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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,*,第二章 土的物理性质及其工程分类,2.1,土的成因,2.2,土的组成、结构与构造,2.3,土的物理性质指标,2.4,基本指标的测定,2.5,无粘性土的密实度,2.6,粘性土的物理特性,2.7,土的渗透性,2.8,土的压实性,2.9,土的工程分类,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构,和物理力学性质,过程、条件,2.1,土的成因,土的形成与风化作用,物理风化,化学风化,生物活动,岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎,是颗粒大小发生量的变化,矿物成分与母岩相同，称原生矿物,产生无粘性土,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物,颗粒成分发生质的变化,矿物成分与母岩不同，称次生矿物,形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,土的形成与风化作用,物理风化,化学风化,生物活动,包括植物、动物和土壤微生物的作用,可加剧物理和化学风化,构成土中有机质和营养物质的生物循环,导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,土的形成与风化作用,物理风化,化学风化,生物活动,残积土,无搬运,运积土,有搬运,搬运与沉积,母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物,残积土,强风化,弱风化,微风化,母岩体,颗粒表面粗糙,多棱角,粗细不均,无明显层理,搬运与沉积,残积土,无搬运,运积土,有搬运,风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物,坡积土：,土粒粗细不同，性质不均,洪积土：,有分选性，近粗远细,冲积土：,浑圆度分选性明显，土层交迭,湖泊沼泽沉积土：,含有机物淤泥，土性差,海相沉积物：,颗粒细，表层松软，土性差,冰积土：,土粒粗细变化较大，性质不均匀,风积土：,颗粒均匀，层厚而不具层理,岩石因物理风化作用破碎，在重力作用下堆积到山脚,高山下的冲积锥群,风蚀蘑菇,土的形成过程,黄河冲积三角洲,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,2.2.1,土体的三相构成,饱和土 ：土体孔隙完全被水充满,干 土 ：土体孔隙完全被气充满,非饱和土：孔隙中水和气均存在,2.2,土的组成、结构与构造,固体颗粒,-,颗粒大小,粒组,按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类,界限粒径,d,(mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,中,细,粗,中,细,0.,075,粗粒,细粒,粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。,细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。,巨粒,6,0,1.,土的颗粒级配,固体颗粒,-,粒径级配,颗粒级配：,土粒的大小及组成情况，即各粒组,的相对含量，用质量百分数来表示,分析方法：,筛分法：适用于粗粒土,孔径大小不同的筛子,水分法：适用于细粒土, 常采用比重计法,表述方法,:,粒径级配累积曲线,固体颗粒,-,粒径级配,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,小于某粒径之土质量百分数,P,（）,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,土的粒径级配累积曲线,水分法,粒径,(mm),0.05,0.01,0.005,百分数,P(%),26,13.5,10,筛分法,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,固体颗粒,级配曲线,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,土的粗细度：,用,d,50,表示,土的不均匀程度：,用不均匀系数：,C,u,= d,60,/ d,10,表示，,C,u,5,，称为不均匀土，反之称为均匀土,连续程度,:,用曲率系数,C,c,= d,30,2,/,(,d,60,d,10,),度量, C,c,=13,为连续级配,3,或,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,=,13,为级配 良好的土；如果,C,u,3,或,C,c,1g/cm,3,冰点处于零下几十度,完全不能移动，具有固体的特性,温度略高于,100C,时可蒸发,-,弱结合水：,受电场引力作用，为粘滞水膜,外力作用下可以移动,不因重力而流动，有粘滞性，在外,力作用下可以挤压变形,粘土,颗粒,- - - - - - - -,- - - - - - - - -,+,+,+,+,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,土中水,结合水,结合水：,受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,毛细水：,由于土体孔隙的,毛细作用,升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用,重力水：,自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动,土中水,自由水,自由水：,结合水膜之外，不受颗粒电场引力作用的孔隙水,h,c,毛细水,重力水,毛,细,管,h,c,土中毛细水上升高度,表面张力,：液体表面的基本特性是倾向于收缩，即总是尽可能取最小的表面积。