第一章土的物理性質(zhì)及工程分類

土力學(xué)

緒論

土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，經(jīng)搬運(yùn)作用，沉積作用和固結(jié)作用所形成。

土與鋼、混凝土等材料不同，是三相體，即：由固相（土顆粒）、液相（水）和孔隙組成。

土的作用：建筑物的地基，建筑材料

土力學(xué)是研究土的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定以及土與建筑物相互作用等規(guī)律的一門力學(xué)分支，是土木工程學(xué)科三大力學(xué)之一。

（工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)）。學(xué)習(xí)要求：掌握土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和試驗(yàn)方法，掌握土力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法；學(xué)會(huì)利用土力學(xué)原理分析計(jì)算有關(guān)實(shí)際工程問題。

參考書目錄

地基基礎(chǔ)（第三版）華南理工大學(xué)等建工

土力學(xué)地基基礎(chǔ)陳希哲清華

土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué)胡中雄

同濟(jì)

天然地基上的淺基礎(chǔ)高大釗等機(jī)械

建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-02建工

高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范

黃土、膨脹土、軟土地基等設(shè)計(jì)規(guī)范

第一章土的物理性質(zhì)及分類1土的三相組成固相包括：無機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)，組成了土的骨架。液相

孔隙中存在的水。包括：冰、水蒸氣、水。氣相充填在土孔隙中的氣體。與大氣相通和不相通兩類。2土的粒度成分天然土是由大小不同的顆粒組成，土粒的大小成為粒度。2.1土的粒度劃分天然土的粒徑一般是連續(xù)變化的，為了描述的方便，工程界常把大小相近的土粒合并為組，成為粒組。我國(guó)習(xí)慣采用的粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)粒組名稱粒組范圍/mm飄石（塊石）粒組>200卵石（碎石）粒組20～200礫石粒組2～20砂粒粒組0.075～2粉粒粒組0.005～0.075粘粒粒組<0.0052.2粒度成分及其表示方法

土的粒度成分是指土中不同粒組的相對(duì)含量（以干土質(zhì)量的百分比表示）。表格法累計(jì)曲線法不均勻系數(shù)

Cu=d60/d10曲率系數(shù)

Cs=d302/d60d10式中d60、d30、d10－分別為累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60％、30％和10％的粒徑，d10稱為有效粒徑；d60稱為限制粒徑。

Cu反映了不同粒組的分布情況；Cs是描述累計(jì)曲線整體形狀的指標(biāo)。2.3粒度成分試驗(yàn)方法篩分法一套標(biāo)準(zhǔn)不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)篩把各粒組分離出來。沉降分析法利用司篤克斯公式計(jì)算。比重計(jì)法、移液管法。3土的三相比例指標(biāo)氣水ggg=0gwgsVVsVVVgVw3.1試驗(yàn)指標(biāo)土的密度（重度）－環(huán)刀法、核子密度儀等土粒密度（土粒相對(duì)密度）－比重瓶法土的含水量－烘干法、燃燒法等3.2換算指標(biāo)（計(jì)算指標(biāo)）密度rd、飽和密度rsat、有效密度r`孔隙比e、孔隙率n飽和度Sr3.3三相指標(biāo)的換算關(guān)系例題：推導(dǎo)各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。Vs=1，則Vv=e，V=1+e，gs=Vsdsρw＝dsρw，gw＝wgs＝wdsρwg=gw+gs=ds(1+w)ρw推導(dǎo)：ρ＝g/V=[ds(1+w)ρw]/(1+e)

