多孔介质）这一特点水头及水力坡降二维流网及其应用渗透力及其分析方法2.6土的渗透性和渗流问题

碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差土颗粒土中水渗流概述2.6土的渗透性和渗流问题

概述渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流2.6土的渗透性和渗流问题

渗水压力扬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概述2.6土的渗透性和渗流问题

渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q概述2.6土的渗透性和渗流问题

渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述2.6土的渗透性和渗流问题

渗流滑坡渗流滑坡概述2.6土的渗透性和渗流问题

渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形扬压力土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工多雨地区边坡概述2.6土的渗透性和渗流问题

ABL

土的渗透性与渗透规律透水层不透水层基坑板桩墙一．渗流中的水头与水力坡降2.6土的渗透性和渗流问题

二.渗透试验与达西定律试验前提：层流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓断面平均流速水力坡降1.渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:

h1，A（面积），L=const量测变量:

V（总水量），T（时间）h2Δh=h1-h2Q=V/T土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

2.达西定律渗透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。二.渗透试验与达西定律注意：AAvv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>AvQ＝vA

＝vsAvk:

反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

2.达西定律

适用条件：层流（线性流）

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

二.渗透试验与达西定律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Re进行判断：Re＜5时层流

Re

＞200时紊流

200＞

Re＞5时为过渡区

2.达西定律（1）粗粒土：①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

两种特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

二.渗透试验与达西定律三.渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

室内试验方法1—常水头试验法三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法结果整理试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

hL土样AVQ例题：定水头渗透试验中，已知渗透仪直径D为75mm，在L=200mm的渗透途径上的水头损失H=83mm，在60s时间内的渗水量Q=75cm3，试求土的渗透系数。解：根据《土工试验方法标准》，渗透仪的截面积A=ᴨD2/4=ᴨ*7.52/4=44.2cm2渗透系数k=QL/AHT=75*20/（44.2*8.3*60）=6.8*10-2cm/sk=2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）室内试验方法2—变水头试验法适用土类：透水性较小的黏性土例题：变水头渗透试验中，黏土试样的截面积30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管内径D为0.4cm，试验开始时的水位差为145cm，经8分钟后观测的水位差为100cm，试求土的渗透系数。解：根据《土工试验方法标准》，渗透仪的截面积A=ᴨD2/4=ᴨ*0.42/4=0.1256cm2渗透系数=1.29*10-5cm/sk=2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）

野外测定方法－抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数1.测定方法三.渗透系数的测定及影响因素地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

积分2.影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构三.渗透系数的测定及影响因素饱和度（含气量）水的动力粘滞系数

土的渗透性与渗透规律2.6土的渗透性和渗流问题

流网的绘制及应用流网——渗流场中的两族相互正交曲线——等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流线——水质点运动的轨迹线。等势线——测管水头相同的点之连线。流网法——通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。H△h02.6土的渗透性和渗流问题

平面渗流与流网ABCDlsH△h00ls二.流网的绘制及应用绘制方法一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形初步绘制流网流线→等势线→反复修改，调整精度较高的流网图工具：铅笔＋橡皮2.6土的渗透性和渗流问题

平面渗流与流网二.流网的绘制及应用H△h0lsls2.6土的渗透性和渗流问题

平面渗流与流网

对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：（1）流线与等势线彼此正交；（2）每个网格的长宽比为常数；（3）相邻等势线间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。测管水头

h实际应用确定孔压确定流速确定流量二.流网的绘制及应用水力坡降H△h0lslsM:流道数ΔH=Δh/N:相邻等势线间的水头损失2.6土的渗透性和渗流问题

平面渗流与流网一.渗透力1、试验观察渗透变形渗透力二.渗透变形（渗透破坏）2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水隔离分析

渗流力与渗透变形2.6土的渗透性和渗流问题

一.

渗透力1、试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>0

水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力j

——渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab

渗流力与渗透变形2.6土的渗透性和渗流问题

基本类型二.渗透变形（渗透破坏）流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件防治措施

渗流力与渗透变形2.6土的渗透性和渗流问题

粘性土k1<<k2砂性土k2坝体1.基本类型二.渗透变形（渗透破坏）流土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渗流原因：

渗流力与渗透变形2.6土的渗透性和渗流问题

1.基本类型管涌原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因——渗透力足够大

在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌管涌破坏二.渗透变形（渗透破坏）

渗流力与渗透变形2.6土的渗透性和渗流问题

1.基本类型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