土力学与基础工程.ppt

,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,*,土 力 学,主讲人：陈林靖,福州大学土木工程学院,岩土工程研究所,1,绪 论,土力学,是力学的一个分支，是一,门研究土的学科，是为了解决工程中有,关土的问题。,一、土力学的概念,土力学：,利用力学的一般原理,，研究土,的物理、化学和力学性质及土体在荷载、,水、温度等外界因素作用下工程性状的应,用科学,。,二、土力学的研究对象,土力学研究对象：,与工程建设有关的土。,就土木工程领域而言，,土是指覆盖在地,表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。,土与岩石的区分,仅在于颗粒间胶结的,强弱。,二、土力学的研究对象,土的形成：,土,是由地壳表层的整体岩石经受,风化,作用,后形成的大小悬殊的颗粒，经过,不同,的搬运方式,，在各种自然环境中,生成的,沉积物,。,二、土力学的研究对象,风化作用：,物理风化,：不改变原来矿物成分,化学风化,：改变原来矿物成分,生物风化,：动、植物等对岩体的破坏,二、土力学的研究对象,土的特点：,松散性,孔隙性,多相性,自然变异性,二、土力学的研究对象,土的两个延伸概念：,土具有成层性。物质组成、物理化学,状态基本一致，工程性质大体相仿的同一,层土称为,土层,。,由若干厚度不等、性质各异、以一定,上下层序组在一起的土层集合体称为,土体,。,三、土力学的研究内容,土力学不仅研究土体当前的性状，,也要分析其性质的形成条件，并结合自,然条件和建筑物修建后对土体的影响，,分析并预测土体性质的可能变化，提出,有关的工程措施，以满足各类工程建筑,的要求。,四、地基与基础,支承基础的土体或岩体称为,地基,。,地基,可分为天然地基与人工地基。,基础,是将结构承受的各种作用传递到,地基上的结构组成部分。,地基与基础设计必须满足的基本条件：,1,、作用在地基上的荷载效应（基底压应力）不得超过地基容许承载力；,2,、基础沉降不得超过地基变形容许值；,3,、挡土墙、边坡以及地基基础保证具有足够防失稳破坏的安全储备。,五、由土引起的工程问题,上海楼房倒塌事件,上海楼房倒塌事件,上海楼房倒塌事件,杭州地铁事故,杭州地铁事故,杭州地铁事故,地面开裂,杭州地铁事故,塌陷示意图,基础建在一半是软粘土,一半是砂卵石的地基上。,塔高,56.7m,。近一个世,纪以来，塔已向南倾斜了大,约,30,厘米，斜度达到,8,度，塔身超过垂直平面,5.1,米。,按南侧每年沉降,1.4mm,推算，,2003,或,2004,年斜塔可能倒塌。,比萨斜塔：,在斜塔北侧的塔基下码,放了数百吨重的铅块，并使,用钢丝绳从斜塔的腰部向北,侧拽住，还抽走了斜塔北侧,的许多淤泥，并在塔基地下,打入,10,根,50,米长的钢柱。,历时,10,年半的比萨斜塔拯救工作已全部结,束。纠偏校斜,43,8,厘米，除自然因素外，可,确保,3,个世纪内不发生倒塌危险。,比萨斜塔治理措施：,目前该塔倾斜严重塔顶,偏离中心线,2.31m,。经勘探,发现，该塔位于倾斜基岩上，,复盖层一边深,3.8m,，另一边,为,5.8m,。由于在一千余年前,建造该塔时，没有采用扩大基础，直接将塔,身置于地基上，造成了不均匀沉降，引起塔,身倾斜，危及安全。,苏州虎丘塔：,处理：,在塔四周建造一圈桩排式地下,连续,墙并对塔周围与塔基进行,钻孔注浆,和打设树根桩加固塔,身，获得成功,.,。,原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，,产生,不 均匀沉降,。,与土有关的工程问题,加拿大特朗斯康谷仓,事故：,1913,年,9,月装谷物，,10,月,17,日装了,31822,谷物时，,1,小时竖向沉降达,30.5cm,24,小时倾斜,26,53,西端下沉,7.32m,东端上抬,1.52m,上部钢混筒仓完好无损,概况：长,59.4m,，宽,23.5m,，高,31.0m,，共,65,个圆筒仓。钢混筏板基础，厚,61cm,，埋深,3.66m,。,1911,年动工，,1913,年完工，自重,20000T,。,加拿大特朗斯康谷仓,原因：,地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。,1952,年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，,谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,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米。,五、由土引起的工程问题,变形问题：,变形超过限度。,稳定问题：,受力超过限度，取决于土的强度。,六、土力学课程的特点,土力学的研究必须注意土的本质特性。,土力学的研究必须注意实践性。,土力学的研究必须注意工程实用性。