第一章土的物理性質(zhì)及工程分類

土力學

緒論

土是巖石風化的產(chǎn)物，經(jīng)搬運作用，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

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

（工程力學、結(jié)構(gòu)力學、土力學）。學習要求：掌握土的物理力學性質(zhì)指標和試驗方法，掌握土力學的基本理論和計算方法；學會利用土力學原理分析計算有關(guān)實際工程問題。

參考書目錄

地基基礎(chǔ)（第三版）華南理工大學等建工

土力學地基基礎(chǔ)陳希哲清華

土力學與環(huán)境土工學胡中雄

同濟

天然地基上的淺基礎(chǔ)高大釗等機械

建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007-02建工

高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范

黃土、膨脹土、軟土地基等設(shè)計規(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：無機礦物顆粒和有機質(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。我國習慣采用的粒組劃分標準粒組名稱粒組范圍/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含量（以干土質(zhì)量的百分比表示）。表格法累計曲線法不均勻系數(shù)

Cu=d60/d10曲率系數(shù)

Cs=d302/d60d10式中d60、d30、d10－分別為累計質(zhì)量分數(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是描述累計曲線整體形狀的指標。2.3粒度成分試驗方法篩分法一套標準不同粒徑的標準篩把各粒組分離出來。沉降分析法利用司篤克斯公式計算。比重計法、移液管法。3土的三相比例指標氣水ggg=0gwgsVVsVVVgVw3.1試驗指標土的密度（重度）－環(huán)刀法、核子密度儀等土粒密度（土粒相對密度）－比重瓶法土的含水量－烘干法、燃燒法等3.2換算指標（計算指標）密度rd、飽和密度rsat、有效密度r`孔隙比e、孔隙率n飽和度Sr3.3三相指標的換算關(guān)系例題：推導各項指標之間的關(guān)系。Vs=1，則Vv=e，V=1+e，gs=Vsdsρw＝dsρw，gw＝wgs＝wdsρwg=gw+gs=ds(1+w)ρw推導：ρ＝g/V=[ds(1+w)ρw]/(1+e)

ρ

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

無粘性土是指顆粒間不具有粘聚力的土。密實度是反映無粘性土緊密程度的指標。密實的無粘性土飽和松散的無粘性土高強度低壓縮性強度低水穩(wěn)性差：液化、流砂良好的天然地基加固處理：強夯、擠密等等孔隙比顆粒級配若砂土處于最緊密狀態(tài)的孔隙比稱為最小孔隙比(emin)；處于最松散狀態(tài)的孔隙比稱為最大孔隙比(emax)。則定義：Dr=(emax-e)/(emax-emin)式中Dr－砂土的相對密度，％；其總是小于1的。e－砂土的天然孔隙比。

emax、emin可以用相對密度儀測定。按下表劃分砂土的密實度砂土密實度劃分標準

密實度密實中密松散相對密度1~0.670.67~0.330.33~05粘性土的分界含水量及狀態(tài)指標

粘性土隨含水量的變化從一種變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時的界限含水量。是細粒土顆粒與土中水相互物理化學作用的結(jié)果。試驗方法：1)、液限液限儀、液塑限聯(lián)合測定儀、碟式液限議2)、塑限搓條法、液塑限聯(lián)合測定儀3)、縮限收縮儀試驗流動狀態(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)液限與塑限的差值。是區(qū)別于砂土的重要特征參數(shù)。

Ip=WL-Wp

塑性指數(shù)習慣上用不帶％的數(shù)值表示。直線的斜率稱為土的活動性指數(shù)αc。粘性土的活動性分類低中等高<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)天然含水量和塑限之差與塑性指數(shù)的比值。IL=(W-Wp)/IpIL越大，表示土越軟；IL>1，流動狀態(tài)；

IL<0，半固態(tài)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確定粘性土的狀態(tài)IL00.250.751.0硬塑堅硬可塑軟塑流塑工程性質(zhì)差好6土的滲透性

