土力學(xué)全套課件.ppt

1、土力學(xué)全套課件,土力學(xué),緒論土力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是以土為研究對象的學(xué)科。研究內(nèi)容：通過研究土的物理、力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土和土體在荷載、水、溫度等外界因素作用下的反應(yīng)特性即土的壓縮性、剪切性、滲透性及動(dòng)力特性。,需要研究和解決的工程中的三大類問題： 土體穩(wěn)定或強(qiáng)度問題； 土體變形問題； 滲流：滲透變形與滲透穩(wěn)定。,2005年7月21日在廣州海珠區(qū)江南大道南海珠廣場深基坑南邊發(fā)生滑坡,緒論,比薩斜塔是意大利 比薩城大教堂的獨(dú) 立式鐘樓，位于比 薩大教堂的后面,鐘樓始建于1173年， 設(shè)計(jì)為垂直建造，但 是在工程開始后不久 便由于地基不均勻和 土層松軟而傾斜,緒論,比薩 (

2、Pisa) 斜塔,緒論,該城市人口密集。1850年開始抽取地下水，18911973年，整個(gè)老城下沉達(dá)8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑設(shè)施的破壞。,墨 西 哥 城 的 下 沉,土層中地下水位的下降，使有效應(yīng)力增加，使地基進(jìn)一步固結(jié)沉降。,緒論,圣母教堂，因地表不均勻下沉使其發(fā)生嚴(yán)重傾斜，并成為危房,緒論,La Conchita 滑坡,1996年發(fā)生在美國加 州的La Conchita ，因 居民已提前撤離固未造 成人員傷亡,緒論,Santa Tecla 滑坡,2001年1月13日，薩爾 瓦多發(fā)生了7.6級(jí)的強(qiáng)震， 震中位于Santa Miguel 西南60英里。因此在 Santa Tecla

3、 造成 山體 滑坡，最終導(dǎo)致700多人 遇難,緒論,緒論,舟曲泥石流,緒論,舟曲泥石流,舟曲發(fā)生泥石流的主要因素： 一、是三眼峪溝內(nèi)部有滑坡、崩塌等大量的松散固體物質(zhì)存在，為泥石流的發(fā)生提供了充分的物質(zhì)條件，其中多數(shù)為1879年7月1日甘肅文縣8級(jí)地震所誘 發(fā)。同時(shí)舟曲位于龍門山地震活動(dòng)帶北緣，又臨近天水地震活動(dòng)帶，此前也曾受汶川地震波及，土質(zhì)相對疏松，一遇強(qiáng)降雨容易形成泥石流。 二、是三眼峪溝流域上游植被以幼林為主，灌草比例高，局部裸露，儲(chǔ)水能力較弱，在經(jīng)歷今年入夏以來長時(shí)間嚴(yán)重干旱后，表層土變得更加干松。 三、是在近期強(qiáng)降雨作用下，土體強(qiáng)度極大地降低，形成坡面泥石流，并逐步帶動(dòng)溝坡崩滑巖土

4、形成沖擊力巨大的泥石流，在從中上游匯流至中下游過程中，使得因地震形成的天然堆石壩逐級(jí)潰決，并最終導(dǎo)致泥石流流量的增大和破壞力的增強(qiáng)。,緒論,本章主要內(nèi)容,1.1 土的生成 1.2 土的三相組成 1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算 1.5 無粘性土的特性 1.6 粘性土及粉土的特性 1.7 粘性土水-土系統(tǒng)的工程（物理-化學(xué)）特性 1.8 土的工程分類,第1章 土的物理性質(zhì)及工程分類, 1.1 土的生成,風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積 巖石 土 壓密、巖化,一、土的概念 土： 覆蓋在地表上的碎散礦物集合體。 巖石：構(gòu)成地殼的基本物質(zhì)，是一種或多種礦物的聚合體。 統(tǒng)稱為大自然的產(chǎn)物

5、,土是巖石經(jīng)過風(fēng)化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物,巖石風(fēng)化分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。 物理風(fēng)化：巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產(chǎn)生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑的過程。 化學(xué)風(fēng)化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產(chǎn)生化學(xué)變化，分解為極細(xì)顆粒的過程。,特征： 物理風(fēng)化：量變過程，形成的土顆粒較粗； 化學(xué)風(fēng)化：質(zhì)變過程，形成的土顆粒很細(xì)。,對一般的土而言，通常既經(jīng)歷過物理風(fēng)化，又有化學(xué)風(fēng)化，只不過哪種占優(yōu)勢而已。,1.1 土的生成,

6、土從其堆積或沉積的條件來看可分為：,殘積土：巖石風(fēng)化后仍留在原地的堆積物。 特點(diǎn)：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變； 寒冷地帶，巖塊或砂，物理風(fēng)化，穩(wěn)定。,1.1 土的生成,運(yùn)積土：巖石風(fēng)化后經(jīng)流水、風(fēng)和冰川以及人類活動(dòng)等搬運(yùn)離 開生成地點(diǎn)后再沉積下來的堆積物。又分為沖積土、風(fēng)積土、冰磧土和沼澤土等。 沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑 風(fēng)積土：由風(fēng)力帶動(dòng)土粒經(jīng)過一段搬運(yùn)距離后沉積下來的堆積物；沒有層理、細(xì)砂或粉粒；黃土 冰磧（qi）土：由冰川剝落、搬運(yùn)形成的堆積物；不成層、從漂石到粘粒 沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機(jī)質(zhì)、壓縮性高、強(qiáng)度低,1.1 土的生成,氣相,固相,液相,+,+,

7、構(gòu)成土骨架，起決定作用,重要影響,土體,次要作用, 1.2 土的三相組成,土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱土為三相系。 固相：土的顆粒、粒間膠結(jié)物； 液相：土體孔隙中的水； 氣相：孔隙中的空氣。,1.2 土的三相組成,當(dāng)土骨架的孔隙全部被水占滿時(shí)，這種土稱為飽和土； 當(dāng)土骨架的孔隙僅含空氣時(shí)，就成為干土； 一般在地下水位以上地面以下一定深度內(nèi)的土的孔隙中兼含空氣和水，此時(shí)的土體屬三相系，稱為濕土。 根據(jù)土的粘性分： 粘性土：顆粒很細(xì)； 無粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚 至堆石（直徑幾十cm甚至1m）,不同類型的土,1.2 土的三相組成,一、土的固相 土的固相物質(zhì)包括無機(jī)礦物顆粒和