,土力学是一门偏于计算的学科。,2,土的性质及工程分类,学习要求：,了解土的成因和三相组成，掌握土的,物理性质和物理状态指标的定义、物理概,念、计算公式和单位。要求熟练地掌握物,理指标的三相换算。了解地基土的工程分,类依据与准确定名。,2.1,概 述,土是由固、液、气相组成的三相分散系。,固相,包括多种矿物成分组成土的骨架，,骨架间的空隙为液相和气相填满，这,些空隙是相互连通的，形成多孔介质；,液相,主要是水；,气相,主要是空气、水蒸气。,思考：,不同的土体三相比例是固定不变的吗？,同一种土体三相比例的改变是否会对性质产,生影响呢？,土体三相比例不同，土的状态和工程性,质也随之各异，例如：,固体,+,气体（液体,=0,）为,干土,，此时粘土呈坚硬状态，,砂土呈松散状态；,固体,+,液体,+,气体为湿土,，,此时粘土多为可塑状态；,固体,+,液体（气体,=0,）为饱和土,，此时,粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，,而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑物荷载,作用发生沉降需几十年才能稳定。,2.2,土的三相组成及土的结构,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,2.2.2,土中水和气,2.2.3,土的结构和构造,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,土是岩石风化的产物。因此土粒的矿,物组成将取决于,成土母岩的矿物组成,及其,所经受的,风化作用,。成土矿物可分为两大,类：,原生矿物和次生矿物,。,原生矿物,次生矿物,由岩石经物理风化生成的。,由原生矿物经化学风化生成的新矿物。,颗粒成分与母岩的相同。,它的成分与母岩的完全不同。,常见的有石英、长石和云母。,有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物。,颗粒较粗，多呈浑圆形状。,颗粒极细，且多呈片状。,吸附水的能力弱，无塑性。,性质活泼，吸附水能力强，具塑性。,岩石,物理风化,化学风化,土,原生矿物,次生矿物,颗粒通常是由一种或几种原生矿物所组成，它的成分与母岩的相同，颗粒一般较粗，吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。,化学风化仅使岩,石产生,质,的变化,物理风化仅使岩,石产生,量,的变化,原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分与母岩的完全不同。颗粒极细，性质活泼，有较强的吸附水能力，具塑性。,土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化,土粒的大小及其组成,粘土颗粒性质,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,土粒的大小称为粒度；,大小、性质相近的土粒合并为一组,称为粒组，可划分为：,200 60 2 0.075 0.005mm,漂石 卵石 砾石 砂粒 粉粒 粘粒,划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。,粘土,细砂,粗砂,碎石,卵石,碎石,粘土,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,试验方法,筛分法,：适用于,0.075mmd60mm,沉降分析法,:,适用于,d,0.075mm,摇摆式筛析机,筛分法,0.075mm,沉降分析法,利用不同大小的,土粒在水中的沉降速,度不同来确定小于某,粒径的土粒含量。,沉降分析法,0.075mm,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,土的颗粒级配,通常以,土中各个粒组的相对含量,来表,示，称为土的颗粒级配。颗粒分析试验结,果，绘制图的粒径级配曲线。,用半对数坐,标绘制,。,纵坐标表示,小于某粒径的土重占,总土重的百分数，,横坐标,用对数坐标表示,土的粒径。,如曲线平缓表示粒径大小相差悬殊，,颗粒不均匀，级配良好；反之，则颗粒均,匀，级配不良。,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,工程上常用不均匀系数,Cu,描,述颗粒级配的不均匀程度。,曲率系数,Cc,描述颗粒级配曲,线整体形态，表明某粒组是,否缺失情况。,2.2.1,土的固体颗粒（固相）,Cu,愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把,Cu,5,的土视为级配不良的土；,Cu,5,的土视为级配良好的土,。,对于砾类土或砂类土，同时满足,Cu5,和,Cc=1,3,时，定名为良好级配砂或良好级配砾。