土力學和基礎工程

1、關于土力學與基礎工程第1頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 1 緒 論 土力學是力學的一個分支，是一 門研究土的學科，是為了解決工程中有 關土的問題。第2頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四一、土力學的概念 土力學：利用力學的一般原理，研究土的物理、化學和力學性質(zhì)及土體在荷載、水、溫度等外界因素作用下工程性狀的應用科學。第3頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四二、土力學的研究對象 土力學研究對象：與工程建設有關的土。 就土木工程領域而言，土是指覆蓋在地 表的沒有膠結和弱膠結的顆粒堆積物。 土與巖石的區(qū)分僅在于顆粒間膠結的 強弱

2、。 第4頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四二、土力學的研究對象土的形成： 土是由地殼表層的整體巖石經(jīng)受風化作用后形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過不同的搬運方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。第5頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四二、土力學的研究對象風化作用： 物理風化：不改變原來礦物成分 化學風化：改變原來礦物成分 生物風化：動、植物等對巖體的破壞第6頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四二、土力學的研究對象土的特點： 松散性 孔隙性 多相性 自然變異性第7頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四二、土力學的研究對

3、象土的兩個延伸概念： 土具有成層性。物質(zhì)組成、物理化學狀態(tài)基本一致，工程性質(zhì)大體相仿的同一層土稱為土層。 由若干厚度不等、性質(zhì)各異、以一定上下層序組在一起的土層集合體稱為土體。第8頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四三、土力學的研究內(nèi)容 土力學不僅研究土體當前的性狀， 也要分析其性質(zhì)的形成條件，并結合自 然條件和建筑物修建后對土體的影響， 分析并預測土體性質(zhì)的可能變化，提出 有關的工程措施，以滿足各類工程建筑 的要求。 第9頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四四、地基與基礎 支承基礎的土體或巖體稱為地基。地基 可分為天然地基與人工地基。 基礎是將結構

4、承受的各種作用傳遞到 地基上的結構組成部分。第10頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第11頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四地基與基礎設計必須滿足的基本條件：1、作用在地基上的荷載效應（基底壓應力）不得超過地基容許承載力；2、基礎沉降不得超過地基變形容許值；3、擋土墻、邊坡以及地基基礎保證具有足夠防失穩(wěn)破壞的安全儲備。第12頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四五、由土引起的工程問題上海樓房倒塌事件第13頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四上海樓房倒塌事件第14頁，共206頁，2022年，5月20日，7點

5、58分，星期四上海樓房倒塌事件第15頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四杭州地鐵事故 第16頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四杭州地鐵事故 第17頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四杭州地鐵事故地面開裂 第18頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四杭州地鐵事故塌陷示意圖 第19頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 基礎建在一半是軟粘土一半是砂卵石的地基上。 塔高56.7m。近一個世紀以來，塔已向南傾斜了大約30厘米，斜度達到8度，塔身超過垂直平面5.1米。 按南側每年沉降1.4mm推算

6、，2003或2004年斜塔可能倒塌。比薩斜塔： 第20頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 在斜塔北側的塔基下碼放了數(shù)百噸重的鉛塊，并使用鋼絲繩從斜塔的腰部向北側拽住，還抽走了斜塔北側的許多淤泥，并在塔基地下打入10根50米長的鋼柱。 歷時10年半的比薩斜塔拯救工作已全部結束。糾偏校斜438厘米，除自然因素外，可確保3個世紀內(nèi)不發(fā)生倒塌危險。 比薩斜塔治理措施： 第21頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 目前該塔傾斜嚴重塔頂偏離中心線2.31m。經(jīng)勘探發(fā)現(xiàn)，該塔位于傾斜基巖上，復蓋層一邊深3.8m，另一邊為5.8m。由于在一千余年前建造該塔時，沒有

7、采用擴大基礎，直接將塔身置于地基上，造成了不均勻沉降，引起塔身傾斜，危及安全。蘇州虎丘塔：第22頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四處理：在塔四周建造一圈樁排式地下連續(xù)墻并對塔周圍與塔基進行鉆孔注漿和打設樹根樁加固塔身，獲得成功.。 原因：坐落于不均勻粉質(zhì)粘土層上，產(chǎn)生不 均勻沉降。第23頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四與土有關的工程問題加拿大特朗斯康谷倉 事故：1913年9月裝谷物，10月17日裝了31822谷物時，1小時豎向沉降達30.5cm24小時傾斜2653西端下沉7.32m 東端上抬1.52m上部鋼混筒倉完好無損概況：長59.4m，寬2

