土質學與土力學（全套課件）

1、土質學與土力學,緒論土質學與土力學的概念,土質學是一門研究土的組成、化學-物理-力學性質，以及它們之間的相互關系的學科 土力學是一門研究土體滲流、壓縮和強度三個主要課題的學科,土質學與土力學的研究對象,研究對象：土 土的性狀變化很大，土力學理論依靠較多的簡化假設，因此在處理工程中的土力學問題時，不能單憑數(shù)學和力學的方法，我們同時需要室內和野外的測試手段，實地觀察和經驗判斷。,土質學與土力學學習的基本要求

2、,了解土的基本物理力學性質、掌握若干主要土工實驗的基本原理和一般方法了解土體在承受荷載后或改變其周圍環(huán)境后的性能、變化規(guī)律掌握一般水工建筑物設計中有關土力學內容的計算方法。,土質學與土力學的學習方法,學習土質學與土力學，必須特別注意認識土的特點多樣性易變性土質學與土力學密切結合專業(yè)和實踐的一門課程，學習中不但要著重于基本概念的理解，掌握計算方法而且要學會初步解決實際問題的能力。,土質學與土力學與其他課程的關系,土質學與土力學屬

3、于技術基礎課，它在一般基礎課和專業(yè)課之間起到承上啟下的作用。先行課程：材料力學、結構力學、彈性理論初步、工程地質學與水文地質學、水力學后續(xù)課程：水工結構、地基及基礎土質學與土力學是一門邊緣學科，它所設計的自然科學范圍很廣，除了和力學領域內各鄰近學科有密切關系外，它還涉及到普通地質學、物理、化學等方面的知識領域。,土質學與土力學的發(fā)展簡史,土質學與土力學是一門既古老、又新興的學科，人類很早就懂得廣泛利用土進行工程建設（我國的長城、南

4、北大運河）直到十八世紀中葉，人類對土在工程建設方面的特性，尚停留在感性認識階段。,土質學與土力學的發(fā)展簡史,十八世紀產業(yè)革命后，提出了大量與土力學有關的問題和不少成功的經驗，特別是一些工程事故的教訓，迫切促使人們去尋求理論的解釋，并要求永通過實踐檢驗的理論來直到以后的工程實踐。筑城學（歐洲） 墻后土壓力問題鐵路、公路、水利工程 土坡穩(wěn)定問題半經驗分析階段,土質學與土力學的發(fā)展簡史,二十世紀，隨著土建規(guī)模

5、的擴大，促使人們全面地系統(tǒng)地對土的力學性質作理論和實踐研究，科學技術不斷發(fā)展，世界不少國家分分成立專門土力學研究機構，重點研究。十八世紀二十年代，著名的土力學家太沙基的土力學專著《土力學》問世，標志著土力學作為一門獨立的較系統(tǒng)而完整的學科，自1936年以來，已召開了十一屆國際土力學和基礎工程學術會議。近四十年來，由于尖端科學、生產發(fā)展的需要，土力學的研究領域又有了明顯的擴大土動力學、凍土力學、海洋土力學、月球土力學同時巖石力學也

6、已與土力學分離而單獨稱為一門學科。,第一章 土的物質組成和結構構造 第一節(jié) 土的概況,土的概念： 在土木工程領域，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)分僅在于顆粒膠結的強弱，所以，有時也會遇到難以區(qū)分的情況。,土的來源,土根據(jù)來源可分為 無機土：巖石風化 天然土 土是巖石風化的產物 有機土：腐殖土， 由植物完全或部分分解的堆積物具有高壓縮性、

7、低強度，為不良建筑物地基風化： 物理風化：溫度 應力 巖石開裂 水的凍脹 裂縫張開 巖石開裂 波浪沖擊 地震 風 沙礫沖擊 巖石破裂 化學風化：巖石與空氣、水和各種溶液相接

8、觸經 氧化 炭化 作用 分解成細小的顆粒 致使巖石的礦物成分發(fā)生變化 水化 在自然界，物理風化和化學風化是同時或交替進行的，所以任何一種天然土通常既是物理風化的產物，又是化學風化的產物。,土的種類,殘積土： 巖石風化后仍然留在原地的堆積物。殘積土的厚度和風化程度主要取決于氣候條件和

9、暴露時間，其明顯特征是顆粒多為角粒，且母巖種類對殘積土的性質有顯著影響。(優(yōu)良母巖、質地不良母巖)。運積土： 經流水、風和冰川等動力搬運離開產地的堆積物。分為 河流運積土 風積土 冰川沉積土 沼澤土（腐植土）,河流沉積土,水沖積形成的，上游顆粒粗，下游顆粒細，故： 上游：強透水，引起滲漏和滲透變形問題。 下游：地基土

