土力學(xué) 課件 1 土的物理性質(zhì)與工程分類;2 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

第1章土的物理性質(zhì)與工程分類12010年8月7日22時(shí)許，甘南藏族自治州區(qū)縣突降強(qiáng)降雨，縣城北面的羅家峪、三眼峪土體含水率迅速增大，形成泥石流下泄，由北向南沖向縣城，造成沿河房屋被沖毀，泥石流阻斷白龍江，形成堰塞湖。舟曲“8.8”特大泥石流災(zāi)害中遇難1434人，失蹤331人。2案例：甘肅舟曲泥石流事故原因分析：一是地質(zhì)地貌原因。舟曲一帶是秦嶺西部的褶皺帶，山體分化、破碎嚴(yán)重，大部分屬于是炭灰?jiàn)A雜的土質(zhì)，非常容易形成地質(zhì)災(zāi)害。二是“5·12”地震震松了山體。3案例：甘肅舟曲泥石流事故原因分析：三是氣象原因。國(guó)內(nèi)大部分地方遭遇嚴(yán)重干旱，這使巖體、土體收縮，裂縫暴露出來(lái)，遇到強(qiáng)降雨，雨水容易進(jìn)入山縫隙，形成地質(zhì)災(zāi)害。四是瞬時(shí)的暴雨和強(qiáng)降雨。由于巖體產(chǎn)生裂縫，瞬時(shí)的暴雨和強(qiáng)降雨深入巖體深部，導(dǎo)致巖體崩塌、滑坡，形成泥石流。2010年8月7日22時(shí)許，甘南藏族自治州區(qū)縣突降強(qiáng)降雨，縣城北面的羅家峪、三眼峪土體含水率迅速增大，形成泥石流下泄，由北向南沖向縣城，造成沿河房屋被沖毀，泥石流阻斷白龍江，形成堰塞湖。舟曲“8.8”特大泥石流災(zāi)害中遇難1434人，失蹤331人。碎散性三相性天然性滲透特性變形特性強(qiáng)度特性土的特點(diǎn)土的力學(xué)特性土的三大特點(diǎn)回

顧4土工結(jié)構(gòu)物或地基土強(qiáng)度問(wèn)題變形問(wèn)題滲透問(wèn)題強(qiáng)度特性變形特性滲透特性土力學(xué)可以解決工程實(shí)踐問(wèn)題，這正是土力學(xué)存在的價(jià)值以及我們學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的回

顧5本章提綱1.1土的形成1.2土的成因類型1.3土的結(jié)構(gòu)1.4土的三相組成1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算1.6黏性土的物理特征1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類6滲透特性變形特性強(qiáng)度特性土的三相組成土的物理性質(zhì)及狀態(tài)土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造土的形成過(guò)程土的工程分類：便于研究和應(yīng)用土的壓實(shí)性：如何獲得較好的土決定本章概要

71.1土的形成巖石土風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積地質(zhì)成巖作用地球表面的整體巖石，在大氣中經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積，形成的由固體礦物顆粒、水、氣體三種成分的集合體就是土。1、土的定義土的組成、結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)過(guò)程、條件2、土的形成8生物風(fēng)化物理風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化量變無(wú)黏性土原生礦物質(zhì)變黏性土次生礦物動(dòng)植物的活動(dòng)風(fēng)化有機(jī)質(zhì)巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，溫度、濕度的變化，不均勻的膨脹與收縮破碎，或者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因碰撞和摩擦破碎母巖表面破碎的顆粒受環(huán)境因素的作用而產(chǎn)生一系列的化學(xué)變化，改變了原來(lái)礦物的化學(xué)成分，形成新的礦物2、土的形成91.1土的形成1.1土的形成

1.2土的成因類型1.3土的結(jié)構(gòu)1.4土的三相組成1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算1.6黏性土的物理特征1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類10搬運(yùn)與沉積殘積土（無(wú)搬運(yùn)）

殘積土強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化微風(fēng)化母巖體顆粒表面粗糙多棱角粗細(xì)不均無(wú)明顯層理111.2土的成因類型坡積土：土粒粗細(xì)不同，性質(zhì)不均勻洪積土：有分選性，近粗遠(yuǎn)細(xì)沖積土：渾圓度和分選性都較好，土層交迭湖泊沼澤沉積土：含有機(jī)物淤泥，土性差風(fēng)積土：顆粒均勻，層厚而不具層理運(yùn)積土（有搬運(yùn)）運(yùn)積土是原生處的土壤經(jīng)運(yùn)送至他處沉積而成的。運(yùn)送的動(dòng)力有重力、風(fēng)、水、冰河及人力等。搬運(yùn)與沉積121.2土的成因類型1.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)1.4土的三相組成1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算1.6黏性土的物理特征1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類13力學(xué)特性土的結(jié)構(gòu)重塑土的強(qiáng)度原狀土的強(qiáng)度<土的構(gòu)造+土體中各結(jié)構(gòu)單元之間的賦存關(guān)系，如層理、裂隙、大孔隙、軟弱夾層與不透水層等。(宏觀角度)影響1.3土的結(jié)構(gòu)是指土粒（或團(tuán)粒）的大小、形狀、相互排列方式和顆粒間的聯(lián)結(jié)特征，是土在形成的過(guò)程中逐漸形成的。它與土的礦物成分、顆粒形狀和沉積條件有關(guān)。(微觀角度)14土的結(jié)構(gòu)單粒結(jié)構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)一、基本類型151.3土的結(jié)構(gòu)二、工程性質(zhì)1.單粒結(jié)構(gòu)特征：土粒間沒(méi)有聯(lián)結(jié)存在，或聯(lián)結(jié)非常微弱，可忽略不計(jì)。土粒之間以點(diǎn)與點(diǎn)的接觸為主。結(jié)構(gòu)形式：以碎石土和砂土為主（a）疏松狀態(tài)（b）緊密狀態(tài)一、基本類型緊密的單粒結(jié)構(gòu)是良好的天然地基161.3土的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：以細(xì)砂與粉土為主特征：粒間接觸處的引力大于下沉土粒的重力，土粒就被吸引著不再改變它們的相對(duì)位置，許多單元聯(lián)結(jié)起來(lái)，逐漸形成孔隙較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。土粒之間以面與面的接觸為主。2.蜂窩結(jié)構(gòu)較大的水平荷載和動(dòng)力荷載下結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生較大沉降。171.3土的結(jié)構(gòu)一、基本類型3.絮狀結(jié)構(gòu)粒間作用力和懸液介質(zhì)不同，絮狀結(jié)構(gòu)排列不同。（a）鹽液中絮凝（b）非鹽液中絮凝（c）分散結(jié)構(gòu)上極不穩(wěn)定，海水中很容易形成淤泥。181.3土的結(jié)構(gòu)一、基本類型結(jié)構(gòu)形式：以黏性土為主。特征：黏粒大多呈片狀、質(zhì)量極輕，在水中處于懸浮狀態(tài)。黏土顆粒與水相互作用產(chǎn)生粒間作用力，黏土顆粒凝聚層絮狀物下沉，土粒之間以角、邊與面的接觸或邊與邊的搭接形式為主。3.絮狀結(jié)構(gòu)191.3土的結(jié)構(gòu)一、基本類型疏松狀態(tài)的單粒結(jié)構(gòu)在荷載的作用下（特別是振動(dòng)荷載），土粒會(huì)移動(dòng)至更穩(wěn)定的位置而變得更加緊密，同時(shí)產(chǎn)生較大變形；而密實(shí)狀態(tài)的單粒結(jié)構(gòu)則比較穩(wěn)定，力學(xué)性能較好，一般是良好的天然地基。具有蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)的土因孔隙較大，當(dāng)承受較大水平荷載或動(dòng)力荷載時(shí)，其結(jié)構(gòu)將被破壞，并導(dǎo)致嚴(yán)重的地基變形，因此不可用作天然地基。201.3土的結(jié)構(gòu)二、工程性質(zhì)1.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)