8、3.5m，高31.0m，共65個圓筒倉。鋼混筏板基礎，厚61cm，埋深3.66m。1911年動工，1913年完工，自重20000T。第24頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四加拿大特朗斯康谷倉 原因： 地基土事先未進行調(diào)查，據(jù)鄰近結構物基槽開挖取土試驗結果，計算地基承載力應用到此谷倉。1952年經(jīng)勘察試驗與計算，地基實際承載力遠小于谷倉破壞時發(fā)生的基底壓力。因此，谷倉地基因超載發(fā)生強度破壞而滑動。處理：事后在下面做了七十多個支撐于基巖上的混凝土墩，使用388個50t千斤頂以及支撐系統(tǒng)，才把倉體逐漸糾正過來，但其位置比原來降低了米。 第25頁，共206頁，2022年，5月2

9、0日，7點58分，星期四五、由土引起的工程問題變形問題： 變形超過限度。穩(wěn)定問題： 受力超過限度，取決于土的強度。第26頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四六、土力學課程的特點土力學的研究必須注意土的本質(zhì)特性。土力學的研究必須注意實踐性。土力學的研究必須注意工程實用性。土力學是一門偏于計算的學科。第27頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 2 土的性質(zhì)及工程分類學習要求： 了解土的成因和三相組成，掌握土的 物理性質(zhì)和物理狀態(tài)指標的定義、物理概 念、計算公式和單位。要求熟練地掌握物 理指標的三相換算。了解地基土的工程分 類依據(jù)與準確定名。第28頁，共2

10、06頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.1 概 述 土是由固、液、氣相組成的三相分散系。 固相包括多種礦物成分組成土的骨架， 骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這 些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)； 液相主要是水；氣相主要是空氣、水蒸氣。第29頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四思考： 不同的土體三相比例是固定不變的嗎？ 同一種土體三相比例的改變是否會對性質(zhì)產(chǎn) 生影響呢？第30頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也隨之各異，例如： 固體+氣體（液體=0）為干土，此時粘土呈堅硬狀態(tài)，砂土呈松散狀態(tài)； 固體

11、+液體+氣體為濕土，此時粘土多為可塑狀態(tài)； 固體+液體（氣體=0）為飽和土，此時粉細砂或粉土遇強烈地震，可能產(chǎn)生液化，而使工程遭受破壞；粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉降需幾十年才能穩(wěn)定。第31頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2 土的三相組成及土的結構2.2.1 土的固體顆粒（固相）2.2.2 土中水和氣2.2.3 土的結構和構造第32頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.1 土的固體顆粒（固相） 土是巖石風化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于成土母巖的礦物組成及其所經(jīng)受的風化作用。成土礦物可分為兩大類：原生礦物和次生礦物。第33頁，共2

12、06頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四原生礦物次生礦物由巖石經(jīng)物理風化生成的。由原生礦物經(jīng)化學風化生成的新礦物。顆粒成分與母巖的相同。它的成分與母巖的完全不同。常見的有石英、長石和云母。有高嶺石、伊利石和蒙脫石粘土礦物。顆粒較粗，多呈渾圓形狀。顆粒極細，且多呈片狀。吸附水的能力弱，無塑性。性質(zhì)活潑，吸附水能力強，具塑性。第34頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四巖石物理風化化學風化土原生礦物次生礦物顆粒通常是由一種或幾種原生礦物所組成，它的成分與母巖的相同，顆粒一般較粗， 吸附水的能力弱，性質(zhì)比較穩(wěn)，無塑性。化學風化僅使巖 石產(chǎn)生質(zhì)的變化物理風化僅使巖 石產(chǎn)生