10、的高壓縮性和低強度引起的基礎沉降和穩(wěn)定問題，同時要考慮滲透變形問題。,風積土,黃土典型特點：濕陷性，所謂濕陷性指黃土未浸水時，含水率低，一般10%左右，仍能維持陡壁或承受較大的建筑物荷載，可一旦濕水，其膠結強度會迅速降低，會在自重或建筑物荷載下劇烈下沉，黃土的這種性質稱為濕陷性。,冰川沉積土,未經水流搬運，直接從冰層中擱置下來的冰磧土。其特點是：不成層，性質一般不均勻，可作為土石壩的不透水材料，而化學膠結的冰磧土具有很高的密實性，

11、常常是極好的建筑物地基。冰水沖積土：由冰川融化水搬運、堆積在冰層外圍的沖積土，具有與河流沖積土類似的性質，是優(yōu)良的透水材料和混凝土骨料。,第二節(jié) 土的三相組成,土是由固體顆粒和顆粒之間的孔隙所組成，而孔隙中通常存在著水和空氣兩種物質，因此，土是固體顆粒、水、空氣組成的混合物，常稱為土的三相系。根據(jù)研究組成土的三個部分固相、液相和氣相所占用的比例不同對土的工程性質有著很大的影響。固相：土粒、粒間膠結物、有機質 骨架液相：水及其

12、溶解物氣相：空氣及其他氣體飽和土：土骨架孔隙全部被水占滿時。干土：土骨架的孔隙僅含空氣濕土：地下水位以上，地面以下一定深度內兼含空氣和水，屬三相系，稱為濕土。,一、土的固相 （一）成土礦物（二）土粒的粒組（三）土粒的分析方法（四）土粒的級配,（一）成土礦物 土是巖石風化的產物，土粒的礦物成分取決于成土母巖的礦物成分風化后的風化作用，一般可分為兩類：原生礦物：石英、長石、云母；巖石物理風化生成的土粒，土粒

13、較粗，多呈渾圓狀、塊狀或板狀，吸附水的能力較弱，性質穩(wěn)定，無塑性。次生礦物：化學風化的產物，性質與母巖完全不同，一般為粘土礦物。,成土礦物 砂粒一般由石英構成，其次是長石、云母。 粘粒包含由次生礦物構成的極細土粒，粘粒含量增加，土的透水性減小，可塑性和壓縮性增高。,土粒的粒組 天然土由無數(shù)大小不同的土粒組成，逐個研究它們的大小是不可能的，統(tǒng)稱是將工程性質相近的土粒合并成一組稱為粒組。 漂石粒卵石粒 礫 粒砂

14、粒粉 粒粘 粒膠 粒巨粒組 d>60mm粗粒組 60mm～0.075mm細粒組 d<0.075mm,（三）土粒的分析方法 土的性質取決于各不同粒組的相對含量。為了確定各粒組的相對含量，必須用試驗方法（顆分試驗）將各粒組區(qū)分開來，最常用的顆分試驗方法有篩分法和比重計法兩種。,篩分法： 適用于粒徑大于0.075mm的土 利用一套孔徑由大到小的篩子，將事先稱過質量的干試樣放入

15、篩中，經過充分震搖后，把留在各級篩上的土粒分別稱量，算出小于某粒徑的土粒含量，用以確定土中各粒組的土粒含量,篩分法： 適用于粒徑大于0.075mm的土,,比重計法： 適用于粒徑小于0.075mm的土 比重計法是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。將一定質量土浸入水中攪拌成懸液，攪拌停止后，土粒便開始下沉，懸液的濃度隨之發(fā)生變化。利用特制的密度計，在不同時刻測懸液濃度的變化。即可換算出相應

16、的粒徑及小于該粒徑的土粒質量，繪出級配曲線。,比重計法： 適用于粒徑小于0.075mm的土,,顆粒分析試驗曲線 試驗結果可繪制在半對數(shù)紙上縱坐標：小于某粒徑的土粒含量橫坐標：使用對數(shù)尺度表示土的粒徑，可以把粒徑相差上千倍的粗粒都表示出來，尤其能把占總重量少，但對土的性質可能有總要影響的顆粒部分清楚地表達出來,顆粒分析試驗曲線,顆粒分析試驗曲線,土粒的級配——級配的概念 土的級配 指土中各粒組的相對含量，用土?？傊?/p>

17、的百分數(shù)表示 正常級配：土的顆粒大小分布是連續(xù)的，曲線坡度是漸變的 不連續(xù)級配：土中缺乏某些粒徑的土粒，曲線出現(xiàn)水平段 級配良好：粒徑分布曲線形狀平緩，土粒大小分布范圍廣，土粒大小不均勻 級配不良：粒徑分布曲線形狀較陡，土粒大小分布范圍窄，土粒均勻,土粒的級配——級配的概念 為了判別土粒級配是否良好，常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc兩個指標來描述粒徑曲線的坡度和形狀。,土粒的級配——顆分曲線分析土的粒徑范圍窄，分布曲線陡 ，

