孔隙水孔隙水在在水头差作用下水头差作用下渗透：水通过土渗透：水通过土孔隙流动的现象孔隙流动的现象 渗透性：土允许渗透性：土允许水流透过的性质水流透过的性质造成水量损失，影响工程效益造成水量损失，影响工程效益 引起土体内部应力状态的变化，引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工构筑物、土木建筑从而改变水工构筑物、土木建筑物或地基的稳定条件，甚者将酿物或地基的稳定条件，甚者将酿成破坏事故成破坏事故 本节主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，渗透力、及渗透变形等问题。 2.6 土的渗透及渗流土的渗透及渗流渗流量渗流量渗透变形渗透变形石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层石坝坝基坝身渗流石坝坝基坝身渗流2.6 土（岩）的渗透性 渗透压力渗透压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流2.6 土（岩）的渗透性 一、达西定律一、达西定律结论结论：水在土中的渗透速水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比度与试样的水力梯度成正比水力梯度，即沿渗流方向水力梯度，即沿渗流方向单单位距离的水头损失位距离的水头损失 达西定律达西定律: :v=kiq=kiA2.6 土（岩）的渗透性 1856年法国学者年法国学者Darcy对对砂土砂土的渗的渗透性进行研究透性进行研究粗粒土：粗粒土：砾类土水力梯度较大时渗流为紊流砾类土水力梯度较大时渗流为紊流砂土中渗透速度砂土中渗透速度 适用条件适用条件适用条件适用条件ivi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土土及砂性较重的粘性土两种特例不适用两种特例不适用两种特例不适用两种特例不适用粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )2.6 土（岩）的渗透性 ivov=ki室内渗透试验室内渗透试验时间时间t 内流出的水量内流出的水量Q 野外（现场）试验：野外（现场）试验： 例例井孔抽（注）水试验井孔抽（注）水试验2.6 土（岩）的渗透性 二、渗透系数二、渗透系数k的测定方法的测定方法常水头试验（常水头试验（适用于透水性大的土类适用于透水性大的土类 ）常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验左图原理左图原理：Q1. 土粒大小与级配土粒大小与级配 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。含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。 2. 土的密实度土的密实度 4. 土的矿物成分土的矿物成分 同种土在不同密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实同种土在不同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，渗透系数相应减小。度增大，孔隙比降低，渗透系数相应减小。粘土矿物的结合水膜厚时，阻塞土的孔隙粘土矿物的结合水膜厚时，阻塞土的孔隙亲水性矿物（蒙脱石）多，膨胀，阻塞孔隙亲水性矿物（蒙脱石）多，膨胀，阻塞孔隙淤泥不透水淤泥不透水含有机质。含有机质。3. 土中封闭气体含量土中封闭气体含量 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，土的渗透系数愈小。体含量愈多，土的渗透系数愈小。三、影响渗透系数的因素三、影响渗透系数的因素2.6 土（岩）的渗透性 渗透系数减小渗透系数减小四、四、 渗流力与渗流稳定性分析渗流力与渗流稳定性分析 1. 渗流力（动水力）渗流力（动水力）u h0 水流动，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动水流动，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗流稳定渗流稳定渗流力渗流力u h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。与水头差有关与水头差有关渗流力渗流力J : 单位体积土颗粒所受到的渗透作用力，其单位体积土颗粒所受到的渗透作用力，其 方向与渗流方向一致。方向与渗流方向一致。2.6 土（岩）的渗透性 h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab2.6 土（岩）的渗透性 渗流破坏试验示意渗流破坏试验示意h100hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bGw水柱分析水柱分析水柱分析水柱分析g gwhwAwg gwh1AwT(1)孔隙水重力和土粒浮力的反力之和孔隙水重力和土粒浮力的反力之和 (2)水柱上下两端面的边界水压力水柱上下两端面的边界水压力 (3)土粒对水流的阻力土粒对水流的阻力T，大小与渗流力相等、方向相反，根据极限，大小与渗流力相等、方向相反，根据极限平衡条件：平衡条件：2.6 土（岩）的渗透性 注注意意：渗渗流流力力J是是渗渗流流对对单单位位土土体体的的作作用用力力，是是一一种种体体积积力力，其其大大小小与与水水力力坡坡降降成成正正比比，作作用用方方向向与与渗渗流流方方向向一一致致，单单位位为为kN/m3 abcJ方向与重力一方向与重力一致致,促使土体压促使土体压密、强度提高密、强度提高,有利土体稳定有利土体稳定渗流方向近乎水平渗流方向近乎水平,使使土粒产生向下游移动土粒产生向下游移动的趋势的趋势,对稳定不利对稳定不利J方向与重力相反方向与重力相反,若渗透力大于土若渗透力大于土体体有效重度有效重度,土粒土粒将被水流冲出将被水流冲出2.6 土（岩）的渗透性 渗流力的存在，将使土体内部受力发生变化，渗流力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性产生显著影响这种变化对土体稳定性产生显著影响2. 