8、有機(jī)質(zhì)，是構(gòu)成土的骨架最基本的物質(zhì)，稱為土粒。對土粒應(yīng)從其礦物成分、顆粒的大小來描述。 （一）成土礦物：原生礦物，次生礦物 原生礦物是指巖漿在冷凝過程中形成的礦物，如石英、長石、云母等。 次生礦物是由原生礦物經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等。,1.2 土的三相組成,（二）土粒的大小和土的級(jí)配 粒度，粒徑 粒組：把工程性質(zhì)相近的土粒合并為一組；某粒組的土粒含量定義為該粒組的土粒質(zhì)量與干土總質(zhì)量之比 土的級(jí)配：土中各種大小的粒組中土粒的相對含量 隨著顆粒大小的不同，土的性質(zhì)可以有很大的差異。因此，人們常常按照粒徑的范圍，將土粒分為若干組，粒組

9、之間的分界尺寸稱為界限粒徑。表1-1是國內(nèi)常用的一種粒組劃分。,1.2 土的三相組成,土 粒 粒 組 的 劃 分 表1-1,砂 粒,粉 粒,圓礫或 角礫,1.2 土的三相組成,顆粒大小,粒組 按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類 界限粒徑,1.2 土的三相組成,（三）顆粒大小分析試驗(yàn) 測定土中各粒組顆粒質(zhì)量所占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，確定粒徑分布范圍的試驗(yàn)稱為土的顆粒大小分析試驗(yàn)。 常用的方法：篩分法：粒徑0.075mm 密度計(jì)法：粒徑0.075mm,1.2 土的三相組成,1.篩分法 利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質(zhì)量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機(jī)上充分振搖后，稱出留在各

10、級(jí)篩上的土粒的質(zhì)量，按下式計(jì)算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分?jǐn)?shù)X（） 式中：mi，m分別為小于某粒徑的土粒質(zhì)量及試樣總質(zhì)量,1.2 土的三相組成,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（）,粒徑(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒徑級(jí)配累積曲線,水分法,1.2 土的三相組成,2.密度計(jì)法 用于分析粒徑小于0.1mm（0.075mm）的土，根據(jù)粗顆粒下沉速度快，細(xì)顆粒下沉速度慢的原理，可以把顆粒按下沉速度進(jìn)行粗細(xì)分組。實(shí)驗(yàn)室常用比重計(jì)來進(jìn)行細(xì)粒土的粒徑分析，稱為密度計(jì)法。,1.

11、2 土的三相組成,3.土的級(jí)配曲線,1-1 顆粒分析試驗(yàn)曲線,1.2 土的三相組成,(四)顆粒分析試驗(yàn)曲線的主要用途 按粒徑分布曲線可求得： （1）土中各粒組的土粒含量，用于粗粒土的分類和大致評(píng)估土的工程性質(zhì)； （2）某些特性粒徑，用于建筑材料的選擇和評(píng)價(jià)土級(jí)配的好壞。 根據(jù)某些特征粒徑，可得到兩個(gè)有用的指標(biāo)，即不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，它們的定義為： （12）,1.2 土的三相組成,(13) 式中：d10，d30和d60為粒徑分布曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為10，30和60時(shí)所對應(yīng)的粒徑。d10稱為有效粒徑； d60稱為限制粒徑。 土的級(jí)配的好壞可由土中的土粒均勻程度和粒徑分布曲線的

12、形狀來決定，而土粒的均勻程度和曲線的形狀又可用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來衡量。 Cu小，曲線陡； Cu大，易壓密；Cc過大，臺(tái)階在d10d30間； Cc過小，臺(tái)階在d30d60間； 規(guī)范：純凈礫、砂，Cu=5，且Cc=13時(shí)，級(jí)配良好，否則，不良。,1.2 土的三相組成,圖 土的顆粒級(jí)配曲線,1.2 土的三相組成,二、土的液相 （一）結(jié)合水 強(qiáng)結(jié)合水性質(zhì)接近于固體，冰點(diǎn)很低，沸點(diǎn)較高，且不能傳遞壓力。 弱結(jié)合水也稱為薄膜水，不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動(dòng)，但它可以因電場引力的作用從水膜厚的地方向水膜薄的地方轉(zhuǎn)移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影響土的壓縮性和強(qiáng)度，并使土的透水性變小。

13、吸著水厚度影響因素：成土礦物；陽離子濃度及化學(xué)性質(zhì)(陽離子價(jià)低,厚; 陽離子濃度高,薄)。,1.2 土的三相組成,（二）自由水 離開土顆粒表面較遠(yuǎn)，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動(dòng)的水稱為自由水。 （分為毛細(xì)管水和重力水）,1.毛細(xì)管水 土中存在許多大小不同的相互連通的彎曲孔道，由于水分子與土粒分子之間的附著力和水氣界面上的表面張力，于是，將引起迫使相鄰?fù)亮Ｏ嗷シe緊的壓力，這個(gè)壓力稱為毛管水壓力。,1.2 土的三相組成,2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流動(dòng)的自由水稱微重力水。 具有溶解能力，能傳遞靜水和動(dòng)水壓力，對土顆粒有浮力作用。 當(dāng)它在土孔隙中流動(dòng)時(shí)，對所流經(jīng)的土體施加滲流力

14、（亦稱動(dòng)水壓力、滲透力），計(jì)算中應(yīng)考慮其影響。,三、土的氣相 存在土中的氣體分為兩種基本類型：一種是與大氣連通的氣體；另一種是與大氣不連通的以氣泡形式存在的封閉氣體。,1.2 土的三相組成,一、土的結(jié)構(gòu) 1. 定義 土?；蛲亮＜象w在空間的排列和互相聯(lián)結(jié)形式稱為土的結(jié)構(gòu)., 1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,2. 類型,(a) 單粒結(jié)構(gòu) (b) 峰窩結(jié)構(gòu) (c) 絮狀結(jié)構(gòu),(1)單粒結(jié)構(gòu) 如圖(a)所示。由顆粒大的土粒在水或空氣中下沉堆積而成。粗粒土都具有單粒結(jié)構(gòu)。單粒結(jié)構(gòu)可以分為疏松的和緊密的。疏松單粒結(jié)構(gòu)的土孔隙大，骨架不穩(wěn)定，在外載作用下容易發(fā)生錯(cuò)位，產(chǎn)生很大的變形或沉降，因此，這種土未經(jīng)處理一般

