土力学土的物理性质与工程分类.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,主讲内容,土力学基本原理,基础设计,地基处理,课程介绍,变形问题、强度问题、,稳定问题,、渗流问题,研究土体在荷载作用下，土中的,应力、变形、强度和稳定性以及,渗流规律,的一门力学分支称它为土力学。,专业基础课、理论为主,。,土力学,土力学的研究主题,基础工程,运用土力学的基础理论研究,结构物物地基基础的设计,，以及下部结,构与土层相互作用共同承担上部结构物所产生的各种变形和稳定问,题，包括基础设计、地基设计两部分。研究的目的是为设计提供依,据，解决岩土工程中的安全性和经济性这一对矛盾，,专业课、应用,为主,。,上部结构,：对于某一建筑结构而言，在岩土地层（土层或岩层,）,上,的工程结构成为上部结构。,地基,：支撑建筑物（上部结构）荷载、并且受建筑物影响的那一部,分地层称为地基。,天然地基,：没有经过人工处理的地基。建筑物直接建筑在地基上。,人工地基,：如果地基不满足工程要求，需要对地基进行加固处,理，处理后的地基被称为人工地基。,地基与基础的基本概念,基础,：将上部结构的荷载传递到地基中的结构组成部分被称为基,础。通常被称为下部结构。,浅基础,：通常把埋置深度不大（小于或相当于基础底面宽度，,一般认为小于,5,米）的基础。,深基础,：,若浅层土质不良，必须把基础埋置于较深处良好地,层时（基础深度大于基础宽度）的基础。,持力层,：直接承担基础荷载的土层被称为持力层。,下卧层,：持力层下面的土层被称为下卧层。,软弱下卧层,：承载力显著低于持力层的土层，如淤泥。,地基与基础的基本概念,地基与基础示意图,地基,持力层,下卧层,第一章,第一章 土的物理性质与工程分类,土的组成与结构,土的物理性质指标,土的物理状态,土的渗透性及工程分类,渗透特性,变形特性,强度特性,土的三相组成,土的结构与构造,土的物理性质指标,土的物理状态,土的渗透性,影,响,土的形成过程,决定,本章脉络,土的分类,地质年代,太古代、元古代、古生代、中生代和新生代,地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相,对应的时代段落。,地质年代和地层单位、顺序、名称对应关系 表,1-1,地质年代单位,代,纪,世,期,地层单位,界,系,统,阶（层）,相对地质年代,古生物的演化,岩层形成的顺序,一、土的形成,（了解,),第四纪地质年代细分表 表,1-2,土的概念,地壳表层原来坚硬连续的岩石，经历长期的,风化作用,以,及剥蚀、搬运、沉积等作用，在各种交错复杂的自然环境中,在地表形成的各种散粒堆积物称为,“,第四纪沉积物,”,或,“,土,”,。,岩石,土,风化作用,沉积过程,由人类文化期以来的沉,积土称为,“,新近沉积土,”,纪（系）,世（统）,距今年代（百万年）,第四纪（系）,Q,全新世（统）,Q,4,（,Q,h,）,0.011,更新世（统）（,Q,p,）,晚更新世（上更新统）,Q,3,0.13,中更新世（中更新统）,Q,2,0.73,早更新世（下更新统）,Q,1,2.43,生成产物,产生原因,岩石的风化,物理风化、化学风化、生物风化,物理风化,风化后的产物仅由大变小，化学成分不变，物理化学性状较稳定。,风化特征,属于,原生矿物颗粒,易生成巨粒土、粗粒土，如漂石、砾类土、砂类土等。,、地质构造力；、温差；,、冰胀,；、碰撞,（一）风化作用,生成产物,产生原因,风化后的产物改变其矿物的化学成分，形成新的矿物。,风化特征,属于,次生矿物颗粒,易生成细粒土，最 主要的是黏土颗粒及大量的可溶性盐。,、水解作用；、水化作用；,、氧化作用,；、溶解作用,生物的物理风化,生物的化学风化,化学风化,生物风化,（一）风化作用,残积土,残积土,颗粒表面粗糙、,多棱角、粗细不,均匀、无层理。,特点,（二）不同形成条件下土的特点,坡积土,坡积土（物、层）断面,搬运土,搬运距离短；,土,中组成物的尺寸,相差很大，性质,很不均匀。,特点,作用力,重力、雨,水或雪水,洪积土,洪积土（物、层）断面,有一定的分选性，,搬运距离近的沉积,物颗粒较粗，力学,性质较好；搬运距,离远的沉积物颗粒,较细，力学性质较,差。洪积土还常呈,现不规则交错的层,理构造。,特点,作用力,暴雨或山洪,冲积土,山区河谷断面示例,由于经过较长时间,的搬运，浑圆度和,分选性更为明显，,常形成砂土层和黏,性土层交叠的地,层。,特点,作用力,河流流水,风积土,风力,湖泊沼泽沉积土,缓慢的水流或静水条件,海相沉积土,海水,冰积土,冰川或冰水,颗粒细，磨圆度、分选性好，表层土质松软，黄土,具有湿陷性；沙丘在风力推动下随时改变形状和位置。,这种土的特征，除了含有细微的颗粒外，常伴有生物,化学作用所形成的有机物的存在，成为具有特殊性质,的淤泥或淤泥质土，工程性质都很一般。,颗粒细，表层土质松软，工程性质较差。,颗粒粗细变化也较大，土质不均匀,。