1.4土的三相組成1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算1.6黏性土的物理特征1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類21固體顆粒固相構(gòu)成土體骨架

起決定作用土中水液相重要影響土中氣體氣相次要作用飽和土：土體孔隙完全被水充滿干土：土體孔隙完全被氣充滿非飽和土：孔隙中水和氣均存在1.4土的三相組成土的三相組成22粒徑級(jí)配礦物成分顆粒形狀固體

顆粒土的物理狀態(tài)力學(xué)特性固體顆粒三要素231.4土的三相組成固體成分礦物質(zhì)有機(jī)質(zhì)無(wú)定形氧化物膠體可溶鹽黏土礦物原生礦物：石英、長(zhǎng)石、云母等次生礦物具有和原生礦物很不相同的特性對(duì)黏土性質(zhì)的影響很大1.礦物成分1、土粒的礦物成分241.4土的三相組成黏土礦物黏土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙脫石三種類型。

硅片

鋁片SiSi氧離子O2-硅離子Si4+硅-氧四面體硅片的結(jié)構(gòu)硅片簡(jiǎn)圖251.4土的三相組成黏土礦物黏土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成，可分成高嶺石、伊利石和蒙脫石三種類型。OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體鋁片的結(jié)構(gòu)鋁片簡(jiǎn)圖AlAl

硅片

鋁片261.4土的三相組成晶層間通過(guò)氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)，晶格不能自由活動(dòng)，水難以進(jìn)入晶格間能組疊很多晶層，多達(dá)百個(gè)以上，成為一個(gè)顆粒。顆粒長(zhǎng)寬約0.3-3

，厚約0.03-1

主要特征：顆粒較粗，不容易吸水膨脹和失水收縮，或者說(shuō)親水能力差依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：

高嶺石伊利石蒙脫石SiSiAlAlSiSiAlAlSiSiAlAl高嶺石微粒1:1的兩層結(jié)構(gòu)黏土礦物271.4土的三相組成

高嶺石伊利石蒙脫石是云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化的產(chǎn)物與蒙特石相似，由兩層硅片夾一層鋁片所形成的三層結(jié)構(gòu)，但晶層之間有鉀離子連結(jié)主要特征：連結(jié)強(qiáng)度弱于高嶺石而高于蒙特石，其特征也介于兩者之間2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi鉀離子依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：黏土礦物281.4土的三相組成

高嶺石伊利石蒙脫石晶層間是O2-對(duì)O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進(jìn)入晶層之間每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒大小約為0.1-1

，厚約0.001-0.01

主要特征：顆粒細(xì)微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性，或者說(shuō)親水能力強(qiáng)2:1的三層結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi數(shù)層水分子依硅片和鋁片組疊形式的不同，可分成如下三種類型：黏土礦物291.4土的三相組成

高嶺石伊利石蒙脫石

那么蒙脫石怎么會(huì)有如此醫(yī)用功效呢?典型的黏土礦物有三種:蒙脫石、高嶺石和伊利石。其中，蒙脫石是三者中強(qiáng)度最低，但吸水性最強(qiáng)的礦物，以蒙脫石為基本原料的止瀉藥正是依靠了其強(qiáng)大的吸水特性。

藥店里常有各類治療腹瀉的藥，其中不少藥的學(xué)名標(biāo)注的是“蒙脫石散”。該不會(huì)是重名了吧?”不是重名，所謂的“蒙脫石散”就是以蒙脫石為原料配制而成的止瀉良藥。黏土礦物301.4土的三相組成

因?yàn)槊擅撌瘡?qiáng)大的吸水能力造成以其為主要組分的黏土擁有顯著膨脹的特性，并誕生了名為膨脹土的特殊工程土。膨脹土干涸后開(kāi)裂、吸水后鼓脹、干縮時(shí)裂隙發(fā)育、浸水時(shí)承載力衰減，性質(zhì)極不穩(wěn)定，會(huì)給建筑工程帶來(lái)很大隱患。我國(guó)舉世矚目的大型水利工程--南水北調(diào)的東線和中線工程，其輸水管線正好穿越膨脹土分布地區(qū)，如果讓膨脹土恣意脹縮，很可能會(huì)頂壞埋藏于土中的輸水管線，造成管線開(kāi)裂，調(diào)水也就成了泡影，因此對(duì)工程區(qū)域膨脹土地基的處理，刻不容緩。311.4土的三相組成

（a）局部區(qū)域俯視圖

（b）管線鋪設(shè)圖

南水北調(diào)工程景象圖南水北調(diào)

前秦建元二年(東晉太和元年，公元366年)，一位名叫樂(lè)僔的和尚來(lái)到位起為工于今天甘肅西部的鳴沙山，又累又渴時(shí)，突然看到佛光萬(wàn)道。他把這看成是佛的啟示，便于此開(kāi)鑿石窟，興建佛像，后人因循而建，日益擴(kuò)大規(guī)模，及至成為今天舉世聞名的世界文化遺產(chǎn)一敦煌莫高窟。

莫高窟的彩塑佛像是中華民族諸多藝術(shù)瑰寶中的一朵璀璨之花，近代的工藝美術(shù)師在驚嘆膜拜的同時(shí)，也開(kāi)始積極地臨摹仿制，就在他們即將完工時(shí)，棘手問(wèn)題卻接踵而至:新作彩塑極易產(chǎn)生裂縫。321.4土的三相組成

千年佛像之謎

（a）洞窟遠(yuǎn)眺(b)45窟盛唐菩薩像

敦煌莫高窟景象圖

如果當(dāng)年的工匠無(wú)法應(yīng)對(duì)這樣的問(wèn)題，恐怕佛像也無(wú)法屹立千年。那究竟是什么使彩塑變得婀娜多姿，又是什么造成了“克隆”佛像的開(kāi)裂，我們又能通過(guò)什么方法去解決呢?