ρ

d=gs/V=dsρw/(1+e)氣水ggg=0gwgsV＝1VsVVVgVw4無粘性土的密實(shí)度

無粘性土是指顆粒間不具有粘聚力的土。密實(shí)度是反映無粘性土緊密程度的指標(biāo)。密實(shí)的無粘性土飽和松散的無粘性土高強(qiáng)度低壓縮性強(qiáng)度低水穩(wěn)性差：液化、流砂良好的天然地基加固處理：強(qiáng)夯、擠密等等孔隙比顆粒級(jí)配若砂土處于于最緊密狀狀態(tài)的孔隙隙比稱為最小孔隙比比(emin)；處于最最松散狀態(tài)態(tài)的孔隙比比稱為最大孔隙比比(emax)。則定義義：Dr=(emax-e)/(emax-emin)式中Dr－砂土的相相對(duì)密度，％；其總總是小于1的。e－砂土的的天然孔隙隙比。emax、emin可以用相對(duì)對(duì)密度儀測(cè)測(cè)定。按下表劃分分砂土的密密實(shí)度砂土密實(shí)度度劃分標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)密實(shí)度密密實(shí)實(shí)中中密密松松散相對(duì)密度1~0.670.67~0.330.33~05粘性性土的分界界含水量及及狀態(tài)指標(biāo)標(biāo)粘性土隨含含水量的變變化從一種種變?yōu)榱硪灰环N狀態(tài)時(shí)時(shí)的界限含含水量。是是細(xì)粒土顆顆粒與土中中水相互物物理化學(xué)作作用的結(jié)果果。試驗(yàn)方法：1)、液限限液限儀、液液塑限聯(lián)合合測(cè)定儀、、碟式液限限議2)、塑限限搓條法、液液塑限聯(lián)合合測(cè)定儀3)、縮限限收縮儀試驗(yàn)驗(yàn)流動(dòng)狀態(tài)W(%)可塑狀態(tài)半固態(tài)固態(tài)縮限Ws塑限Wp液限WL塑性指數(shù)液限與塑限限的差值。。是區(qū)別于于砂土的重重要特征參參數(shù)。Ip=WL-Wp塑性指數(shù)習(xí)習(xí)慣上用不不帶％的數(shù)數(shù)值表示。。直線的斜率率稱為土的的活動(dòng)性指數(shù)數(shù)αc。粘性土的活活動(dòng)性分類類低中中等高高<0.750.75~1.25>1.25塑性指數(shù)Ip0膠粒（<0.002mm）含量p(%)液性指數(shù)天然含水量和塑塑限之差與塑性性指數(shù)的比值。。IL=(W-Wp)/IpIL越大，表示土越越軟；IL>1，流動(dòng)狀態(tài)態(tài)；IL<0，半固態(tài)或或固態(tài)。石英云母方解石鈣蒙脫石伊利石高嶺石鈉蒙脫石00.180.230.33~0.460.901.507.20IL確定粘性土的狀狀態(tài)IL00.250.751.0硬塑堅(jiān)硬可塑軟塑流塑工程性質(zhì)差好6土的滲透透性在地基基礎(chǔ)的勘勘察、設(shè)計(jì)及施施工過程中，地地下水的作用和和影響是不可忽忽略的。地下水水的運(yùn)動(dòng)是在孔孔隙中進(jìn)行的，，由于孔隙的大大小和性狀非常常不規(guī)則，其運(yùn)運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)復(fù)雜。6.1土的的層流滲透定律律－－達(dá)西定律律Q=KFIV=KI式中Q－流量，m3/s；I－水頭梯度，I＝h/L；F－滲透斷面面面積，m2；V－平均流速，m/d；K－滲透系數(shù)，cm/sorm/d，，經(jīng)驗(yàn)值見下表表。土類滲滲透系數(shù)土土類滲滲透系數(shù)粘土土<5×10-8細(xì)砂10－5～5×10－5粉質(zhì)粘土5××10－8～10－6中砂5×10－5～4×10－4粉土土10－6～5×10－6粗砂2×10－4～5×10－4黃土土2.5×10－5～5×10－6園礫5×10－4～10－3粉砂砂5×10－6～10－5卵石10－3～5×10－3由于孔隙水的滲滲透不是通過土土的整個(gè)斷面，，而僅通過斷面面內(nèi)土粒間的孔孔隙。因此，實(shí)實(shí)際流速：V0=V/n式中n－土體的孔隙率率。層流一般發(fā)生在砂土土和較細(xì)顆粒的的土中，對(duì)比較較粗顆粒土，地地下水的運(yùn)動(dòng)為為紊流，達(dá)西定律不適適用。IiVI0deabca：層流，符合達(dá)西定律b：一條曲線，只有I>Ii后，才近似為一條直線起始水頭梯度：與礦物成分，稠度狀態(tài)等有關(guān)6.2影響響土的滲透性的的因素土的粒度成分及及礦物成分、密密度、圖紙氣體體等。從各種理論研究究得到：K=Cd102Hazen通通過試驗(yàn)得C=100(均勻勻的砂)，其它它成果各不相同同。從概念上說說明與粒徑的關(guān)關(guān)系，不能用于于計(jì)算。顆粒越粗、越渾渾園、越均勻，，K越大；砂土含有有粉土或粘土顆顆粒越多，K變??；土中含有有粘土礦物或有有機(jī)質(zhì)，K降低。一些研究成果得得出；

