土力学第一章-土的物理性质

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1、第一章 土的物理性质1第一章第一章 土的物理性质土的物理性质1.11.1 土的生成土的生成岩浆(magma tic rock)()(soilrock土岩石风化作用冷却土是地壳表层的岩石长期经受风化作用和水流、冰川、风等自然力搬运、剥 蚀及堆积作用而生成的松散堆积物。一、风化作用一、风化作用(weathering)1 物理风化：气温变化、机械破坏 特征：机械破坏、成分相同。 2 化学风化：岩石与水、气、二氧化碳等化学作用。 特征：化学成分改变。 3 生物风化：生物活动对岩石的破坏。 特征：树根使岩石机械破坏，微生物使岩石成分改变。二、土的沉积二、土的沉积(soil sedimentation)类

2、型类型土的沉积类型：残积土(residual soil)、坡积土(slope wash)、洪积土 (diluvial soil)、湖沼积土、海积土(marine soil)、冰川积土、风积土(Aeolian deposit)等。土的类型、土的成分、土的结构、颗粒大小、力学性质都有很大 差别。图 1.1 残积土、坡积土及洪积土的形成第一章 土的物理性质2表 1.1 残积土、坡积土及洪积土的形成及其特征类 型形 成特 征残 积 土经风化作用而残留在原 地的碎屑堆积物无分选、打磨、无明显层理。坡 积 土在雨水、融雪将山坡高 处的岩石风化产物洗刷、 剥蚀，顺坡向下搬运的 堆积物由粗到细分选，层理不明显

3、，矿物成分与下卧基岩 无关，厚度逐渐变大。洪 积 土暂时性山洪将风化产物 挟带到沟谷口或平原处 而成的沉积物。谷口是含有泥砂的石块和粗颗粒，远处是细粒泥砂。 靠近山区，颗粒较粗，地下水位低，承载力高，离 山区远处，细粒组成，周期性干旱，发生胶结作用， 承载力高，中间过渡段为沼泽地，承载力低。三、特殊土（三、特殊土（special soil）沿海地区的软土(soft clay)、黄土(loess)、膨胀土(expansive soil)、冻土 frozen soil)，区域性强。四、土的沉积年代对土性质的影响四、土的沉积年代对土性质的影响一般生成年代越久，上覆土层越厚，压得越密，化学作用或胶结作

4、用越 强，土得强度也越大，压缩性就越小，反之新近沉积的土质较松软，工程性 质较差。 五、土的三相组成五、土的三相组成土颗粒固相 水液相 空气气相1.2 土的粒径组成和矿物成分土的粒径组成和矿物成分一、土的粒径（一、土的粒径（grain size）组成）组成1. 粒径(grain size):颗粒的直径 2. 粒组(fraction)：大小相近的颗粒归为一组。 3. 颗粒级配：土中不同大小颗粒的相对含量。第一章 土的物理性质3二、粒径分析二、粒径分析(grain size analysis)1粒径分析方法粒径分析方法:筛分法(0.1mm3，中间粒径颗粒偏多，较小粒径颗粒偏少。 如曲线上出现水平线

5、，即缺少某种中间粒径的土。三、土中矿物成分三、土中矿物成分(自学自学)1.3 土中的水和气体土中的水和气体本节主要自学本节主要自学土中水的类型和数量对土的状态和性质有重大影响。土中水包括矿物内 部结合水和粒间孔隙水。孔隙水存在形式：冰（固态水） 、水汽（气态水） 、 液态水。土中的气体主要是空气和水气。1.4 土的结构及联结土的结构及联结(soil structure)一、砂土的振动密实和液化一、砂土的振动密实和液化1. 松砂受振动时土粒在振动中调整相互位置，土的结构趋于更加密实、稳 定。 2. 颗粒较细的砂土被水饱和，在突然振密而排水不畅的情况下，土粒受到 孔隙水的反作用而处于悬浮状态，变成

6、液体状，称为液化或流砂(quick of sand)。是建筑物地基破坏的主要原因。二、粘性土的结构性和灵敏度二、粘性土的结构性和灵敏度1 结构性：粘性土在保持天然结构时（原状土）(undisturbed soil sample)的工 程性质与它的结构破坏后（扰动土）(disturbed soil sample)的工程性质常有很 大差别，这就是土具有的结构性。 2 灵敏度(sensitivity)St：灵敏度是常用的评价粘性土结构性对强度影响的指标。定义如下：(uu tqqS或不排水抗剪强度）侧限抗压强度重塑土（扰动土）的无或不排水抗剪强度）度原状土的无侧限抗压强第一章 土的物理性质6土的结构性

7、越强，灵敏度越大。三、粘性土的触变性三、粘性土的触变性触变性(thixotropy)：含水率和密度不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐 硬化，强度有所恢复的性质。图 1.6 粘性土的强度随时间的变化曲线触变性指导工程实践的实例：触变性指导工程实践的实例： （1） 粘性土中打桩。 （2） 堤坝、路基工程中，压实粘性土的强度会在压实结束后逐渐提高。 （3） 触变性强的黏土制泥浆护壁。结构未破坏结构破坏结构强度恢复lgt第一章 土的物理性质71.5 土的物理性质指标土的物理性质指标土的三相草图土颗粒水气 体smwmmaVwVsVvVV0wm图 1.7 土的三相图由上图可知：WsaWsWWWWWWVs