現(xiàn)實(shí)中，黏土根據(jù)含水率的不同，可處于三種稠度狀態(tài):流態(tài)、塑態(tài)和固態(tài)。如果土體的含水率過(guò)高，進(jìn)入流態(tài)，則形如泥漿，變形脫韁，而承載力全無(wú);反之，如果含水率過(guò)低，則進(jìn)入固態(tài)，猶如土磚石瓦，強(qiáng)度很高，但無(wú)法變形，常發(fā)生毫無(wú)預(yù)兆的脆性破壞;只有當(dāng)黏土具備一定“不高不低”的含水率時(shí)，方處于可塑狀態(tài)，既有一定強(qiáng)度，又具有可控制的變形能力。彩塑佛像的成型正是利用了黏土在特定含水率范圍內(nèi)的可塑性，造就其曼妙身姿。331.4土的三相組成

膨脹土吸水性很強(qiáng)，是因?yàn)轭w粒間同性相斥，讓水容易侵入，制作敦煌彩塑的主體原料亦是黏土，同樣具備吸水性。反之，當(dāng)水分喪失以后，土粒之間間距減少，造成宏觀體積收縮。甘肅敦煌地處戈壁，四季干燥，晝夜溫差大，氣候異常帶來(lái)的是水分蒸發(fā)、含水率降低，一脹一縮間，就會(huì)導(dǎo)致彩塑的開(kāi)裂和破壞。因此，匠師們對(duì)敦煌彩塑進(jìn)行處理時(shí)，不但要防止其膨脹，更要抑制其脫水收縮。

后來(lái)人們終于從古籍中找到了解決開(kāi)裂的方法:先人以木架為骨、黏土為軀，同時(shí)在彩塑敷面的黏土中摻入一定量的砂，還放入了稻草、棉花。從土力學(xué)的角度去解釋：“摻砂子”，是因?yàn)樯巴恋V物結(jié)構(gòu)不同于黏土，沒(méi)有負(fù)電性所帶來(lái)的脹縮特性，從而在保證佛像整體可塑性的基礎(chǔ)上，抑制了黏土固有的開(kāi)裂;添加的棉花、稻草之于彩塑就像鋼筋之于混凝土，起到一種筋材聯(lián)結(jié)的作用，是以保證了佛像雖屹立千年，仍熠熠生輝。341.4土的三相組成蒙脫石：親水性強(qiáng)（吸水膨脹、失水收縮性強(qiáng)）伊利石：親水性居中高嶺石：親水性弱黏土礦物蒙脫石伊利石高嶺石351.4土的三相組成原生礦物：一般顆粒較粗，呈粒狀。有圓狀、渾圓狀、棱角狀等。次生礦物：顆粒較細(xì)，多呈針狀、片狀、扁平狀。比表面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積。對(duì)于黏性土，其大小直接反映土顆粒與四周介質(zhì),特別是水,相互作用的強(qiáng)烈程度，是代表黏性土特征的一個(gè)很重要的指標(biāo)。

粗顆粒的形狀黏土顆粒的形狀2.固體形狀高嶺石：10-20m2/g,伊利石：80-l00m2/g；蒙特石：800m2/g361.4土的三相組成1、土粒的礦物成分2、土粒的粒度成分粒組：工程上常把大小相近的土粒合并為組，稱為粒組d(mm)礫石砂粒粉粒黏粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

細(xì)粗

中

細(xì)0.075粗粒細(xì)粒巨粒60粗粒土：以礫石和砂粒為主要組成的土，也稱無(wú)黏性土細(xì)粒土：以粉粒、黏粒和膠粒為主要組成的土，也稱黏性土1.4土的三相組成1.粒徑級(jí)配-顆粒大小37粒徑級(jí)配：各粒組的相對(duì)含量，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來(lái)表示分析結(jié)果表述方法:粒徑級(jí)配累積曲線篩分法適合

于粗粒徑（d>0.075mm）密度計(jì)法適合于細(xì)粒徑（d<0.075mm）1.粒徑級(jí)配-定義381.4土的三相組成2、土粒的粒度成分1009080706050403020100小于某粒徑占土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.01粒徑

(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005P(%)2613.510孔徑105.02.01.00.50.250.075200g土篩余010161824224664P100958778665532篩分法1.粒徑級(jí)配-表示方法391.4土的三相組成2、土粒的粒度成分1009080706050403020100小于某粒徑占土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（％）105.01.00.50.100.050.01粒徑

(mm)土的粒徑級(jí)配累積曲線斜率-某粒徑范圍內(nèi)顆粒

的含量

陡-相應(yīng)粒組含量多

緩-相應(yīng)粒組含量少

平臺(tái)-相應(yīng)粒組缺乏1.粒徑級(jí)配-曲線含義特征粒徑

d50:平均粒徑d60:控制粒徑d10

:有效粒徑d30:中值粒徑d60d50d30d10401.4土的三相組成2、土粒的粒度成分

Cu

5，級(jí)配不均勻Cu

5，級(jí)配均勻土樣B比土樣A更均勻不均勻程度：不均勻系數(shù)

連續(xù)程度：曲率系數(shù)1.粒徑級(jí)配-優(yōu)劣評(píng)價(jià)Cc=1~3，級(jí)配連續(xù)Cc＜1或Cc＞3，級(jí)配不連續(xù)1009080706050403020100小于某粒徑占土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土樣Ad60d10土樣B

土的粒徑級(jí)配累積曲線411.4土的三相組成2、土粒的粒度成分曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545較大顆粒缺少Cc

減小較小顆粒缺少Cc

增大1009080706050403020100小于某粒徑占土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)

土的粒徑級(jí)配累積曲線d60d10d30平臺(tái)聯(lián)合判斷：不均勻系數(shù)Cu+曲率系數(shù)Cc平臺(tái)-相應(yīng)粒組缺乏Cu

