.,1,土力學全套課件,.,2,土力學,.,3,緒論土力學是力學的一個分支，是以土為研究對象的學科。研究內容：通過研究土的物理、力學、物理化學性質及微觀結構，進一步認識土和土體在荷載、水、溫度等外界因素作用下的反應特性即土的壓縮性、剪切性、滲透性及動力特性。,需要研究和解決的工程中的三大類問題：土體穩定或強度問題；土體變形問題；滲流：滲透變形與滲透穩定。,.,4,2005年7月21日在廣州海珠區江南大道南海珠廣場深基坑南邊發生滑坡,緒論,.,5,比薩斜塔是意大利比薩城大教堂的獨立式鐘樓，位于比薩大教堂的后面,鐘樓始建于1173年，設計為垂直建造，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,.,6,比薩(Pisa)斜塔,緒論,.,7,該城市人口密集。1850年開始抽取地下水，18911973年，整個老城下沉達8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑設施的破壞。,墨西哥城的下沉,土層中地下水位的下降，使有效應力增加，使地基進一步固結沉降。,緒論,.,8,圣母教堂，因地表不均勻下沉使其發生嚴重傾斜，并成為危房,緒論,.,9,LaConchita滑坡,1996年發生在美國加州的LaConchita，因居民已提前撤離固未造成人員傷亡,緒論,.,10,SantaTecla滑坡,2001年1月13日，薩爾瓦多發生了7.6級的強震，震中位于SantaMiguel西南60英里。因此在SantaTecla造成山體滑坡，最終導致700多人遇難,緒論,.,11,緒論,舟曲泥石流,.,12,緒論,舟曲泥石流,.,13,舟曲發生泥石流的主要因素：一、是三眼峪溝內部有滑坡、崩塌等大量的松散固體物質存在，為泥石流的發生提供了充分的物質條件，其中多數為1879年7月1日甘肅文縣8級地震所誘發。同時舟曲位于龍門山地震活動帶北緣，又臨近天水地震活動帶，此前也曾受汶川地震波及，土質相對疏松，一遇強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，儲水能力較弱，在經歷今年入夏以來長時間嚴重干旱后，表層土變得更加干松。三、是在近期強降雨作用下，土體強度極大地降低，形成坡面泥石流，并逐步帶動溝坡崩滑巖土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潰決，并最終導致泥石流流量的增大和破壞力的增強。,緒論,.,14,本章主要內容,1.1土的生成1.2土的三相組成1.3土的結構、構造1.4土的三相物理性質指標的測定及計算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-土系統的工程（物理-化學）特性1.8土的工程分類,第1章土的物理性質及工程分類,.,15,1.1土的生成,風化、搬運、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：構成地殼的基本物質，是一種或多種礦物的聚合體。統稱為大自然的產物,土是巖石經過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產物,.,16,巖石風化分為物理風化、化學風化和生物風化。物理風化：巖石經受風、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生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑的過程。化學風化：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相接觸，經氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產生化學變化，分解為極細顆粒的過程。,特征：物理風化：量變過程，形成的土顆粒較粗；化學風化：質變過程，形成的土顆粒很細。,對一般的土而言，通常既經歷過物理風化，又有化學風化，只不過哪種占優勢而已。,1.1土的生成,.,17,土從其堆積或沉積的條件來看可分為：,殘積土：巖石風化后仍留在原地的堆積物。特點：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變；寒冷地帶，巖塊或砂，物理風化，穩定。,1.1土的生成,.,18,運積土：巖石風化后經流水、風和冰川以及人類活動等搬運離開生成地點后再沉積下來的堆積物。又分為沖積土、風積土、冰磧土和沼澤土等。沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑風積土：由風力帶動土粒經過一段搬運距離后沉積下來的堆積物；沒有層理、細砂或粉粒；黃土冰磧（qi）土：由冰川剝落、搬運形成的堆積物；不成層、從漂石到粘粒沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機質、壓縮性高、強度低,1.1土的生成,.,19,氣相,固相,液相,+,+,構成土骨架，起決定作用,重要影響,土體,次要作用,1.2土的三相組成,.,20,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,.,21,當土骨架的孔隙全部被水占滿時，這種土稱為飽和土；當土骨架的孔隙僅含空氣時，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內的土的孔隙中兼含空氣和水，此時的土體屬三相系，稱為濕土。根據土的粘性分：粘性土：顆粒很細；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,.,22,一、土的固相土的固相物質包括無機礦物顆粒和有機質，是構成土的骨架最基本的物質，稱為土粒。