临界水头梯度临界水头梯度 当当h增大到某一数值增大到某一数值(有效重度有效重度)时时, 向上的渗流力克服了土体向向上的渗流力克服了土体向下的重力下的重力, 土体浮起而处于悬浮状态失去稳定土体浮起而处于悬浮状态失去稳定, 土粒随水流动土粒随水流动, 该现该现象称为象称为流砂或流土流砂或流土，此时的水头梯度称为，此时的水头梯度称为临界水头梯度临界水头梯度icr2.6 土（岩）的渗透性 【例】某基坑开挖某基坑开挖,施工抽水稳定后施工抽水稳定后,实测实测水位如图。场地土体为水位如图。场地土体为:细砂层细砂层, sat=18.7 kN/m3,k=4.510-2mm/s, 试求渗流平均速度试求渗流平均速度v和渗流力和渗流力J, 并判别是否产生流砂现象。并判别是否产生流砂现象。细砂层的有效重度细砂层的有效重度故不会因基坑抽水而产生流砂现象故不会因基坑抽水而产生流砂现象基本类型基本类型 流砂流砂管涌管涌渗透破坏渗透破坏(变形变形): 土工建筑物及地基由于渗流作用而出土工建筑物及地基由于渗流作用而出 现的破坏或变形现的破坏或变形形成条件形成条件 防治措施防治措施 五、五、渗透破坏与控制渗透破坏与控制2.6 土（岩）的渗透性 管涌管涌管涌破坏管涌破坏 在在渗渗流流水水作作用用下下，桥桥墩墩基基础础因因流流砂砂而而渗渗透透破破坏坏2.6 土（岩）的渗透性 防治措施防治措施 增大增大i: 下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治防治流土流土减小减小i : 上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压防治防治管涌管涌改善几何条件：设反滤层等改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降改善水力条件：减小渗透坡降2.6 土（岩）的渗透性 要求：要求：2.7 土的动力特性土的动力特性一、土的压实原理一、土的压实原理对土体施加对土体施加外部能量外部能量, 驱除土中气体驱除土中气体, 使得土颗粒相对位移、重新排列使得土颗粒相对位移、重新排列, 土土体体干密度提高干密度提高, 强度增大强度增大。当土颗粒表面当土颗粒表面水分较少水分较少时时, 结合水膜结合水膜薄薄, 粒间电引力大粒间电引力大, 土粒摩擦大土粒摩擦大, 阻止阻止颗粒相对位移颗粒相对位移, 压实效果差压实效果差。一定量水分一定量水分, 可起润滑作用可起润滑作用, 水膜加水膜加厚厚, 摩擦减少摩擦减少, 土粒易于移动土粒易于移动, 相同相同能能量下干密度提高量下干密度提高, 压实效果好压实效果好。若若水分过多水分过多, 多余水分占据一定体积多余水分占据一定体积, 土孔隙体积增大土孔隙体积增大, 干密度变小干密度变小, 压实压实效果下降效果下降。二、土的击实试验二、土的击实试验击实筒击实筒护筒护筒击锤击锤导筒导筒2.7 土的压实原理 wiw1w2w3w4w5i12345d1d2d3d4d5三、击实曲线的特点三、击实曲线的特点 u具有峰值，即具有峰值，即最大干最大干 密度与最优含水量密度与最优含水量最优含水量最优含水量在一定在一定的压实功能下使土最容的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大易压实，并能达到最大干密度时的含水量干密度时的含水量u位于饱和曲线之下位于饱和曲线之下 粘性粘性土土2.7 土的压实原理 0 4 8 12 16 20 24 28含水量含水量w(%)2.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)饱和曲线饱和曲线 dmax=1.86wop=12.1无粘性土无粘性土击实曲线击实曲线20%特点特点u 不存在最优含水量；不存在最优含水量；u 在完全风干和饱和两种状在完全风干和饱和两种状 态下易于击实；态下易于击实；u 潮湿状态下潮湿状态下d明显降低明显降低。压实标准压实标准 常用相对密度控制，常用相对密度控制， 即：即： Dr0.70.75; 施工过程中要么风施工过程中要么风干干, 或者充分洒水或者充分洒水;使土使土料饱和料饱和 。2.7 土的压实原理 四、影响击实的因素四、影响击实的因素1.1.含水量的影响含水量的影响dmaxwd0wop 当含水率较低时，击实当含水率较低时，击实后的干密度随含水量的增后的干密度随含水量的增加而增大。而当干密度增加而增大。而当干密度增大到某一值后，含水量的大到某一值后，含水量的继续增加反使干密度减小。继续增加反使干密度减小。干密度的这一最大值称为干密度的这一最大值称为该击数下的该击数下的最大干密度最大干密度，与它对应的含水量称为与它对应的含水量称为最最优含水量。优含水量。 机理解释？机理解释？注：注：当击数一定时当击数一定时, 在某一含水量下才获得最佳的击实效果。在某一含水量下才获得最佳的击实效果。 2.7 土的压实原理 2. 击实功能击实功能E3. 土类及级配土类及级配 夯实、水夯、静压、振动、冲击夯实、水夯、静压、振动、冲击压实等，不同土类方法不同。压实等，不同土类方法不同。