,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径之土质量百分数（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),土的粒径级配累积曲线,d,60,d,10,d,30,C,u,C,c,0.33,0.005,0.063,66,2.41,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,小于某粒径之土质量百分数（）,10,5.0,1.0,0.5,0.10,0.05,0.01,0.005,0.001,粒径,(mm),土的粒径级配累积曲线,d,60,d,10,d,30,曲线,d,60,d,10,d,30,C,u,C,c,L,0.33,0.005,0.081,66,3.98,M,0.063,2.41,R,0.030,0.545,粒径级配累积曲线及指标的用途：,1,）粒组含量用于土的分类定名；,2,）不均匀系数,C,u,用于判定土的不均匀程度：,C,u,5,不均匀土；,C,u,3,或,C,c,1,级配不连续土,4,）不均匀系数,C,u,和曲率系数,C,c,用于判定土的级配优劣：,如果,C,u,5,且,C,c,=,1,3,，级配 良好的土；,如果,C,u,3,或,C,c,1,级配 不良的土,2.2.2,土中水和气,土中水处于不同位置和温度条件下，,可具有不同的物理状态,固态、液态、,气态。,液态水是土中孔隙水的主要存在状,态,，因其受土粒表面双电层影响程度的不,同可分为,结合水、毛细水、重力水。后两,者也称为非结合水（自由水）,。,2.2.2,土中水和气,土中的气体,成分,与大气相通 压缩性高；,与大气隔绝 降低透水性,一般空气中成分；,微生物产生可燃气体（,H,2,S,）,2.2.2,土的结构和构造,土的结构是指土粒单元的大小、形状、,相互排列及其联结关系等因素形成的综合,特征。,单粒结构,砂层，砾石层,土的结构,蜂窝结构,粉粒,絮状结构,粘粒,2.2.2,土的结构和构造,1,、单粒结构,密实状态,疏松状态,2.2.2,土的结构和构造,2,、蜂窝结构,3,、絮状结构,蜂窝结构,絮状结构,2.2.2,土的结构和构造,土的构造,土的构造是指土体中各结构单元之间,的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土,的不均匀性。,2.2.2,土的结构和构造,土的结构和构造的概念区别,：,土的结构,：指的是微观结构，借助于显微镜对实,体扫描、放大鉴定到的细节。,土的构造,：是指整个土层（土体）空间构成上特,征的总和，借助肉眼或放大镜鉴别。,2.3,土的物理性质指标,土是三相分散体系；从物理性质上可,利用,三相在体积上和重量上的比例关系,来,反映,土的干湿程度和松密程度,。反映三相,关系的指标称为,基本物理性质指标,。,2.3,土的物理性质指标,可分为两类：,一类是必须通过试验测定的，如含水,率、密度和土粒比重，称为,直接指标,；,另一类是根据直接指标换算的，如孔,隙比、孔隙率、饱和度等，称为,间接指标,。,2.3,土的物理性质指标,一、土的三相图（,已知的关系,）,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,质量,m,(,mass,),体积,V,(,volume,),V,v,孔隙,v(,vacancy,),气相：,air,液相：,water,固相：,solid,2.3,土的物理性质指标,二、基本指标,3,个,1,、,土的密度,：单位体积土的质量,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,V,v,质量,体积,工程中常用重度,来表示单位体积土的重力,2.3,土的物理性质指标,测定方法：,环刀法,环刀法,2.3,土的物理性质指标,2,、,土的含水量,土中水的质量与土粒质量之比，,以百分,数表示,。,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,V,v,质量,体积,2.3,土的物理性质指标,测定方法：,烘干法,酒精燃烧法,2.3,土的物理性质指标,3.,土粒相对密度,d,s,（土粒比重）,土的固体颗粒质量与,同体积,4,时纯水的质量,之比，称为土粒相对密度,（或比重）。,比重瓶法,2.3,土的物理性质指标,干密度,d,：单位体积土中固体颗粒部分,的质量。,气,土粒,m,s,m,V,s,V,V,a,质量,m,体积,V,2.3,土的物理性质指标,不同状态下土的密度和重度,饱和密度,sat,：土体中孔隙完全被水充,满时的土的密度。,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,质量,m,体积,V,2.3,土的物理性质指标,有效密度,：土单位体积内土粒质量与,同体积水的质量之差。