對土粒應從其礦物成分、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過風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,.,23,（二）土粒的大小和土的級配粒度，粒徑粒組：把工程性質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量與干土總質量之比土的級配：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，粒組之間的分界尺寸稱為界限粒徑。表1-1是國內常用的一種粒組劃分。,1.2土的三相組成,.,24,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,.,25,顆粒大小,粒組按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑,1.2土的三相組成,.,26,（三）顆粒大小分析試驗測定土中各粒組顆粒質量所占該土總質量的百分數，確定粒徑分布范圍的試驗稱為土的顆粒大小分析試驗。常用的方法：篩分法：粒徑0.075mm密度計法：粒徑0.075mm,1.2土的三相組成,.,27,1.篩分法利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規定方法取得的一定質量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機上充分振搖后，稱出留在各級篩上的土粒的質量，按下式計算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分數X（）式中：mi，m分別為小于某粒徑的土粒質量及試樣總質量,1.2土的三相組成,.,28,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,小于某粒徑之土質量百分數P（）,粒徑(mm),P%958778665536,土的粒徑級配累積曲線,水分法,1.2土的三相組成,.,29,2.密度計法用于分析粒徑小于0.1mm（0.075mm）的土，根據粗顆粒下沉速度快，細顆粒下沉速度慢的原理，可以把顆粒按下沉速度進行粗細分組。實驗室常用比重計來進行細粒土的粒徑分析，稱為密度計法。,1.2土的三相組成,.,30,3.土的級配曲線,1-1顆粒分析試驗曲線,1.2土的三相組成,.,31,(四)顆粒分析試驗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估土的工程性質；（2）某些特性粒徑，用于建筑材料的選擇和評價土級配的好壞。根據某些特征粒徑，可得到兩個有用的指標，即不均勻系數Cu和曲率系數Cc，它們的定義為：（12）,1.2土的三相組成,.,32,(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時所對應的粒徑。d10稱為有效粒徑；d60稱為限制粒徑。土的級配的好壞可由土中的土粒均勻程度和粒徑分布曲線的形狀來決定，而土粒的均勻程度和曲線的形狀又可用不均勻系數和曲率系數來衡量。Cu小，曲線陡；Cu大，易壓密；Cc過大，臺階在d10d30間；Cc過小，臺階在d30d60間；規范：純凈礫、砂，Cu=5，且Cc=13時，級配良好，否則，不良。,1.2土的三相組成,.,33,圖土的顆粒級配曲線,1.2土的三相組成,.,34,二、土的液相（一）結合水強結合水性質接近于固體，冰點很低，沸點較高，且不能傳遞壓力。弱結合水也稱為薄膜水，不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動，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移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影響土的壓縮性和強度，并使土的透水性變小。吸著水厚度影響因素：成土礦物；陽離子濃度及化學性質(陽離子價低,厚;陽離子濃度高,薄)。,1.2土的三相組成,.,35,（二）自由水離開土顆粒表面較遠，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動的水稱為自由水。（分為毛細管水和重力水）,1.毛細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，將引起迫使相鄰土粒相互積緊的壓力，這個壓力稱為毛管水壓力。,1.2土的三相組成,.,36,2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流動的自由水稱微重力水。具有溶解能力，能傳遞靜水和動水壓力，對土顆粒有浮力作用。當它在土孔隙中流動時，對所流經的土體施加滲流力（亦稱動水壓力、滲透力），計算中應考慮其影響。,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,.,37,一、土的結構1.定義土粒或土粒集合體在空間的排列和互相聯結形式稱為土的結構.,1.3土的結構、構造,2.類型,(a)單粒結構(b)峰窩結構(c)絮狀結構,.,38,(1)單粒結構如圖(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構。單粒結構可以分為疏松的和緊密的。疏松單粒結構的土孔隙大，骨架不穩定，在外載作用下容易發生錯位，產生很大的變形或沉降，因此，這種土未經處理一般不宜作為建筑物的地基。緊密單粒結構的土，由于顆粒排列緊密，強度高，壓縮性小，在動、靜載作用下都不會發生較大的沉降，是良好的天然地基。,1.3土的結構、構造,.,39,(2)峰窩結構如圖(b)所示。