13、量的變化原生礦物經(jīng)化學風化生成的新礦物，它的成分與母巖的完全不同。顆粒極細，性質(zhì)活潑，有較強的吸附水能力，具塑性。土粒的粒徑由粗到細逐漸變化時，土的性質(zhì)相應地發(fā)生變化土粒的大小及其組成粘土顆粒性質(zhì)第35頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.1 土的固體顆粒（固相） 土粒的大小稱為粒度； 大小、性質(zhì)相近的土粒合并為一組, 稱為粒組，可劃分為： 200 60 2 0.075 0.005mm漂石 卵石 礫石 砂粒 粉粒 粘粒 劃分粒組的分界尺寸稱為界限粒徑。第36頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第37頁，共206頁，2022年，5月20日，7點5

14、8分，星期四粘土細砂粗砂碎石卵石碎石粘土第38頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.1 土的固體顆粒（固相）試驗方法篩分法： 適用于0.075mmd60mm沉降分析法: 適用于d0.075mm第39頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四搖擺式篩析機篩分法0.075mm第40頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四沉降分析法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量。沉降分析法0.075mm第41頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.1 土的固體顆粒（固相）土的顆粒級配 通常以土

15、中各個粒組的相對含量來表 示，稱為土的顆粒級配。顆粒分析試驗結 果，繪制圖的粒徑級配曲線。用半對數(shù)坐 標繪制。縱坐標表示小于某粒徑的土重占 總土重的百分數(shù)，橫坐標用對數(shù)坐標表示 土的粒徑。第42頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 如曲線平緩表示粒徑大小相差懸殊，顆粒不均勻，級配良好；反之，則顆粒均勻，級配不良。第43頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.1 土的固體顆粒（固相）工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級配的不均勻程度。曲率系數(shù)Cc描述顆粒級配曲線整體形態(tài)，表明某粒組是否缺失情況。第44頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分

16、，星期四2.2.1 土的固體顆粒（固相） Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu5的土視為級配不良的土； Cu5的土視為級配良好的土。 對于礫類土或砂類土，同時滿足Cu5和Cc=13時，定名為良好級配砂或良好級配礫 。第45頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四1009080706050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41第46頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四10090807

17、06050403020100小于某粒徑之土質(zhì)量百分數(shù)（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545第47頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四粒徑級配累積曲線及指標的用途：1）粒組含量用于土的分類定名；2）不均勻系數(shù)Cu用于判定土的不均勻程度： Cu 5, 不均勻土； Cu 3 或 Cc 1,級配不連續(xù)土4）不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc用于判定土的級配優(yōu)劣： 如果 Cu 5且 C c =

18、1 3 ， 級配 良好的土； 如果 Cu 3 或 Cc 1, 級配 不良的土第48頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土中水和氣 土中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結合水、毛細水、重力水。后兩者也稱為非結合水（自由水）。 第49頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第50頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土中水和氣土中的氣體 成分與大氣相通 壓縮性高；與大氣隔絕 降低透水性一般空氣中成分；微生物產(chǎn)

19、生可燃氣體（H2S）第51頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土的結構和構造 土的結構是指土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯(lián)結關系等因素形成的綜合特征。 單粒結構 砂層，礫石層土的結構 蜂窩結構 粉粒 絮狀結構 粘粒第52頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土的結構和構造1、單粒結構密實狀態(tài)疏松狀態(tài)第53頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土的結構和構造 2、蜂窩結構 3、絮狀結構蜂窩結構絮狀結構第54頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土的結構和構造土的構

20、造 土的構造是指土體中各結構單元之間的關系。主要特征是土的成層性和裂隙性,即層理構造和裂隙構造，二者都造成了土的不均勻性。第55頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.2.2 土的結構和構造土的結構和構造的概念區(qū)別：土的結構：指的是微觀結構，借助于顯微鏡對實 體掃描、放大鑒定到的細節(jié)。土的構造：是指整個土層（土體）空間構成上特 征的總和，借助肉眼或放大鏡鑒別。第56頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標 土是三相分散體系；從物理性質(zhì)上可利用三相在體積上和重量上的比例關系來反映土的干濕程度和松密程度。反映三相關系的指標稱為基本物理

21、性質(zhì)指標。第57頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標可分為兩類： 一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標； 另一類是根據(jù)直接指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標。第58頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標一、土的三相圖（已知的關系）氣水土粒msmwmVsVwVVa質(zhì)量m(mass)體積V(volume)Vv孔隙v(vacancy)氣相：air液相：water固相：solid第59頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標二