15、不宜作為建筑物的地基。緊密單粒結(jié)構(gòu)的土，由于顆粒排列緊密，強(qiáng)度高，壓縮性小，在動(dòng)、靜載作用下都不會(huì)發(fā)生較大的沉降，是良好的天然地基。,1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,(2)峰窩結(jié)構(gòu) 如圖(b)所示。粒徑大約在0.020.002mm范圍內(nèi)的粉土或粘土顆粒，在水中單個(gè)下沉?xí)r，途中碰到已沉積的土粒時(shí)，由于土粒之間的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在最初的接觸位置不能繼續(xù)下沉，這樣，一粒一粒相互吸引，最終將能形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。,1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,(3)絮狀結(jié)構(gòu) 如圖(c)所示。直徑小于0.002mm的極細(xì)粘粒，在水中能夠長期懸浮而不下沉，如果水中摻有某些電解質(zhì)，顆粒間的排斥力能被動(dòng)削弱

16、，運(yùn)動(dòng)著的土粒能夠相互碰撞凝聚成絮狀的小集粒而下沉，并相繼與已沉積的絮狀集粒接觸，形成類似蜂窩而孔隙很大絮狀結(jié)構(gòu)（又稱為二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)）。 以上三種結(jié)構(gòu)中，密實(shí)的單粒結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)最好；蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)如果受到擾動(dòng)，強(qiáng)度就會(huì)降低，壓縮性變高，難以作為天然地基。,1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,二、土的構(gòu)造,1. 定義 同一土層中顆粒或顆粒結(jié)合體相互間的位置與充填空間情況稱為土的構(gòu)造。其實(shí)，這一定義與大多書本一樣仍然比較模糊，未交代結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的關(guān)系。其實(shí)，土的結(jié)構(gòu)著重于細(xì)微觀，而構(gòu)造可以理解為土體的宏觀結(jié)構(gòu)。,1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,2. 類型 土體的構(gòu)造一般可以分為以下四類： (1) 層狀構(gòu)造 顧名思義

17、，層狀構(gòu)造是由不同顏色和粒徑的土粒構(gòu)成的一層一層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。大部分細(xì)粒土的土層是這種構(gòu)造。 (2) 分散構(gòu)造 土層中的土粒分布均勻，性質(zhì)相近，粗粒土大都是分散構(gòu)造。,1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,(3) 裂隙狀構(gòu)造 土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割，破壞了原狀土的整體性，使其工程性質(zhì)變差，一些堅(jiān)硬和硬塑狀態(tài)的粘土具有這種結(jié)構(gòu)。 (4) 結(jié)核狀構(gòu)造 在細(xì)粒土中明顯摻有粗顆?；蚋鞣N結(jié)核。如含結(jié)核的黃土等，該類土的性質(zhì)主要決定于細(xì)粒土部分。,1.3 土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,土的物理、力學(xué)性質(zhì)不僅決定于它的三相組成性質(zhì)和它的結(jié)構(gòu)，而且還與三相之間量的比例關(guān)系密切相關(guān)。 可分為

18、兩類： 通過試驗(yàn)測定，如含水量、密度和土粒相對密度，稱為 直接指標(biāo)； 根據(jù)直接指標(biāo)換算，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標(biāo)。,土的三相圖,從右圖可以容易得到以下關(guān)系： Vv = Vw + Va V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va m = ms + mw,一、試驗(yàn)直接測定的物理性質(zhì)指標(biāo) （一）土粒相對密度（土粒比重）ds 土粒相對密度定義為土粒的質(zhì)量（或重量）與同體積4時(shí)純水的質(zhì)量（或重量）之比（無因次），其表達(dá)式為： （1.4.1） 或 （1.4.2） 式中： 土粒的密度，即土粒單位體積的質(zhì)量； 4時(shí)純水的密度，1.0g/cm3,土粒相對密度在數(shù)值上等于土粒的密度,1.

19、4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,土粒相對密度常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質(zhì)量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內(nèi)，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質(zhì)量，按下式計(jì)算土粒相對密度：,式中： m1瓶+水的質(zhì)量； m2瓶+土+水的質(zhì)量； ms烘干土的質(zhì)量；,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,m0 ms m1 m2 空瓶質(zhì)量 烘干土的質(zhì)量 瓶+水的質(zhì)量 瓶+土+水的質(zhì)量 m1+ms瓶+水（滿）的質(zhì)量+干土的質(zhì)量； m1+ms-m2與土粒體積相同的水的質(zhì)量。,比重瓶法,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（二）土的天然含水量w 土的天然含水量，定義為土中水的質(zhì)量與土粒

20、的質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為： （1.4.3） 將式（1.4.2）代入（1.4.3）中得 測定含水率常用的方法是烘干法，先稱出天然土的質(zhì)量，然后放在烘箱中，在100105常溫下烘干，稱得干土質(zhì)量，按上式可算得。,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（三）土的天然密度與重度 土的密度定義為單位體積土的質(zhì)量，用表示，單位為Mg/m3(或g/cm3)。 表達(dá)式如下： （1.4.5） 對于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測定。,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,二、間接換算得物理性質(zhì)指標(biāo) （一）土的孔隙比e 定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示，其表達(dá)式為： （1.4.10

21、） （二）土的孔隙率n 定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內(nèi)孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為： （1.4.11）,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（三）土的飽和度Sr 定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為： （1.4.12）,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,土的干重度：單位體積內(nèi)土粒的重量，表達(dá)式為： （1.4.14） 土烘干，體積要減小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是評(píng)定土密實(shí)程度的指標(biāo)，干密度或干重度愈大表明土愈密實(shí)，反之愈疏松。,（四）干密度d與干重度d 土的干密度：單位體積內(nèi)土粒的質(zhì)量，表達(dá)式：