18、d10和d60靠近，土的不均勻系數(shù)小，表示土粒均勻 土的粒徑范圍寬，分布曲線緩， d10和d60相距遠，土的不均勻系數(shù)大，表示土粒不勻Cu大 不均勻 有細粒土填空 壓密度大 Cu小 均勻 無細粒土填空 壓密度小,,,,,,,土粒的級配——顆分曲線分析對于級配不連續(xù)的情況，有時Cu雖然大，但滲透穩(wěn)定性一樣不好，故Cu雖大，但

19、并不表明土粒級配良好，還要用Cc來衡量， Cu和Cc描述了級配曲線整體特征，可描述土級配的好壞。,Cc大,Cc小,,,臺階分布在,臺階分布在,土粒的級配——顆分曲線分析級配的好壞由土粒的均勻程度和粒徑分布曲線的形狀去定。,同時滿足，級配良好,規(guī)范規(guī)定：,二、土的液相 土的液相是水及各離子的溶液，其含量及性質明顯地影響土，尤其是粘性土的性質，如增加水平，可使土地狀態(tài)由堅硬變?yōu)榭伤?，甚至成為流動狀態(tài)的土漿。 土中水可分為下列各類：

20、結晶水、結合水、自由水,結晶水：土粒礦物內部的水 存在礦物結晶中的水，只有在高溫（大于105℃）下，才能使之從礦物中析出，故可將它視作礦物本身的一部分。,結合水：與土粒表面結合的水結合水是指附著在土粒表面呈薄膜狀的水，受土粒表面引力作用而不服從靜水力學規(guī)律，其冰點低于零度。它比普通水有較大的粘滯性，較小的能動性和不同的密度 。粘土礦物顆粒具有較強的與水相互作用的能力，稱之為親水性。這種親水性的土粒表面常常帶有負電荷，電荷的大小

21、與土粒表面積大小有關。常用比表面積來表示電荷對土粒性能的影響。比表面積大 電荷作用能力強,,結合水：強結合水土粒表面的負電荷吸引著周圍極化了的水分子，靠近土粒表面的地方引力最大，土粒周圍的水分子和離子被吸引在土粒表面附近，排列十分緊密，失去常見水的某些特性，通常把靠近土顆粒表面的一層水稱為強結合水。,吸著水：弱結合水土粒表面的引力隨離開土粒表面的距離增大而迅速降低，距土粒表面稍遠的地方，水分子雖仍為定向排列，但

22、不如強吸著水那么緊密和嚴格，因此這層水有可能由水膜較厚處緩慢地遷移到另一土粒上去，這種運動與重力無關。這層水不能傳遞靜水壓力，稱之為弱結合水。,結合水與土的物理力學性質土粒為弱結合水分隔時，由于土粒相互受到土粒表面引力的作用，因而在土顆粒間表現(xiàn)一定的聯(lián)接強度。弱吸著水越薄，土粒間距越小，引力越高，這時聯(lián)接性就越強，土粒就越不易發(fā)生移動。反之弱結合水越厚，引力降低，聯(lián)接性間拖，就越易于移動。弱吸著水厚度的變化，會使土的物理力學性質發(fā)生改

23、變。,結合水示意圖,自由水（毛細管水、重力水） 自由水指土粒表面引力作用范圍意外的水，與普通水一樣，受重力支配，能傳遞靜水壓力并具有融解作用 。,自由水——毛細管水,細水通道,自由水上升,毛細管水,,,,,,重力,,表面張力,毛細管水上升高度的影響因素孔隙大小和形狀 粒徑尺寸 水的表面張力,毛細管水——假凝聚力,毛細管壓力,,,,沙坑倒塌,負孔隙水壓力,可使土粒相互擠緊，可使無粘性土也象有粘聚力似得。由毛細管壓力所造成無

24、粘性土間的連接力，稱之為假粘聚力 。,重力水 重力水是在重力和水位差作用下能在土中流動的自由水。它是土中其它類型水的來源。重力水具有融解能力，能傳遞靜水和動水壓力，并對土粒起浮力作用 。應當指出，水是土的一個重要組成部分。根據(jù)實用觀點，一般認為它不承受剪力，但能承受壓力和一定的吸力；同時，說的壓縮性很小，在通常所遇到的壓力范圍內，它的壓縮量可以忽略不計,三、土的氣相,與大氣相通,,無影響，易擠出,與大氣不相通（空氣、水氣、天然氣）,

25、,壓力作用下可壓縮或融解,,封閉氣體對土的性質有較大影響，導致滲透性減小，彈性增大，拖延土的壓縮和膨脹變形隨時間的發(fā)展過程 。,第三節(jié) 土的結構和構造,土的結構——概念土的結構是指土粒相互排列及粒間聯(lián)結能力，土的結構是在成土過程中逐漸形成的，它與礦物成份、顆粒形狀、沉積條件相關。,土的結構——土粒間的相互作用,外力,內力,,,荷 載重力場,化學鍵分子鍵,,,土顆粒平衡,土的結構——土粒間的相互作用在組成土的顆粒中，大多數(shù)