5且Cc=1~3級(jí)配良好Cu<5或Cc>3或Cc<1級(jí)配不良421.4土的三相組成3、土的液相（土中水）土中的粘土顆粒在電場(chǎng)中向陽(yáng)極泳動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳；土中的液體滲向陰極，稱為電滲；這兩種現(xiàn)象是同時(shí)發(fā)生，稱為電動(dòng)現(xiàn)象。1.顆粒帶電性粘粒表面產(chǎn)生電荷的原因：吸附離解同晶替換粘土膏的電滲、電泳試驗(yàn)431.4土的三相組成電場(chǎng)引力作用范圍之外的水土中水礦物成分水孔隙水結(jié)晶水結(jié)合水自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水礦物內(nèi)部的水毛細(xì)水重力水441.4土的三相組成3、土的液相（土中水）排列致密、定向性強(qiáng)密度>1g/cm3冰點(diǎn)處于零下幾十度具有固體的的特性溫度高于105°C時(shí)可蒸發(fā)粘滯性強(qiáng)結(jié)合水位于強(qiáng)結(jié)合水之外，電場(chǎng)引力作用范圍之內(nèi)外力作用下可以移動(dòng)、塑性不因重力而移動(dòng)不傳遞靜水壓力弱結(jié)合水1.4土的三相組成2.結(jié)合水453、土的液相（土中水）自由水重力水毛細(xì)水在重力作用下可在土中自由流動(dòng)存在于固氣之間在重力與表面張力作用下可在土粒間空隙中自由移動(dòng)3.自由水重力水和毛細(xì)水均傳遞靜水壓力461.4土的三相組成3、土的液相（土中水）毛細(xì)壓力（假粘聚力）：沿著毛細(xì)彎液面的切線方向迫使相鄰?fù)亮D緊的壓力。土在侵水及完全干燥條件下不存在。對(duì)建筑防潮、凍脹、鹽漬土形成有重要影響。471.4土的三相組成3、土的液相（土中水）4、土的氣相（土中氣）在非飽和土中，土顆粒間的孔隙由液體和氣體充滿。土中氣一般以下面兩種形式存在于土中：一種是四周被顆粒和水封閉的封閉氣體，另一種是與大氣相通的自由氣體。土中氣自由氣體封閉氣體與大氣連通對(duì)土的性質(zhì)影響不大增加土的彈性阻塞滲流通道氣泡481.4土的三相組成土體有三個(gè)組成部分：固相、液相和氣相土中氣體自由氣體封閉氣體結(jié)合水：強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水自由水：重力水、毛細(xì)水土中水粒徑級(jí)配礦物成分顆粒形狀固體顆粒小

結(jié)491.4土的三相組成1.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)

1.4土的三相組成

1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算1.6黏性土的物理特征1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類50土的物理狀態(tài)指標(biāo)粗粒土的松密程度粘性土的軟硬狀態(tài)土的物理性質(zhì)指標(biāo)(三相間的比例關(guān)系)力學(xué)特性影響表示1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算51空氣水固體一、物理性質(zhì)指標(biāo)土的三個(gè)組成相的體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系密實(shí)程度干濕程度……定義VaVwVsVvVma≈0mwmsm質(zhì)量體積三相草圖521.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算三相草圖共有九個(gè)參數(shù):

VVvVsVaVw

+

mmsmwma

已知5個(gè)關(guān)系:空氣水固體ma≈0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積三個(gè)獨(dú)立變量其它指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定物性指標(biāo)是比例關(guān)系:可假設(shè)任一參數(shù)為19-5-1=3531.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算基本物理性質(zhì)試驗(yàn)為了確定三相草圖諸量中的三個(gè)量，通常進(jìn)行三個(gè)最容易操作的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)：

土的密度試驗(yàn)土粒比重試驗(yàn)土的含水量試驗(yàn)541.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算定義：?jiǎn)挝惑w積土的質(zhì)量

土的密度

空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積工程上更常用,用于計(jì)算土的

自重應(yīng)力1.直接測(cè)定的物理性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)指標(biāo):土的重度

=

g單位:kN/m3

（單位體積土的重量）單位：kg/m3或g/cm3一般范圍:1.60~2.20g/cm3表達(dá)式：551.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算

土粒的相對(duì)密度ds1.直接測(cè)定的物理性質(zhì)指標(biāo)=1.0g/cm3土粒比重在數(shù)值上等于土粒的密度單位:無(wú)量綱一般范圍：黏性土2.70~2.75，砂土2.65表達(dá)式：定義：土粒的質(zhì)量（或重量）與4°C時(shí)同體積純水的質(zhì)量（或重量）之比空氣水固體ma≈0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積561.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算1.直接測(cè)定的物理性質(zhì)指標(biāo)注意：其實(shí)是含水比,可達(dá)到或超過(guò)100％

土的含水率w空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積定義：土中水的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)

量之比，用百分?jǐn)?shù)表示單

位：無(wú)量綱一般范圍：變化范圍大表達(dá)式：571.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算都是用以表示孔隙體積含量的指標(biāo)，二者之間存在關(guān)系：2.反映土的松密程度的指標(biāo)砂類土：28-35%黏性土：30-50%，有時(shí)可達(dá)60-70%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，百分?jǐn)?shù)表示空氣水固體ma≈0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積581.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算3.反映土中含水程度的指標(biāo)含水率w：飽和度Sr：土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比

飽和度表示孔隙中充滿水的程度：空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積

Sr=0：

完全干燥的土0<Sr

≤0.5：

稍濕0.5<Sr≤0.8：

潮濕（很濕的）0.8<Sr<1.0：

飽和Sr=1.0：

完全飽和的土591.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算4.特定條件下的密度（重度）干密度：土被烘干時(shí)的密度

干重度：天然密度

天然重度飽和密度：土被飽和時(shí)的密度，

飽和重度：浮重度：靜水下的有效重度浮密度空氣水固體ma=0mwmsm質(zhì)量VaVwVsVvV體積601.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算各種密度容重之間的大小關(guān)系天然密度干密度飽和密度天然重度干重度浮重度飽和重度611.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算5.指標(biāo)的換算621.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)

1.4土的三相組成

1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算

1.6黏性土的物理特征1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類63黏性土最主要的物理狀態(tài)特征是它的稠度。稠度是指土的軟硬程度或土對(duì)外力引起變形或破壞的抵抗能力。黏性土的稠度狀態(tài)與它的含水量密切相關(guān)黏性土泥團(tuán)含水量較硬可塑流動(dòng)稠度狀態(tài)高低1.黏性土的狀態(tài)641.6黏性土的物理特征塑限ωp液限ωl稠度界限黏性土的稠度反映土中水的形態(tài)固態(tài)或半固態(tài)塑態(tài)流態(tài)強(qiáng)結(jié)合水膜最大出現(xiàn)自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水稠度狀態(tài)含水量土中水的形態(tài)w縮限ωs土顆粒強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水土顆粒強(qiáng)結(jié)合水土顆粒自由水弱結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水示意圖651.6黏性土的物理特征661.6黏性土的物理特征黏性土物理狀態(tài)與含水率關(guān)系黏性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水率，稱為界限含水率。這樣的界限含水率有三個(gè)，即液限、塑限和縮限。2.黏性土的界限含水率671.6黏性土的物理特征（1）用搓條法測(cè)定塑限ωp3.界限含水率的測(cè)定（2）用平衡錐式液限儀測(cè)定液限ωL（3）液塑聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定液限和

