第一章第一章:土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 土是三相体土是三相体固相（土颗粒）固相（土颗粒） 、液相（土中水）和气相（土中空气）、液相（土中水）和气相（土中空气） 。 固相：是由难溶于水或不溶于水的各种矿物颗粒和部分有机质所组成。 2.土粒颗粒级配（粒度） 2. 土粒大小及其粒组划分 b.土粒颗粒级配（粒度成分）土中各粒组相对含量百分数称为土的粒度或颗粒级配。 粒径大于等于 0.075mm 的颗粒可采用筛分法来区分。 粒径小于等于 0.075mm 的颗粒需采用水分法来区分。 颗粒级配曲线颗粒级配曲线 斜率: 某粒径范围内颗粒的含量。陡相应粒组质量集中；缓-相应粒组含量少；平台-相应粒组缺乏。 特征粒径: d50 : 平均粒径；d60 : 控制粒径；d10 : 有效粒径；d30 粗细程度： 用 d50 表示。 曲线的陡、缓或不均匀程度：不均匀系数 Cu = d60 / d10 ，Cu 5,级配均匀，不好Cu10,，级配良好， 连续程度:曲率系数 Cc = d302 / (d60 d10 )。较大颗粒缺少，Cc 减小；较小颗粒缺少，Cc 增大。Cc = 1 3, 级配连续 性好。 粒径级配累积曲线及指标的用途：粒径级配累积曲线及指标的用途： 1.粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数 Cu 用于判定土的不均匀程度：Cu 5, 不均匀土； Cu 3 或 Cc 3 或 Cc 、土中水、土中水 土中水存在于土体的孔隙中或土粒表面，分为自由水和结合水。自由水就是我们通常所说的地下水，结合水是指受 到电分子引力作用而吸附在土粒表面的水。 结晶水矿物内部的水 结合水吸附在土颗粒表面的水（强结合水和弱结合水） 自由水电场引力作用范围之外的水（重力水和毛细水）重力水：在重力作用下可在土中自由流动。毛细水：存 在于固气之间，在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动 . 土中气体土中气体 自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大 封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道，可能会形成“橡皮土” 。 土的三相比例指标土的三相比例指标反映三相组成间数量关系的指标称为三相比例指标。它是评价土体工程性质的基本参数。m水、土总质重，kg；ms土颗粒质量，kg；mw土中水质量，kg。且 m=ms+mw。 V-土体总体积，m3；Vs-土粒体积，m3；Vw-土中水体积，m3；Va-土中气体体积，m3；VV-土中孔隙体积， m3。且 V=Vs+VV；VV=Va+ Vw。 土的三项基本物理指标土的三项基本物理指标 密度密度 ：单位体积土的质量常见值： 重力密度重力密度 ：单位体积土的重量 常见值：土粒密度土粒密度 s：土中固体颗粒单位体积的质量 土粒相对密度土粒相对密度 ds：土颗粒重量与同体积 4C 时纯水的重量比。 常见值：砂土26.526.9 粉土27.027.1 粘性土27.227.4 土的含水量土的含水量 ：土中水的质量与固体颗粒质量的比值 常见值：砂土（04） ； 粘性土（2060）Vm)(Vgm3mNg3)2216(mkNss sVm即：sssVWd 3)22001600(mkg(%)100sw mm土的六个导出指标土的六个导出指标 1、孔隙比、孔隙比 e：土中孔隙体积与土颗粒体积之比 常见值：砂土0.51.0，e 1.0 时，为软弱地基 2、孔隙率、孔隙率 n：土中孔隙体积与土总体积之比 常见值：n=(3050)%第 3 章 饱和度饱和度sr：水在空隙中充满的程度 常见值：01vw rVVs 第 4 章 干密度：干密度：土的固体颗粒质量与总体积之比Vmsd5、饱和密度：、饱和密度：土中孔隙完全被水充满时，单位体积质量 饱和容重： 6、有效密度：、有效密度：地下水位以下，土体受浮力作用时，单位体积的质量有效重度（浮容重）：g指标间的换算指标间的换算导出指标与基本指标的关系导出指标与基本指标的关系eVeV Vmsssss d1)1 (eVeV VVmwssswswss 1)1 ()(ee VVmwswvs 1sat1)1 (101)1 (1)1 (1 sswssssssswssssvdVm VmVVmmVVV VVe粘性土的物理特性指标粘性土的物理特性指标 粘性土的界限含水量及其测定粘性土所处的物理状态（软硬状态）与土的含水量密切相关。 当含水量很小时，感觉较硬，外力作用下，将其压碎成粉沫状；我们称其处于固体状态，固体状态，少加一点水，充分湿润加 压后，感觉稍软，加力压碎后成边缘破裂的饼状，称其为半固态半固态；再加水充分湿润，它就具有一定的可塑性可塑性；水加 的过多，就成了流塑状态流塑状态的泥浆状。粘性土从一种状态转变到另一种状态，含水量应有一个分界值，我们称其为界界 限含水量限含水量，分别称为液限、塑限和缩限。 1.液限液限 WL粘性土从可塑状态转变到流塑状态时含水量的分界值，称为粘性土的液限，记为 WL。 2.塑限塑限 Wp粘性土从可塑状态转变到半固体状态时含水量的分界值，称为粘性土的塑限，记为 Wp 3.缩限缩限 Ws从半固体状态转变到固体状态时含水量的分界值，称为粘性土的缩限，记为 Ws。 塑性指数塑性指数 Ip：粘性土液、塑限差值（去掉百分号）称为粘性土的塑性指数，记为 Ip 。Ip = WL -Wp 塑性指数反映 的是粘性土处于可塑状态时含水量的变化范围；而粘性土与水作用能力的大小与粒径密切相关，这段范围越大，说 明土体中细粒土含量越多；土体中蒙脱土矿物含量越多；说明土体中弱结合水含量就越多，土粒表面吸附的阳离子 层厚度就越厚，由此推断：土中低价离子含量就越多，土的渗透性就越差、阻水性就越好。