2.7 土的压实原理 颗粒愈粗、级配愈好颗粒愈粗、级配愈好, dmax愈大愈大, wop愈小愈小;干砂宜振压密实干砂宜振压密实, 稍湿砂密实差稍湿砂密实差, 饱和砂毛饱和砂毛细压力消失细压力消失, 压实效果好。压实效果好。 4. 击实方式击实方式1夯实、夯实、2辗压、辗压、3振动振动压实能量相当于压实能量相当于2500kN的的重力重力, 压实功能为目前最大压实功能为目前最大振动压实机械的振动压实机械的10倍以上倍以上, 尤其适用于填石路堤。尤其适用于填石路堤。冲击式压实机冲击式压实机 冲击式压实机施工现场冲击式压实机施工现场 冲击压实技术冲击压实技术 广西广西38m38m高填石路堤高填石路堤1. 粘性土存在最优含水量粘性土存在最优含水量wop, 填土施工中应控制土料填土施工中应控制土料含水量在含水量在wop左右，以期得到左右，以期得到dmax，通常取通常取 2. 工程上常采用压实度工程上常采用压实度控制控制(作为填方密度控制标作为填方密度控制标准准)、级土石坝级土石坝 9598% 级土石坝级土石坝 9295% 高速公路路基高速公路路基 95% 2.7 土的压实原理 五、五、压实标准压实标准六、土的振动液化六、土的振动液化u定义定义 饱和状态砂土或粉土在一定强度饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体的动荷载作用下表现出类似液体性质而完全丧失承载力的现象。性质而完全丧失承载力的现象。u产生原因产生原因 地震、波浪，振动，打桩地震、波浪，振动，打桩u带来的灾害带来的灾害 喷砂冒水，震陷，滑坡，上浮喷砂冒水，震陷，滑坡，上浮地震波的振动地震波的振动液化后的震陷液化后的震陷1. 基本概念基本概念 振动产生超孔隙水压力振动产生超孔隙水压力, 无粘性土颗粒与颗粒间的有效应力无粘性土颗粒与颗粒间的有效应力为为0, 抗剪强度为抗剪强度为0，土体象液体一样失去了抗剪强度。，土体象液体一样失去了抗剪强度。 第第3、5章有效应力原理章有效应力原理2. 液化机理液化机理3. 主要影响因素主要影响因素u土的类别土的类别: 粘性土具有粘聚力不易液化粘性土具有粘聚力不易液化;u土的密度土的密度: 松砂振动时体积缩小松砂振动时体积缩小, 孔隙水压力上升大孔隙水压力上升大, 易液化易液化;u往复应力强度与次数往复应力强度与次数: 振动时间越长振动时间越长, 诱发的液化越多诱发的液化越多;u土的初始应力状态土的初始应力状态: 上部覆盖压力越大上部覆盖压力越大, 土越不易液化。土越不易液化。松散砂土颗粒松散砂土颗粒 (无粘聚力无粘聚力)脱离原来位置脱离原来位置 (土体饱水土体饱水)与周围颗粒不联系与周围颗粒不联系(象液体可以流动象液体可以流动)振动振动悬浮悬浮通俗解释通俗解释2.8 地基土地基土(岩岩)的工程分类的工程分类一、分类的目的和原则一、分类的目的和原则 土的分类体系是根据土的工程性质差异将土划分成一定土的分类体系是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，的类别，目的目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流。分类原则分类原则：1. 分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便。测定方法简单，使用方便。2. 分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性。用土的不同特性。二、分类体系与方法二、分类体系与方法 分类体系：分类体系：1. 建筑工程系统分类体系建筑工程系统分类体系2. 工程材料系统分类体系工程材料系统分类体系着重将土作为着重将土作为建筑地基和环境建筑地基和环境，研究对象为原状土，例，研究对象为原状土，例如如建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类地基土分类方法方法着重把土作为着重把土作为建筑材料建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如土的分类标准程。研究对象为扰动土，例如土的分类标准(GBJ145 -90)工程用土的分类和公路土工试验规程工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类土的工程分类2.8 土（岩）的工程分类 分类方法分类方法：1.建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2002) 根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数将地根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数将地基土基土(岩岩)分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类 岩石的分类岩石的分类 颗粒间牢固粘结颗粒间牢固粘结, 呈整体或具有节理隙的岩体称为岩呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石石, 坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类分类 坚硬程度类别坚硬程度类别饱和单轴抗压饱和单轴抗压强度强度frk(Mpa)坚硬岩坚硬岩较硬岩较硬岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩30frk60frk6015frk305frk15frk52.8 土（岩）的工程分类 