粒徑大約在0.020.002mm范圍內的粉土或粘土顆粒，在水中單個下沉時，途中碰到已沉積的土粒時，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構。,1.3土的結構、構造,.,40,(3)絮狀結構如圖(c)所示。直徑小于0.002mm的極細粘粒，在水中能夠長期懸浮而不下沉，如果水中摻有某些電解質，顆粒間的排斥力能被動削弱，運動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構（又稱為二級蜂窩結構）。以上三種結構中，密實的單粒結構工程性質最好；蜂窩結構和絮狀結構如果受到擾動，強度就會降低，壓縮性變高，難以作為天然地基。,1.3土的結構、構造,.,41,二、土的構造,1.定義同一土層中顆粒或顆粒結合體相互間的位置與充填空間情況稱為土的構造。其實，這一定義與大多書本一樣仍然比較模糊，未交代結構與構造的關系。其實，土的結構著重于細微觀，而構造可以理解為土體的宏觀結構。,1.3土的結構、構造,.,42,2.類型土體的構造一般可以分為以下四類：(1)層狀構造顧名思義，層狀構造是由不同顏色和粒徑的土粒構成的一層一層的結構狀態。大部分細粒土的土層是這種構造。(2)分散構造土層中的土粒分布均勻，性質相近，粗粒土大都是分散構造。,1.3土的結構、構造,.,43,(3)裂隙狀構造土體被許多不連續的小裂隙所分割，破壞了原狀土的整體性，使其工程性質變差，一些堅硬和硬塑狀態的粘土具有這種結構。(4)結核狀構造在細粒土中明顯摻有粗顆粒或各種結核。如含結核的黃土等，該類土的性質主要決定于細粒土部分。,1.3土的結構、構造,.,44,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,土的物理、力學性質不僅決定于它的三相組成性質和它的結構，而且還與三相之間量的比例關系密切相關。可分為兩類：通過試驗測定，如含水量、密度和土粒相對密度，稱為直接指標；根據直接指標換算，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標。,土的三相圖,從右圖可以容易得到以下關系：Vv=Vw+VaV=Vs+Vv=Vs+Vw+Vam=ms+mw,.,45,一、試驗直接測定的物理性質指標（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量（或重量）與同體積4時純水的質量（或重量）之比（無因次），其表達式為：（1.4.1）或（1.4.2）式中：土粒的密度，即土粒單位體積的質量；4時純水的密度，1.0g/cm3,土粒相對密度在數值上等于土粒的密度,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,46,土粒相對密度常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶內，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質量，按下式計算土粒相對密度：,式中：m1瓶+水的質量；m2瓶+土+水的質量；ms烘干土的質量；,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,47,m0msm1m2空瓶質量烘干土的質量瓶+水的質量瓶+土+水的質量m1+ms瓶+水（滿）的質量+干土的質量；m1+ms-m2與土粒體積相同的水的質量。,比重瓶法,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,48,（二）土的天然含水量w土的天然含水量，定義為土中水的質量與土粒的質量之比，以百分數表示，其表達式為：（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，先稱出天然土的質量，然后放在烘箱中，在100105常溫下烘干，稱得干土質量，按上式可算得。,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,49,（三）土的天然密度與重度土的密度定義為單位體積土的質量，用表示，單位為Mg/m3(或g/cm3)。表達式如下：（1.4.5）對于粘性土，土的密度常用環刀法測定。,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,50,二、間接換算得物理性質指標（一）土的孔隙比e定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數表示，其表達式為：（1.4.10）（二）土的孔隙率n定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內孔隙的體積，以百分數表示，其表達式為：（1.4.11）,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,51,（三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分數表示，其表達式為：（1.4.12）,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,52,土的干重度：單位體積內土粒的重量，表達式為：（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定土密實程度的指標，干密度或干重度愈大表明土愈密實，反之愈疏松。,（四）干密度d與干重度d土的干密度：單位體積內土粒的質量，表達式：（1.4.13）,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,53,（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時單位體積土的質量。