,气,水,土粒,m,s,m,w,m,V,s,V,w,V,V,a,V,v,质量,体积,2.3,土的物理性质指标,土的三相比例指标中的质量密度指标共,有,4,个,:,土的密度,，饱和密度,sat,，,干密度,d,，有效密度,单位：,(kg/m,3,);,2.3,土的物理性质指标,相应的重度指标也有,4,个,:,土的重度,，饱和重度,sat,，,干重度,d,，有效重度,单位：,(kN/m,3,),这些物理指标侧重评价土的作为荷载,体的性质。,2.3,土的物理性质指标,4,、换算指标,6,个,孔隙比,e,和孔隙率,n,孔隙比,e,：土中孔隙体积与土粒体积之比,孔隙率,n,：土中孔隙体积与总体积之比，,以百分数表示,。,2.3,土的物理性质指标,土的饱和度,S,r,土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，,以百分数表示,。,2.3,土的物理性质指标,饱和度描述土中,孔隙被水充满的,程度。,干土,S,r=0;,饱和土,S,r=100%,。,砂土根据饱和度,分为三种状态,:,S,r,50%,稍湿；,50,S,r,80%,很湿；,S,r,80%,饱和。,三相草图法,Water,Air,Soil,V,a,V,w,V,s,V,v,V,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,体积,常用的物理性质指标间的换算关系,（一）,孔隙比与孔隙率的关系,设土体内土粒的体积为,1,，则,e,=,V,v,/,V,可知，孔隙的体积,V,v,为,e,，土体的体积,V,为（,1,e,），于是有：,（二）,干密度与湿密度和含水率的关系,设土体的体积,V,为,1,，则,d,=,m,s,/,V,，土体内土粒的质量,m,s,为,d,，由,w,=,m,w,/,m,s,，,水的质量,m,w,为,w,d,。于是，按定义可得：,（三）,孔隙比与比重和干密度的关系,设土体内土粒的体积为,1,，则按,e,=,V,v,/V,s,，孔隙的体积,V,v,为,e,；由,s,m,s,/,V,s,，,得土粒的质量,m,s,为,s,。于是，按,d,的定义可得：,整理得：,（四）,饱和度与含水率、比重和孔隙比得关系,设土体内土粒的体积为,1,，则按,e,=,V,v,/,V,s,，,得体积,V,v,=,e,；由,s,m,s,/,V,s,，,得土粒的质量,m,s,=,s,。按,w,=,m,w,/,m,s,，水得质量,m,w,=,w,s,，则水得体积,V,w,=,m,w,/,w,=w,s,/,w,。于是，,S,r,定义可得：,当土饱和时，即,Sr,为,100,，则：,式中：,w,sat,饱和含水率。,（五）,有效密度与比重和孔隙比得关系,设土体内土粒体积为,1,，则按,e,=,V,v,/,V,s,，孔隙的体积,V,v,为,e,；由,s,m,s,/,V,s,得土粒的质量,m,s,为,s,。于是，则可得：,2.3,土的物理性质指标,【,例,】,某土样经试验测得体积为,100cm,3,，湿土质量为,187g,，烘干后，干土质量为,167g,。若土粒的相对密度,d,s,为,2.66,，求该土样的含水量,、密度,、重度,、干重度,d,、孔隙比,e,、饱和重度,sat,和有效重度,。,【,解答,】,习题,1,有一完全饱和的原状土样切满于容积,为,21.7cm,3,的环刀内，称得总质量为,72.49g,，,经烘干至恒重为,61.28g,，已知环刀质量为,32.54g,，土粒相对密度为,2.74,，试求该土样,的密度、含水量、干密度及孔隙比。,习题,2,某原状土样，试验测得土的天然密度为,1.7t/m,3,，含水量为,22%,，土粒相对密度,2.72,。,试求该土样的孔隙比，孔隙率，饱和度、干,重度、饱和重度及浮重度。,习题,3,一干砂试样的密度为,1.66g/cm,3,，土粒,相对密度为,2.70,，将此干砂试样置于雨中，,若砂样体积不变，饱和度增加到,0.60,，试计,算此湿砂的密度和含水量。,2.4,无粘性土的密实度,所谓土的物理状态，,对于无粘性土是指,土的密实度；对于粘性土是指土的软硬,程度或称粘性土的稠度,。,土的密实度通常是指单位体积中固,体颗粒充满的程度,.,密实度反映无粘性,土工程性质的主要指标。,判别砂土的密,实度有以下三种方法,。,1.,用孔隙比,e,为标准,表,1,砂土的密实度（,74,规范）,密实度,土的名称,密实,中密,稍密,松散,砾砂、粗砂、中砂,e0.6,0.6,e0.75,0.75,e0.85,e0.85,细砂、粉砂,e0.7,0.7,e0.85,0.85,e0.95,e0.95,评价：（,1,）,优点,简捷方便；,（,2,）,缺点,无法反映土的粒径级配因素。,2.,用相对密实度,Dr,为标准,Dr,土的相对密实度；,e,max,土的最大孔隙比；,e,min,土的最小孔隙比；,e,土的天然孔隙比。,评价,：（,1,）,优点 理论上完善；,（,2,）,缺点 实际上难以操作。