22、 （1.4.13）,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（五）飽和密度sat與飽和重度sat 飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿土處于飽和狀態(tài)時(shí)單位體積土的質(zhì)量。表達(dá)式為 （1.4.15）,在飽和狀態(tài)下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達(dá)式為： （1.4.16）,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（六）浮密度與浮重度（有效重度） 土在水下，受到重力水的浮力作用，此時(shí)土中固體顆粒的質(zhì)量再扣去固體顆粒排開水的質(zhì)量與土樣總體積之比 （1.4.17）,浮密度,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,與其相應(yīng)，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內(nèi)的土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差，其表

23、達(dá)式為： （1.4.18） 或 （1.4.19） 從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有如下關(guān)系：,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,三、常用物理性質(zhì)指標(biāo)的實(shí)用計(jì)算公式(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 常用的土的物理指標(biāo)共有九個(gè)。已知其中任意三個(gè)，通過換算可以求出其余的六個(gè)。 （一）孔隙比與孔隙率的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則 可知，孔隙的體積Vv為e，土體的體積V為（1e），于是有： 或,三相示意圖（a）,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（二）干密度與天然密度和含水量的關(guān)系 設(shè)土體的體積V為1，則d = ms /V，土體內(nèi)土粒的質(zhì)量ms為d，由w= mw /

24、 ms水的質(zhì)量mw為w d。于是，按t天然密度的定義可得： 或 （1-22）,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（三）孔隙比與土粒相對密度和干密度的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則按 ，孔隙的體積Vv為e；由s ms / Vs得土粒的質(zhì)量ms為s。于是，按d的定義可得： 應(yīng)用式（16）整理得：,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（四）飽和度與含水量、相對密度和孔隙比的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則按e=VV/VS得體積VV=e；由s ms / Vs得土粒的質(zhì)量ms=s。按w= mw / ms ，得質(zhì)量mw=ws，則得體積Vw= mw / w =ws/w。于是， 當(dāng)土飽和時(shí)，即

25、Sr為100，則： 式中：wsat飽和含水率。,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（五）浮密度與土粒相對密度和孔隙比的關(guān)系 設(shè)土體內(nèi)土粒體積為1，則按e=VV/VS ，孔隙的體積VV為e；由s ms / Vs得土粒的質(zhì)量ms為s。于是，按式浮密度的定義可得,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,例題,【例題1-1】 某干砂試樣 ，經(jīng)細(xì)雨后，體積未變，飽和度達(dá)到Sr=40%，試問細(xì)雨后砂樣的密度、重度和含水量各是多少？,解：對于干砂試樣，其密度應(yīng)為,孔隙比：,雨后含水量：,雨后砂樣密度：,雨后砂樣重度：,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,【例題1-2】有一個(gè)完全飽和的粘土土樣

26、，測得總體積V1=100cm3，已知土粒對水的相對密度ds=2.66，土樣含水量w1=45%，將該土樣置于烘箱中烘了一段時(shí)間之后，測得土樣的體積V2=95cm3，w2=35%，問土樣烘干前后的密度、干密度、孔隙比、飽和度各為多少？,解：烘烤前因?yàn)橥翗油耆柡图碨r1=100%所以 孔隙比：,干密度：,密度：,烘烤后土樣中的干土質(zhì)量不變即,此時(shí)土樣的總質(zhì)量：,土樣密度：,土樣干密度：,土樣孔隙比：,土樣的飽和度：,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,【例題1-3】某一塊試樣在天然狀態(tài)下的體積為60cm3，稱得其質(zhì)量為108g，將其烘干后稱得質(zhì)量為96.43g，根據(jù)試驗(yàn)得到的土粒比重ds為2

27、.7，試求試樣的濕密度、干密度、飽和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和飽和度。 【解】（1）已知V60cm3，m=108g，則由式（14）得 =mv=180/ 60=1.8g/cm3,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,（2）已知ms=96.43g，則 mw=mms=10896.43=11.57g 按式（18），于是 w= mwms11.5796.43=12% （3）已知ds=2.7，則 Vs= ms /s=96.43 2.735.7cm3 Vv=V Vs =6035.724.3cm3 按式（111），于是,（4）按式（112） n= Vv/V24.3 60=40.5 （5）根據(jù)w的定義 V

28、w = mw/w=11.57 111.57cm3 于是按式（113） Sr= Vw/Vv=11.57 24.348,=24.3 35.7=0.68,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,【例1-4】某土樣在天然狀態(tài)下的孔隙比 e=0.8，土粒比重 ds=2.68，含水量=24%，求： (a) 天然狀態(tài)下的重度、干重度和飽和度； (b)若該土樣加水后，達(dá)到飽和狀態(tài)，計(jì)算飽和時(shí)的含水量及飽和重度(假定土的孔隙比保持不變)。,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,解:(a),(b),1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,【例1-5】某飽和土樣重0.4N ，體積為21.5 cm3。放入烘箱

29、內(nèi)烘一段時(shí)間后取出，稱得其重量為0.33N，體積減小至15.7 cm3，飽和度為75% 。試求該土樣烘烤前的含水量 w、孔隙比 e 及干容重 d 。,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,解：設(shè)烘一段時(shí)間后，孔隙體積為Vv2，孔隙水所占體積為Vw2，則： 在烘后狀態(tài)： 在烘前狀態(tài)： 聯(lián)立求解得：,=4.8cm3，,=3.6cm3,1.4 土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測定及計(jì)算,上一節(jié)講的9個(gè)三相指標(biāo)主要是反映土的物理性質(zhì)的，還不能直接表現(xiàn)土的物理狀態(tài)，本節(jié)講授反映土的物理狀態(tài)的有關(guān)指標(biāo)。 所謂土的物理狀態(tài)，對于粗粒土來講，就是指它的密實(shí)程度；對于細(xì)粒土，則是指它的軟硬程度即粘性土的稠度(cons