,垂直地通过液体表面上任一单位孤元，并沿着与液面相切方向的收缩表面的力，叫做表面张力,毛细现象,：将内径很小的管子（毛细管）插入液体中，管内外液面产生高度差的现象。表面张力与润湿现象的联合作用，形成了毛细现象 。,土的三相组成,土中气,气相,-,土中气,自由气体：,受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大,封闭气体：,与大气隔绝，形成封闭气泡。受压时体积缩小，卸荷后体积恢复，增加土的弹性，阻塞渗流通道，减小透水性，延长土体受力后变形达到稳定的历时,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为,与大气连通的自由气体,和,与大气不连通的封闭气体,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,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,结合水 ：强结合水、弱结合水,自由水 ：重力水、毛细水,自由气体,封闭气体,2.2.2,、土的结构与构造,在成土过程中所形成的土粒的相互排列及其联结形式称为土的结构。与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.,单粒结构：,粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下落沉积形成的结构，,其特点,是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,密实状态,疏松状态,土的结构（微观概念）,2.,蜂窝结构：,粉粒（,0.075,0.005mm,）在水中下沉碰到已经沉积的土粒时，由于彼此之间引力大于重力，因而土粒停留在接触面上不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构，颗粒间点与点接触。,3.,絮状结构,：,细微黏粒,（,0.005mm,）,大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当遇到电解质较大环境时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物集体下沉，形成孔隙较大的絮状结构。,蜂窝结构,絮状结构,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,孔隙较多，压缩性大，结构破坏后强度降低大，工程性质差,细粒土的结构,分散结构 凝聚结构,小 结,强度与排列密实度有关,土的构造（宏观概念）,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,1.,层理构造：,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,而沿,竖向,呈现出成层特征,2.,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,3.,分散构造：,土粒分布均匀，性质相近,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,基本方法,:,三相草图法,2.3,土的物理性质指标,组成土的固体、液体、气体三个部分之间的不同比例，反映了土的各种不状态，对于评价土的物理、力学性质有着重要的意义,土的物理性质指标：,表示土中固体、液体气体三部分之 间比例关系的指标,空气,Air,三 相 草 图,水,Water,固体,Solid,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,九个物理量,:,V V,v,V,s,V,a,V,w,m,s,m,w,m,a,m,物理量关系,:,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,三个基本指标,其它指标：,三相草图法计算,实验室,测定,土的密度,土的含水量,土粒比重,定义：单位体积,土,的质量,表达式：,单 位,: kg/m,3,或,g/cm,3,（,t/m,3,),一般范围,: 1.602.20 g/cm,3,1.,土的密度,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,相关指标,:,土的容重,=,g,(,单位体积土的重力）,单位,: kN/m,3,工程上更常用,用于计算土的自重应力,2.3.1,基本物理指标,重力加速度，近似取,10m/s,2,定义：土粒质量与同体积的,4,时纯水的质量之比 （土粒的密度,与,4C,时纯水密度的比值）,表达式：,单 位,:,无量纲,一般范围：粘性土,2.702.75,， 砂土,2.65,2.,土粒比重,Gs,或,ds,（土粒相对密度）,=1.0 g/cm,3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示,表达式：,单 位,:,无量纲,一般范围：变化范围大,注意,:,其实是含水比,可达到或超过,100,3.,土的含水量,W,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。