表達式為（1.4.15）,在飽和狀態下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達式為：（1.4.16）,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,54,（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，此時土中固體顆粒的質量再扣去固體顆粒排開水的質量與土樣總體積之比（1.4.17）,浮密度,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,55,與其相應，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內的土粒質量與同體積水質量之差，其表達式為：（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值上有如下關系：,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,56,三、常用物理性質指標的實用計算公式(重點、難點)常用的土的物理指標共有九個。已知其中任意三個，通過換算可以求出其余的六個。（一）孔隙比與孔隙率的關系設土體內土粒的體積為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土的三相物理性質指標的測定及計算,.,57,（二）干密度與天然密度和含水量的關系設土體的體積V為1，則d=ms/V，土體內土粒的質量ms為d，由w=mw/ms水的質量mw為wd。于是，按t天然密度的定義可得：或（1-22）,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,58,（三）孔隙比與土粒相對密度和干密度的關系設土體內土粒的體積為1，則按，孔隙的體積Vv為e；由sms/Vs得土粒的質量ms為s。于是，按d的定義可得：應用式（16）整理得：,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,59,（四）飽和度與含水量、相對密度和孔隙比的關系設土體內土粒的體積為1，則按e=VV/VS得體積VV=e；由sms/Vs得土粒的質量ms=s。按w=mw/ms，得質量mw=ws，則得體積Vw=mw/w=ws/w。于是，當土飽和時，即Sr為100，則：式中：wsat飽和含水率。,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,60,（五）浮密度與土粒相對密度和孔隙比的關系設土體內土粒體積為1，則按e=VV/VS，孔隙的體積VV為e；由sms/Vs得土粒的質量ms為s。于是，按式浮密度的定義可得,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,61,例題,【例題1-1】某干砂試樣，經細雨后，體積未變，飽和度達到Sr=40%，試問細雨后砂樣的密度、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土的三相物理性質指標的測定及計算,.,62,【例題1-2】有一個完全飽和的粘土土樣，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：烘烤前因為土樣完全飽和即Sr1=100%所以孔隙比：,干密度：,密度：,烘烤后土樣中的干土質量不變即,此時土樣的總質量：,土樣密度：,土樣干密度：,土樣孔隙比：,土樣的飽和度：,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,63,【例題1-3】某一塊試樣在天然狀態下的體積為60cm3，稱得其質量為108g，將其烘干后稱得質量為96.43g，根據試驗得到的土粒比重ds為2.7，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土的三相物理性質指標的測定及計算,.,64,（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=96.432.735.7cm3Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（111），于是,（4）按式（112）n=Vv/V24.360=40.5（5）根據w的定義Vw=mw/w=11.57111.57cm3于是按式（113）Sr=Vw/Vv=11.5724.348,=24.335.7=0.68,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,65,【例1-4】某土樣在天然狀態下的孔隙比e=0.8，土粒比重ds=2.68，含水量=24%，求：(a)天然狀態下的重度、干重度和飽和度；(b)若該土樣加水后，達到飽和狀態，計算飽和時的含水量及飽和重度(假定土的孔隙比保持不變)。,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,66,解:(a),(b),1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,67,【例1-5】某飽和土樣重0.4N，體積為21.5cm3。