,土的工程性质的概念,是指与变形、强度、稳定和渗流等有关的土的性质。它有,3,个基,本特征和,2,个基本特点，从而导致土力学不同于其他力学学科（包括,岩石力学）。,土体的三个基本特征,1,、三相体,土的组成,土粒,土中水,土中气,固相,液相,气相,饱和土,非饱和土,干土,二、土的组成与结构,土体工程性质的二个基本特点,3,、自然变异性或不均匀性,土的自然变异性是指土的工程性质随空间与时间而变异的性质，有,时也称其为不均匀性。这种变异性是客观的、自然形成的。,1,、不确定性,2,、易变性,原因,土的性质复杂,埋藏于地下，难以直接测量,土粒间的联结为无黏结或弱黏结。土体是碎散的，是一种以摩擦为,主的集聚性材料，具有散粒性和孔隙性。,2,、碎散性,物理力学,性质复杂,粒径,粒度,粒组,界限粒径：,土颗粒的大小,土颗粒大小的程度,将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒,径范围，分为若干组，称为粒组。,划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,国标,土的分类标准,（,GBJ145-90,）规定的界限粒径,200,、,60,、,2,、,0.075,和,0.005mm,。,颗粒大小与粒组划分,粒组划分与颗粒级配,（熟知）,（一）土中固体颗粒,粒径范围,d,/mm,粒组划分,方案一,方案二,d,200,漂石（块石）,巨粒组,漂石（块石）,200,d,60,卵石（碎石）,卵石（碎石）,60,d,20,粗粒组,砾粒,粗砾,20,d,2,圆砾（角砾）,细砾,2,d,0.5,砂粒,粗砂,砂粒,粗砂,0.5,d,0.25,中砂,中砂,0.25,d,0.075,细砂,细砂,0.075,d,0.005,粉粒,细粒组,粉粒,0.005,d,黏粒,黏粒,粒组划分,粒组划分 表,1-3,方案一：,建筑地基基础设计规范,和,岩土工程勘察规范,方案二：,土的分类标准,（,GBJ145-90,）,土的颗粒级配,土中各个粒组的相对含量,(,各粒组占土粒总质量的百分数,),，这个百分数习惯上称为土的颗粒级配。,土颗粒分析试验,筛分法,沉降分析法,用于粒径小于等于,60mm,、大于,0.075mm,粗粒土。,用于粒径小于,0.075mm,的细粒土。,沉降分析法有密度计法（比重计法）、移液管法等。,孔径,10,5.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.1,(0.075),200g,土,筛余,0,10,16,18,24,22,38,72,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径的土的百分含量（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),P,100,95,87,78,66,55,36,土的颗粒级配累计曲线,沉降法,粒径,(mm),0.05,0.01,0.005,百分数,P(%),26,13.5,10,筛分法,颗粒级配曲线,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径的土的百分含量（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),土的粒径级配累计曲线,d,60,d,50,d,10,d,30,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：相应粒组含量少,平台：相应粒组缺乏,d,50,:,平均粒径,d,60,:,控制粒径,d,10,:,有效粒径,d,30,:,中值粒径,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径的土的百分含量（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),土的粒径级配累计曲线,A,、,B,、,C,三种不同土样的颗粒级配曲线,A,B,C,颗粒级配曲线的应用,不均匀系数,Cu,曲率系数,Cc,在一般情况下，把,Cu,10,的土属级配良好。,经验证明，当级配连续时，,Cc,的范围约为,1,3,；因此当,Cc3,时，均表示级配线不连续。,工程上要求同时,Cu,5,且,Cc=1,3,的土为级配良好的土,粒组含量用于土的,分类定名,；,不均匀系数,C,u,用于判定土的,不均匀程度,；,C,u,5,为不均匀土；,C,u,5,为均匀土,曲率系数,C,c,用于判定土的,连续程度,；,C,c,=,1,3,为级配连续土；,C,c,3,或,C,c,1,为级配不连续土,不均匀系数,C,u,和曲率系数,C,c,用于,判定土的级配优劣,：,C,u,5,且,C,c,=,1-3,为级配良好的土；如果,C,u,3,或,C,c,1,为级配不良的土。