土力学与基础工程-第二章.ppt

土力学与地基基础主讲：吉力此且工程师/全国注册二级建造师四川科技职业学院土木与建筑工程学院,第一章土的性质及工程分类,1.1土的组成与形成1.2土的物理性质指标1.3土的物理状态指标1.4土的结构与构造1.5土的工程分类1.6土的现场鉴别1.7土的击实性1.8土的渗透性,土：狭义：土是指岩石风化后的产物，即指覆盖在地表上碎散的、没有胶结或胶结很弱的颗粒堆积物。广义：土则是将整体岩石也视为土,风化,搬运、沉积,1土的形成,1.1土的形成与组成,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,1.1土的形成与组成,2土的组成,物理状态力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,1.1土的形成与组成,3土中的固体颗粒,1.3.1土的固体颗粒粒组,卵石或碎石颗粒(20200mm)圆砾或角砾颗粒(220mm)砂(0.0752mm),粉粒(0.0050.075mm)粘粒(5，Cc13,1.3.3土的固体颗粒颗粒级配分析方法,颗粒分析试验筛分法：粒径600.075mm静水沉降法（沉降分析法）：粒径0.075mm,1.3.3土的固体颗粒筛分法,筛分法,筛析机,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P%958778665536,土的粒径级配累积曲线,筛分法,粒径级配,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Cu用于判定土的不均匀程度：Cu5,不均匀土；Cu3或Cc2mm的颗粒含量不超过全重的50%，且粒径d0.075mm的颗粒超过全重50%的土。2、密实度：密实、中密、稍密、松散四状态。3、工程性质：砾砂、粗砂、中砂一般为良好地基；细砂、粉砂具体分析。,1.5地基土的工程分类,四、粉土定义：粒径d0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，且Ip10的土。组成：一般为砂粒、粉粒、粘粒的混合体。分类：根据粒径d1为松散状态，属软弱地基；饱和稍密粉土，地震时易产生液化，为不良地基。,粘性土是指粒径小于0.005mm的颗粒含量占大多数，塑性指数Ip10。,1.5地基土的工程分类,特殊性土(1)淤泥和淤泥质土（软土）天然含水量大于液限、天然孔隙比大于1。(2)红粘土碳酸盐类岩石风化残积、坡积而成，天然孔隙比大于1、含水量接近液限。(3)人工填土a、素填土b、杂填土c、冲填土(4)黄土(5)膨胀土(6)盐渍土,1.5地基土的工程分类,1.6土的现场鉴别,在勘探过程中取得的土样，必须及时用肉眼鉴别，初步确定土的名称、颜色、状态、湿度、密度、含有物、工程地质特征等，作为划分土层，进行工程地质分析和评价的依据。以教材P25为准讲解,1.7土的压实原理,土的压实性指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土体能够压实到某种密实程度的性质。土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表示。在实验室内研究土的压实性是通过击实试验进行的。,1.7.1土的压实原理击实试验,轻型：粒径小于5毫米,重型：粒径小于20毫米,25下，分三层击实,56下，分5层击实,1.7土的压实原理,击实仪,1.7.2影响击实效果的因素,含水量的影响击实功能的影响粗粒含量的影响土类和级配的影响,含水率的影响当含水率较小时，土的干密度随着含水率的增加而增大，而当干密度增加到某一值后，含水率继续增加反而使干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，此时对应的含水率称为最优含水率。,1.7.2影响击实效果的因素,1.7.2影响击实效果的因素,1、土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大，最优含水率则逐渐减小。但是这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能来提高土的干密度是有一定限度的。,2、含水率较低时击数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。填料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引起湿陷。,土类和级配的影响：同样的含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难于压实；对于无粘性土，含水率对压实性的影响没有像粘性土那么敏感，其击实曲线与粘性土不同，在含水率较大时得到较高的干密度。因此在无粘性土的实际填筑中同时需要不断洒水使其在较高含水率下压实。无粘性土通常用相对密实度来控制，一般不进行击实试验；级配良好的土易于压实，反之则不易压实。,1.7.2影响击实效果的因素,1.7.3砂土液化,液化：任何物质转化为液体的行为或过程。就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状态的转化是由于孔隙水压力增大和有效应力减小的过程。（美国土木工程协会岩土工程分部土动力学委员会）,1.8土的渗透性,渗透：土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象称为水的渗透，而土被水流透过的性质，称为土的渗透性。,1.8土的渗透性,水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。,由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢层流,1.8.1土的渗透定理达西定律,v渗透速度（cm/s或m/s）；q渗流量（cm3/s后m3/s）；i水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次；h试样两端的水位差，即水头损失；L渗径长度；k渗透系数（cm/s或m/s,m/d）；F试样截面积（cm2或者m2）。