砂土：：K=Ae3/(1+e)粘性土：K=Be5/(1+e)式中A、B分別為系數(shù)，與與土的其它影響響因素有關(guān)土中封閉的氣泡泡即使含量很少少，也會(huì)對(duì)K影影響較大。它使使K隨時(shí)間而變變化，使速度與與水力梯度的關(guān)關(guān)系偏離達(dá)西定定律。6.3動(dòng)水水力及滲透變形形水在土中滲流時(shí)時(shí)，受到土顆粒粒的阻力作用，，與流動(dòng)方向相相反，該力的反反作用力作用在在土顆粒上，單單位體積中土顆顆粒受到水流作作用的力稱為動(dòng)水力用GD表示，單位kN/m3。GD=γwI在動(dòng)水力的作用用下土顆粒會(huì)發(fā)發(fā)生滲透變形，，產(chǎn)生潛蝕、流流砂、管涌和突突涌等工程問題題。滲透變形在滲流力作用下下發(fā)生的土?；蚧蛲馏w移動(dòng)的管管涌和流土現(xiàn)象象。滲透破壞由管涌、流土等等引起危害建筑筑物安全的土體體破壞。管涌在滲流作用下，，土中細(xì)顆粒隨隨滲流水從自由由面往內(nèi)部逐漸漸流失形成管狀狀通道的現(xiàn)象。。流土在滲流作用下，，水流出逸處土土體處于懸浮狀狀態(tài)的現(xiàn)象。流砂由于滲流使土粒粒間的有效應(yīng)力力減小，土的強(qiáng)強(qiáng)度降低或土粒粒上浮的現(xiàn)象。。臨界水力梯度Ic滲流出逸面處開始始發(fā)生流土或管管涌時(shí)的水力梯梯度。6.4滲透透試驗(yàn)與滲透系系數(shù)的測(cè)定1)常水頭室內(nèi)內(nèi)滲透試驗(yàn)（達(dá)西試驗(yàn)、適適用砂土）設(shè)土樣的截面積為A，水頭差為△h，在試驗(yàn)中保持不變。在時(shí)間t內(nèi)，試樣的單位滲水量：q=Q/t得：K=QL/(A

△ht)水L△hQ2)變水頭室內(nèi)內(nèi)滲透試驗(yàn)（適用粘性土））設(shè)玻璃管的內(nèi)徑徑為a，t時(shí)刻刻的水位差為h，則在dt內(nèi)：dQ=-adt式中負(fù)號(hào)表示Q隨h的減小而增加。。由達(dá)西定律得：：dQ=K(h/L)Adt并有：dt=-(aL/KA)(dh/h)在t1~t2和h1~h2范圍內(nèi)積分得：：K=[aL/A(t2-t1)]ln(h1/h2)或K=2.3[aL/A(t2-t1)]lg(h1/h2)h1hh2t=t1t=t2tL3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得滲滲透系數(shù)抽水試驗(yàn)、注水水試驗(yàn)（壓水試試驗(yàn)）不透水層井Q觀測(cè)孔drdhh1hh2r2rr1地下水位沉降漏斗6.5土中中二維滲流及流流網(wǎng)簡(jiǎn)介1)二維滲流方方程基本假設(shè)水體不可壓縮水流連續(xù)二維滲流連續(xù)方方程：zxdzdxvzvx△vzvz+dz△zvx+dx△x△vx二維滲流的連續(xù)條件△x△vx△z△vz+=0由達(dá)西定律，得得：△x2△2h△z2△2h+kz=0kx當(dāng)kx=kz時(shí)，上式寫為：：稱為拉普拉斯（Laplace））方程。2)流網(wǎng)特征與與繪制流線同一時(shí)刻地下水水各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)路線。等勢(shì)線水頭值相等的點(diǎn)點(diǎn)所聯(lián)成的線。。流網(wǎng)地下水在平面流流動(dòng)條件下，水水流質(zhì)點(diǎn)流線與與其水頭等勢(shì)線線相互正交構(gòu)成成的網(wǎng)絡(luò)。△x2△2h△z2△2h+=07土的壓壓實(shí)性土體在短暫重復(fù)復(fù)荷載作用下密密度增加的性狀狀。擊實(shí)試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)方方法，測(cè)定