放入烘箱內烘一段時間后取出，稱得其重量為0.33N，體積減小至15.7cm3，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土的三相物理性質指標的測定及計算,.,68,解：設烘一段時間后，孔隙體積為Vv2，孔隙水所占體積為Vw2，則：在烘后狀態：在烘前狀態：聯立求解得：,=4.8cm3，,=3.6cm3,1.4土的三相物理性質指標的測定及計算,.,69,上一節講的9個三相指標主要是反映土的物理性質的，還不能直接表現土的物理狀態，本節講授反映土的物理狀態的有關指標。所謂土的物理狀態，對于粗粒土來講，就是指它的密實程度；對于細粒土，則是指它的軟硬程度即粘性土的稠度(consistency）,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,70,一、無粘性土（粗粒土）的密實度（1.5節）,土的密實度: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）都是表示土的密實度的指標。但這種直接用土粒的含量或孔隙含量表示密實度的方法具有明顯的缺點:最主要的就是它們沒有考慮到土粒粒徑級配這一重要因素的影響，不同級配的砂土，即使孔隙比相同，所處的松密狀態并不會相同。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,71,為了更好的表明粗粒土的密實狀態，可以將天然孔隙比e與同一種土的最密實狀態的孔隙比emin和最松散狀態孔隙比emax進行對比，看天然的e是靠近emin還是靠近emax，以此來判別它的密實度。這種度量密實度的指標稱為相對密度(relativedensity)Dr。式中：Dr相對密實度；emax無粘性土處在最松狀態時的孔隙比；emin無粘性土處在最密狀態時的孔隙比；e無粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,72,顯然，當e接近于emin時，Dr接近于1，土呈密實狀態，當e接近于emax時，Dr接近于零，土呈松散狀態。通常根據Dr可以把粗粒土的松密狀態分為下列三種：0Dr0.33松散0.33Dr0.67中密0.67Dr1密實,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,73,天然砂土的密實度只能在現場利用標準貫入試驗、靜力觸探試驗等原位測試方法來獲得。通常根據標準貫入試驗的錘擊數N，將天然砂土分為表1.5.2中的四種密實度狀態。,表1.5.2天然砂土的密實度劃分,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,74,碎石土可以用可挖性、可鉆性等方法進行現場鑒別，一般也可區分為密實、中密和稍密三種密實度狀態。細粒土（粘性土）無法在實驗室測定最大和最小孔隙比，實際上也不存在emax和emin，因此只能根據孔隙比e或干密度d來判斷其密實度。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,75,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指標。,二、粘性土的稠度（1.6節）,（一）粘性土的稠度狀態,粘性土的稠度狀態常用流動、軟、可塑、硬等描述。,粘性土,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,76,粘性土從一種狀態過渡到另一種狀態，可用某一界限含水率來區分，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土的物理狀態指標,.,77,液限（WL）從流動狀態轉變為可塑狀態的界限含水率，也就是可塑狀態的上限含水率；,塑限（Wp）從可塑狀態轉變為半固體狀態的界限含水率,也就是可塑狀態的下限含水率；,縮限（Ws）從半固體狀態轉變為固體狀態的界限含水率,亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不變時的含水率。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,78,測定塑限的方法：搓滾法和液、塑限聯合測定法。,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、塑限聯合測定法。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,79,聯合測定儀,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,80,錐式液限儀,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,81,蝶式儀,25擊合攏長度13mm時含水率為液限,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,82,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土的物理狀態指標,.,83,1.塑性指數,（三）塑性指數和液性指數,塑性指數：液限和塑限之差的百分數值（去掉百分號）。用Ip表示，取整數。,粘土粉質粘土粉土,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,84,2.液性指數,式中：IL液性指數，以小數表示；w土的天然含水率。,1989和2002建筑地基基礎設計規范都根據IL將粘性土劃分成了表1.6.1中的五種狀態。粘性土的軟硬狀態表1.6.1,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,85,（四）靈敏度、觸變性及活動度土的結構形成后就獲得了一定的強度，并且這種強度會隨時間而增長。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，由于原狀結構遭到了徹底破壞，重塑土樣的強度會比原狀土樣有明顯的降低。