,e,min,=0.35,e,min,=0.20,e,max,:,最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比,e,min,:,最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比,e,max,与,e,min,：,最大与最小孔隙比,注：,室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难,粗粒土的密实状态指标,判别标准：,D,r,=1 ,最密状态,D,r,=0 ,最松状态,D,r,1/3 ,疏松状态,1/3 2/3 ,密实状态,相对密度,3.,用标准贯入试验,N,为标准,该实验的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。,标准贯入试验,(SPT),是动,力触探的一种，它利用一,定的锤击动能（,锤重,63.5,kg,，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，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,N63.5,表示,，,N63.5,也称为标贯击数。,2.5,粘性土的物理特性,粘性土：具有可塑性质的土，在外力作,用下，可塑成任何形状而不发生开裂；当外,力取消后，仍可保持原来形状不变。,土的这种性质称为,可塑性,。,稠度,是指土的软硬程度或土受外力作用,所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最,主要的物理状态特征。,粘性土的软硬状态,也称,稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,2.5,粘性土的物理特性,塑限,p,液限,l,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态或,半固态,塑态,流态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,土中水的形态,w,2.5,粘性土的物理特性,0,固态或半固态,可塑状态,流动状态,塑限,P,液限,L,粘性土的界限含水量图,界限含水量,粘性土由一种状态转到另一种,状态时的分界含水量。,液限,w,L,流动状态与可塑状态间的分界含水量,塑限,w,p,可塑状态与半固体状态间分界含水量,缩限,w,s,半固体状态与固体状态间分界含水量,（亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的,含水率。）,测试方法,1.,用搓条法测定塑限,w,p,2.,用平衡锥式液限仪测定液限,w,L,3.,采取的液限塑限联合测定法,1.,用搓条法测定塑限,w,p,搓条法,：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,2.,用平衡锥式液限仪测定液限,w,L,判断标准：若圆锥体经,15,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,。,锥式液限仪,3.,采取的液限塑限联合测定法,液塑限联合测定仪,圆锥入土深度与含水量关系,下沉深度为,10mm,所对应的含水量,为,液限,;,下沉深度,为,2mm,处所对应,的含水量为,塑限,。,2.5,粘性土的物理特性,粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数,I,P,是液限和塑限的差值,(,习,惯上不带,%,表示,),，即土处在可塑状态的含,水量变化范围。,2.5,粘性土的物理特性,塑性指数的大小,取决于土颗粒吸附结合,水的能力，即与土中粘粒含量有关,。,I,P,越大，,表明土的颗粒越细，比表面积越大，土的粘,粒含量就越高，土处于可塑状态的含水量变,化范围就越大。粘粒含量越多,塑性指数就,越高。,塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,缺点：不能充分,反映粘土颗粒含量,不同的粘土矿物结合水的能力不同,去掉百分号,2.5,粘性土的物理特性,2-,107,原生矿物,石英,、,长石,、,云母,等,次生矿物,主要是,粘土矿物，包括三种类型,高岭石,、,伊里石,、,蒙脱石,粘土矿物,:,由硅片和铝片构成的晶包所组合而成,2-,108,硅片的结构,2-,109,铝片的结构,2-,110,粘土矿物的晶格构造,高岭石,蒙脱石,伊利石,粒径,比表面积,胀 缩 性,渗 透 性,强度,压 缩 性,大,10-20m,2,/g,小,大,大,小,中,80-100m,2,/g,中,中,中,中,小,800m,2,/g,大,小,小,大,比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积,9,克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大,2.5,粘性土的物理特性,液性指数,I,L,是粘性土的天然含水量和,塑限的差值与塑性指数之比。