,土颗粒级配曲线和指标的应用,（一）土中固体颗粒,土粒的矿物成分,矿物的定义,矿物是地壳中的一种或多种元素在各种地质作用（自然作用）,下形成的自然产物，是具有一定化学成分、内部构造和物理,性质的自然元素或化合物。它们在一定的物理化学条件范围,内稳定，是组成岩石和矿物的基本单元，是构成地壳的最基,本物质。,矿物的形态,一向延长型,二向延展型,三向等长型,单粒形态,显晶集合体,隐晶集合体,胶态集合体,集合体形态,柱状集合体（石英）,针状集合体（辉秘矿）,片状集合体（白云母）,粒状集合体（方铅矿）,纤维状集合体（直闪石石棉）,放射状集合体（红柱石）,水晶晶簇,分泌体,|,玛瑙,钟乳状（方解石,),肾状,(,硬锰矿,),皮壳状（孔雀石）,土粒,成分,无机矿物,有机质,原生矿物,次生矿物,不可溶的,可溶的,黏土矿物,倍半氧化物,次生氧化物,难溶盐,中溶盐,易溶盐,腐植质,分解完全,土泥炭,分解不完全,（一）土中固体颗粒,土粒的矿物成分,原生矿物,主要类型,工程性质,是岩浆在冷凝过程中形成的矿物，常见的有石英、云母、长石等。原生矿物颗粒是母岩石经物理风化而成，仅形状和大小发生了变化，成分与母岩相同，颗粒较粗大，,有圆状、浑圆状、棱角状等。,原生矿物,硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、,硫化物类矿物、磷酸盐类矿物。,、矿物的化学成分比较稳定，具有较强的抗水性和抗风能力，亲水性较弱。,、对土的工程性质的影响主要表现在颗粒的大小、形状、坚硬程度、表面特征、矿物类型等方面。,原生矿物（或母岩）经化学风化而成，其成分与母岩不同，为一种新矿物。次生矿物颗粒较细，为细粒组的主要成分。颗粒较细，多呈针状、片状、扁平状。,次生矿物,可溶性的次生矿物,不溶性的次生矿物,次生氧化物,成凝胶状，颗粒极细，亲水性弱，性质稳定。,含水倍半氧化物,成凝胶状，颗粒极细，亲水性强。,黏土矿物,次生二氧化硅,对黏土性质的影响很大,次生矿物,黏土矿物,（熟知）,硅片,铝片,Si,Si,氧离子,O,2-,硅离子,Si,4+,硅,-,氧四面体 硅片的结构 硅片简图,OH,1-,铝离子,Al,3+,铝,-,氢氧八面体 铝片的结构 铝片简图,Al Al,蒙脱石,二层、三层晶胞,蒙脱石的主要,特征是颗粒细,小，具有明显,的吸水膨胀和,失水收缩的特,性，或说其亲,水能力很强。,高岭石,高岭石的主要特征,晶胞之间的连接较,强，晶胞之间的距,离不易改变，水分,子不能进入，晶胞,的活动性小。使得,其亲水性、膨胀性,和收缩性较弱。,伊利石,伊利石的结晶构,造比蒙脱石稳定,。亲水能力较蒙,脱石差。,其特征,也介于两者之间,比表面,积,单位体积,(,或质量,),的颗粒的总表面积,黏土颗粒的带电性,研究表明，片状黏土颗粒表面常带有电荷，净电荷通常为负电荷,黏土的电泳和电渗现象,(,莫斯科大学列依斯,1809),-,-,+,+,+,+,黏土颗粒,水分子,阳离子,玻璃筒,玻璃皿,水位,升高,黏土粒,黏土膏,+,-,土中的水的分类,土中水,矿物中的结合水,土孔隙中的水,液态水,结合水,自由水,强结合水,弱结合水,重力水,毛细水,固态水,汽态水,结构水,结晶水,沸石水,（二）土中水,（熟知）,结合水（束缚水、吸附水）,指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水,结合水受电分子吸引力吸附于土粒表面成薄膜状，不服从静水力学规律，其冰点低于零度，其密度和黏滞性比一般正常水高，只有吸热变成蒸汽才能移动。,黏土,颗粒,-,-,+,+,+,+,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,强结合水,弱结合水,没有溶解盐类的能力；,不能传递静水压力；,只有吸热变成蒸汽时才能移动，,在,105,时,才蒸发；,其性质接近于固体，密度约为,1.2,2.4g/cm,3,；,冰点为,78,，具有极大的黏滞度、弹性和,抗剪强度；,强结合水厚度很薄，吸附力高，阳离子浓度大，,水分子的定向排列特征显著。,只含强结合水时，黏土呈固体坚硬状态、砂土呈散粒状态,强结合水,吸着水,受电场引力作用，为黏滞水膜；,外力作用下可以移动；,不因重力而流动，有黏滞性；,密度约为,1.0,1.7g/cm,3,；,弱结合水,薄膜水,此部分水的厚度对黏性土的黏性特征和工程性质影响最大，当土中含有较多的弱结合水时，土具有一定的可塑性。,土粒表面的结合水,非结合水（自由水）,重力水,毛细水,按其移动所受作用力的不同,重力或水头压力作用下运动,毛细水承受表面张力和重力的作用,毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水,重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水,毛,细,管,h,c,T,2r,土中毛细水上升高度,黏土,粉土,砂土,毛细水的形成,r,空气 水 固体颗粒,弯液面,毛细水的工程地质意义,毛细黏聚力,提高土的强度,毛细水可助长地基土的冻胀现象；地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；,在干旱区，地下水中的可溶性盐随毛细水上升后不断蒸发，盐分便积聚在地表处而易形成盐渍土。