因此，塑性指数 Ip 是 粘性土各种影响因子作用后的一个综合反映，从一定程度上，反映了粘性土的工程性质。它是粘性土命名的依据。 工程上，用塑性指数 Ip 对粘性土进行工程分类。Ip 17 粘土粘土 10Ip 10-3cm/s）的土，例如砂土。 hAtQLkAtLhkkiAtvAtqtQ2.变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化。适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。 任一时刻 t 的水头差为 h，经时段 dt 后，细玻璃管中水位降落 dh，在时段 dt 内流经试样的水量 dQ=adh 在时段 dt 内流经试样的水量 dQ=k.I.A.dt=k.A.h/L.dt 管内减少水量流经试样水量 a.dh=k.A.h/L.dt 分离变量，积分 2112ln)(hh ttAaLk3.现场抽水试验现场抽水试验单一土层可以取样在室内测定，实际上土体都是成层的，有时室内测定结果很难代表现场实际， 这时亦可采用现场测试方法确定 k 值。根据井底土层的情况此井可分为完整井（井底位于不透水层）和非完整井 （井底位于透水土层）两种类型；假设抽水孔钻至不透水层层面，属于完整井。钻孔1 个抽水孔，12 个观测 孔，开始抽水！ 在t 时间内，抽水量为 Q，并在土中形成一个降落漏斗，假定在任一半径处，水头梯度为常数，即 i=dh/dr， 任一 点的过水断面为 2.r.h。Q=k.i.A. t=k.(dh/dr).A. t=k.(dh/dr).(2.r.h). t4.水平渗流层状地基的等效渗透系数水平渗流层状地基的等效渗透系数条件： LhiijjxxqqjHH等效渗透系数：，即得：HikHvqxxxjjjjjjxHkiHikqjjxHkHk1Lhi 21212hhrrdhhtkrdrQ)(ln2 12 2 12hhtkrrQ12 2 12 2ln)(rrhhtQk常水头 变水头现场抽水 水平渗流竖直渗流 成层土渗透系数4、竖直渗流层状地基的等效渗透系数竖直渗流层状地基的等效渗透系数条件： vvjjhhjHH等效渗透系数 kz：vj = kj (hj/Hj)因为，推出jj jkvHh zkvHh jhhjjzkvHkvHjjz jjz kHHkkHHk11Q截面面积 aAh1h2地面r12抽水量Q观测 孔H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122 不透水层H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水Q3Q2Q1k1k2k3F1F2F3H1H2H3k1k2k3QF1F2F3h1h2h3H1H2H36.成层土的渗透系数成层土的渗透系数实际工程中均是成层土，其渗透分为竖向渗透和水平向渗透两种。 a.水平向渗流的平均渗透系数水平向渗流的平均渗透系数 kx 设各层土的渗透系数分别为 k1、 k2 、k3 ，层厚分别为 H1 、H2 、H3 ，面积分别为 F1 、F2 、F3 ，流量为 Q1 、 Q2 、 Q3 ，总流量为 Q，则 Q1 = k1.i1. F1.t，Q2 = k2.i2. F2.t，Q3 = k3.i3. F3.t 水平向流动，各层土的水头梯度均相同， 即 i= i1 = i2 = i3总截面面积 F= F1 + F2 + F3 ，总流量 Q= Q1 + Q2 +Q3即总流量 Q=kh.i.F.t = k1.i1. F1.t + k2.i2. F2.t + k3.i3. F3.t 所以有： niiniiixx HHk kFFkFkFkk11332211相等时当宽度b.竖向渗流的平均渗透系数竖向渗流的平均渗透系数 kz 此时，总流量等于各层流量，即 Q = Q1 = Q2 = Q3，总水头损失等于各土层水头损失之和；渗流面积相等：F = F1 = F2=F3，h=h1+h2 +h3，影响渗透性的因素影响渗透性的因素 1.土粒大小与级配细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会 大大减小。 2.土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也 减小。 3.水的动力粘滞系数动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数 则愈大。 4.土中封闭气体含量土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。动水力渗透力、渗流力动水力渗透力、渗流力水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力 GDGD= J/V = wh/L = wi 渗透变形渗透变形土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。基本类型：流砂与管涌。 6、流砂：在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。形成原因：，和土的密实度有关。crDiiGW0 ed VVWisss cr11 （2）管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土 中形成与地表贯通的管道。 形成原因：内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙；外因渗透力足够大。 流砂与管涌比较：流砂与管涌比较： 现象：流砂土体局部范围