,2.3.2,土的其他物理指标（换算指标）,砂类土：,28-35%,粘性土：,30-50%,，有的可达,60-70%,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,1.,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.,土的饱和度,S,r,土中水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,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,3.,不同状态下土的密度和重度,（,2,）土的饱和密度和饱和重度,饱和密度,sat,：,土体中孔隙完全被水充满时土的密度称为土的饱和密度,（,1,）土的干密度和干重度,：,干密度,d,：土单位体积内固体颗粒部分的质量,（,3,）土的有效重度（浮重度）,有效重度（浮重度）,：在地下水位以下，土体收到水的浮力作用时土的重度称为土的有效重度,空气,水,固体,m,a,=0,m,w,m,s,m,质量,V,a,V,w,V,s,V,v,V,体积,饱和重度,sat,：土体中孔隙完全被水充满时土的重度称为土的饱和重度,干重度,d,：,土单位体积内固体颗粒部分的重力,2.3.3,基本指标和其他指标的关系,气,水,土粒,d,s,w,V,s,1,1+,e,质量,m,体积,V,土的三相指标中,，,土粒比重,d,s,，,含水量,W,和,密度,是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,V,v,=,e,W,d,s,w,d,s,（,1,W,）,w,土的三相物理指标换算图,假设土粒体积,V,s,为单位,1,则：,换算关系式：,推导：,气,水,土粒,d,s,w,V,s,1,1+,e,质量,m,体积,V,V,v,=,e,W,d,s,w,d,s,（,1,W,）,w,例题分析,【,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,W,、密度,、,重度,、,干重度,d,、,孔隙比,e,、,饱和重度,sat,和有效重度,【,解答,】,土的物理状态,粗粒土的松密程度,粘性土的软硬状态,土的物理性质指标,(,三相间的比例关系,),表示,影响,力学特性,密实度,稠度,2.5,无黏性土的密实度,密实度：,指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系,简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响,物理性质指标,：孔隙比,e,(,可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散,),e,min,= 0.35,e,min,= 0.20,最大孔隙比,e,max,:,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,最小孔隙比,e,min,:,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,理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难,相对密度,：,e,max,与,e,min,：最大与最小孔隙比,砂土在天然状态下孔隙比,砂土在最密实状态时的孔隙比,砂土在最松散状态时的孔隙比,粗粒土的密实度标准,D,r,= 0,最松状态,D,r,1/3,松散状态,1/3 2/3,密实状态,D,r,= 1,最密状态,相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用,原位标准贯入试验,法测定,相对密度,原位标准贯入试验法,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数,N,进行评定。天然碎石土的密实度，可根据野外鉴别方法划分为密实、中密和稍密三种状态,密实度,按,N,评定砂石密实度,松散,稍密,中密,密实,N,10,10,N,15,15,N,30,N,30,例题分析,【,例,】,某砂土试样,试验测定土粒相对密度,d,s,=2.7,含水量,W,=9.43%,天然密度,=1.66/cm,3,。,已知砂样最密实状态时称得单位体积,(1cm,3,),干砂质量,m,s,1,=,1.62kg,最疏松状态时称得单位体积干砂质量,m,s,2,=,1.45kg,。,求此砂土的相对密度,D,r,并判断砂土所处的密实状态,【,解答,】,砂土在天然状态下的孔隙比,砂土最小孔隙比,砂土最大孔隙比,相对密实度,（,1/3,2/3,中密状态,2.6,黏性土的物理特性,粘性土最主要的物理状态特征是它的,稠度,，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的,稠度界限,，或称,界限含水量,。,塑限,w,p,液限,w,l,粘性土的稠度反映土中水的形态,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,弱结合水膜最大,出现相当数量自由水,粘性土的稠度状态,稠度界限,稠度状态,含水量,土中水的形态,示意图,塑限采用搓条法测定，搓到土条直径,3mm,左右时断裂为若干段，此时对应的含水量为塑限 。,液限测定根据,建筑地基基础设计规范,(GB50007-2002,规定，采用平衡锥液限仪进行测定,质量为,76g,的平衡锥靠自重下沉深度为,10mm,所对应的含水量为液限。,平衡锥液限仪,粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数,I,P,表示土的可塑性范围，是液限和塑限的差值,(,省去,%,),，,即土处在可塑状态的含水量变化范围,说明：,塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,(,黏性大小）,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,I,P,10,黏性土,I,P,10,粉土,1017,黏土,工程上常以塑性指数对土进行分类：,液性指数：,w,p,w,w,l,I,L,0,坚硬,(,半固态,),0I,L,0.25,硬塑,0.25 I,L,0.75,可塑,0.75 1,流塑,液性指数,I,L,是判别黏性土的软硬程度的指标，叫做稠度。