,毛细水对土中气体的分布与流通起有一定作用，常是导致产生密闭气体的原因。,土体有三个组成部分：,固相,、,液相,和,气相,小 结,固体颗粒,土中水,土中气体,颗粒级配,矿物成分,黏土矿物,结合水：强结合水、弱结合水,自由水：重力水、毛细水,吸附气体 溶解气体,自由气体 封闭气体,原状土和重塑土的强度,沉积或碾压土的各向异性,土的结构,土的结构是指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。,土体,的性质,单粒结构,蜂窝结构,絮状结构,（三）土的结构和构造,土的结构,粗颗粒土在水中或空气中下沉而成的，是碎石土和砂类土的结构特征。,单粒结构,特点,：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。,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。,排列形式,：点与点、点与面,蜂窝结构,当土颗粒较细，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则土粒被吸引不再下沉，逐渐形成土粒链，土粒链组成弓架结构，形成很大孔隙的蜂窝状结构。是粉粒土的结构形式。,特点,：孔隙大，高水平荷载作用下，结构破坏，易导致严重的地基沉降。,絮状结构,粒径小于,0.005mm,的黏土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构。,特点,：,不稳定的，随溶液性质的改变或受到震荡后可重新分散。,土的构造,（了解）,在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造。,层状构造,土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，沿竖向呈层状特征。,淤泥夹粘土透镜体,黏土尖灭,砂土夹黏土层,水平层理 交错层理,分散构造,土层中各部分的土粒无明显差别，分布均匀，各部分性质亦接近。例如，各种经过分选的砂、砾石、卵石等沉积厚度较大时，无明显层次，都属于分散构造。,具有分散构造的上可作为各向同性体看待。,裂隙构造,土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造。黄土具有特殊的柱状裂隙。裂隙破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。,土的结构,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结,粗粒土的结构,单粒结构,重力起主导作用,粒间力起主导作用,黏性土的,结构性指标,细粒土的结构,蜂窝结构 絮凝结构,小 结,土的三相草图,土的物理性质指标（土的三相比例指标）,表示土的三相组成各部分的质量和体积之间的比例关系的指标,九个物理量,:,m m,a,V Vv Vw,m,s,m,w,Vs Va,三、土的物理性质指标,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,九个物理量,:,m m,a,V Vv Vw,m,s,m,w,Vs Va,可假设任一参数为,1,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：,土的密度试验,土粒比重试验,土的含水量试验,土粒比重,G,s,（土粒相对密度）,土中固体颗粒的质量与同体积,4,时纯水的质量之比；或为土粒密度与,4,时纯水的密度之比。,表达式,测定方法：比重瓶法；经验法,常见值：砂类土,G,s,=2.65,2.69,；粉类土,G,s,=2.70,2.71,；,黏性土,G,s,=2.72,2.76,。,有机质,G,s,=2.4,2.5,；泥炭,G,s,=1.5,1.8,。,土粒密度,（一）土的基本物理性质指标,土的含水量（含水率）,w,土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。,表达式,测定方法,常见值,：砂土,w=(0,40)%,；黏性土,w=(20,60)%,。,意义,：表示土体湿度（含水程度）的物理指标。与土,的种类、埋藏条件及其附近的自然环境等有关。,烘干法；红外线法；,酒精燃烧法；铁锅炒干法,土的密度,土的总质量,m,与总体积,V,之比或土单位体积的质量。,单位：国际上,kg/m,3,，国内工程中常用,g/cm,3,。