原狀土樣的單軸抗壓強度qu與重塑土樣的單軸抗壓強度qu之比稱為土的靈敏度St，即：St=qu/qu(1.6.6)根據靈敏度的大小可以將粘性土分為三類：低靈敏土（14）。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,86,與靈敏度密切相關的另一特性是觸變性。結構受破壞，強度降低以后的土，若靜置不動，則土顆粒與水分子和離子會重新組合排列，形成新的結構，強度又將得到一定程度的恢復。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稱為土的觸變性。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,87,在實際工程中，有時兩種粘土的塑性指數Ip很接近，但性質可能會有很大差異，為了進一步加以區別，英國土力學家斯肯普頓在1953年又引入了活動度A的概念，即：A=Ip/m式中m為粒徑小于0.002mm的土粒質量占土樣總質量的百分數。,1.5和1.6土的物理狀態指標,.,88,試驗設備擊實筒V=1000cm3；擊實錘w=25牛頓試驗條件土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數N=27/層擊實能量,試驗方法對=常數的土；分三層壓實；測定擊實后的、，算定d,注意：僅適用于細粒土；對粗粒土，可用較大尺寸的擊實儀,土,1.7粘性土水-土系統的工程特性,擊實試驗,土的壓實性：指在一定的含水率下，以人工或機械的方法，使土能夠壓實到某種密實度的性質。,.,89,1.8地基土的工程分類,一、土的工程分類依據按前面的分析，影響土的工程性質的三個主要因素是土的三相組成、土的物理狀態和土的結構。在這三者中，起主要作用的無疑是三相組成。在三相組成中，關鍵又是土的固體顆粒，而顆粒的粗細是最為重要的。,.,90,1.碎石土指粒徑大于2mm的顆粒含量超過總土重50%的土。根據粒組含量及顆粒形狀，還可按表1.8.1細分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫六類。,碎石土的分類表1.8.1,注：分類時應根據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,.,91,2.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。砂土根據粒組含量不同又被細分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂五類。如表1.8.2所示。,砂土的分類表1.8.2,注：分類時應根據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,.,92,3.粉土指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過50%，且塑性指數3L/6,.,263,五、地基中附加應力的計算（空間問題）,(一)布森涅斯克解,(二)矩形基底均布荷載作用下地基中的附加應力,角點下的應力,.,264,2.任意點的應力角點法,z=(C+C)p0,地基中的附加應力空間問題的解及其應用,.,265,z=(C+C-C-C)p0,z=(C-C-C+C)p0,.,266,(三)矩形面積上作用豎直三角形荷載在零角點下任意深度z處所引起的豎直附加應力z為z=tcp0(四)圓形面積均布荷載作用中心點的附加應力,.,267,五、地基中附加應力的計算（平面問題）,（1）弗拉曼解及其應用（2）條形面積上的豎直均布荷載,.,268,（3）條形基底三角形分布荷載作用下地基附加應力,zaspm,n=x/b，m=z/b的函數,.,269,EndofChapter2結束,.,270,第四章土的壓縮性和地基沉降計算,.,271,主要內容,4.1概述4.2土的壓縮性及壓縮性指標4.3地基的沉降量計算4.4應力歷史對地基沉降的影響4.5地基沉降與時間的關系4.6地基沉降計算的其他情況4.7二維、三維滲流固結課題4.8地基允許變形值及防止地基有害變形的措施,.,272,4.1概述,如果在地基上修建建筑物，地基土內各點不僅要承受土體本身的自重應力，而且要承擔由建筑物通過基礎傳遞給地基的荷載產生的附加應力作用，這都將導致地基土體的變形。在附加應力作用下，地基土土體變形，從而將引起建筑物沉降。為什么要研究沉降？基礎的沉降量或者各部位的沉降差過大，那么將影響上部建筑物的正常使用，甚至會危及建筑物的安全。,.,273,沉降、不均勻沉降工程實例,問題：沉降2.2米，且左右兩部分存在明顯的沉降差。,墨西哥某宮殿,地基：20多米厚的粘土,概述,.,274,由于沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸,沉降、不均勻沉降工程實例,概述,.,275,長高比過大的建筑物因不均勻沉降墻體產生裂縫,中部沉降大“八”字形裂縫,沉降、不均勻沉降工程實例,概述,.,276,在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現象稱為壓縮。,通常，土粒本身和孔隙水的壓縮量可以忽略不計，在研究土的壓縮時，認為土體壓縮主要是孔隙中體積一部分水和空氣被擠出，封閉氣泡被壓縮。,土的壓縮隨時間增長的過程稱為土的固結。,4.2土的壓縮性及壓縮性指標,滲透性較大的土砂土，加荷后，孔隙中的水較快排出，壓縮完成得快；滲透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水緩慢排出，且土顆粒間的力作用使壓縮完成得慢。,4.2.1土的壓縮性,.,277,1土的壓縮試驗為了研究土的壓縮特性，通常可在試驗室內進行壓縮（固結）試驗，從而測定土的壓縮性指標。