塑限搓好的土條錐式液限儀塑性指數(shù)

吸附結(jié)合水的能力粘性大小大致反映粘土顆粒含量常作為細(xì)粒土工程分類的依據(jù)

對(duì)于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同。為了表征土體天然含水量與界限含水量之間的相對(duì)關(guān)系，工程上常用液性指數(shù)和塑性指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)判別土體的稠度。

681.6黏性土的物理特征液性指數(shù)

wpwwlIL<0IL=0–1IL>1堅(jiān)硬狀態(tài)可塑狀態(tài)流態(tài)0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑軟塑反映粘土稠度狀態(tài)691.6黏性土的物理特征

活動(dòng)度A粒徑小于0.002mm的土粒含量百分?jǐn)?shù)

A<0.75 不活動(dòng)黏性土0.75≤A

≤1.25

正常黏性土

A>1.25 活動(dòng)黏性土塑性指數(shù)Ip大體上反映的是全部黏土顆粒吸附結(jié)合水的能力，不能充分反映土中所含的具體黏土礦物表面活性的高低斯開(kāi)普頓(Skempton）建議用土的活動(dòng)度A來(lái)衡量土中黏土礦物吸附結(jié)合水的能力70m1.6黏性土的物理特征

黏性土的觸變性及靈敏度711.6黏性土的物理特征

在土的密度和含水率不變的條件下，原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，稱為土的靈敏度，用St表示，表示式為

低靈敏度1＜St≤2

中靈敏度2＜St≤4

高靈敏度

St＞4根據(jù)靈敏度大小將飽和黏性土分為:2.黏性土的觸變性

土的觸變性是指在含水率和密度不變的情況下，土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化，強(qiáng)度部分恢復(fù)的性質(zhì)。

1.黏性土的靈敏度1.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)

1.4土的三相組成

1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算

1.6黏性土的物理特征

1.7砂土的密實(shí)度1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類72粗粒土的密實(shí)狀態(tài)密實(shí)度：?jiǎn)挝惑w積中固體顆粒含量的多少優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便缺點(diǎn)：不能反映級(jí)配的影響只能用于同一種土1.用孔隙比e評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度孔隙比

/孔隙率731.7砂土的密實(shí)度emax：土最松散時(shí)的孔隙比，即大孔隙比；測(cè)定方法是將松散的風(fēng)干土樣，通過(guò)長(zhǎng)頸漏斗輕輕倒入容器，求得土的最小干密度。

（漏斗量桶法）emin：土最密實(shí)時(shí)的孔隙比，即最小孔隙比；一般用“松砂器法”測(cè)定，測(cè)定方法是將松散的風(fēng)干土樣分批裝入金屬容器內(nèi)，按規(guī)定的方法進(jìn)行振動(dòng)或錘擊夯實(shí)直至密度不再提高，求得最大干密度。（振動(dòng)錘擊法）2.用相對(duì)密實(shí)度Dr評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度相對(duì)密實(shí)度741.7砂土的密實(shí)度相對(duì)密實(shí)度0≤Dr≤1/3松散

1/3<Dr≤2/3中密

2/3

<Dr≤1密實(shí)判別標(biāo)準(zhǔn)：相對(duì)密實(shí)度指標(biāo)主要適用于人工填土，天然砂土的密實(shí)度可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測(cè)定。751.7砂土的密實(shí)度2.用相對(duì)密實(shí)度Dr評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度1.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)

1.4土的三相組成

1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算

1.6黏性土的物理特征

1.7砂土的密實(shí)度

1.8土體的擊實(shí)性1.9土的工程分類76土的壓實(shí)：為了增加填土的密實(shí)度，減小其壓縮性和滲透性，保證土體具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，通常對(duì)土體進(jìn)行分層碾壓、夯實(shí)處理。土的壓實(shí)性：指在一定的含水率下，以人工或機(jī)械的方法，使土體能夠壓實(shí)到某種密實(shí)程度的性質(zhì)。一、土的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)二、填土的擊實(shí)特性三、壓實(shí)填土在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用1.8土體的擊實(shí)性77一、土的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備擊實(shí)筒V=1000cm3；擊實(shí)錘w=25牛頓試驗(yàn)條件土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數(shù)N=27/層擊實(shí)能量

試驗(yàn)方法對(duì)ω為常數(shù)的土；分三層壓實(shí)；

測(cè)定擊實(shí)后的ω、ρ，算定ρd

注意：

僅適用于細(xì)粒土；對(duì)粗粒土，可用較大尺寸的擊實(shí)儀土781.8土體的擊實(shí)性手提擊實(shí)儀

數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀

細(xì)粒土的壓實(shí)性

1.擊實(shí)曲線2.理論分析3.影響因素4.壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)791.8土體的擊實(shí)性1.擊實(shí)曲線特征：①具有峰值②左段比右段的坡度陡③位于飽和曲線的左下方黏性土顆粒很小，壓實(shí)過(guò)程中含水量幾乎不變，要想擊實(shí)到飽和狀態(tài)是不可能的。0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度

d(g/cm3)飽和曲線

dmaxwop=12.1801.8土體的擊實(shí)性2.理論分析壓實(shí)機(jī)理：顆粒被擊碎，土粒定向排列;土粒破碎，粒間聯(lián)結(jié)力被破壞而發(fā)生孔隙體積減小;氣被擠出或被壓縮等水膜潤(rùn)滑作用效果最佳;尚沒(méi)有形成封閉氣泡，氣易于排出;顆粒表面水膜很薄，相對(duì)移動(dòng)困難

水膜潤(rùn)滑作用不明顯;封閉氣泡難以排出;增加水的相對(duì)含量

ω

ωop,ρd

ρdmaxω<ωop,ρd<

ρdmaxω>ωop,ρd<

ρdmax

0481216202428含水量w(%)2.01.81.61.4干密度

d(g/cm3)飽和曲線

dmaxwop=12.1811.8土體的擊實(shí)性3.影響因素a.擊實(shí)功能b.土的級(jí)配

c.擊實(shí)方式

夯實(shí)、輾壓、振動(dòng)；輾壓對(duì)粘土比較合適821.8土體的擊實(shí)性不存在最優(yōu)含水量；在完全風(fēng)干和飽和兩種狀態(tài)下易于擊實(shí)；潮濕狀態(tài)下ρd明顯降低。

粗粒土的壓實(shí)性

1.擊實(shí)曲線

特點(diǎn)20%粗砂

ω

=4~5%中砂

ω=7%；時(shí)，干密度最小

2.理論分析對(duì)粗粒土，擊實(shí)過(guò)程中可以自由排水，不存在細(xì)粒土中出現(xiàn)的現(xiàn)象。3.壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