,测定方法,:,环刀法,适用于黏性土、粉土与砂土。,常见值,：,砂土：,1.6,2.0g/cm,3,；,黏土,:1.8,2.0g/cm,3,；,腐殖土：,1.5,1.7g/cm,3,。,表达式,意义,：综合反映了土的物质组成和结构特征。,干密度,土单位体积中土粒的质量或土的孔隙中完全没有水时的密度。,测定方法：,大环刀法；放射性同位素法,常见值,：,d,=,（,1.3,1.8,）,g/cm,3,工程应用,在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准。通常用作填方工程如土坝、路基和人工压实地基等土体压实质量的控制标准。,表达式,表示特殊条件下土的密度的指标,（二）土的间接物理性质指标,饱和密度,土的孔隙完全被水充满时的密度,常见值：,sat,=,（,1.8,2.3,）,g/cm,3,浮密度（有效密度）,在地下水位以下，土单位体积中土粒的质量与同体积水的质量之差。,表达式,表达式,常见值：,土的孔隙比,e,土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,根据,、,Gs,与,W,实测值计算而得，工程应用很广，可以用,来评价天然土层的密实度、进行砂土液化判断等。,常见值,：,砂土,e=0.3,0.9,；,当砂土,e1.0,时，为软弱地基。,表达式,表示土中孔隙体积相对含量的指标,（二）土的间接物理性质指标,孔隙度,(,孔隙率,)n,土的孔隙体积与土总积之比，以百分数表示。,常见值,：黏性土和粉土,:(30-60)%,；砂土,:(25-45)%,。,根据,、,Gs,与,W,实测值计算而得，孔隙度与孔隙比相,比，工程应用较少。,表达式,物理意义,：表示土中孔隙大小的程度。,表示土中孔隙体积相对含量的指标,土的饱和度,S,r,土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示。,常见值,：,S,r,=0,100%,。,根据,、,G,s,与,W,实测值计算而得。,工程中,S,r,作为砂土湿度划分的标准,：,表达式,物理意义,：表示水在孔隙中充满的程度。,S,r,50%,稍湿的,50%,S,r,80%,很湿的,S,r,80%,饱和的,表示土中含水程度的指标,重度,土的重力密度（重量）。单位（,N/m,3,）或（,kN/m,3,）,土的密度 和土的重度 ；,土的干密度 和土的干重度,；,土的饱和密度 和饱和重度,；,有效密度,(,浮密度,),和有效重度,(,浮重度,),；,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,三相草图法,室内测定三个基本物理性质指标：,土的密度,土粒比重,土的含水量,其它物理性质指标,孔隙含量,含水程度,密度和容重,土的物理性质指标,小 结,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,步骤,：,首先绘出三相草图；,明确所求指标的表达式或定义；,作假设以减少未知量,，求解。,（三）物理性质指标之间的换算,例如,设：,推求,【,例题,1-1】,某完全饱和黏土试样,试计算该,【,解,】,土样的孔隙比、饱和重度和干重度。,令：,【,例题,1-2】,某饱和土样切满容器为,24.51cm,3,的环刀内，称得总质,量为,110.8g,，烘干后质量为,100.4g,。已知环刀质量为,66.5g,，,土,粒比重,2.72,该土样的密度、有效密度、含水量、孔隙比。,【,解,】,【,练习,1-1】,一体积为,150cm,3,的土样，湿土重,270g,，烘干后质量,为,204g,土粒比重,2.67,求该土样的密度、含水率、孔隙比和,饱和度。,由已知条件：,【,解,】,定义,【,练习,1-2】,某原状土，天然密度,（,1,）计算土的孔隙比、饱和度；,（,2,）当土中孔隙充满水时土的饱和密度和含水率。,（,1,）：,令：,【,解,】,（,2,）：,【,练习,1-3】,某饱和土体，重度,，土粒比重,（,1,）根据题中的已知条件，推导干重度,的表达式,;,（,2,）根据（,1,）的结果，计算该土的干重度。,。,由已知条件：,令：,【,解,】,土的物理状态,反映土的松密和软硬,状态的指标,无黏性土的松密程度,黏性土的软硬状态,土的物理性质指标,三相间的比例关系,质量和体积之间的关系,影响,力学特性,密实度,稠度,四、土的物理状态,黏性土的物理特征,黏性土,含水量,较硬,变软,流动,固态半固态可塑状态液体状态（流动状态,),黏性土的,可塑性,黏性土在外力的作用下可以任意改变形状而不开裂，外力撤去后仍能保持既得的形状的性能。,界限含水量,黏性土由一种状态转到另一种状态的,分界含水量,，称为土的稠度界限或,界限含水量,。