,2.5,粘性土的物理特性,液性指数表征土的天然含水量与界限,含水量间的相对关系。当,I,L,0,时,P,土处于坚硬状态,;,当,I,L,1,时,L,土处,于流动状态。,根据,I,L,值可以直接判定土的,软硬状态。,问题：仅适用于重塑土,2.5,粘性土的物理特性,状态,液性指数,坚硬,硬塑,可塑,软塑,流塑,I,L,0,0,I,L,0.25,0.25,I,L,0.75,0.75,I,L,1,I,L,1,粘性土的状态,灵敏度（,St,）,（,1,）,定义：,是指粘性土的原状土的无侧限抗压,强度,q,u,与重塑土的无侧限抗压强度,q,u,比值，,用,S,t,表示。,S,t,=q,u,/q,u,（,2,）,物理意义,：,反映了粘性土的结构性的强弱。,（,3,）,工程应用,：,保护基槽，以免破坏破坏其结构，降低地基强度。,原状土,结构性,相同含水,量密度,粉碎,重塑,重塑土,强度降低,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。,粘性土的触变性,2.5,粘性土的物理特性,2.6,土的渗透及渗流,土体是由多相组成的，在其孔隙中存,在着气、液相介质。,当孔隙连通且不同位,置存在水位差时,，流体可在不平衡的势能,情况下发生流动。,碎散性,多孔介质,三相体系,能量差,孔隙流体流动,渗流,渗透性,土具有被水、气等液体透过的性质,水、气等在土体孔隙中流动的现象,2.6,土的渗透及渗流,在,水头差的作用下，流体可以透过土,体孔隙而产生流动。这种现象称为渗流。,对于饱和土，流体是水；对于非饱和土，,流体是水和空气。,土体具有被流体透过的性能，称为土的,渗透性。,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,2.6,土的渗透及渗流,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,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,漏斗状潜水面,Q,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,达西定律,1856,年法国学者,Darcy,对,砂土,的渗透性进行研究,结论：,水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,v=ki,达西定律,水力梯度，即沿渗流方向单,位距离的水头损失,达西定律的适用范围,达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。,(a),细粒土的,v-i,关系,(b),粗粒土的,v-i,关系 颗粒极细的粘土 砂土、一般粘土,;,A,V,：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,V,s,：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A,A,v,A,v,Q,V A,V,s,A,v,渗透系数的确定,1.,实验室测定法,2.,现场测定法,3.,经验估算法,常水头,试验,整个试验过程中水头保持不变,适用于透水性大（,k,10,-3,cm/s,）的土，例如砂土。,时间,t,内流出的水量,Q,渗透系数的确定,室内试验方法,2,变水头试验法,试验装置：,如图,试验条件,:,h,变化，,A,，,L,=cons,t,量测变量,:,h,，,t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于：,透水性较大的砂性土,2.,现场测定法,有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数,k,值。,(a),无压完整井抽水试验,;(b),无压非完整井抽水试验,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,缺点：费用较高，耗时较长,3.,经验估算法,1991,年 哈森提出用有效粒径,d,10,计算较,均匀砂土的公式,:,1955,年，太沙基提出考虑土体孔隙比,e,的经验公式,:,2.6,土的渗透及渗流,影响渗透系数的因素,1,、土粒大小与级配,细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,2.6,土的渗透及渗流,2,、土的密实度,同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。