常用相對(duì)密度控制Dr>0.7～0.75

施工過(guò)程中要么風(fēng)干，要么就充分灑水，使土料飽和。

在潮濕狀態(tài)下，存在著假凝聚力，加大了阻力。831.8土體的擊實(shí)性1.含水率：只有在某一含水率下才能獲得最佳的擊實(shí)效果841.8土體的擊實(shí)性二、填土的擊實(shí)特性

土的壓實(shí)效果的影響因素

土的含水量

壓實(shí)機(jī)械

壓實(shí)功能2.擊實(shí)功:隨擊實(shí)數(shù)的增加，最大干密度逐漸增大，而最優(yōu)含水率逐漸減小。當(dāng)含水率較低時(shí)，擊實(shí)數(shù)的影響較顯著。當(dāng)含水率較高時(shí)，含水率與干密度關(guān)系曲線趨近于飽和線，這時(shí)提高擊實(shí)功是無(wú)效的。851.8土體的擊實(shí)性二、填土的擊實(shí)特性

3.土類和級(jí)配的影響1）相同擊實(shí)功下，黏性土塑性指數(shù)越大，壓實(shí)越困難，最大干密度越小，最優(yōu)含水率越大。無(wú)黏性土的擊實(shí)曲線2）對(duì)于無(wú)黏性土，含水率對(duì)土的壓實(shí)性的影響與黏性土有明顯的不同，因此，無(wú)黏性土在壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)不斷地加水，使其處于飽和狀態(tài)，以取得最佳壓實(shí)效果。3）同類土中，級(jí)配良好的土有足夠的細(xì)粒去充填較粗顆粒形成的孔隙，因而能獲得較高干密度、級(jí)配良好的土，易于壓實(shí)；而級(jí)配不良的土，不易壓實(shí)。861.8土體的擊實(shí)性三、壓實(shí)填土在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

工程中的填土壓實(shí)情況與室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)在條件上是有差別的。

1）工作情況不同?，F(xiàn)場(chǎng)填筑時(shí)大多是機(jī)械碾壓，而壓實(shí)試驗(yàn)是由自由落錘產(chǎn)生的沖擊荷載。

2）變形條件不同?，F(xiàn)場(chǎng)填筑時(shí)填土側(cè)向變形不受限制，而壓實(shí)時(shí)試驗(yàn)中土的側(cè)向變形受到剛性壓實(shí)筒的約束。壓實(shí)系數(shù)λc：工地壓實(shí)時(shí)要求達(dá)到的干密度

與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最大干密度

之比。壓實(shí)填土的施工質(zhì)量可用壓實(shí)系數(shù)λc來(lái)控制1.1土的形成

1.2土的成因類型

1.3土的結(jié)構(gòu)

1.4土的三相組成

1.5土的三相指標(biāo)的定義及其換算

1.6黏性土的物理特征

1.7砂土的密實(shí)度

1.8土體的擊實(shí)性

1.9土的工程分類87土分類用途巖土性質(zhì)差異不同類別分類名稱大致判斷土的工程特性評(píng)價(jià)土作為建筑材料的適宜性結(jié)合其他指標(biāo)來(lái)確定地基的承載力分類方法很多建筑工程土是作為地基來(lái)承受建筑物的荷載土的工程性質(zhì)及其與地質(zhì)成因巖石 碎石土 砂土 粉土 黏性土 人工填土1.9土的工程分類88巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過(guò)全質(zhì)量50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓礫角礫粒徑大于20mm的顆

粒超過(guò)全質(zhì)量50%粒徑大于2mm的顆粒超過(guò)全質(zhì)量50%名稱

顆粒形狀

粒組含量《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》(GB50007-2011)891.9土的工程分類土的名稱粒組含量粒徑大于2mm的顆粒占全質(zhì)量25-50%礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過(guò)全質(zhì)量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過(guò)全質(zhì)量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過(guò)全質(zhì)量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過(guò)全質(zhì)量50%巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土901.9土的工程分類《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》(GB50007-2011)黏性土：塑性指數(shù)Ip>10的土粉質(zhì)黏土：10<Ip

17的土黏

土：

Ip>17的土非活性黏土：A<0.75正常黏土:A=075–1.25活性黏土:A>1.25粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質(zhì)量50%而塑性指數(shù)Ip

10的土巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土911.9土的工程分類《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》(GB50007-2011)水利部SL237-1999分類法土顆粒組成及其特性塑性指標(biāo)：液限、塑限、塑性指數(shù)有機(jī)質(zhì)含量土的分類巨粒土和含巨粒土粗粒土：礫類土、砂類土細(xì)粒土：根據(jù)塑性圖分類特殊土：黃土、膨脹土、紅黏土分類依據(jù)：921.9土的工程分類本章結(jié)束

感謝聆聽(tīng)93第2章土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律942003年7月1日凌晨，建設(shè)中的上海軌道交通4號(hào)線突發(fā)險(xiǎn)情，造成若干地面建筑物遭到破壞。95案例一：上海軌道交通4號(hào)線工程原因分析：（1）旁通道工程施工作業(yè)面內(nèi)，因大量的水和流沙涌入，引起隧道部分結(jié)構(gòu)損壞及周邊地區(qū)地面沉降。1日凌晨4時(shí)，正在施工中的上海軌道交通4號(hào)線區(qū)間隧道浦西通道發(fā)生滲水，隨后出現(xiàn)大量流砂涌入，引起地面大幅沉降。96案例一：上海軌道交通4號(hào)線工程原因分析：（2）施工單位在用于冷凍法施工的制冷設(shè)備發(fā)生故障、險(xiǎn)情征兆出現(xiàn)、工程已經(jīng)停工的情況下，沒(méi)有及時(shí)采取有效措施，排除險(xiǎn)情，現(xiàn)場(chǎng)管理人員違章指揮施工，直接導(dǎo)致了這起事故的發(fā)生。同時(shí)，施工單位未按規(guī)定程序調(diào)整施工方案，且調(diào)整后的施工方案存在欠缺?？偘鼏挝滑F(xiàn)場(chǎng)管理失控，監(jiān)理單位現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理失職。97案例二：海南陵水萬(wàn)州嶺水庫(kù)庫(kù)壩管涌實(shí)例原因分析：萬(wàn)州嶺屬于小型水庫(kù)，地處山區(qū)，地勢(shì)高，而且是正在加固施工中的病險(xiǎn)水庫(kù)。強(qiáng)降雨襲擊前，堤壩維修工作尚未結(jié)束。外堤壩的泥土剛剛堆好，堤壩就像饅頭泡水了一樣，比較松軟，出現(xiàn)沖溝、堤壩滑坡和管涌等險(xiǎn)情，非常危險(xiǎn)。高20多米的堤壩已經(jīng)多處出現(xiàn)小面積滑坡險(xiǎn)情，水庫(kù)壩體下方出現(xiàn)一處直徑50cm的管涌，管涌處的水在不斷地往外涌。10月17日，在海南省陵水黎族自治縣，人們?cè)谌f(wàn)州嶺水庫(kù)緊急排險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)緊張工作。10月15日起，海南省陵水黎族自治縣迎來(lái)了新一輪強(qiáng)降雨，17日由于連續(xù)降雨，陵水縣隆廣鎮(zhèn)萬(wàn)州嶺水庫(kù)出現(xiàn)險(xiǎn)情，水庫(kù)水位超過(guò)庫(kù)容，導(dǎo)致水庫(kù)壩體出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情。本節(jié)提綱2.1土的滲透性