,（一）黏性土的物理状态,塑限,液限,黏性土的状态反映土中水的形态,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,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,强结合水膜最厚,出现相当数量自由水,黏性土的状态与土中水,界限含水量,稠度状态,含水量,土中水的形态,示意图,缩限,定义,黏性土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为,液限,w,L,。,1,、液限,w,L,(%),测定方法,锥式液限仪,操作过程：,将黏性土调成均匀的浓糊状，装满盛土杯，刮平杯口表面，将,76,克重圆锥体轻放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉入试样，若圆锥体经,5,秒种恰好沉入,10mm,深度，这时杯内土样的含水量就是液限,W,L,值。为了避免放锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。,锥式液限仪,定义,黏性土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为,塑限,w,P,2,、塑限,w,P,(%),测定方法,操作过程：,用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于,10mm,），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均匀，搓到土条直径为,3mm,，出现裂纹，自然断开，这时土条的含水量就是塑限,w,p,值。,搓好的泥条,滚搓法,入土深度与含水量的关系,制备,3,个不同含水量的试样，测定圆锥仪在,5,秒时的下沉深度，测定此时的含水量，在双对数坐标纸上绘出圆锥下沉深度和含水量的关系直线。深度,10mm,，对应的含水量为液限，,2mm,对应的含水量为塑限,。,液、塑限联合测定法,定义,黏性土呈半固态与固态之间的界限含水量称为,缩限,w,S,。,3,、缩限,w,S,(%),测定方法,用收缩皿法，用收缩皿或环刀盛满含水量为液限的试样，放在室内逐渐晾干，至试样的颜色变淡时，放入烘箱中烘至恒重，测定烘干后收缩体积和干土重，从而求得缩限。,定义,黏性土与粉土的液限与塑限的差值（去掉,%,），称,塑性指数，记为,I,P,。,工程应用,用塑性指数,I,P,作为黏性土定名的标准。,黏性土的物理状态指标,物理意义,土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，土处于可塑状态的含水量范围也愈大。,黏土,粉质黏土,塑性指数,I,P,液性指数又称,相对稠度,，是将土的天然含水量,w,与,w,L,及,w,P,相比较，以表明,w,是靠近,w,L,还是靠近,w,P,，反映土的软硬不同。,物理意义,工程应用,定义,黏性土的液性指数为天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比，称,液性指数，记为,I,L,。,状态,坚硬,硬塑,可塑,软塑,流塑,液性指数,I,L,0,0I,L,0.25,0.25I,L,0.75,0.751.0,液性指数,I,L,黏性土的状态（,GB50007),黏性土结构性的演示,黏性土因受扰动而原结构被破坏后，其工程性质通常会变差，强度将明显下降。土中所示土样在保持天然结构时,(,原状土,),，其上承受了,1.5kg,的压力，但当结构完全破坏而成为重塑土时，变为可流动的泥浆。,黏性土的结构性,S,t,1,1-2,2-4,4-8,8-16,16,黏性土,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,q,u,原状土,重塑土,灵敏度,S,t,：,原状土的无侧限抗压强度,q,u,和重塑土的无侧限抗压强度 之比。,灵敏度,触变性,黏性土的结构性,黏性,土含水量不变，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土触变性的方法和指标。,灵敏度,触变性,用孔隙比,e,为标准,无黏性土,按天然孔隙比,e,划分砂土的密实度（,74,规范）表,1-6,密实度,：土的固体颗粒排列的紧密程度。,密实,中密,稍密,松散,砾砂 粗砂 中砂,e0.6,0.6e0.75,0.75e0.85,细砂 粉砂,e0.7,0.7e0.85,0.85e0.95,评价,：（,1,）优点：简捷方便；,（,2,）缺点：无法反映土的粒径级配与颗粒形状因素。,一般指砂（类）土和碎石（类）土，这两大类土中一般黏粒含量少，不具有可塑性，呈单粒结构，它们的物理状态主要取决于土的密实程度，即密实度。,（二）无黏性土的物理状态,无黏性土的相对密度,密实度,密实,中密,松散,相对密度,1.0,0.67,0.67,0.33,0.33,0,用相对密度,Dr,划分砂土的密实度,评价,：（,1,）优点：理论上完善；,（,2,）缺点：实际上难以操作。