室內壓縮（固結）試驗的主要裝置為側限壓縮儀（固結儀）。,用這種儀器進行試驗時，由于剛性護環所限，試樣只能在豎向產生壓縮，而不能產生側向變形，故稱為側限壓縮試驗。,4.2.2壓縮試驗及壓縮性指標,土的壓縮性及壓縮性指標,.,278,側限壓縮試驗,固結容器：環刀、護環、導環、透水石、加壓上蓋和量表架等加壓設備：杠桿比例1:10變形測量設備,側限壓縮儀（固結儀）,支架,加壓設備,固結容器,變形測量,土的壓縮性及壓縮性指標,.,279,只在豎直方向上進行壓縮變形是由孔隙體積的減小引起的,土的壓縮性及壓縮性指標,.,280,根據固結試驗各級荷載pi相應的穩定壓縮量Si，可求得相應孔隙比ei建立壓力p與相應的穩定孔隙比的關系曲線，稱為土的壓縮曲線。,固體顆粒,孔隙,Howtodetermineit?,土的壓縮性及壓縮性指標,.,281,2、壓縮性指標（1）壓縮系數壓縮曲線反映了土受壓后的壓縮特性。土的壓縮系數是指土體在側限條件下孔隙比減小量與有效應力增量的比值，即ep曲線某范圍的割線斜率。,e,(kPa),單位：Mpa-1,土的壓縮性及壓縮性指標,.,282,圖中所示為0.1、0.2MPa兩級壓力下對應的壓縮系數，稱為a1-2，常用來衡量土的壓縮性高低。,e,(kPa),土工試驗方法標準,土的壓縮性及壓縮性指標,.,283,土的固結試驗的結果也可以繪在半對數坐標上，即坐標橫軸p用對數坐標，而縱軸e用普通坐標，由此得到的壓縮曲線稱為elgp曲線。在較高的壓力范圍內，elgp曲線近似地為一直線，可用直線的斜率壓縮指數Cc來表示土的壓縮性高低，即,式中，e1，e2分別為p1，p2所對應的孔隙比。,（2）壓縮指數,土的壓縮性及壓縮性指標,壓縮系數和壓縮指數區別:前者隨所取的初始壓力及壓力增量的大小而異，而后者在較高的壓力范圍內是常數。,.,284,（3）土的壓縮模量是指土體在側限條件下的豎向附加應力與相應的豎向應變之比：,固體顆粒,孔隙,土的體積壓縮系數mv定義為土體在單位應力作用下體積應變,它與土的壓縮模量互為倒數。,土的壓縮性及壓縮性指標,.,285,1、現場荷載試驗,教材117,4.2.3土的荷載試驗及變形模量,土的壓縮性及壓縮性指標,.,286,土的壓縮性及壓縮性指標,.,287,2、土的側壓力系數及變形模量,土的側壓力系數，K0，是指側限條件下土中側向應力與豎向應力之比。,土的變形模量，E0，是土體在無側限條件下的應力與應變的比值。相當于理想彈性體的彈性模量，但是由于土體不是理想彈性體,故稱為變形模量。E0的大小反映了土體抵抗彈塑性變形的能力。前面定義側限條件下的壓縮模量Es，與之有如下關系：,K0與泊松比有如下關系：,土的壓縮性及壓縮性指標,.,288,變形模量E0與壓縮模量Es之間的關系推導：,所以有,根據定義,土的壓縮性及壓縮性指標,.,289,土的彈性模量（楊氏模量）E，是指土體在無側限條件下瞬時壓縮的應力與彈性應變的比值。常用于估算建筑物初始瞬時沉降。,壓縮模量Es和變形模量E0的應變為總應變，包括彈性應變和塑性應變。彈性模量E的應變只包含彈性應變。,通常變形模量取值,土的壓縮性及壓縮性指標,.,290,4.3地基沉降量計算,地基沉降量是指地基土壓縮變形達固結穩定的最大沉降量。,地基沉降有兩方面的原因：一是建筑物荷載在土中產生附加應力，二是土具有壓縮性。,地基沉降計算方法有分層總和法、彈性理論法、應力歷史法、應力路徑法等等。,分層總和法是目前被廣泛采用的沉降計算方法。,.,291,分層總和法是以無側向變形條件下的壓縮量公式為基礎。,一、分層總和法,無側向變形條件下單向壓縮量計算假設：(1)地基土的一個分層為一均勻、連續、各向同性的半無限空間彈性體。(2)土的壓縮完全是由于孔隙體積減小導致骨架變形的結果，土粒本身的壓縮可忽略不計；(3)土體僅產生豎向壓縮，而無側向變形；(4)土層均質且在土層厚度范圍內，壓力是均勻分布的。,4.3地基沉降量計算,.,292,無側向變形條件下單向壓縮量公式,4.3地基沉降量計算,.,293,根據av，mv和Es的定義,上式又可表示為,4.3地基沉降量計算,.,294,4.3地基沉降量計算,分層總和法在沉降計算深度范圍內劃分若干土層，計算各層的壓縮量（Si），然后求其總和，即得地基表面的最終沉降量S，這種方法稱為分層總和法。沉降計算深度zn是指自基礎底面向下需要計算壓縮變形所達到的深度。,分層總和法,.,295,沉降計算深度zn的確定：,z-地基某深度的附加應力;s-自重應力。,一般土層：z=0.2cz；軟粘土層：z=0.1cz；至基巖或不可壓縮土層。,分層總和法,4.3地基沉降量計算,.,296,分層總和法的基本思路是：將壓縮層范圍內地基分層，計算每一分層的壓縮量，然后累加得總沉降量。分層總和法有兩種基本方法：ep曲線法和elgp曲線法。,4.3地基沉降量計算,.,297,用ep曲線法計算地基的沉降量計算步驟（1）首先根據建筑物基礎的形狀，結合地基土層性狀，選擇沉降計算點的位置；再按作用在基礎上荷載的性質（中心、偏心或傾斜等），求出基底壓力的大小和分布。,（2）將地基分層。12m,p1，稱為超固結土；如果pc1.0的土就是超固結土;OCR1.0的土就是欠固結土。,4.4應力歷史對地基沉降的影響,.,311,圖正常固結土的原始壓縮曲線推求,2現場初始壓縮曲線的推求1)正常固結土如右圖(教材P144圖4.4.5)所示。假設條件：10取樣過程中無回彈,eo代表現場原位(p1)孔隙比；20e=0.42eo時，試樣不受擾動(試驗結果的總結)。,4.4應力歷史對地基沉降的影響,.,312,方法：10根據試驗曲線，用卡薩格蘭德方法找到先期固結壓力pc；20確定原位狀態點b(p1=pc，eo)；30在試驗曲線上找到縱坐標e=0.42eo的點c；40連接b、c兩點即得原位壓縮曲線bc，其斜率就是土的原位壓縮指數Cc。,4.4應力歷史對地基沉降的影響,.,313,2)超固結土如右圖(教材P144圖4.4.6)所示。