,2.6,土的渗透及渗流,3,、土中封闭气体含量,土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。,2.6,土的渗透及渗流,4,、土的矿物成分,粘土矿物的结合水占据孔隙,蒙脱土膨胀，阻塞孔隙；,淤泥不透水,含有机质。,2.6.2,二维渗流及流网,渗流中的水头与水力坡降,伯努利方程（液体流动能量方程）,h,：总水头,水头：单位质量水体所具有的机械量,h,z,：位置水头,u/,g,w,：压力水头,v,2,/2g,：流速水头,流速水头,0,由,总水头高,的点向,总水头低,的点渗流,2.6.2,二维渗流及流网,渗流中的水头与水力坡降,水力坡降,A,B,L,h,1,h,2,z,A,z,B,h,0,0,基准面,水力坡降线,A,点总水头：,B,点总水头：,水力坡降：,2.6.2,二维渗流及流网,在实际工程中，渗流问题的边界条件,往往比较复杂，其严密的解析解一般都很,难求得。因此对渗流问题的求解，,最常用,的是图解法即流网解法,。,2.6.2,二维渗流及流网,流网的几个基本概念,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。,基本要求,1.,正交性：流线与等势线必须正交,H,h,0,l,s,l,s,2.,各个网格的长宽比,c,应为常数。取,c=1,，即为曲边正方形,3.,在边界上满足,流场边界条件要,求，保证解的唯,一性。,2.6.2,二维渗流及流网,近似作图法,（手描法）,其步骤大致为：,先按流动趋势画出流线，然后根据流网,正交性画出等势线，形成流网。如发现所画,的流网不成,曲边正方形,时，需反复修改等势,线和流线直至满足要求。,流网的特点：,等势线上各点测管水头,h,相等；,相邻等势线间的水头损失相等；,各流槽的渗流量相等。,H,h,0,l,s,l,s,测管水头,h,实际应用,确定孔压,确定流速,确定流量,水力坡降,H,h,0,l,s,l,s,h,2,h,1,h,2,1,L,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差,h,土体对水流的阻力应为：,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为,h,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力,J,和土粒对水流的阻力,F,大小相等，方向相反,渗流作用于土体的力：,2.6.3,渗流力与渗流稳定性分析,渗流力,渗流水流施加于单位土粒上的拖曳力。,2.6.3,渗流力与渗流稳定性分析,渗流作用于单位土体的力,说明：,渗透力,j,是渗流对单位土体的作用,力，是一种体积力，其大小与水力坡降成,正比，作用方向与渗流方向一致，单位为,kN/m,3,a,b,c,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响。,2.6.3,渗流力与渗流稳定性分析,临界水头梯度,G,J,当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水头梯度。,2.6.3,渗流力与渗流稳定性分析,或,在工程计算中，将土的临界水头梯度除以某一安全系数,Fs(2,3),，作为允许水头梯度,i,。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水头梯度控制在允许坡降,i,内,2.6.3,渗流力与渗流稳定性分析,【,例,】,某土坝地基土的比重,ds=2.68,，孔隙比,e=0.82,，下游渗流出口处经计算水力坡降,i,为,0.2,，若取安全系数,Fs,为,2.5,，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏？,2.6.3,渗流力与渗流稳定性分析,【,解答,】,临界水力坡降,允许水力坡降,由于实际水力坡降,i,i,，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏,。,2.6.4,渗透破坏与控制,渗流,土体内部应力状态变化,土体的局部稳定问题,土体的整体稳定问题,管涌、流土等,水库塌岸,岸坡、土坝在水位,降落时,引起的滑动,整体破坏水库塌岸,渗透变形的形式,按照渗透水流引起的局部破坏特征，,渗透变形可分为,流土,和,管涌,两种基本形式。,流土是指在渗流作用下局部土体表面,隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。,它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处,。,基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象,是流土的一种常见形式。,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。