22、、基本指標3個1、土的密度 ：單位體積土的質(zhì)量 氣水土粒msmwmVsVwVVaVv質(zhì)量體積工程中常用重度來表示單位體積土的重力第60頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標 測定方法： 環(huán)刀法環(huán)刀法第61頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標2、土的含水量 土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分數(shù)表示。氣水土粒msmwmVsVwVVaVv質(zhì)量體積第62頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標測定方法：烘干法酒精燃燒法第63頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58

23、分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標3.土粒相對密度ds（土粒比重） 土的固體顆粒質(zhì)量與同體積4時純水的質(zhì)量之比，稱為土粒相對密度（或比重）。比重瓶法第64頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標干密度d ：單位體積土中固體顆粒部分 的質(zhì)量。氣土粒msmVsVVa質(zhì)量m體積V第65頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標不同狀態(tài)下土的密度和重度飽和密度sat ：土體中孔隙完全被水充滿時的土的密度。水土粒msmwmVsVwV質(zhì)量m體積V第66頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理

24、性質(zhì)指標有效密度 ：土單位體積內(nèi)土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差。氣水土粒msmwmVsVwVVaVv質(zhì)量體積第67頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標 土的三相比例指標中的質(zhì)量密度指標共 有4個: 土的密度，飽和密度sat， 干密度d，有效密度 單位：(kg/m3);第68頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標相應的重度指標也有4個: 土的重度，飽和重度sat， 干重度d，有效重度 單位：(kN/m3) 這些物理指標側重評價土的作為荷載體的性質(zhì)。第69頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期

25、四2.3 土的物理性質(zhì)指標4、換算指標6個孔隙比e和孔隙率n孔隙比e ：土中孔隙體積與土粒體積之比孔隙率n ：土中孔隙體積與總體積之比， 以百分數(shù)表示。 第70頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標土的飽和度Sr 土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分數(shù)表示。第71頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0;飽和土Sr=100%。砂土根據(jù)飽和度分為三種狀態(tài):Sr50%稍濕；50Sr80%很濕；Sr80%飽和。第72頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分

26、，星期四三相草圖法WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm質(zhì)量體積第73頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四常用的物理性質(zhì)指標間的換算關系（一）孔隙比與孔隙率的關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則e=Vv/V可知，孔隙的體積Vv為e，土體的體積V為（1e），于是有：第74頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四（二）干密度與濕密度和含水率的關系設土體的體積V為1，則d = ms /V，土體內(nèi)土粒的質(zhì)量ms為d，由w = mw / ms，水的質(zhì)量mw為wd。于是，按定義可得： 第75頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四（

27、三）孔隙比與比重和干密度的關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則按e = Vv/Vs，孔隙的體積Vv為e；由s ms / Vs，得土粒的質(zhì)量ms為s。于是，按d的定義可得：整理得： 第76頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四（四）飽和度與含水率、比重和孔隙比得關系設土體內(nèi)土粒的體積為1，則按e=Vv/Vs，得體積Vv=e；由sms/Vs，得土粒的質(zhì)量ms=s。按w= mw/ms ，水得質(zhì)量mw=ws，則水得體積Vw=mw/w =ws/w。于是，Sr定義可得： 當土飽和時，即Sr為100，則：式中：wsat飽和含水率。第77頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四

28、（五）有效密度與比重和孔隙比得關系設土體內(nèi)土粒體積為1，則按e=Vv/Vs，孔隙的體積Vv為e；由s ms / Vs得土粒的質(zhì)量ms為s。于是，則可得：第78頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.3 土的物理性質(zhì)指標【例】某土樣經(jīng)試驗測得體積為100cm3，濕土質(zhì)量為187g，烘干后，干土質(zhì)量為167g。若土粒的相對密度ds為2.66，求該土樣的含水量、密度、重度 、干重度d 、孔隙比e、飽和重度sat和有效重度。第79頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四【解答】第80頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四習題1 有一完全飽和的

29、原狀土樣切滿于容積為21.7cm3的環(huán)刀內(nèi)，稱得總質(zhì)量為72.49g，經(jīng)烘干至恒重為61.28g，已知環(huán)刀質(zhì)量為32.54g，土粒相對密度為2.74，試求該土樣的密度、含水量、干密度及孔隙比。第81頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四習題2 某原狀土樣，試驗測得土的天然密度為1.7t/m3，含水量為22%，土粒相對密度2.72。試求該土樣的孔隙比，孔隙率，飽和度、干重度、飽和重度及浮重度。第82頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四習題3 一干砂試樣的密度為1.66g/cm3，土粒相對密度為2.70，將此干砂試樣置于雨中，若砂樣體積不變，飽和度增加到0