假設條件：10取樣過程中無回彈,eo代表現場原位(p1)孔隙比；20e=0.42eo時，試樣不受擾動(試驗結果的總結)；30再壓縮指數Ce為常數。,圖4-13超固結土的原始壓縮曲線推求,4.4應力歷史對地基沉降的影響,.,314,方法：10用卡薩格蘭德法從室內試驗曲線上找到先期固結壓力pc；20確定原位狀態點b1(p1=h，eo)；30從b1點作斜率為Ce的直線交垂線p=pc于b點；40在室內試驗曲線上找到縱坐標e=0.42eo的點c；50連接b、c兩點得直線bc。,4.4應力歷史對地基沉降的影響,3)欠固結土近似按正常固結土的方法求原始壓縮曲線。,.,315,3elgp曲線法（應力歷史法）利用室內elgp曲線法可以考慮應力歷史的影響，從而可進行更為準確的沉降計算。與單向壓縮分層總和法的區別：a.采用elgp曲線確定壓縮指數Ccb.由現場壓縮曲線求得c.初始孔隙比用d.考慮土的應力歷史，對正常固結土和超固結土采用不同的計算公式,4.4應力歷史對地基沉降的影響,.,316,e-p曲線與e-lgp曲線計算沉降的比較,.,317,沉降計算方法的討論,單向壓縮分層總和法（使用e-p曲線）優點：計算方法簡單，計算指標容易測定，能考慮地基分層、地下水位、基礎形狀，適用廣泛，經驗積累較多。當基礎面積大大超過壓縮層厚度，可以得到較好結果。缺點：室內測e-p曲線，取樣擾動，使計算結果偏大。,可判定原狀土壓縮曲線區分不同固結狀態,無法確定現場土壓縮曲線不區分不同固結狀態,e-lgp曲線方法與e-p曲線方法相比，不足之處：,規范法,修正，提高了精度。,e-pe-lgp,其它方法的優缺點前面已講過,.,318,4.5地基沉降與時間的關系,固結：飽和土體在某壓力作用下，壓縮量隨著孔隙水的排出而逐漸增長的過程；固結描述了沉降與時間之間的關系。,關西國際機場世界最大人工島,1986年：開工1990年：人工島完成1994年：機場運營面積：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m地基：15-21m厚粘土,工程實例,關西國際機場是日本建造海上機場的偉大壯舉，是日本人圍海造地工程的杰作。關西國際機場建在大阪東南、離海岸大約3英里的大沙灘上。這個大沙灘，長2.5英里，寬0.75英里。1989年日本政府決定在大阪建成年客流量高大3000萬人的世界級機場，并配有現代化的商場、旅館以及其他配套設施。機場的全部預算高達100億美元，如果將配套的高速運輸線和填海費用全部計算在內，工程造價將超過英吉利海峽隧道工程。關西機場1994年夏季已投入使用，整個機場酷似一個綠色的峽谷，一側為陸地，一側為海洋。國家：日本城市：大阪年份：1994年關西機場象是一具精準的儀器，是數學與科技的結晶。皮亞諾,.,319,工程實例,設計時預測沉降：5.77.5m完成時實際沉降：8.1m，5cm/月(1990年)預測主固結完成：20年后比設計超填：3.0m,問題：沉降大且有不均勻沉降,.,320,一、飽和土的滲透固結物理模型彈簧活塞模型,4.5地基沉降與時間的關系,p,p,附加應力:z=p超靜孔壓:u=z=p有效應力:z=0,滲流固結過程變形逐漸增加,附加應力:z=p超靜孔壓:u0,附加應力:z=p超靜孔壓:u=0有效應力:z=p,p,.,321,從固結模型模擬的土體的固結過程可以看出：在某一壓力作用下，飽和土的固結過程就是土體中各點的超孔隙水應力不斷消散、附加有效應力相應增加的過程，或者說是超孔隙水應力逐漸轉化為附加有效應力的過程，而在這種轉化的過程中，任一時刻任一深度上的應力始終遵循著有效應力原理，即p=u+。因此，關于求解地基沉降與時間關系的問題，實際上就變成求解在附加應力作用下，地基中各點的超孔隙水應力隨時間變化的問題。因為一旦某時刻的超孔隙水應力確定，附加有效應力就可根據有效應力原理求得，從而，根據上節介紹的理論，求得該時刻的土層壓縮量。,.,322,二、太沙基（Terzaghi）單向固結理論,實踐背景：大面積均布荷載,p,不透水巖層,飽和壓縮層,z=p,p,側限應力狀態,土層均勻且完全飽和；土顆粒與水不可壓縮；變形是單向壓縮（水的滲出和土層壓縮是單向的）；荷載均布且一次施加；假定z=const滲流符合達西定律且滲透系數保持不變；壓縮系數a是常數。,1、基本假定,.,323,2、建立方程,微小單元（11dz）微小時段（dt）,孔隙體積的變化流出的水量,土的壓縮特性,有效應力原理,達西定律,表示超靜孔隙水壓力的時空分布的微分方程,超靜孔隙水壓力孔隙比,超靜孔隙水壓力孔隙比,土骨架的體積變化,z,.,324,固體體積：,孔隙體積：,dt時段內：,孔隙體積的變化流出的水量,.,325,dt時段內：,孔隙體積的變化流出的水量,土的壓縮性：,有效應力原理：,達西定律:,孔隙體積的變化土骨架的體積變化,.,326,由公式可以求解得任一深度z在任一時刻t的孔隙水應力的表達式。固結微分方程的物理意義：孔隙水應力隨時間的變化正比于水力梯度隨深度的變化。,固結系數,Cv反映了土的固結性質：孔壓消散的快慢固結速度；Cv與滲透系數k成正比，與壓縮系數a成反比；（cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量級）,.,327,3、固結微分方程求解：,(4-36),線性齊次拋物線型微分方程式，一般可用分離變量方法求解。給出定解條件，求解滲流固結方程，就可以解出uz,t。,（1）求解思路,.,328,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,（2）邊界、初始條件,z,.,329,時間因數,反映孔隙水壓力的消散程度固結程度,式中，m正奇數（1，3，5.）；Tv時間因數，無因次,其中，H為最大排水距離，在單面排水條件下為土層厚度，在雙面排水條件下為土層厚度的一半。,.,330,H,單面排水時孔隙水壓力分布,雙面排水時孔隙水壓力分布,z,z,排水面,不透水