30、istency）,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),一、無粘性土（粗粒土）的密實(shí)度（1.5節(jié)）,土的密實(shí)度:指單位體積的土體中固體顆粒的含量。 干容量d和孔隙比e（或孔隙率n）都是表示土的密實(shí)度的指標(biāo)。 但這種直接用土粒的含量或孔隙含量表示密實(shí)度的方法具有明顯的缺點(diǎn):最主要的就是它們沒有考慮到土粒粒徑級(jí)配這一重要因素的影響，不同級(jí)配的砂土，即使孔隙比相同，所處的松密狀態(tài)并不會(huì)相同。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),為了更好的表明粗粒土的密實(shí)狀態(tài)，可以將天然孔隙比e與同一種土的最密實(shí)狀態(tài)的孔隙比emin 和最松散狀態(tài)孔隙比emax 進(jìn)行對比，看天然的e是靠近emin還是靠近emax，以此來

31、判別它的密實(shí)度。這種度量密實(shí)度的指標(biāo)稱為相對密度(relative density)Dr 。 式中： Dr相對密實(shí)度； emax無粘性土處在最松狀態(tài)時(shí)的孔隙比； emin無粘性土處在最密狀態(tài)時(shí)的孔隙比； e無粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),顯然，當(dāng)e接近于emin時(shí)，Dr 接近于1，土呈密實(shí)狀態(tài)，當(dāng)e接近于emax時(shí)，Dr接近于零，土呈松散狀態(tài)。通常根據(jù)Dr可以把粗粒土的松密狀態(tài)分為下列三種： 0Dr0.33 松散 0.33 Dr0.67 中密 0.67 Dr 1 密實(shí),1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),天然砂土的密實(shí)度只能在現(xiàn)場利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸

32、探試驗(yàn)等原位測試方法來獲得。通常根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N ，將天然砂土分為表1.5.2中的四種密實(shí)度狀態(tài)。,表1.5.2 天然砂土的密實(shí)度劃分,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),碎石土可以用可挖性、可鉆性等方法進(jìn)行現(xiàn)場鑒別，一般也可區(qū)分為密實(shí)、中密和稍密三種密實(shí)度狀態(tài)。 細(xì)粒土（粘性土）無法在實(shí)驗(yàn)室測定最大和最小孔隙比，實(shí)際上也不存在emax和emin，因此只能根據(jù)孔隙比e或干密度d來判斷其密實(shí)度。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),稠度：指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用而變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標(biāo)。,二、粘性土的稠度（1.6節(jié)）,（一）粘性土的稠度狀態(tài)

33、,粘性土的稠度狀態(tài)常用流動(dòng)、軟、可塑、硬等描述。,粘性土,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),粘性土從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)，可用某一界限含水率來區(qū)分，這種界限含水率稱為稠度界限或阿太堡界限。,（二）界限含水率及其測定,1.界限含水率,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),液限（WL）從流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水率， 也就是可塑狀態(tài)的上限含水率；,塑限（Wp）從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率, 也就是可塑狀態(tài)的下限含水率；,縮限（Ws）從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水率, 亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不 變時(shí)的含水率。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),測定塑限的方法

34、：搓滾法和液、塑限聯(lián)合測定法。,2.液、塑限的測定,測定液限的方法：碟式儀法、錐式液限儀、和液、塑限聯(lián)合測定法。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),聯(lián)合測定儀,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),錐式液限儀,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),蝶式儀,25擊合攏長度13mm時(shí)含水率為液限,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),土的縮限用收縮皿法測定。,3.縮限的測定,式中：ws土的縮限（） w制備時(shí)的含水率（） V1濕試樣的體積（cm3） ，V2干試樣的體積（cm3）,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),1.塑性指數(shù),（三）塑性指數(shù)和液性指數(shù),塑性指數(shù)：液限和塑限之差的百分?jǐn)?shù)值（去掉百分號(hào)）。

35、 用Ip表示，取整數(shù)。,粘土 粉質(zhì)粘土 粉土,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),2.液性指數(shù),式中：IL液性指數(shù)，以小數(shù)表示； w土的天然含水率。,1989和2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范都根據(jù)I L將粘性土劃分成了表1.6.1中的五種狀態(tài)。 粘性土的軟硬狀態(tài) 表1.6.1,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),（四）靈敏度、觸變性及活動(dòng)度 土的結(jié)構(gòu)形成后就獲得了一定的強(qiáng)度，并且這種強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間而增長。在含水量不變的情況下，將原狀土捏碎，重新按原來的密度制備成重塑土，由于原狀結(jié)構(gòu)遭到了徹底破壞，重塑土樣的強(qiáng)度會(huì)比原狀土樣有明顯的降低。原狀土樣的單軸抗壓強(qiáng)度qu與重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度qu 之比稱

36、為土的靈敏度St，即： St = qu /qu (1.6.6) 根據(jù)靈敏度的大小可以將粘性土分為三類：低靈敏土（1 4）。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),與靈敏度密切相關(guān)的另一特性是觸變性。結(jié)構(gòu)受破壞，強(qiáng)度降低以后的土，若靜置不動(dòng)，則土顆粒與水分子和離子會(huì)重新組合排列，形成新的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度又將得到一定程度的恢復(fù)。這種在含水量和密度不變的條件下，土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化的性質(zhì)稱為土的觸變性。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),在實(shí)際工程中，有時(shí)兩種粘土的塑性指數(shù)Ip很接近，但性質(zhì)可能會(huì)有很大差異，為了進(jìn)一步加以區(qū)別，英國土力學(xué)家斯肯普頓在1953年又引入了活動(dòng)度A的概念，即： A

37、 = Ip /m 式中m為粒徑小于0.002mm的土粒質(zhì)量占土樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),試驗(yàn)設(shè)備 擊實(shí)筒V=1000cm3；擊實(shí)錘w=25牛頓 試驗(yàn)條件 土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數(shù)N=27/層 擊實(shí)能量,試驗(yàn)方法 對=常數(shù)的土；分三層壓實(shí)； 測定擊實(shí)后的、，算定d,注意：僅適用于細(xì)粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實(shí)儀,土,1.7 粘性土水-土系統(tǒng)的工程特性,擊實(shí)試驗(yàn),土的壓實(shí)性：指在一定的含水率下，以人工或機(jī)械的方法，使土能夠壓實(shí)到某種密實(shí)度的性質(zhì)。,1.8地基土的工程分類,一、土的工程分類依據(jù) 按前面的分析，影響土的工程性質(zhì)的三個(gè)主要因素是土的三相