26、粘土顆粒是呈片狀或針狀的，有非常大的比表面積，在一定條件下粒間作用力與其重力相比將占優(yōu)勢，從而影響到細粒土在沉積過程中的組構和性狀。,土的結構——土粒間的相互作用,,范得華力,轉動,,,相吸,短程力,,土的結構——土粒間的相互作用在兩個土粒相互靠近時，使顆粒表面吸著水層相互搭接，吸著水層中的陽離子不足以平衡土粒上的凈負電荷就發(fā)生粒間斥力。其大小取決于溶液的性質，并隨粒間間距的指數(shù)函數(shù)遞減。,土的結構——土粒間的相互作用,土的結構—

27、—土粒間的相互作用當溶液中陽離子濃度高（吸著水薄）時，只有在粒間間距較小時，才會產生粒間斥力。當溶液中陽離子濃度低（吸著水厚）時，則較大的粒間間距就產生了粒間斥力，而且相同粒間間距斥力也較大。,土的結構——土粒間的相互作用粒間間距較小時，不管溶液中的陽離子濃度如何，粒間力總是凈引力。隨著粒間間距的增加，溶液中的陽離子濃度高時，粒間力還是凈引力；當陽離子濃度低時，粒間力就成為凈斥力。,土的結構——類型單粒結構 蜂窩結構

28、絮狀結構,單粒結構特點： 土粒間存在點與點的接觸，隨著它的形成條件的不同，可形成密實的或者疏松的狀態(tài)。,單粒結構——疏松狀態(tài)疏松狀態(tài)： 在荷載作用下，特別是在震動荷載作用下會使土粒移向更穩(wěn)定的位置而更加密實，同時產生較大的變形,單粒結構——密實狀態(tài)密實狀態(tài)： 比較穩(wěn)定，力學性質好，粗砂土如砂土、礫石等土類的結構特征,蜂窩結構 土粒下沉過程中，接觸點 引力大于下沉土粒重量形 成鏈

29、環(huán)狀單元，很多這樣 的鏈環(huán)狀單元聯(lián)接起來， 便形成孔隙較大的蜂窩狀 結構，蜂窩狀結構常在粉 土、粘土類中遇到,絮狀結構 微小的粘粒，重量極輕，靠其自重 在水中下沉，極為緩慢，土粒表面 常帶有同號電荷，因而懸浮在水中 作分子熱運動，不能相互碰撞結成 粒團下沉。 在懸液介質發(fā)生變化時，土表面的 弱吸著水厚度減薄，運動著的粘粒 相互聚合，以面對邊或者面對角的 接觸，并凝結成絮狀物下沉。,絮

30、狀結構——特點 孔隙很大，強度低、 壓縮性高、對擾動 比較敏感，土粒間 的聯(lián)接強度會由于 壓密和膠結作用而 逐漸得到加強。,絮狀結構——特點,,粒團任意排列粒團內的土粒任意排列,,土體完全各向同性,,粒團任意排列粒團內的土粒定向排列,,土體主體各向同性,絮狀結構——特點,,粒團定向排列粒團內的土粒任意排列,,土體主體各向異性,,粒團定向排列粒團內的土粒定向排列,,土體完全各向異性,土的構造

31、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,1.層理構造：土粒在沉積過程中,由于不同階段沉積的物質成分、顆粒大小或顏色不同,而沿豎向呈現(xiàn)出成層特征,2.裂隙構造：土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各種鹽類的沉淀物,第二章 土的工程性質和工程分類,第一節(jié) 土的物理性質,概念所謂土的物理性質就是表示土中三相比例關系的一些物理量。土的物理性質指標不僅

32、可以描述土的物理性質和它所處的狀態(tài)，而且在一定程度上反映了土的力學性質。,土的物理性質指標的分類一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為基本指標；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,土的三相圖 為便于說明這些物理性質指標的定義和它們的換算關系，常用三相圖表示土體內三相的相對含量。,試驗直接測定的物理性質指標 ～土的密度ρ和容重γ,密度,單位體積土的質量，用ρ表示,定

33、義：,單位：,Mg/m3或 g/cm3,表達式：,容重,定義：單位體積土的重量，用γ表示,單位：kN/m3,表達式：,土的密度ρ和容重γ測定方法：環(huán)刀法,土粒的相對密度,定義： 土的質量與同體積4℃時純水的質量之比（無因次）表達式 ：,土的相對密度Gs,測定方法： 比重瓶法，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質量m1。然后把烘干土若干克(ms)裝入空比重瓶內，再加純水至滿，稱瓶加水加土的質量m2，按下式計算

34、土粒比重,土的相對密度Gs,土的含水率,含水率： 土中水的質量與土粒質量之比，以百分數(shù)表示 表達式：,土的含水率,測定方法： 烘干法。先稱出天然濕土的質量，然后放在烘箱里，在100～105℃下烘干，稱干土的質量。,間接換算的物理性質指標,定義： 土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示表達式：,土中孔隙率n,定義： 土中的孔隙的體積與土的總體積之比，以百分數(shù)表示表達式：,土的