是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,说明：,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,W,W,P,土处于坚硬状态,;,当,I,L,1,时,W,W,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,例题：,某土样经试验测定天然含水量,W=21%,塑限,W,P,=20%,，液限,W,L,=31%,，试确定此土样名称及其所处状态。,解：塑性指数：,液性指数：,故该土样定名为粉质黏土，处于硬塑状态。,粗粒土的密实状态指标,:,相对密度,D,r,细粒土的稠度状态指标,:,液性指数,I,L,定义,判别标准,界限含水量,w,P,、,w,L,土中水形态,塑性指数,I,p,吸附结合水的能力,定义,判别标准,小 结,2.7,土的渗透性,土颗粒,土中水,渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动,在水位差的作用下水在土体孔隙中流动的现象,称为,渗流,土具有被水等液体透过的性质称为土的,渗透性,一、概述,浸润线,流线,等势线,下游,上游,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,H,隧道开挖时，地下水向隧道流动,渗透,(,流,):,在水位差作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。,隧道工程,堤坝工程,渗透的工程背景,上图是水利工程中的闸基，在上游水位压力差的作用下，水将从上游河底进入闸基地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。,闸基,闸基,上图为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。,基坑工程,基坑工程,二、土的渗透定律,流线：水点的运动轨迹,层流：流线互不相交,紊流：流线相交，水中发生局部漩涡，破坏水的规律性,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或,一般粘土，均属层流范围,达西定律：,在层流状态的渗流中，渗透速度,v,与水力坡降,i,的一次方成正比，并与土的性质有关,达西,(1856,年,),分析了大量实验资料，发现水在土中的渗流规律,层流渗流定律,称为达西定律，它是渗透的基本定律。,式中,v,渗透速度,（,cm/s),土体试样全断面的平均渗流速度,i,=,h,/,L,，称为,水力坡度,；,L,为水的渗流路径长度,(cm),，,h,为在渗流路径长度,L,内的,水头差,。,k,渗透系数,反映土的透水性能的比例系数，其物理意义,为水力坡降,i,1,时的渗流速度（,cm/s,），其值与土的种,类和性质有关,A,点总水头：,H1=,位置水头,Z,1,+,压力水头,h,1,A,B,L,H,1,H,2,z,1,z,2,H,基准面,水力坡降线,B,点总水头：,H2=,位置水头,Z,1,+,压力水头,h,1,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,A,、,B,两点水头差：,h=H,1,-H,2,v-i,曲线，黏土的起始水力坡度,达西定律是由,砂质土体,(,中砂、细砂、粉砂等,),实验得到的，后来经过修正后推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。,在砂土及一般黏土中水的流动符合达西定律；,而在颗粒很细的黏土中，由于土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性,需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常把克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的,起始水头梯度,i,b,只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。,i,i,b, v=,k,(i-i,b,),i,i,b,不透水,砂土、一般黏土,颗粒极细的黏土土：,渗透系数的测定方法,常水头试验法,(,粗粒土）,变水头试验法（细粒土）,井孔抽水试验,井孔注水试验,室内试验方法,野外试验方法,渗透系数,K,是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。,要建立计算渗透系数,K,的精确理论公式比较困难，可通过试验方法或经验估算法来确定,k,值。,是土中孔隙直径大小的主要影响因素,土粒越粗、大小越均匀、形状越圆滑，渗透系数,K,值越大,因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径,d,10,来表示，如哈臣公式：,三、影响渗透系数的主要因素,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构结构,渗透系数的影响因素,土的性质,水的温度,土越密实，,K,值越小。,对于砂性土，试验资料表明，,K,值大致与孔隙比,e,的二次方成正比,渗透系数的影响因素,土的性质,水的温度,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构,饱和度（含气量）：封闭气泡对,K,影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞细小孔道。