38、組成、土的物理狀態(tài)和土的結(jié)構(gòu)。在這三者中，起主要作用的無疑是三相組成。在三相組成中，關(guān)鍵又是土的固體顆粒，而顆粒的粗細(xì)是最為重要的。,1. 碎石土 指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總土重50%的土。根據(jù)粒組含量及顆粒形狀，還可按表1.8.1細(xì)分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫六類。,碎 石 土 的 分 類 表1.8.1,注：分類時(shí)應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小以最先符合者確定。,1.8地基土的工程分類,2. 砂土 指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重的50%，而粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重的50%的土。砂土根據(jù)粒組含量不同又被細(xì)分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂五類。如表1.8.2所示。,

39、砂 土 的 分 類 表1.8.2,注：分類時(shí)應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小以最先符合者確定。,1.8地基土的工程分類,3. 粉土 指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過50%，且塑性指數(shù)3I p 10的土。 這類土既不具有砂土透水性大、容易排水固結(jié)、抗剪強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，又不具有粘性土防水性能好、不易被水沖蝕流失、具有較大粘聚力的優(yōu)點(diǎn)。在許多工程問題上，表現(xiàn)出較差的性質(zhì)，如受振動(dòng)容易液化、凍脹性大等等。,1.8地基土的工程分類,4. 粘性土 指塑性指數(shù)I p 10的土。其中10 I p17的土 稱為粉質(zhì)粘土；I p 17的土稱為粘土。粘性土可以根據(jù)液性指數(shù)I L分為堅(jiān)硬、硬塑、可塑、軟塑、流塑五種狀態(tài)

40、。 此外自然界中還分布有許多具有一般土所沒有的特殊性質(zhì)的土，如黃土、軟土、紅土、凍土、膨脹性土，分散性土等。它們的分類都各有自己的規(guī)范。同學(xué)們在將來的實(shí)際工作中碰到具體的工程問題時(shí)，可查找相應(yīng)的規(guī)范。,1.8地基土的工程分類,第一章 總結(jié),1.1 土的形成與特征 一、土的概念 巖石經(jīng)過風(fēng)化作用在不同條件下形成的自然歷史產(chǎn)物 二、土的種類 1. 殘積土(sedentary or residual soil) 2. 運(yùn)積土(sedimentary soil) 1)坡積土(cliff soil)；2)洪積土(flood soil)；3)沖積土(alluvial soil)；4)湖泊沼澤沉積土：5)海

41、相沉積土：6)冰積土：7)風(fēng)積土,1.2 土的三相組成,一、土的固體顆粒（土粒） 1. 土的顆粒級(jí)配曲線分析 不均勻系數(shù)Cu = d60 / d10 ，曲率系數(shù)Cc = 2. 土粒礦物成份 一類是原生礦物，如石英、長石、云母等，粗粒土的土粒往往都是原生礦物； 另一類是次生礦物，土中的次生礦物主要是粘土礦物，蒙脫石，伊里石，高嶺土是三種最常見的粘土礦物。,二、土中的水和氣體 1. 土中的水 (1) 結(jié)合水(Bound water) 強(qiáng)結(jié)合水； 弱結(jié)合水 (2) 自由水 重力水；毛細(xì)水 2. 土中的氣體 粗粒土中的空氣，對土的性質(zhì)沒有多大影響；細(xì)粒土中的氣體，由于常常處于封閉狀態(tài)，使土層具有很高的

42、壓縮性。,1.3 土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造,一、土粒結(jié)構(gòu) (1) 單粒結(jié)構(gòu) (2) 峰窩結(jié)構(gòu) (3) 絮狀結(jié)構(gòu) 二、土的構(gòu)造 (1) 層狀構(gòu)造 (2) 分散構(gòu)造 (3) 裂隙狀構(gòu)造 (4) 結(jié)核狀構(gòu)造,1.4 土的三相比例指標(biāo),1. 三個(gè)基本指標(biāo) 土粒相對密度(particle specific gravity)ds 含水量(water content)w 土的天然密度(bulk density of soil) 2. 其它六個(gè)常用指標(biāo)(換算指標(biāo)) (1) 特定條件下的密度（重度） 干密度(dry density)d 飽和密度 (water-saturated density) sat 有效密度(浮密度

43、buoyant density) ,(2) 表示土中孔隙含量的指標(biāo) 孔隙比(void ratio)e 孔隙率( porosity) n (3) 反映土中含水程度的指標(biāo) 飽和度(degree of saturation)Sr 3. 指標(biāo)間的換算 能夠熟練的用三相草圖計(jì)算三相指標(biāo)。,1.5 和1.6 土的物理狀態(tài)指標(biāo),一、粗粒土的密實(shí)度 相對密實(shí)度(relative density)Dr , Dr1 / 3 松散 1 / 3 2 / 3 密實(shí) 天然砂土的密實(shí)度劃分 表1-2,二、細(xì)粒土的物理性質(zhì) 1. 分界含水量 液限wL、塑限wP、縮限wS 2. 液性指數(shù)I L和塑性指數(shù)I p I p = wL

44、 wp 粘性土的軟硬狀態(tài) 表1-3,1.8 地基土的工程分類,1. 碎石土 2. 砂土 3. 粉土 指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過50%，且塑性指數(shù)I p 10的土。 4. 粘性土 粉質(zhì)粘土：10 I p17的土 粘土：I p 17的土,End of Chapter 1 結(jié)束,作業(yè)情況,1-1 （1）證明：,錯(cuò)誤做法： 證明：,證明題要詳細(xì)的證明，計(jì)算題可以用結(jié)論,1-9 解：,注意g的單位,粘土,細(xì)砂,粗砂,碎石,卵石,碎石,粘土,土樣篩,顆分篩,密度計(jì),密度：環(huán)刀法,烘干法,聯(lián)合測定儀,蝶式儀,擊實(shí)儀,第二章 土的滲透性及滲流,本章主要內(nèi)容,2.1 土的滲透性及舉例 2.2 土的