35、飽和度Sr,定義： 土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數(shù)表示表達式：,干密度ρd干容重γd,定義：單位體積內土粒的質量或重量表達式：,干密度ρd干容重γd 土烘干，體積要減小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。 土的干密度或干容重是評價土密實程度的指標，干密度或干容重越大表明土越密實，反之越疏松。常用它來控制填土工程的施工質量。,飽和密度ρsat與飽和容重γsat,定義： 土中孔隙完全

36、被水充滿，土處于飽和狀態(tài)時單位體積土的質量或重量表達式：,浮密度 與浮容重,定義： 單位體積內土粒質量與同體積水質量之差表達式：,各種密度之間的比較,物理性質指標間的換算 常用的物理性質指標共有9個，一般說，已知其中任意3個，通過換算，可以求其余6個。,孔隙比與孔隙率的關系,干密度與濕密度和含水率的關系,孔隙比與相對密度和干密度的關系,飽和度與含水率、相對密度和孔隙比的關系,飽和含水率,浮密度與相對密度和孔隙比

37、的關系,第二節(jié) 土的水理性質 一、土的毛細性、凍脹性 二、黏性土的稠度和可塑性,土的毛細性、凍脹性土層中的毛細水帶,土中毛細水分布圖,毛細水上升的原因1.水與空氣的分界面上存在著表面張力，而液體總是力圖縮小自己的表面積，以使表面自由能變得最小。 2.毛細管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個引力使與管壁接觸部分的水面呈向上的彎曲形狀，這種現(xiàn)象稱為浸潤現(xiàn)象。 3.毛細水上升的實際高度一般不

38、超過數(shù)米。,土的凍脹性 在寒冷天氣，受大氣負溫影響，土中的自由水首先凍結成冰晶體，隨著氣溫繼續(xù)下降，弱結合水的最外層也開始凍結，使冰晶體逐漸擴大。另外 ，下臥層未凍結區(qū)水膜較厚處的弱結合水，被吸引到水膜較薄的凍結區(qū)，并參與凍結，使冰晶體增大 ，在土層中形成冰夾層，土體隨之發(fā)生隆起，即凍脹現(xiàn)象。,,,,當土層解凍時，土中積聚的冰晶體融化，土體含水量突然增加，使地基土體軟化并下陷，即出現(xiàn)融陷現(xiàn)象。土的凍脹現(xiàn)象和融陷現(xiàn)象是季節(jié)性凍土的

39、特性，亦即土的凍融特性。 發(fā)生凍脹時，路基隆起，柔性路面鼓包、開裂、剛性路面錯縫或折斷；發(fā)生融陷后，路基土在車輛反復輾壓下，輕者路面變得松軟，重者路面斷裂翻漿,土的凍脹規(guī)律：土的毛細現(xiàn)象顯著則凍漲性較強 地下水位較高，水源補給充足，凍漲性也較強 氣溫緩慢下降而負溫持續(xù)時間越長，凍漲性越強,黏性土的稠度和可塑性 黏性土的稠度的概念黏性土因含水多少而表現(xiàn)出的稀稠軟硬程度或在外力作用下引起變形或破壞的抵抗能力，稱為稠度

40、 。因含水多少而呈現(xiàn)出的不同的物理狀態(tài)稱為黏性土的稠度狀態(tài)。土的稠度狀態(tài)因含水量的不同，可表現(xiàn)為固態(tài)、塑態(tài)與流態(tài)三種，其中固態(tài)又可細分為固態(tài)和半固態(tài)兩種。,黏性土由一種稠度狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)時，所對應的轉變點(臨界點)的含水量稱為稠度界限(界限含水量) 由固態(tài)轉變到半固態(tài)的界限含水量，稱為縮限（wS）；半固態(tài)轉變到塑態(tài)的界限含水量，稱為塑限(wP)；由塑態(tài)轉變到流態(tài)的界限含水量，稱為液限(wL) 液塑限的測定可以采用“聯(lián)合測

41、定法”,光電式液塑限聯(lián)合測定儀,黏性土的液性指數(shù),,粘性土即使具有相同的含水率，也未必處于同樣的狀態(tài)，與無粘性土的相對密實度相似，粘性土的狀態(tài)用液性指數(shù)來判別。液性指數(shù)表征了土的天然含水率與界限含水率之間的相對關系，表達了天然土所處的狀態(tài)。,塑性指數(shù),液限和塑限之差的百分數(shù)值（去掉百分號）成為塑性指數(shù),塑性指數(shù)表示處于可塑狀態(tài)時土的含水率可變化幅度。塑性指數(shù)越大，可塑狀態(tài)含水率變化范圍也大。塑性指數(shù)是反映粘性土性質的一個綜合性指標。一