2.2土中二維滲流及流網(wǎng)

2.3滲透破壞及工程控制98土的滲透問(wèn)題概述浸潤(rùn)線流線等勢(shì)線下游上游土壩蓄水后水透過(guò)壩身流向下游H隧道開(kāi)挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動(dòng)在水位差作用下，水透過(guò)土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透；土具有被水透過(guò)的性能稱為土的滲透性。

說(shuō)明

99水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比。v=ki達(dá)西定律：2.1.1滲透規(guī)律

1.達(dá)西定律1855年法國(guó)學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究。水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失100達(dá)西定律討論

1012.達(dá)西定律適用范圍砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系ib起始水力坡降達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流。v=kiivO砂土0iv密實(shí)黏土虛直線簡(jiǎn)化密實(shí)的黏土，需要克服結(jié)合水的黏滯阻力后才能發(fā)生滲透；滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系。

1022.1.1滲透規(guī)律

1、滲透試驗(yàn)（室內(nèi)）時(shí)間t內(nèi)流出的水量：適用范圍：透水性較大（k>10-3cm/s）的粗粒土，例如砂土。

2.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)(1)常水頭滲透試驗(yàn)——試驗(yàn)過(guò)程中作用于土樣的水頭保持不變。103(2)變水頭滲透試驗(yàn)——試驗(yàn)過(guò)程中作用于土樣的水頭隨時(shí)間而變化

截面面積a任一時(shí)刻t的水頭差為dh，經(jīng)時(shí)段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量：在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

分離變量積分

適用范圍：適用于透水性差，滲透系數(shù)小的細(xì)粒土。104

2.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)影響滲透系數(shù)的因素1.土粒大小與級(jí)配

細(xì)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(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會(huì)大大減小。2.土的密實(shí)度

同種土在不同的密實(shí)狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實(shí)度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。1052.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)

T、

20分別為T℃和20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表

3.水的動(dòng)力粘滯系數(shù)

動(dòng)力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.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。影響滲透系數(shù)的因素1062.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)（1）水平滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過(guò)整個(gè)土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和：

達(dá)西定律整個(gè)土層與層面平行的等效滲透系數(shù)

2、成層土的滲透系數(shù)平均滲透系數(shù)：1072.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)（2）垂直滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過(guò)整個(gè)土層的滲流量等于通過(guò)各土層的滲流量

垂直滲透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應(yīng)的水力坡降為i1、i2、…、in，總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

代入整個(gè)土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)

1082.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)例題分析【例】設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為40mm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)。

【解答】已知試樣截面積A=30cm2，滲徑長(zhǎng)度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時(shí)的滲透系數(shù)

1092.1.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)本節(jié)提綱2.1土的滲透性

2.2土中二維滲流及流網(wǎng)

2.3滲透破壞及工程控制110平面問(wèn)題：剖面和滲流條件沿y向不變垂直y向的各個(gè)平面內(nèi)，滲流狀況完全一致常取

y=1m單位厚度的一片來(lái)進(jìn)行分析h=h(x,z),v=v(x,z)與時(shí)間無(wú)關(guān)穩(wěn)定滲流：流場(chǎng)不隨時(shí)間發(fā)生變化的滲流平面穩(wěn)定滲流Δhxz2.2.1二維滲流方程111廣義達(dá)西定律（1）水力坡降：滲流場(chǎng)中一點(diǎn)水力坡降在坐標(biāo)方向的分量為式中負(fù)號(hào)表示水力坡降的正值對(duì)應(yīng)測(cè)管水頭降低的方向水力坡降是一個(gè)具有方向的矢量等于該點(diǎn)水頭分布函數(shù)h的梯度，但方向相反1122.2.1二維滲流方程廣義達(dá)西定律：對(duì)二維平面滲流，矩陣的廣義達(dá)西定律為廣義達(dá)西定律（2）或簡(jiǎn)寫為：[k]一般稱之為滲透系數(shù)矩陣，它是一個(gè)對(duì)稱矩陣，也即總有kxz=kzx滲透性是土體的固有性質(zhì)，不受坐標(biāo)系選取的影響。因此，[k]滿足坐標(biāo)系變換的規(guī)則對(duì)應(yīng)kxz=kzx=0的方向稱為滲透主軸方向1132.2.1二維滲流方程兩種常用的簡(jiǎn)化情況：廣義達(dá)西定律（3）坐標(biāo)軸和滲透主軸方向一致，此時(shí)kxz=kzx=0對(duì)各向同性土體，恒有kxz=kzx=0，且kx=kz=k對(duì)各向同性土，滲透流速和滲透坡降的方向一致；但對(duì)各向異性土，兩者的方向并不相同，存在夾角。1142.2.1二維滲流方程dxdzxz滲流的連續(xù)性方程單位時(shí)間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流出單元的水量:連續(xù)性條件:vxvz1152.2.1二維滲流方程滲流的運(yùn)動(dòng)方程

各向同性均質(zhì)土體，滲透系數(shù)k滲流的連續(xù)性方程：滲流的運(yùn)動(dòng)方程：拉普拉斯（Laplace）方程，描述滲流場(chǎng)內(nèi)水頭的分布水頭分布和滲透系數(shù)k無(wú)關(guān)1162.2.1二維滲流方程滲流的邊界條件不透水層40m滲流域10m0BCDEAF浸潤(rùn)面（自由水面）0討論：圖示滲流問(wèn)題的邊界條件包括有AB、BC、CD、DE和EFA共5段邊界1172.2.2二維流網(wǎng)水頭邊界條件在邊界上給定水頭1滲流的邊界條件E不透水層40m滲流域10m0ABCDF浸潤(rùn)面011hAB=40m

hCD=10m1182.2.2二維流網(wǎng)2滲流的邊界條件2流速邊界條件在邊界上給定法向流速E不透水層40m滲流域10m0ABCDF浸潤(rùn)面0不透水邊界，法向流速為01192.2.2二維流網(wǎng)滲流的邊界條件E不透水層h1滲流域h20ABCDF浸潤(rùn)面033自由水面