,（二）无黏性土的物理状态,1-,穿心锤,2-,锤垫,3-,触探杆,4-,贯入器头,5-,出水孔,6-,贯入器身,7-,贯入器靴,标准贯入试验,标准贯入试验,(SPT),适用于砂土、粉土和一般黏土，它利用一定的锤击动能（锤重,63.5kg,，落距,76cm,）,将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，先按打入,15cm,，再打入,30cm,，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。,贯入阻抗用贯入器贯入土中,30cm,的锤击数,N,63.5,表示,N,63.5,也称为标贯击数。,以标准贯入试验锤击数,N,为标准,标准贯入试验,(SPT),我国现行,建筑地基基础设计规范,(GB50007-2002),采用原位标准贯入试验锤击数,N,（,N,63.5,）来评价,砂类土,的密实度。根据,N,可将砂土分为：,锤击数,N,63.5,N,63.5,10,10N,63.5,15,1530,密实度,松散,稍密,中密,密实,该试验的应用主要有评定砂土的相对密度、评定地基土承载,力、估算单桩承载力等。,碎石土,的密实度划分,砂类土,的密实度划分,碎石土密实度按重型（圆锥）动力触探锤击数划分。,重型圆锥动力探测,锤击数,N,63.5,密实度,重型圆锥动力探测,锤击数,N,63.5,密实度,N,63.5,5,松散,10N,63.5,20,中密,5N,63.5,10,稍密,20N,63.5,密实,碎石土密实度野外鉴别方法,岩土工程勘查规范,(GB50021-2001),密实度,密实,中密,稍密,孔隙比,e0.9,粉土密实度分类,湿度,稍湿,湿,很湿,含水量,(%),w30,粉土湿度分类,（三）粉土的物理状态,存在于地面以下岩石和土孔隙、缝隙和孔洞中的水。,地下水,上层滞水,潜水,承压水,五、土的渗透性,土颗粒,土中水,渗流,渗流,液体从物质微孔中透过的现象,渗透性,土允许水等液体透过的性能称为土的渗透性,为什么土体具有渗透性？,五、土的渗透性,土的渗透性研究的主要问题,渗流量问题,渗流破坏问题,渗流控制问题,基坑开挖,挡水建筑物,集水建筑物,引水结构物,地下工程,隧道工程,渗透特性,变形特性,强度特性,五、土的渗透性,概况,：,Teton,坝位于美国,Idaho,州的,Teton,河上，是一座防洪、发电、旅游、灌溉等综合利用工程。最大坝高,126.5m(,至心墙齿槽底,),。坝顶高程,1625m,，坝顶长,945m,。建于,1972-1975,年，,1976,年,6,月失事。,损失,：,直接,8000,万美元。起诉,5500,起，,2.5,亿美元，死,14,人，受灾,2.5,万人，,60,万亩土地，,32,公里铁路。,原因,：,渗透破坏水力劈裂造成管涌。,工程实例,Teton,坝,1976,年,6,月,5,日上午,10:30,左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,工程实例,Teton,坝,工程实例,11,：,00,左右，洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加。,工程实例,Teton,坝,工程实例,11:30,洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,工程实例,Teton,坝,工程实例,11,：,50,左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,工程实例,Teton,坝,工程实例,11:57,坝坡坍塌，泥水狂泻而下。,工程实例,Teton,坝,工程实例,12,：,00,过后,坍塌口加宽,工程实例,Teton,坝,工程实例,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,工程实例,Teton,坝,工程实例,失事现场目前的状况,工程实例,Teton,坝,工程实例,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,产生渗流变形，坝体失稳、坍塌,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,渗透力？,3.,渗透破坏？,工程实例,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,产生渗流变形，基坑积水、坍塌,工程实例,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,渗透力？,3.,渗透破坏？