42、般地，塑性指數(shù)越高，土的粘粒含量越高，所以常常用作粘性土地分類指標,判定,土處于堅硬狀態(tài),土處于可塑狀態(tài),,,,土處于流動狀態(tài),注意,由于液限和塑限目前都是用擾動土測定的，土的結構已徹底破壞，而天然土一般在自重作用已有很長的歷史，它獲得了一定的結構強度，以至于土的天然含水率大于它的液限也未必一定會發(fā)生流動。含水率大于液限只是意味著：若土的結構遭到破壞，它將轉變?yōu)檎硿酀{。,第三節(jié)土的力學性質 土的壓縮性、抗剪性和壓實性黏性土靈敏

43、度和觸變性影響土的力學性質的因素,土的壓縮性土的壓縮性指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能 土的壓縮通常有三部分：（1）固體土顆粒被壓縮；（2）土中水及封閉氣體被壓縮；（3）水和氣體從孔隙中擠出 對于透水性較大的無黏性土，由于水容易排出，壓縮過程很快就可完成；而對于飽和黏性土，由于透水性小，排水緩慢，故要達到壓縮穩(wěn)定需要很長時間。,土的抗剪性土的抗剪性是指土抵抗剪切破壞的性質 土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結強度遠遠小于土

44、粒本身的強度，故在剪應力作用下，多數(shù)土體(如砂類土、細粒土)發(fā)生的剪切破壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間發(fā)生相對錯動，引起土的一部分相對另一部分沿著某個面發(fā)生與剪切方向一致的滑動,土的壓實性,人們很早就用土作為建筑材料，而且知道要把松土擊實。公元前200多年，我國秦朝修筑馳實（行車大道），就有用“鐵錐筑土堅實”的記載，說明那時人們已經認識到土的密度和土的工程特性有關。,土的壓實性指在一定的含水率下，以人工或機械的方法，使土體能夠壓實

45、到某種密實程度的性質。土工建筑物，如土壩、土堤及道路填方是用土作為建筑材料填筑而成，為了保證填土有足夠的強度，較小的壓縮性和透水性。在施工中常常需要壓密填料，以提高土的密實度和均勻性。填土的密實度常以其干密度來表示。在實驗室內研究土的密實性是通過擊實試驗進行的。,擊實試驗,,輕型：粒徑小于5毫米,重型：粒徑小于40毫米,25下，分三層擊實,56下，分5層擊實,擊實儀,影響土的壓實性的因素,含水率的影響對同一種土料，分別在不同的含水

46、率下，用同一擊數(shù)將他們分層擊實，測定土樣的含水率和密度，然后以含水率為橫坐標，干密度為縱坐標，繪制擊實曲線。從圖中可以看出，當含水率較小時，土的干密度隨著含水率的增加而增大，而當干密度增加到某一值后，含水率繼續(xù)增加反而使干密度減小。干密度的這一最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度，此時對應的含水率稱為最優(yōu)含水率。,擊實功能的影響 實驗室中的擊實功能是用擊數(shù)來反映的，對同一種土，壓實功能小，則能達到的最大干密度也小，最優(yōu)含水率大；壓實功能大

47、，則能達到的最大干密度也大，最優(yōu)含水率小用同一種土料在不同含水率下分別用不同的擊數(shù)進行擊實試驗，就能得到一組隨擊數(shù)而異的含水率與干密度關系曲線。,影響土的壓實性的因素,1.土料的最大干密度和最優(yōu)含水率不是常數(shù)。最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大，最優(yōu)含水率則逐漸減小。但是這種增大或減小的速率是遞減的，因而光靠增加擊實功能來提高土的干密度是有一定限度的。,2.含水率較低時擊數(shù)的影響顯著。當含水率較高時，含水率與干密度的關系曲線趨近于飽和

48、線，也就是說，這時提高擊實功能是無效的。填料的含水率過高和過低都是不利的，過高惡化土體的力學性質，過低則填土遇水后容易引起濕陷。,影響土的壓實性的因素,土類和級配的影響 同樣的含水率情況下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指數(shù)越大，越難于壓實對于無粘性土，含水率對壓實性的影響沒有像粘性土那么敏感，其擊實曲線與粘性土是不同的，在含水率較大時得到較高的干密度。因此在無粘性土的實際填筑中，同時需要不斷灑水使其在較高含水率下壓實。無粘性土的填筑標

49、準，通常是用相對密實度來控制的，一般不進行擊實試驗級配良好的土易于壓實，反之則不易壓實,影響土的壓實性的因素,粗粒含量的影響 由于擊實儀尺寸的限制，實際試驗中可能剔除超出粒徑的部分，然后進行試驗。這樣測得的最大干密度和最有含水率與實際土料在相同擊實功能下的最大干密度和最有含水率不同。對于輕型擊實試驗，可按下式修正,黏性土的靈敏度和觸變性土的靈敏度就是在不排水條件下，原狀土的無側限抗壓強度與重塑土的無側限抗壓強度之比，用St表示