45、水理性質(zhì) 2.3 地下水的運(yùn)動(dòng)方式和判別 2.4 達(dá)西定律及其適應(yīng)范圍 2.5 滲透系數(shù)的測定 2.6 二維滲流及流網(wǎng)應(yīng)用 2.7 滲透力、潛蝕和流沙的危害及防治 2.8 滲流情況下的有效應(yīng)力和孔隙水壓力,學(xué)習(xí)要求,掌握： 1 土的滲透性 2 土的滲流 3 滲透力與滲透破壞 4 滲透系數(shù)的測定 5 滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力的計(jì)算 難點(diǎn)：滲流 重點(diǎn)：達(dá)西滲透定律;滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力的計(jì)算,2.1 土的滲透性及舉例,土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問題。,由于土是具有連續(xù)孔

46、隙的介質(zhì)，當(dāng)土中兩點(diǎn)存在著能量差時(shí)，也就是存在水位差時(shí)，水就在土的孔隙中從能量高的點(diǎn)（水位高的點(diǎn)）向能量低的點(diǎn)流動(dòng)。這種水透過土體孔隙的現(xiàn)象就叫做滲透（滲流）。 土具有被水等液體透過的性質(zhì)叫滲透性。,浸潤線,土石壩壩基壩身滲流,土的滲透性及舉例,板樁墻,板樁圍護(hù)下的基坑滲流,土的滲透性及舉例,滲流量,滲流時(shí)地下水位,渠道滲流,土的滲透性及舉例,透水層,不透水層,天然水面,水井滲流,漏斗狀潛水面,Q,滲流滑坡,土的滲透性及舉例,土的水理性質(zhì)：土體在水的作用及其變化的條件下，產(chǎn)生土的物理、力學(xué)狀態(tài)及性質(zhì)的變化以及對工程的影響。,2.2 土的水理性質(zhì),這里主要討論以下的兩方面問題： 土的毛細(xì)水性質(zhì)

47、土的凍脹,土的毛細(xì)水性質(zhì),土的毛細(xì)現(xiàn)象：土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的孔隙向上及向其他方向移動(dòng)的現(xiàn)象 土能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)稱為土的毛細(xì)性。,土的水理性質(zhì),土的毛細(xì)性對工程的影響： 毛細(xì)水上升是引起路基凍害的因素之一 對于房屋建筑，毛細(xì)水的上升會(huì)引起地下室過分潮濕 毛細(xì)水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對工程及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)都有很大的影響,土的凍脹 影響凍脹的因素有下列三個(gè)方面： 1、土的因素 2、水的因素 3、溫度的因素,土的水理性質(zhì),上述三方面的因素是土層發(fā)生凍脹的三個(gè)必要條件。其結(jié)論是：在持續(xù)負(fù)溫作用下，地下水位較高處的粉砂、粉土、粉質(zhì)粘土等土層常具有較大的凍脹危害。,主要措施：將構(gòu)筑物

48、基礎(chǔ)底面置于當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度（可查有關(guān)規(guī)范）以下，以防止凍害的影響。,2.2 地下水的運(yùn)動(dòng)方式和判別,地下水：地下水位以下的重力水。除特殊情況外，地下水總是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中。,地下水的運(yùn)動(dòng)方式的分類： 1、按流線形態(tài)：層流、湍流 2、按水流特征隨時(shí)間的變化狀況分為：穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)、非穩(wěn)流運(yùn)動(dòng) 3、按水流在空間上的分布狀況分為：一維流動(dòng)、二維流動(dòng)、三維流動(dòng),地下水運(yùn)動(dòng)的基本方式,地下水的運(yùn)動(dòng)方式和判別,地下水運(yùn)動(dòng)方式的判別雷諾數(shù),雷諾（英國）1883年得出了劃分層流與湍流的定量界限，稱雷諾數(shù)。 圓管中水的流動(dòng) 雷諾數(shù)： 式中：v為圓管水流的速度，cm/s；d為圓管的直徑，cm；s為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，也稱

49、斯托克斯系數(shù)，1ST=1cm2/s。當(dāng)溫度T=0攝氏度時(shí)， ；當(dāng)溫度T=30攝氏度時(shí)， 根據(jù)計(jì)算結(jié)果 當(dāng)Re（20002300）時(shí)屬湍流。,水的滲流是由水頭勢能驅(qū)動(dòng)，從水頭高（勢能大）的地方流向水頭低（勢能?。┑牡胤健?水頭(water head)：單位重量水體所具有的能量。 滲流中一點(diǎn)的總水頭h可用下式表示： h = z + (2-1) z 位置水頭 壓力水頭 流速水頭，流速水頭近似等于0 它們的物理意義均代表單位重量水體所具有的各種機(jī)械能。,幾個(gè)重要的概念,1、各種水頭概念及水力坡降,A點(diǎn)總水頭：,B點(diǎn)總水頭：,總水頭：,水力坡降：,滲流流過單位長度時(shí)的水頭損失。,幾個(gè)重要的概念,水力坡降

50、的物理意義,注意：土體中兩點(diǎn)是否會(huì)發(fā)生滲流，只取決于總水頭差， 若hAhB時(shí)，才會(huì)發(fā)生水從總水頭高的點(diǎn)向總水頭低的點(diǎn)流動(dòng)(但水并非一定向低處流)。,幾個(gè)重要的概念,2 管內(nèi)水流動(dòng)的兩種形式？,（1）流動(dòng)時(shí)相鄰的兩質(zhì)點(diǎn)流線永不相交的流動(dòng)稱為層流。 （2） 若水流動(dòng)時(shí)，相鄰的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)流線相交，流動(dòng)時(shí)將出現(xiàn)漩渦，這種流動(dòng)稱為湍流。 土體中水的流速很小可看作為層流。, 2.4 達(dá)西定律及其適用范圍,達(dá)西（H.Darcy），18031858，法國水力工程師。1856年，達(dá)西發(fā)表了著名的多孔介質(zhì)地下水運(yùn)動(dòng)或流動(dòng)的報(bào)告，報(bào)道了他所做的關(guān)于水在沙柱中流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。達(dá)西發(fā)現(xiàn)通過沙柱的流量與所用砂的透水性和觀測點(diǎn)的