30、.60，試計算此濕砂的密度和含水量。第83頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.4 無粘性土的密實度所謂土的物理狀態(tài)，對于無粘性土是指 土的密實度；對于粘性土是指土的軟硬 程度或稱粘性土的稠度。 土的密實度通常是指單位體積中固 體顆粒充滿的程度.密實度反映無粘性 土工程性質(zhì)的主要指標。判別砂土的密 實度有以下三種方法。第84頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四1. 用孔隙比e為標準 表1 砂土的密實度（74規(guī)范） 密實度土的名稱密實中密稍密松散礫砂、粗砂、中砂e0.60.6 e0.750.75 e0.85e0.85細砂、粉砂e0.70.7 e0.8

31、50.85 e0.95e0.95評價： （1） 優(yōu)點 簡捷方便； （2） 缺點 無法反映土的粒徑級配因素。第85頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 2. 用相對密實度Dr為標準 Dr土的相對密實度； emax土的最大孔隙比 ； emin土的最小孔隙比； e土的天然孔隙比。評價： （1） 優(yōu)點 理論上完善； （2） 缺點 實際上難以操作。第86頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四emin = 0.35emin = 0.20第87頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四emax: 最大孔隙比；將松散的風干土樣通過長頸漏斗輕輕地倒入容器

32、，避免重力沖擊，求得土的最小干密度再經(jīng)換算得到最大孔隙比emin: 最小孔隙比；將松散的風干土樣裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定方法振動和錘擊，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再經(jīng)換算得到最小孔隙比emax與emin ：最大與最小孔隙比注：室內(nèi)測得理論上的最大與最小孔隙比有時很困難第88頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四粗粒土的密實狀態(tài)指標 判別標準： Dr = 1 , 最密狀態(tài) Dr = 0 , 最松狀態(tài) Dr 1/3 , 疏松狀態(tài) 1/3 2/3 , 密實狀態(tài)相對密度第89頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四3. 用標準貫入試驗N為標準 該實驗的的應

33、用主要有評定砂土的相對密 度、評定地基土承載力、估算單樁承載力等。 第90頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 標準貫入試驗(SPT)是動力觸探的一種，它利用一定的錘擊動能（錘重63.5kg，落距76cm），將一定規(guī)格的對開管式的貫入器打入鉆孔孔底的土中，根據(jù)打入土中的貫阻抗，判別土層的工程性質(zhì)。貫入阻抗用貫入器貫入土中30cm的錘擊數(shù)N63.5表示， N63.5 也稱為標貫擊數(shù)。第91頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第92頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第93頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第

34、94頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性 粘性土：具有可塑性質(zhì)的土，在外力作用下，可塑成任何形狀而不發(fā)生開裂；當外力取消后，仍可保持原來形狀不變。 土的這種性質(zhì)稱為可塑性。 稠度是指土的軟硬程度或土受外力作用所引起變形或破壞的抵抗能力,是粘性土最主要的物理狀態(tài)特征。第95頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 粘性土的軟硬狀態(tài)也稱稠度狀態(tài)稠度狀態(tài)與含水量有關粘性土含水量較硬變軟流動2.5 粘性土的物理特性第96頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四塑限p液限l稠度界限粘性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)塑

35、態(tài) 流態(tài) 強結合水膜最大出現(xiàn)自由水強結合水弱結合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w第97頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性0固態(tài)或半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)塑限P液限L粘性土的界限含水量圖界限含水量 粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)時的分界含水量。液限wL 流動狀態(tài)與可塑狀態(tài)間的分界含水量塑限wp 可塑狀態(tài)與半固體狀態(tài)間分界含水量縮限ws 半固體狀態(tài)與固體狀態(tài)間分界含水量（亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不變時的含水率。）第98頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四測試方法1. 用搓條法測定塑限wp2. 用平衡錐式液限儀測定液