50、與靈敏度密切相關的另一黏性土的特性稱觸變性。被擾動黏性土的強度隨時間推移而逐漸恢復的膠體化學性質稱為土的觸變性。,影響土的力學性質的因素 土質與顆粒級配含水率 土的應力狀態(tài),第四節(jié) 土的工程分類,一、分類的目的和原則,土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過通用的鑒別標準，便于在不同土類間作有價值的比較、評價、積累以及學術與經驗的交流,分類原則：,1.分類要簡明，既要能綜合反映土的主要工程性

51、質，又要測定方法簡單，使用方便,2.土的分類體系所采用的指標要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性,二、分類體系與方法,分類體系：,1.建筑工程系統(tǒng)分類體系,2.工程材料系統(tǒng)分類體系,側重把土作為建筑地基和環(huán)境，研究對象為原狀土，例如：《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2002)地基土分類方法,側重把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基工程。研究對象為擾動土，例如：《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JG D63-2007)

52、工程用土的分類和《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)土的工程分類,分類方法,1.《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007－2002),根據(jù)土粒大小、粒組的土粒含量或土的塑性指數(shù)把地基土（巖）分為巖石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大類,a.巖石的分類,顆粒間牢固粘結,呈整體或具有節(jié)理隙的巖體稱為巖石，堅硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強度frk分類,b.碎石土的分類,粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為碎石土,碎石土的

53、分類,c.砂土的分類,粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土,砂土的分類,d.粉土的分類,粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%，塑性指數(shù)IP≤10的土稱為粉土,e.粘性土的分類,粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數(shù)IP＞10的土稱為粘性土，粘性土根據(jù)塑性指數(shù)細分,f.人工填土的分類,由于人類活動而形成的堆積物稱為人工填土。物質成分較雜亂,

54、均勻性較差，根據(jù)其物質組成和成因,可分為素填土、壓實填土、雜填土和沖填土,2.《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63－2007)),（一）巖石巖石指顆粒間連接牢固、呈整體或具有節(jié)理裂隙的地質體（二）碎石土碎石土指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總質量50%的土 。分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫,（三）砂土 砂土指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過總質量的50%、粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質量50%的土

55、，分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂 （四）粉土 粉土指塑性指數(shù)IP≤10且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過總質量50%的土,（五）黏性土 黏性土指塑性指數(shù)＞10且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過總質量50%的土 。分為黏土和粉質黏土 （六）特殊性巖土 特殊性巖土指具有一些特殊成分、結構和性質的區(qū)域性地基土，包括軟土、膨脹土、濕陷性土、紅黏土、凍土、鹽漬土和填土等,3.《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2

56、007),巨粒土分類,粗粒土的分類 試樣中巨粒組土粒質量少于或等于總質量15%，且巨粒組土粒與粗粒組土粒質量之和多于總土質量50%的土稱粗粒土 1.礫類土,2.砂類土,細粒土 試樣中細粒組土粒質量多于或等于總質量50%的土稱細粒土,細粒土應按下列規(guī)定劃分：（1）細粒土中粗粒組質量少于或等于總質量25%的土稱粉質土或黏質土。（2）細粒土中粗粒組質量為總質量25%～50%（含50%）的土稱含粗粒的粉質土或含粗粒的黏質土。

57、（3）試樣中有機質含量多于或等于總質量的5%，且少于總質量的10%的土稱有機質土。試樣中有機質含量多于或等于10%的土稱為有機土。,細粒土應按塑性圖分類,第三章 土的滲透性,一、概述,土是具有連續(xù)孔隙的介質。當土作為建筑物的地基和直接用作建筑材料時，水就會在水位差的作用下，從水位較高的一側透過土的孔隙流向水位較低的一側。,關于防滲墻,防滲墻射水法施工,防滲墻,滲透的定義及土的滲透性,水透過土體孔隙的現(xiàn)象成為滲透 土具有被水透過的

58、性能稱為土的滲透性水在土體中的滲透，一方面會造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內部的應力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴重時還會釀成破壞事故。土的滲透性的強弱，對土體的固結、強度以及工程施工都有非常重要的影響,水的問題,水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；相反在以蓄水為目的的土壩中會由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；另外

59、還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題。也就是說，說自身的量（涌水量，滲水量）、質（水質）、賦存位置（地下水位）的變化所引起的問題。,土的問題,土的問題是指由于水的滲透引起土體內部應力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結構、強度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基地穩(wěn)定性或產生有害變形的影響，在坡面、擋土墻等結構物中常常會由于水的滲透而造成內部應力狀態(tài)的變化而失穩(wěn)；土壩、堤防、基坑等結構物會

60、由于管涌逐漸改變地基土內的結構而釀成破壞事故；非飽和的坡面會由于水分的滲透而造成土的強度的降低而引起滑坡。由于滲透而引起的代表性例子就是地下水開采造成的地面下沉問題。,二、Darcy滲透定律,由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動時的粘滯阻力很大，流速緩慢 層流,,,,,Darcy滲透定律,v 滲透速度（cm/s或m/s）q 滲流量（cm3/s后m3/s）i 水力梯度，沿滲流方向單位距離