,一般情况下，饱和度越低，,K,值越小,渗透系数的影响因素,土的性质,水的温度,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大,在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得,k,水平,k,垂直,在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性,细粒土在天然状态下具有复杂结构，一旦扰动，原有过水通道的形状、大小及其分布就会改变，因而,K,值也发生改变,一般来讲，扰动土样与击实土样的,K,值小于原状土样的,K,值,渗透系数的影响因素,土的性质,水的温度,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构,渗透系数的影响因素,水的动力粘滞系数：,温度,，水粘滞性，,K,土的性质,水的温度,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构,总之，,K,值大小与土粒粗细、粒径级配、土的密实度、孔隙比、土的结构、构造特点及水的温度等多种因素有关，应由试验确定，并注意土样的代表性。,在无实测资料时，还可以参照有关规范或已建成工程的资料来选定,k,值，有关常见土的渗透系数参考值如下表。,土 的 渗 透 系 数参考值,土类,渗透系数,k,土类,渗透系数,k,（,cm/s,）,（,cm/s,）,粘 土,10,-7,中 砂,10,-2,粉质粘土,10,-5,10,-6,粗 砂,10,-2,粉 土,10,-4,10,-5,砾 砂,10,-1,粉 砂,10,-3,10,-4,砾 石,10,-1,细 砂,10,-3,四、渗透对建筑工程的影响,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型,基本类型：,流砂,管涌,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,在粘性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现表面隆起变形；,而在粉砂细砂及粉土等粘聚性差的细粒土中，水力梯度达到一定值后，渗流逸出处出现表面隆起变形的同时，还可能出现渗流水流夹带泥土向外涌出的砂沸现象。,流砂：,地下水流由下向上流动时，,在,向上,的渗透作用下，由于动水压力与重力方向相反，当动水压力大于或等于土的浮重度时，土粒间有效应力为零，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生失重、悬浮、随水流移动的现象称为流砂现象。,任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流砂破坏,粘性土,k,1,k,2,砂性土,k,2,坝体,渗流,坝体,渗透变形,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,管涌：,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以至流失，随着土中空隙不断扩大，渗透速度不断增加，最终在土中形成与地表贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象称为管涌。,渗流,过程演示,1.,在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.,孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.,形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,流砂与管涌的比较,流砂,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,土体内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（颗粒大小差别较大，往往缺失某种粒径）,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,土坝，高,90m,，长,1000m,，,1975,年建成，,次年,6,月失事,后果：,大坝失事后堤堂河和斯内克河下游,，约,的地区遭洪水肆虐，造成,5,人无家可归、损失牲畜约万头，死亡人,Teton,坝,失事现场现状（美，,1976.6,）,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,失事原因研究结论,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,青海沟后水库大坝,位于青海省，高,71,米，长,265,米，建于,1989,年。,1993,年,8,月,7,日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。,因缺少先进的通讯手段，导致多人死亡，直接经济损失亿元。,溃坝原因：,面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,失事原因：,库水漫灌，止水失效的面板顶部接缝是形成溃坝的必要条件和直接原因，导致溃坝的深层原因是坝顶漏水沿着上部坝体存在的上下游连通分离粗层渗流，发生管涌、接触冲刷和出逸汇流冲刷，坝顶及下游坡被饱和，坝顶湿陷，抗滑稳定性降低，坝顶浅层滑动后坝体不断后退滑动直至防浪墙滑塌，发生溢流冲刷坝体导致面板悬空折断，大坝溃决。