36、限wL3. 采取的液限塑限聯(lián)合測定法第99頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四1. 用搓條法測定塑限wp搓條法：搓到土條直徑為3mm，出現(xiàn)裂紋，自然斷開，這時土條的含水量就是塑限Wp值。 搓好的泥條第100頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2. 用平衡錐式液限儀測定液限wL判斷標準：若圓錐體經(jīng)15秒種恰好沉入10mm深度，這時杯內(nèi)土樣的含水量就是液限Wl。錐式液限儀第101頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四3. 采取的液限塑限聯(lián)合測定法液塑限聯(lián)合測定儀第102頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四圓錐入土

37、深度與含水量關系下沉深度為10mm所對應的含水量為液限;下沉深度為2mm處所對應的含水量為塑限。第103頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù) 塑性指數(shù)IP是液限和塑限的差值(習慣上不帶%表示)，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。第104頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性 塑性指數(shù)的大小取決于土顆粒吸附結合水的能力，即與土中粘粒含量有關。 IP越大，表明土的顆粒越細，比表面積越大，土的粘粒含量就越高，土處于可塑狀態(tài)的含水量變化范圍就越大。粘粒含量越多,塑性指數(shù)就越高。第105頁

38、，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四塑性指數(shù)常作為細粒土工程分類的依據(jù)缺點：不能充分反映粘土顆粒含量 不同的粘土礦物結合水的能力不同去掉百分號2.5 粘性土的物理特性第106頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四107原生礦物 石英、長石、云母等次生礦物 主要是粘土礦物，包括三種類型 高嶺石、伊里石、蒙脫石粘土礦物:由硅片和鋁片構成的晶包所組合而成第107頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四108硅片的結構第108頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四109鋁片的結構第109頁，共206頁，2022年，5月20日

39、，7點58分，星期四粘土礦物的晶格構造高嶺石蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹 縮 性滲 透 性強度壓 縮 性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面積 ：單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大第110頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性 液性指數(shù)IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比。第111頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性 液性指數(shù)表征土的天然含水量與界限含水量間的相對關系。當IL0時,P,土處于堅硬狀態(tài);當I

40、L1時,L,土處于流動狀態(tài)。根據(jù)IL值可以直接判定土的軟硬狀態(tài)。 問題：僅適用于重塑土第112頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.5 粘性土的物理特性狀態(tài)液性指數(shù)堅硬硬塑可塑軟塑流塑IL00IL0.250.25IL0.750.75IL1IL1粘性土的狀態(tài)第113頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四靈敏度（St） （1）定義：是指粘性土的原狀土的無側限抗壓強度qu與重塑土的無側限抗壓強度qu比值，用St 表示。 St= qu/qu（2）物理意義：反映了粘性土的結構性的強弱。（3）工程應用：保護基槽，以免破壞破壞其結構，降低地基強度。原狀土結構性 相

41、同含水 量密度粉碎重塑重塑土強度降低第114頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四含水量不變，密度不變，因重塑而強度降低，又因靜置 而逐漸強化，強度逐漸恢復的現(xiàn)象，稱為觸變性。土的觸變性是土結構中聯(lián)結形態(tài)發(fā)生變化引起的，是土 結構隨時間變化的宏觀表現(xiàn)。目前尚沒有合理的描述土觸變性的方法和指標。粘性土的觸變性 2.5 粘性土的物理特性第115頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6 土的滲透及滲流 土體是由多相組成的，在其孔隙中存在著氣、液相介質(zhì)。當孔隙連通且不同位置存在水位差時，流體可在不平衡的勢能情況下發(fā)生流動。碎散性多孔介質(zhì)三相體系能量差孔隙流體

42、流動第116頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四滲流滲透性土具有被水、氣等液體透過的性質(zhì)水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象2.6 土的滲透及滲流 在水頭差的作用下，流體可以透過土體孔隙而產(chǎn)生流動。這種現(xiàn)象稱為滲流。對于飽和土，流體是水；對于非飽和土，流體是水和空氣。 土體具有被流體透過的性能，稱為土的滲透性。第117頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四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2.6 土的滲透及滲流第118頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四滲透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下的基坑滲

43、流第119頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四滲流量透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q第120頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流第121頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四達西定律1856年法國學者Darcy對砂土的滲透性進行研究結論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失 第122頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四達西定律的適用范圍 達西定律是由砂質(zhì)土體實驗得到的，后來推廣應用于其他土體如粘土和具有細裂隙