,1.8.1土的渗透定理达西定律,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系，符合达西渗透定律。,1.8.1土的渗透定理达西定律,对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度i0,1.8.1土的渗透定理达西定律,在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用。,1.8.1土的渗透定理达西定律,注意,按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。实际上，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多。他们之间的关系为,渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。常水头试验：适用于透水性强的无粘性土。变水头试验：适用于透水性弱的粘性土。,1.8.2土的渗透系数,常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变。用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量Q，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k,1.8.2土的渗透系数常水头法,粘性土，渗透系数小，流经水量少。,1.8.2土的渗透系数变水头法,设玻璃管的内截面积为a，试验开始以后任一时刻t的水位差为h，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量,1.8.2土的渗透系数变水头法,1.8.2土的渗透系数变水头法,1.8.2土的渗透系数现场抽水试验,1.8.2土的渗透系数现场抽水试验,土的渗透系数参考值,1.8.3土渗透性的影响因素,土的粒度成分及矿物成分结合水膜厚度土的结构构造水的粘滞度土中气体,水在土中流动,能量消耗,力图拖曳土粒,水头损失,渗透水流施于单位土体内土粒上的力称为渗流力、动水压力。,1.8.4渗流力与渗流稳定性分析渗流力,1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利；2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利；4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利。,1.8.4渗流力与渗流稳定性分析渗流力,渗流力方向与渗透方向相同，大小取决于水力梯度。即,1.8.4渗流力与渗流稳定性分析渗流力,当渗流力和土的有效重度相同且方向相反时，土颗粒间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。这种现象称为流土，此时的水头梯度成为临界水头梯度icr。,1.8.4渗流力与渗流稳定性分析临界水头梯度,如图所示，土样受到渗流作用。已知土样高度为0.4m，土样的饱和容重为20kN/m3。(1)计算作用在土样上的动水压力及其方向；(2)若土样发生流沙现象，其水头差h应是多少？,例题分析,逸出梯度与渗透稳定,流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。,土处于稳定状态,土处于临界状态,土处于流土状态,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析渗流变形,渗流,土体内部应力状态变化,管涌、流土等,水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动,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。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。,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析渗流变形,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析流土,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析流土,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析管涌,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析管涌,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析管涌,反滤倒渗,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析管涌的治理,反滤围井,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析管涌的治理,1.8.5渗流力与渗流稳定性分析管涌的治理,蓄水反压,冻胀现象及其对工程的危害冻土：在冰冻季节因大气负温影响，使土中水分冻结成为冻土。季节性冻土：冬季冻结，夏季全部融化。隔年冻土：冬季冻结，一两年内不融化的冻土。多年冻土：冻结状态持续三年或三年以上。,1.8.6土中水和气土的冻胀性,冻土现象：在冻土地区，随着冻结和融化会发生特殊的现象，称为冻土现象。冻胀现象：粘性土层在冻结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘，称为冻胀现象。冻融现象：土层解冻融化后，由于土中含水量增加，且地基细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，土层软化，强度大大降低，称为冻融现象。,1.8.6土中水和气土的冻胀性,冻胀机理：影响因素：土的因素：粉质亚粘土，粉质亚砂土，粘土。水的因素：开敞性冻胀，封闭性冻胀。温度的因素：气温下降速度。在持续负温作用下地下水位较高的处的粉砂、粉土、亚粘土、轻亚粘土等土层中具有较大的冻胀现象。,1.8.6土中水和气土的冻胀性,