,九江大堤决口,1998,年,8,月,7,日,13:10,发生管涌险情，很快形成宽,62m,的溃口,堤基管涌,焦点词汇：豆腐渣工程,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,珠海祖国广场基坑失事（,1998.5,）,基坑渗流破坏,透水层,不透水层,防渗体,坝体,浸润线,渗透变形的防治措施,改善几何条件：,设,反滤层,等。,反滤层是由,2-4,层颗粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料做成的，顺着水流的方向颗粒逐渐增大，任一层的颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙。同一层的颗粒也不能产生相对移动。设置反滤层后渗透水流出时就带不走堤坝体或地基中的土壤，从而可防止管涌和流土的发生。,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,渗透变形的防治措施,改善水力条件：,减小渗透坡降，如打板桩,2.8,土的压实性,土的压实：,指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性,压实性：,指土在一定压实能量作用下密度增长的特性,研究压实性的目的：,以最小的能量消耗获得最大的压实密度,击实方法：,室内击实试验,现场试验,:,夯打、振动、碾压,土的压实性,一、土的压实原理,土的压实效果与,压实时的含水量有关,。含水量很小时，无论怎样夯实或碾压，都不会密实；随着含水量增加，压实效果明显增大；当含水量超过某一限值时，随着含水量增加，压实效果反而降低；当含水量远超该限值时，填土夯击时，很快接近饱和，再夯击，则变成橡皮土，此时夯击功只能使土变形，不能使土密实。,最优含水量：,对特定的土在一定的压实能量下使土最容易压实,并能达到最大密实度时的含水量,最优含水量和最大干密度的测定：,室内击实试验,室内击实试验,试验设备：,击实筒,V=,947.4cm,3,；,击实锤,w=25,牛顿,试验条件：,土样分层,n=3,层；落高,d=30.5cm,； 击数,N=25,/,层,击实能量,试验方法：,对某一含水量,W,的土，分三层压实； 测定击实后的,w,、,，算定,d,注意：仅适用于细粒土；,对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪,土,0 4 8 12 16 20 24 28,含水量,w(%),2.0,1.8,1.6,1.4,干密度,d,(g/cm,3,),饱和曲线,dmax,w,op,击实曲线,具有峰值,最大干密度,dmax,最优含水量,W,op,位于,饱和曲线,之下,饱和曲线：,某一含水量下气体体积等于零（即饱和度,Sr,=100%),的等值线,分析击实曲线,1,：,WW,op,时,随,W,，,d,0 4 8 12 16 20 24 28,含水量,w(%),2.0,1.8,1.6,1.4,干密度,d,(g/cm,3,),饱和曲线,dmax,W,op,击实曲线上相应于干密度峰值（即最大干密度）,d,max,的含水量,W,op,，称为,最优含水量,含水量,W,op,：,W,越小，理论曲线,2,越高于试验曲线,1,。此时土中水分少，颗粒表面水膜很薄，水膜之间粘滞阻力大，相对移动困难，不容易夯实；并且空气在土空隙中不可能完全排除，亦即,Sr,10,的土,粉质黏土：,1017,的土,注：,塑性指数由相应于,76g,圆锥体沉入土样中深度为,10mm,测定的液限计算而得,粉土：,粒径大于,0.075mm,的颗粒含量不超过全质量,50%,而塑性指数,Ip,10,的土,I,L,0,坚硬,(,半固态,),0I,L,0.25,硬塑,0.25 I,L,0.75,可塑,0.75 1,流塑,黏性土按液性指数可分为五种状态：,岩石,碎石土,砂土,粉土,粘性土,人工填土,土,粉土,粘性土,人工填土：,由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为,素填土、压实填土、杂填土和冲填土,特殊土：,在特定地理环境或人为条件下形成的特殊性质的土。包括软土（淤泥和淤泥质土）、填土、黄土、红黏土、冻土、膨胀土、盐渍土等。,淤泥：天然含水量,，天然孔隙比,的黏性土。,。,淤泥质土： 的黏性土,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构,和物理力学性质,过程、条件,本章总结,土体有三个组成部分：固相、液相和气相,土的三相组成,固体颗粒,土中水,土中气体,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,结合水 ：强结合水、弱结合水,自由水 ：重力水、毛细水,自由气体,封闭气体,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,粘性土的,结构性指标,细粒土的结构,分散结构 凝聚结构,土的结构,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,定义,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,密实程度,干湿程度,粗粒土的密实状态指标,:,相对密度,D,r,细粒土的稠度状态指标,:,液性指数,I,L,定义,判别标准,界限含水量,w,P,、,w,L,土中水形态,塑性指数,I,p,吸附结合水的能力,定义,判别标准,物理状态指标,压实曲线,最优含水量,最大干密度,压实功能,压实标准（压实系数）,土的压实性,土的组成,土的状态,土的结构,建筑地基基础设计规范,- GB50007-2002,分类法,目的：,便于调查研究；,便于分析评价；,便于交流,(,基于共同的概念,),依据：最能反映土的物理力学性质的指标,土的工程分类,
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