61、的水頭 損失，無因此h 試樣兩端的水位差，即水頭損失L 滲徑長度k 滲透系數(shù)（cm/s或m/s,m/d）A 試樣截面積（cm2或者m2）,流速與水力梯度的關系——砂土,砂土的水力梯度與滲透速度呈線性關系，符合達西滲透定律。,流速與水力梯度的關系——粘土,對于密實的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當水力梯度達到某一數(shù)值后，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。我們

62、將這一開始發(fā)生滲透時的水力梯度成為粘性土的起始水力梯度ib,,粘性土不但存在起始水力梯度，而且當水力梯度超過起始水力梯度后，滲透速度與水力梯度的規(guī)律還偏離達西滲透定律而呈非線性關系。為方便，用虛直線來描述密實粘土地滲透速度與水力梯度的關系，用以下形式表示。,流速與水力梯度的關系——粘土,,流速與水力梯度的關系——礫土,在粗粒土中（礫、卵石等），只有在小的水力梯度下，滲透速度與水力梯度才呈非線性關系，而在較大的水力梯度下，水在土中流動進入

63、紊流狀態(tài)，滲透速度與水力梯度呈非線性關系，此時達西定律同樣不能適用,,注意,按照達西定律求出的滲透速度是一種假想的平均流速 ，它假定水在土中的滲透是通過土體截面來進行的 。實際上 ，水在土體中的實際流速要比用達西定律求出的流速要大得多。，他們之間的關系為,,,Darcy滲透定律的適用條件,太沙基通過大量試驗證明從砂土到粘土達西滲透定律在很大的范圍內都能適用，其適用范圍是由雷諾系數(shù)來決定的，也就是說只有當滲流為層流的時候才能適用。根據(jù)

64、水的密度ρ，流速v，水的粘滯系數(shù)η，土粒粒子平均粒徑d，可以算出雷諾數(shù)Re,,Darcy滲透定律的適用條件,從層流轉換為紊流時的Re數(shù)一般為0.1~7.5的范圍，而一般認為在土的孔隙內水流只要雷諾數(shù)<1.0，達西定律就可以滿足。因此達西定律的適用界限可以考慮為,,,Darcy滲透定律的適用條件,如果考慮水的密度ρ＝1.0（g/cm3）水溫10℃時水的粘滯系數(shù)η＝0.0131(g/sec·cm)，而一般的流速可以考慮v＝0

65、.25（cm/sec）可以算出滿足達西定律的土的平均粒徑d,,,對于比粗砂更細的土來說，達西滲透定律一般是適用的，而對于粗粒土來講，只有在水力坡降很小的情況下才能適用。,三、滲透系數(shù)的測定,滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強弱的重要力學性質指標。滲透系數(shù)的測定可以分為現(xiàn)場試驗和室內試驗兩大類。一般，現(xiàn)場試驗比室內試驗得到的結果要準確可靠。因此，對于重要工程常需進行現(xiàn)場測定。 室內測定土地滲透系數(shù)的儀器和方法很多，但就其原理來講，可分

66、為常水頭試驗和變水頭試驗兩種，前者適用于透水性強的無粘性土，后者適用于透水性弱的粘性土。,,,常水頭法,常水頭法就是在整個試驗過程中，水頭保持不變，試驗裝置如圖 用量筒和秒表測出某一時刻t內流經試樣的水量V，即可求出流過土體的流量，再根據(jù)達西定律求解k,,變水頭法,粘性土，滲透系數(shù)小，流經水量少變水頭法在整個試驗過程中，水頭是隨著時間而變化的，試驗裝置如圖，試樣的一端與細玻璃管相接，在試驗過程中測出某一時段內細玻璃管中水位的變化，

67、就可根據(jù)達西定律求出水的滲透系數(shù)。,變水頭法,設玻璃管的內截面積為a，試驗開始以后任一時刻t的水位差為h，經時段dt，細玻璃管中水位下落dh，則在時段dt內流經試樣的水量,,變水頭法,土的滲透系數(shù)參考值,影響滲透系數(shù)的因素很多，諸如土的種類、級配、孔隙比及水的溫度等。因此，為了準確地測定土的滲透系數(shù)，必須盡力保持土的原始狀態(tài)并消除人為因素的影響,成層土的滲透系數(shù),天然沉積土往往由滲透性不同的土層組成。對于與土層層面平行和垂直的簡單滲流情

68、況，當各層的滲透系數(shù)和厚度已知時，我們可以求出整個土層與層面平行和垂直的平均滲透系數(shù)，作為進行滲透計算的依據(jù)。,與層面平行的情況,,,,,,,,,與層面垂直的情況,與層面垂直的情況,,,,,,,,,結論,對于成層土，如果各土層的厚度大致相近，而滲透性相差懸殊時,與層向平行的平均滲透系數(shù)將取決于最透水土層的厚度和滲透性,與層向垂直的平均滲透系數(shù)將取決于最不透水土層的厚度和滲透性,滲流力及滲透穩(wěn)定,滲流,,土體內部應力狀態(tài)變化,,土體的局部