,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,工程实例,珠海祖国广场基坑失事,基坑渗流破坏,工程实例,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,地下水的影响范围？,工程实例,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,降水深度？,工程实例,降雨入渗引起的滑坡,工程实例,渗流问题：,1.,渗流力？,2.,渗入过程？,相邻两个水分子的运动轨迹相互平行而不混流,层流,渗流模型,假定：,1.,不考虑渗流路径的迂回曲折，只考虑主流方向；,2.,不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙与颗粒所占的空间均为渗流所填充。,a),实际的渗流土体,渗流模型,b),理想的渗流模型,（一）达西定律,满足条件：,1.,同一过水截面，模型渗流流量等于真实渗流流量；,2.,任意,过水截面,上模型渗流压力等于真实渗流压力；,3.,相同体积内模型渗流所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。,过水截面,(,过水界面）,水在饱和土体中渗流时，在垂直于渗流方向取一个土体截面。,渗流模型,假定在时间,t,内渗流通过过水,截面（面积为,A,）的渗流量为,Q,，,渗流速度,表达式为：,单位时间内的渗流量为,(cm,3,/s),：,渗流速度可表达为,(cm/s),：,实际平均速度与假想平均流速的关系,渗流速度,总水头,位置水头压力水头速度水头（动水头）,是渗流的总驱动能，土体中的水总是从水头高处流向水头低处,水头,：单位重量的水所具有的能量。,测管水头,水头,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。,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。,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。,在静止液体中各点的测管水头相等,位置、压力和测管水头,z,A,0,0,A,B,u,0,p,a,z,B,基准面,静水,A,点总水头：,A,B,L,h,A,h,B,z,A,z,B,h,基准面,水力梯度线,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。,水力梯度（坡降）,：单位渗流长度上的水头损失。,水力梯度,装置中,2,是面积为,A,的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为,L,的测压管。多孔滤板,3,下部放碎石，上部放颗粒均匀的砂土样。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管,4,溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从出水管,5,流入量杯,6,中，并以此来计算渗流量,Q,。,单位时间内的渗出水量,q,与水力梯度和圆筒断面积成正比，且与土的透水性质有关。,达西定律：,达西渗透试验装置示意图,结论：,0,0,反映土的渗透性强弱的指标称为,渗透系数,（,cm/s,）,h,a,b,h,2,h,1,3,达西定律,砂土,密实黏土,起始水力梯度,渗透速度与水力梯度的关系,砾类土,达西定律适用于层流，不适用于紊流,（二）达西定律的适用范围,流土：,在,向上,的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗,粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡,降达到一定的大小，都可发生流土破坏。,黏性土,k,1,0.75,0.75,0.55,0.55,0.35,0.35,0.15,200mm,的颗粒,超过全重的,50,卵石,碎石,圆形及亚圆形为主,棱角形为主,粒径,20mm,的颗粒,超过全重的,50,圆砾,角砾,圆形及亚圆形为主,棱角形为主,粒径,2mm,的颗粒,超过全重的,50,碎石土没有黏性和塑性，属于单粒结构,碎石土,砂土,粉土,黏性土,特殊土,人工填土,分类依据,:,根据土的,颗粒级配,和,颗粒形状,进行分类定名。,分类依据：,根据土的,颗粒级配,定名。,土的名称,颗粒级配,砾砂,粒径,2mm,的颗粒占全重的,25,50,粗砂,粒径,0.5mm,的颗粒超过全重的,50,中砂,粒径,0.25mm,的颗粒超过全重的,50,细砂,粒径,0.075mm,的颗粒超过全重的,85,粉砂,粒径,0.075mm,的颗粒超过全重的,50,砂土,碎石土,砂土,粉土,黏性土,特殊土,人工填土,粉土和黏性土,碎石土,砂土,粉土,黏性土,特殊土,人工填土,粉土,：塑性指数,I,P,10,，且,d0.075mm,的颗粒含量不超过全重,50%,的土称为粉土