在邊界

4上h=z，vn=01202.2.2二維流網(wǎng)E滲流的邊界條件不透水層h1滲流域h20ABCDF浸潤(rùn)面044滲出面邊界在邊界上h=z，vn01212.2.2二維流網(wǎng)平面穩(wěn)定滲流問(wèn)題描述運(yùn)動(dòng)方程：邊界條件：水頭邊界條件在邊界

1上給定水頭12流速邊界條件在邊界

2上給定法向流速4滲出面在邊界

3上h=z，vn>03浸潤(rùn)面

在邊界

4上h=z，vn=01222.2.2二維流網(wǎng)數(shù)學(xué)解析法或近似解析法：求取滲流運(yùn)動(dòng)方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解計(jì)算機(jī)數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來(lái)得到迅速地發(fā)展模型試驗(yàn)法：利用電場(chǎng)來(lái)模擬滲流場(chǎng)的電比擬試驗(yàn)法，可以用于二維問(wèn)題和三維問(wèn)題流網(wǎng)法：簡(jiǎn)便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問(wèn)題滲流分析的方法1232.2.2二維流網(wǎng)流網(wǎng)：流場(chǎng)中流線和等勢(shì)線組成的曲線正交網(wǎng)格zx等勢(shì)線

流線

vA1242.2.2二維流網(wǎng)1、流網(wǎng)的基本特征及繪制流網(wǎng)的特征：1）流線與等勢(shì)線彼此相互正交2）流網(wǎng)中每一個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比l/b皆為常數(shù)，為了方便一般都取l/b=1.0，此時(shí)流網(wǎng)的網(wǎng)格為(曲邊)正方形3）每相鄰等勢(shì)線之間的水頭損失相等4）各流槽的滲流量相等5）在流網(wǎng)中，方格越小則等勢(shì)線越密集，水力梯度越大且流速也越大1252.2.2二維流網(wǎng)1、流網(wǎng)的基本特征及繪制流網(wǎng)的繪制步驟：1）按一定比例繪制出建筑物和土層剖面，再由滲流場(chǎng)邊界條件確定邊界流線和邊界等勢(shì)線2）根據(jù)上下邊界流線形態(tài)初步繪制幾條流線。流線與邊界面正交且與不透水邊界面接近平行3）根據(jù)以下特性繪制等勢(shì)面：等勢(shì)面與流線正交；流線與等勢(shì)線構(gòu)成的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比為常數(shù)≈1.0；按一定的水頭比例繪制等勢(shì)線，注意各網(wǎng)格盡量近似為曲線正方形4）對(duì)流網(wǎng)進(jìn)行逐步修改調(diào)整，直到滿足流網(wǎng)基本特征流網(wǎng)的畫(huà)法0ABCDE

H=5m1mFGH0不透水層6m16m首先根據(jù)滲流場(chǎng)的邊界條件，確定邊界流線和邊界等勢(shì)線1262.2.2二維流網(wǎng)0ABCDE

H=5m1mFGH0不透水層6m16m流網(wǎng)的畫(huà)法0BCDEFGH0

1

A初步繪制流線M=41272.2.2二維流網(wǎng)0ABCDE

H=5m1mFGH0不透水層6m16m0BCDEFGH0

1

AM=4流網(wǎng)的畫(huà)法ls1234567891011N=10初步繪制等勢(shì)線1282.2.2二維流網(wǎng)流網(wǎng)的畫(huà)法反復(fù)修改0ABCDE

H=5m1mFGH0不透水層6m16m0BCDEFGH0

1

AM=4ls1234567891011N=101292.2.2二維流網(wǎng)0BCDE

H=5m1mFGH0不透水層

1

234567891011N=10M=4A6m

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h16m流網(wǎng)的應(yīng)用（1）確定測(cè)管水頭、位置水頭和壓力水頭a10h=H=5m

h=0.5m1302.2.2二維流網(wǎng)2、流網(wǎng)的應(yīng)用0BCDE

H=5m1mFGH0不透水層

1

234567891011N=10M=4za=8.8mA6m16m流網(wǎng)的應(yīng)用（1）確定測(cè)管水頭、位置水頭和壓力水頭aa點(diǎn)的水頭計(jì)算1)測(cè)管水頭：ha=

hA-0.5=21.5m2)位置水頭：za=8.8m3)壓力水頭：

hua=ha-za=12.7m

h1312.2.2二維流網(wǎng)0BCDE

H=5m1mFGH0不透水層

1

234567891011N=10M=4A6m16m流網(wǎng)的應(yīng)用（2）確定孔隙水壓力ab孔隙水壓力1322.2.2二維流網(wǎng)0BCDE

H=5m1mFGH0不透水層

1

234567891011N=10M=4A6m16m流網(wǎng)的應(yīng)用（3）確定水力坡降l

h水力坡降1332.2.2二維流網(wǎng)0BCDE

H=5m1mFGH0不透水層

1

234567891011N=10M=4A6m16m流網(wǎng)的應(yīng)用（4）確定滲透流速滲透流速1342.2.2二維流網(wǎng)0BCDE

H=5m1mFGH0不透水層

1

234567891011N=10M=4A6m16m流網(wǎng)的應(yīng)用（4）確定滲透流量

q

q

q

qvs流線單寬流量總單寬流量1352.2.2二維流網(wǎng)平面滲流的數(shù)學(xué)描述廣義達(dá)西定律運(yùn)動(dòng)方程：邊界條件流網(wǎng)流網(wǎng)的特性：正交性、曲邊正方形流網(wǎng)的畫(huà)法流網(wǎng)的應(yīng)用Laplace方程小結(jié)1362.2.2二維流網(wǎng)本節(jié)提綱2.1土的滲透性

2.2土中二維滲流及流網(wǎng)

2.3滲透破壞及工程控制137一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置兩個(gè)測(cè)壓管，測(cè)壓管水面高差h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土粒對(duì)水流的阻力應(yīng)為土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對(duì)水流的阻力F大小相等，方向相反

2.3.1滲透力138滲流作用于單位土體的力說(shuō)明:滲透力為均勻分布的體積力(內(nèi)力)，是由滲流作用于試樣兩端面的孔隙水壓力差(外力)轉(zhuǎn)化的結(jié)果。滲透力的量綱與

相同，大小和水力坡降成正比，方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

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(duì)土體穩(wěn)定性有很大的影響。abc滲透力方向與重力一致，可促使土體壓密、強(qiáng)度提高，因而有利于土體的穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒有向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)穩(wěn)定不利滲流方向與重力相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度時(shí)，土粒將被水流沖出1392.3.1滲透力2.臨界水力坡降———使土體開(kāi)始發(fā)生