在地基基礎(chǔ)的勘察、設(shè)計及施工過程中，地下水的作用和影響是不可忽略的。地下水的運動是在孔隙中進行的，由于孔隙的大小和性狀非常不規(guī)則，其運動是十分復雜。6.1土的層流滲透定律－－達西定律Q=KFIV=KI式中Q－流量，m3/s；I－水頭梯度，I＝h/L；F－滲透斷面面積，m2；V－平均流速，m/d；K－滲透系數(shù)，cm/sorm/d，經(jīng)驗值見下表。

土類滲透系數(shù)土類滲透系數(shù)粘土<5×10-8細砂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10－6～5×10－6粗砂2×10－4～5×10－4

黃土2.5×10－5～5×10－6園礫5×10－4～10－3

粉砂5×10－6～10－5卵石10－3～5×10－3由于孔隙水的滲透不是通過土的整個斷面，而僅通過斷面內(nèi)土粒間的孔隙。因此，實際流速：

V0=V/n

式中n－土體的孔隙率。

層流一般發(fā)生在砂土和較細顆粒的土中，對比較粗顆粒土，地下水的運動為紊流，達西定律不適用。IiVI0deabca：層流，符合達西定律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影響土的滲透性的因素

土的粒度成分及礦物成分、密度、圖紙氣體等。從各種理論研究得到：K=Cd102Hazen通過試驗得C=100(均勻的砂)，其它成果各不相同。從概念上說明與粒徑的關(guān)系，不能用于計算。顆粒越粗、越渾園、越均勻，K越大；砂土含有粉土或粘土顆粒越多，K變??；土中含有粘土礦物或有機質(zhì)，K降低。一些研究成果得出；

砂土：K=Ae3/(1+e)

粘性土：K=Be5/(1+e)

式中A、B分別為系數(shù)，與土的其它影響因素有關(guān)土中封閉的氣泡即使含量很少，也會對K影響較大。它使K隨時間而變化，使速度與水力梯度的關(guān)系偏離達西定律。6.3動水力及滲透變形水在土中滲流時，受到土顆粒的阻力作用，與流動方向相反，該力的反作用力作用在土顆粒上，單位體積中土顆粒受到水流作用的力稱為動水力用GD表示，單位kN/m3。GD=γwI

在動水力的作用下土顆粒會發(fā)生滲透變形，產(chǎn)生潛蝕、流砂、管涌和突涌等工程問題。滲透變形在滲流力作用下發(fā)生的土粒或土體移動的管涌和流土現(xiàn)象。滲透破壞由管涌、流土等引起危害建筑物安全的土體破壞。管涌在滲流作用下，土中細顆粒隨滲流水從自由面往內(nèi)部逐漸流失形成管狀通道的現(xiàn)象。流土在滲流作用下，水流出逸處土體處于懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。流砂由于滲流使土粒間的有效應力減小，土的強度降低或土粒上浮的現(xiàn)象。臨界水力梯度Ic

滲流出逸面處開始發(fā)生流土或管涌時的水力梯度。6.4滲透試驗與滲透系數(shù)的測定1)常水頭室內(nèi)滲透試驗（達西試驗、適用砂土）設(shè)土樣的截面積為A，水頭差為△h，在試驗中保持不變。在時間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)滲透試驗（適用粘性土）設(shè)玻璃管的內(nèi)徑為a，t時刻的水位差為h，則在dt內(nèi)：dQ=-adt式中負號表示Q隨h的減小而增加。由達西定律得：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)場測得滲透系數(shù)

抽水試驗、注水試驗（壓水試驗）不透水層井Q觀測孔drdhh1hh2r2rr1地下水位沉降漏斗6.5土中二維滲流及流網(wǎng)簡介

1)二維滲流方程基本假設(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由達西定律，得：△x2△2h△z2△2h+kz=0kx當kx=kz時，上式寫為：稱為拉普拉斯（Laplace）方程。2)流網(wǎng)特征與繪制流線同一時刻地下水各個質(zhì)點的運動路線。等勢線水頭值相等的點所聯(lián)成的線。流網(wǎng)地下水在平面流動條件下，水流質(zhì)點流線與其水頭等勢線相互正交構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。△x2△2h△z2△2h+=07土的