51、水頭有關(guān)，該關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式即為達(dá)西定律。 可以說，達(dá)西的發(fā)現(xiàn)首次從數(shù)量上揭示了多孔介質(zhì)中水流與多孔介質(zhì)滲透性之間的數(shù)量關(guān)系，使多孔介質(zhì)中地下水流計(jì)算成為可能?，F(xiàn)代地下水流計(jì)算中，幾乎所有的經(jīng)典計(jì)算方法和計(jì)算模型，都是直接或間接地由達(dá)西定律推倒而得來。所以可以毫不夸張地說，達(dá)西是水文地質(zhì)學(xué)的奠基人之一，他的實(shí)驗(yàn)成果開創(chuàng)了一門研究地下水流在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的科學(xué)地下水動(dòng)力學(xué)。,一、達(dá)西滲透定律 由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于層流。 著名的達(dá)西(Darcy)滲透定律： 滲透速度： 或 滲流量為：,達(dá)西定律及其適用范圍,式中： -水在土

52、中的滲透速度，cm/s。它不是地下水的實(shí)際流速，而是在單位時(shí)間（sec）內(nèi)流過單位土截面（cm2）的水量（cm3）,是土體斷面的平均滲透速度； i-水力梯度，即土中兩點(diǎn)的水頭差 (如下圖，為H1-H2)與兩點(diǎn)間的流線長度（L）之比； k-土的滲透系數(shù)，cm/s，與土的滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。,達(dá)西定律及其適用范圍,必須指出，由式（2-1）求出的滲透速度v 是一種假想的平均流速，因?yàn)樗俣ㄋ谕林械臐B透是通過整個(gè)土體截面來進(jìn)行的，而實(shí)際上，滲透水僅僅通過土體中的孔隙流動(dòng)，實(shí)際平均流速v 要比假想的平均流速大很多。 它們之間的關(guān)系為：,達(dá)西定律及其適用范圍,二、達(dá)西滲透定律的適用條件 只有當(dāng)滲流為

53、層流的時(shí)候才能適用達(dá)西滲透定律。 達(dá)西滲透定律的適用界限可以考慮為： 滿足達(dá)西滲透定律的土的平均粒徑: 對于比粗砂更細(xì)的土來說，達(dá)西滲透定律一般是適用的，而對粗粒土來講，只有在水力坡降很小的情況下才能適用。,達(dá)西定律及其適用范圍,達(dá)西定律及其適用范圍,對粘性土：,三、兩種特殊情況,對于粘性很大的密實(shí)粘土，有一起始坡降i0 ，當(dāng)i i0 時(shí)，水流擠開結(jié)合水膜的堵塞，滲流才能發(fā)生,如右下圖所示。,達(dá)西定律及其適用范圍,對礫土（粗顆粒）：,只有在水力坡降很小的情況下才能適用;在較大水力梯度下，水在土中的流動(dòng)進(jìn)入湍流狀態(tài)，滲流速度與水力梯度呈非線性關(guān)系，此時(shí)達(dá)西定律不能適用，如圖（c）所示。,滲透系數(shù)

54、是直接衡量土的透水性 強(qiáng)弱的一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。 一、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定滲透系數(shù) 可分為：常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn) （一）常水頭法 是在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水頭保持 不變。常水頭法適用于透水性強(qiáng) 的無粘性土。土的滲透系數(shù)：, 2.5 滲透系數(shù)的測定,（二）變水頭法 在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水頭是隨著時(shí)間而變化的，適用于透水性弱的粘性土。 土的滲透系數(shù)：,滲透系數(shù)的測定,滲透系數(shù)的測定,二、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所組成。對于與土層層面平行和垂直的簡單滲流情況，當(dāng)各土層的滲透系數(shù)和厚度為已知時(shí)，我們可求出整個(gè)土層與層面平行和垂直的平均滲透系數(shù)，作為進(jìn)行滲流計(jì)算的依據(jù)。,滲透系數(shù)的測定

55、,如上圖(a) 所示與層面平行的滲流情況。通過整個(gè)土層的總滲流量qx 應(yīng)為各土層滲流量之總和，即 （a） 根據(jù)達(dá)西定律，總滲流量又可表示為 （b） (c) 整個(gè)土層與層面平行的平均滲流系數(shù)為：,滲透系數(shù)的測定,通過整個(gè)土層的總滲流量qy應(yīng)為通過各土層的滲流量，即 （a） （b） （c）,整個(gè)土層與層面垂直的平均滲流系數(shù)為：,滲透系數(shù)的測定,2.6 二維滲流和流網(wǎng)的特征,一、拉普拉斯方程,在穩(wěn)定流的條件下，在均勻且各向同性介質(zhì)中的滲流，其滲流場可以用拉普拉斯方程來描述。 式中：h為滲流的水頭或水頭差 流線可以用流函數(shù) 來描述，在均勻且各向同性介質(zhì)中的滲流，流函數(shù)滿足拉普拉斯方程 等勢線可以用勢函

56、數(shù),就滲流問題來說，一組曲線稱為等勢線，在任一條等勢線上各點(diǎn)的總水頭是相等的；另一組曲線稱為流線，它們代表滲流的方向。等勢線和流線垂直交織在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)。,二、流網(wǎng)及其特征,二維滲流和流網(wǎng)的特征,對于各向同性的滲透介質(zhì)，流網(wǎng)具有下列特征： （1）流線與等勢線彼此正交； （2）每個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)； （3）相鄰等勢線間的水頭損失相等； （4）各流槽的滲流量相等。,二維滲流和流網(wǎng)的特征,2.7 滲流力、潛蝕和流沙的危害及防治,一、滲流壓力的概念 在飽和土體中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變形的剛體，發(fā)生滲流時(shí)，受到土粒的阻力，引起水頭損失，同時(shí)水也對土顆粒施加滲流作用力，單位體積土骨架所受到的滲流作用力稱為滲流壓力(seepage force or seepage pressure)或動(dòng)水壓力，用Gd表示。,滲流壓力的計(jì)算,滲流力、潛蝕和流沙的危害及防治,滲流壓力是一種體積力，單位是kN/m3。滲流壓力的大小和水力梯度成正比，方向與滲流方向一致。,滲流力、潛蝕和流沙的危害及防治,基本類型,流土,管涌,土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞,形成條件,防治措施,二、滲透破壞類型,滲流力、潛蝕和流沙的危害及防治,1、潛蝕,在滲流情況下，地