8、aWsVVVVVV一、三个基本指标一、三个基本指标1. 土的密度(density)和容重(unit weight)= （g/cm3） （环刀法测定）V体积质量M= (kg/m3) =g (g 为重力加速度)V体积重量W2. 含水率 w (water content) = （烘干法测定）%100swsWW MM 土粒质量土中水的质量3. 土粒容重s和土粒比重 Gs(specific gravity of soil particle)（土 粒相对密度）s=ss VW土粒体积土粒重量(KN/m3)Gs= ssss VCW 水的重量同体积土粒重量 4（重 瓶煮沸法）以上三个指 标可以由试 验直接测定，

9、 称为基本指 标.第一章 土的物理性质8二、导出二、导出指标指标1. 孔隙比 (void ratio)和 孔隙率 n(porosity) e=sv VV土粒体积孔隙体积(e=0.254.0) n=VVv土体积孔隙体积=%100svv VVV(n3 但工民建规范把粘性土限于 IP10 的细粒土，而把 塑性指数小于等于 10 的细粒土称为粉土。 工民建规范：粉土(IP17)6. 特殊土(special soil) （1） 黄土(loess) 老黄土：大孔结构退化，土质 密实，无湿陷性） 新黄土：大孔发育，有湿陷性）（2 ）软土(soft soil) 天然含水率大于液限，天然孔 隙比大于或等于 1

10、的细 粒土。 （3） 冻土(frozen soil) 分季节性冻土和多年冻土 （4） 膨胀土(expansive soil) （5）红粘土(laterite) （6）盐渍土(saline soil) （7）人工填土(artificial fill)图 1.9 土的工程分类第一章 土的物理性质141.8 土的渗透性及水的渗流土的渗透性及水的渗流引引 言言在许多实际工程中都会遇到渗流问题。如水利工程中的土坝和闸基、建 筑物基础施工中开挖的基坑等。通常都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定 性。当渗流的流速较大时，水流拖曳土体的渗透力将增大。渗透力的增大将 导致土体发生渗透变形，并可能危及建筑物或周围设

11、施的安全。因此，在工 程设计与施工中，应分析可能出现的渗流情况，必要时采取合理的防渗措施。图图 1.101.10 闸基渗流模拟闸基渗流模拟 图图 1.111.11 基坑渗流模拟基坑渗流模拟1.8.1 土的渗透定律土的渗透定律由于土中孔隙是相互连同的，土体孔隙中的自由水会由于总水头差而产 生流动，这种土体被水透过的性质，称为土的渗透性(permeability)。一、渗透模型一、渗透模型 图图 1.121.12 水在土孔隙中的运动水在土孔隙中的运动 图图 1.131.13 渗流模型渗流模型备 注第一章 土的物理性质151.不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 2.不考虑土体中颗粒的影响

12、，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流 所充满； 3.在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； 4.在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； 5.体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。二、土中渗流的总水头与水力梯度二、土中渗流的总水头与水力梯度图图 1.141.14 渗流中的位置、压力和总水头渗流中的位置、压力和总水头液体流动应满足：连续原理和能量方程，即伯努里(D.Bernoulli)方程。 水头：单位重量水体所具有的能量，包括动能和位能。gvuzh22 A、B 两点的总水头可分别表示为：gvuzhAA A221gvuzhBB B222式中 、分别表示

13、 A 点和 B 点相对于任意选定的基准面的高度，代表单位AzBz重量液体所具有的位能，故称为位置水头。分别为 A 点和 B 点的水压力，在土力学中称为孔隙水压力。代表BAuu 、单 位重量液体 所具有的压 力势能。第一章 土的物理性质16分别为 A 点和 B 的孔隙水压力的水柱高度，故称为压力水头。BAuu、代表单位重量液体所具有的动能，故称为流速水头。gv 22代表单位重量液体所具有的总机械能，故称为总水头。21hh、A、B 两点间的总水头差。h水力梯度LhiL 为 A、B 两点间的渗流途径，水力坡降 的物理意义为单位渗流长度上的水i 力损失。三、达西定律三、达西定律kiv 式中 断面平均渗

14、透速度，单位 mm/s 或 m/d；v土的渗透系数(coefficient of permeability)，相当于水力坡降时k1i的渗透速度，单位 mm/s 或 m/d。 适用范围：适用范围：适用于层流(laminar flow)范围，如砂土和一般的粘性土，但很粗 的土或粘性很强的致密粘土不适合。图图 1.151.15 渗透速度与水力坡降的非线性关系渗透速度与水力坡降的非线性关系第一章 土的物理性质171.8.2 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素一、渗透系数的测定方法一、渗透系数的测定方法渗透系数(coefficient of permeability)不能用理论方法求得，只

15、能通过试验 确定。测定 k 值的方法可分为：实验室方法（定水头法、变水头法）和原位 抽水试验。1 实验室方法 （1）定水头法htALQk适用适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂 (2) 变水头法 考虑渗出的水量应等于细管的水位下降量，即（注意为什么是负号）（注意为什么是负号）dtLhkAdhA.thhLAdtkA hdh012解得 21ln hh AtLAk 适用适用于渗透性较差的粘砂土、细、粉砂等。图图 1.161.16 渗透试验渗透试验评评 价价优点：室内 测定设备简 单，费用较 省。 缺点：不能 很好 地反 映现 场中 土的 实际 渗透 性质。 由于 土的 渗透 性与 土的 结构 有关， 水平 方向 和竖 直方 向的 渗透 性往 往不 一样； 取样 时土 易扰 动， 特别 是砂 土。土样Lh1h h 2h土样hL常水头变水头第一章 土的物理性质182 抽水试验(现场试验)对于粗颗粒土层，要取出原状土样是很困难的，这时可采用抽水试验方 法。 推证：推证：设距离井孔 r 处的地下水面高为 h，同时假定在 r 处垂直深度范围