44、的巖石等。 (a) 細粒土的v-i關系 (b) 粗粒土的v-i關系 顆粒極細的粘土 砂土、一般粘土 ; 第123頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四AV：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vs：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A AvAvQV A VsAv第124頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四滲透系數(shù)的確定 1. 實驗室測定法 2. 現(xiàn)場測定法 3. 經(jīng)驗估算法第125頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四常水頭試驗整個試驗過程中水頭保持不變 適用于透水性大（k10-3 cm/s）的土，例如砂土。時間t內(nèi)流出

45、的水量Q滲透系數(shù)的確定第126頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四 室內(nèi)試驗方法2變水頭試驗法試驗裝置：如圖試驗條件:h變化，A，L=const量測變量:h ，t透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于： 透水性較大的砂性土第127頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2. 現(xiàn)場測定法 有野外注水試驗和抽水試驗等，是在現(xiàn)場鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時，量測地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應的理論公式求出滲透系數(shù)k值。(a) 無壓完整井抽水試驗;(b) 無壓非完整井抽水試驗 優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點：費用較高，耗時較長第128頁，

46、共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四3. 經(jīng)驗估算法 1991年 哈森提出用有效粒徑d10計算較均勻砂土的公式: 1955年，太沙基提出考慮土體孔隙比e的經(jīng)驗公式: 第129頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6 土的滲透及滲流影響滲透系數(shù)的因素1、土粒大小與級配 細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。第130頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6 土的滲透及滲流2、土的密實度 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。第13

47、1頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6 土的滲透及滲流3、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。第132頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6 土的滲透及滲流4、土的礦物成分 粘土礦物的結合水占據(jù)孔隙 蒙脫土膨脹，阻塞孔隙； 淤泥不透水含有機質(zhì)。第133頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.2 二維滲流及流網(wǎng)滲流中的水頭與水力坡降伯努利方程（液體流動能量方程）h：總水頭水頭：單位質(zhì)量水體所具有的機械量hz：位置水頭u/gw：壓力水頭v2/2g：流速水頭流

48、速水頭0由總水頭高的點向總水頭低的點滲流第134頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.2 二維滲流及流網(wǎng)滲流中的水頭與水力坡降水力坡降ABLh1h2zAzBh00基準面水力坡降線A點總水頭：B點總水頭：水力坡降：第135頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.2 二維滲流及流網(wǎng) 在實際工程中，滲流問題的邊界條件往往比較復雜，其嚴密的解析解一般都很難求得。因此對滲流問題的求解，最常用的是圖解法即流網(wǎng)解法。第136頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.2 二維滲流及流網(wǎng)流網(wǎng)的幾個基本概念流網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線

49、 等勢線和流線所形成的網(wǎng)絡狀曲線簇。流線水質(zhì)點運動的軌跡線。等勢線測管水頭相同的點之連線 。流網(wǎng)法通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡狀曲 線簇來求解滲流問題。第137頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四基本要求1. 正交性：流線與等勢線必須正交Hh0lsls2. 各個網(wǎng)格的長寬比c應為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3. 在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。第138頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.2 二維滲流及流網(wǎng)近似作圖法（手描法）其步驟大致為： 先按流動趨勢畫出流線，然后根據(jù)流網(wǎng)正交性畫出等勢線，形成流網(wǎng)。如發(fā)現(xiàn)所畫的流網(wǎng)不成曲邊正方形

50、時，需反復修改等勢線和流線直至滿足要求。第139頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四流網(wǎng)的特點：等勢線上各點測管水頭h相等；相鄰等勢線間的水頭損失相等；各流槽的滲流量相等。Hh0lsls第140頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四測管水頭 h 實際應用 確定孔壓 確定流速 確定流量水力坡降Hh0lsls第141頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四h2h1h21L沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差h土體對水流的阻力應為：水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的

51、阻力F大小相等，方向相反 滲流作用于土體的力：2.6.3 滲流力與滲流穩(wěn)定性分析滲流力滲流水流施加于單位土粒上的拖曳力。第142頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.3 滲流力與滲流穩(wěn)定性分析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第143頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，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，當滲透力大于土體的有效重度，土