,粘性土,k,1,k,2,砂性土,k,2,坝体,渗流,流土,流土,管涌,管涌,原因：,内因,有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,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,。,管涌破坏,管涌,管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗,土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的,现象。,主要发生在砂砾土中,。,2002.8.22,湘江大堤望城靖港镇东湖责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。大堤从凌晨,1,时出现的险情到下午,5,点得到了完全控制。,最大的管涌处,最大的管涌处,土的类型与渗透变形型式,粘性土,无粘性土,过渡型土,只有流土而无管涌,与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关,与密度有关，大密度流土，小密度管涌,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.,防治措施,增大,i,：,下游增加透水盖重,防治,流土,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,减小,i,：,上游延长渗径；,下游减小水压,防治,管涌,改善几何条件：,设反滤层等,改善水力条件：,减小渗透坡降,管涌的治理,反滤倒渗,管涌的治理,反滤围井,管涌的治理,蓄水反压,2.7,土的动力特性,荷 载,静荷载,动荷载,天然：地震、风、波浪等,人工：车辆荷载、爆破、打桩、机械振动等,2.7,土的动力特性,压土机对路基,进行压实,2.7.1,土的压实原理,压实原理：,对土体施加外部能量，使得土颗粒靠,近，将其中的气体驱赶出来，使得土体干,密度提高，强度增大。,2.7.1,土的压实原理,对于,粘土,：过湿的情况，难以压实；,很干的情况，也不能充分压实；,在适当的含水量范围内才能压实。,对于,粗粒土,：在完全干燥或者充分洒水饱和,的情况下容易压实到较大的干,密度。,2.7.1,土的压实原理,在一定的压实功能下使土最容易压实，,并能达到最大密度时的含水量称为,土的最,佳含水量,，用,表示；与其相对应的干密,度则称为,最大干密度,。,2.7.2,击实试验及其影响因素,击实筒,护筒,击锤,导筒,击实试验,土,轻型击实试验（试验课）,击实筒容积为,997cm,3,击锤质量为,2.5kg,击锤落高为,30cm,分,3,层击实，每层,27,击,根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度,实验步骤：,1,、制作预定含水量的松散土样,2,、击实，测量击实试样质量,m,得,湿,=m/V,3,、测量土样含水量,4,、计算得到,d,=,湿,/(1+,),5,、绘制,d,曲线,2.7.2,击实试验及其影响因素,击实曲线,2.7.2,击实试验及其影响因素,dmax,d,0,op,击实曲线,1.,含水率的影响,2.7.2,击实试验及其影响因素,当含水量较低时，击实后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的继续增加反而使得干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的,最大干密度,，与它对应的含水量称为,最佳含水量,。,2.7.2,击实试验及其影响因素,说明,：当击数一定时，只有在某一含水量下才获得最佳的击实效果。,2.7.2,击实试验及其影响因素,2,、击实功能的影响,0,d,击数,40,30,20,饱和线,2.7.2,击实试验及其影响因素,1,）土料的最大干密度和最佳含水量,不是常数,。最大干密度随击数的增加而逐渐,增大,最佳含水量逐渐,减小,。然而，这种变化速率是递减的。同时，光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的。,2.7.2,击实试验及其影响因素,2,）,当含水量较低时击数的影响较显著,。当含水量较高时，含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线，这时提高击实功能是无效的。,2.7.2,击实试验及其影响因素,3,、土类和级配的影响,击实试验表明，在相同击实功能下，粘性土粘粒含量愈高或,塑性指数愈大,，压实愈困难，最大干密度愈小，最优含水量愈大。,2.7.2,击实试验及其影响因素,无粘性土的击实曲线,无粘性土,的击实曲线,和粘性土击实曲线不,同，在含水量较大时,得到较高的干密度，,因此在无粘性土实际,填筑中，通常要不断,洒水使其在较