52、粒將被水流沖出 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。第144頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.3 滲流力與滲流穩(wěn)定性分析臨界水頭梯度GJ當土顆粒的重力與滲透力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為臨界水頭梯度。第145頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.3 滲流力與滲流穩(wěn)定性分析或 在工程計算中，將土的臨界水頭梯度除以某一安全系數(shù)Fs(23)，作為允許水頭梯度i。設計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水頭梯度控制在允許坡降i內(nèi)第146頁，共206頁，2022年，5

53、月20日，7點58分，星期四2.6.3 滲流力與滲流穩(wěn)定性分析【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？ 第147頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.3 滲流力與滲流穩(wěn)定性分析【解答】臨界水力坡降允許水力坡降 由于實際水力坡降i i，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞。第148頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.6.4 滲透破壞與控制滲流土體內(nèi)部應力狀態(tài)變化土體的局部穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題管涌、流土等水庫塌

54、岸岸坡、土壩在水位降落時引起的滑動第149頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四整體破壞水庫塌岸第150頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四滲透變形的形式 按照滲透水流引起的局部破壞特征，滲透變形可分為流土和管涌兩種基本形式。 流土是指在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流逸出處。 基坑或渠道開挖時所出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象是流土的一種常見形式。第151頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四流土 在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象。粘性土k1k2砂性土k2壩體滲流第1

55、52頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四流土第153頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四流土第154頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四管涌管涌原因：內(nèi)因有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌破壞第155頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四管涌 管涌指在滲流作用下土體的細土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在砂礫土中。第156頁，共206頁，2022年

56、，5月20日，7點58分，星期四2002.8.22湘江大堤望城靖港鎮(zhèn)東湖責任段出現(xiàn)散浸，并有個別散浸點轉(zhuǎn)化為管涌，經(jīng)搶險隊伍用砂卵石將散浸口和管涌口壓住，其他管涌和也被砂卵石填壓。大堤從凌晨1時出現(xiàn)的險情到下午5點得到了完全控制。最大的管涌處最大的管涌處第157頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四第158頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四土的類型與滲透變形型式粘性土無粘性土過渡型土只有流土而無管涌與土的顆粒組成、級配和密度等因素有關與密度有關，大密度流土，小密度管涌第159頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四流土與管涌的比較

57、流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(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致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口第160頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四3. 防治措施 增大i：下游增加透水蓋重 防治流土土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層減小i ：上游延長滲徑； 下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降第161頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58

58、分，星期四管涌的治理反濾倒?jié)B第162頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四管涌的治理反濾圍井第163頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四管涌的治理蓄水反壓第164頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.7 土的動力特性荷 載靜荷載動荷載天然：地震、風、波浪等人工：車輛荷載、爆破、打樁、機械振動等第165頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.7 土的動力特性壓土機對路基 進行壓實第166頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.7.1 土的壓實原理壓實原理： 對土體施加外部能量，使得土顆粒

59、靠近，將其中的氣體驅(qū)趕出來，使得土體干密度提高，強度增大。第167頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.7.1 土的壓實原理對于粘土：過濕的情況，難以壓實； 很干的情況，也不能充分壓實； 在適當?shù)暮糠秶鷥?nèi)才能壓實。對于粗粒土：在完全干燥或者充分灑水飽和 的情況下容易壓實到較大的干 密度。第168頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.7.1 土的壓實原理 在一定的壓實功能下使土最容易壓實，并能達到最大密度時的含水量稱為土的最佳含水量，用 表示；與其相對應的干密度則稱為最大干密度 。第169頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期

60、四2.7.2 擊實試驗及其影響因素擊實筒護筒擊錘導筒擊實試驗土第170頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四輕型擊實試驗（試驗課）擊實筒容積為997cm3擊錘質(zhì)量為2.5kg擊錘落高為30cm 分3層擊實，每層27擊根據(jù)擊實后土樣的密度和實測含水量計算相應的干密度實驗步驟：1、制作預定含水量的松散土樣2、擊實，測量擊實試樣質(zhì)量m, 得濕=m/V3、測量土樣含水量4、計算得到d= 濕/(1+)5、繪制d曲線第171頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四2.7.2 擊實試驗及其影響因素擊實曲線第172頁，共206頁，2022年，5月20日，7點58分，星期四