土的名称土的名称漂石漂石块石块石卵石卵石碎石碎石圆砾圆砾角砾角砾颗粒形状颗粒形状圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主棱角形为主颗粒级配颗粒级配粒径大于粒径大于200mm的颗的颗粒含量超过全重粒含量超过全重50粒径大于粒径大于20mm的颗的颗粒含量超过全重粒含量超过全重50粒径大于粒径大于2mm的颗粒的颗粒含量超过全重含量超过全重50注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类碎石土的分类 碎石土的分类碎石土的分类粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土的土称为碎石土2.8 土（岩）的工程分类 土的名称土的名称砾砂砾砂粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂粉砂粉砂颗颗 粒粒 级级 配配粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量占全重的颗粒含量占全重2550注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50粒径大于粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重85粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50砂土的分类砂土的分类 砂土的分类砂土的分类 粒径大于粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大的土，且粒径大于于0.075mm的颗粒含量超过全重的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土的土称为砂土 2.8 土（岩）的工程分类 人工填土的分类人工填土的分类 由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱乱, 均匀性较差，根据其物质组成和成因均匀性较差，根据其物质组成和成因, 可分为素填土、压实可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土填土、杂填土和冲填土 粉土的分类粉土的分类 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数，塑性指数IP10的土称为粉土的土称为粉土 粘性土的分类粘性土的分类 粒径大于粒径大于0.075mm的颗粒含量不超的颗粒含量不超过全重过全重50%，塑性指数，塑性指数IP10的土称的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分为粘性土，粘性土根据塑性指数细分土的名称土的名称粘土粘土粉质粘土粉质粘土塑性指数塑性指数注：塑性指数由注：塑性指数由76g圆锥沉入圆锥沉入土样中深度为土样中深度为10mm测定的测定的液限计算而得液限计算而得 IP1710IP17 特殊土特殊土2.8 土（岩）的工程分类 粘土细砂粗砂卵石土碎石土粘土2.土的分类标准土的分类标准(GBJ145-90) 根据各粒组的相对含量把土分为根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土巨粒土、含巨粒土含巨粒土、粗粒粗粒土土和和细粒土细粒土四大类四大类 巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土的分类 巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于若土中巨粒含量多于50%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在属于巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之间，属于含巨粒土之间，属于含巨粒土 粗粒土的分类粗粒土的分类 巨粒含量少于巨粒含量少于15%, 剔除巨粒后剔除巨粒后, 若土中粒径大于若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类土和砂类土两类2.8 土（岩）的工程分类 细粒土的分类细粒土的分类 土中粒径小于土中粒径小于0.075mm的细粒含量多于或等于的细粒含量多于或等于50%，且，且粗粒含量少于粗粒含量少于25%的土属于细粒土。的土属于细粒土。细粒土按细粒土按塑性图塑性图进行细分进行细分2.8 土（岩）的工程分类 三、例题分析三、例题分析【例】下图为某三种土下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线的颗粒级配曲线,试按地基试按地基规范分类法确定三种土的名称规范分类法确定三种土的名称 2.8 土（岩）的工程分类 【解】解】A土土:由由A土级配曲线查得土级配曲线查得, 粒径大于粒径大于2mm的颗粒占总土质的颗粒占总土质量的量的33%50%, 故该土属于故该土属于砂土砂土。又由于粒径大于又由于粒径大于2mm的占总土质量的占总土质量33%, 位于位于25%50%之间之间, 故该土应命名为故该土应命名为砾砂砾砂。 B土土:粒径大于粒径大于2mm的颗粒为的颗粒为050%, 故为故为砂土砂土。又粒径大于。又粒径大于0.075mm的的占占52%50%, 故此土应命名为故此土应命名为粉砂粉砂 。C土土:粒径大于粒径大于2mm的颗粒占总土质量的颗粒占总土质量67%50%, 粒径大粒径大于于20mm的占总土质量的占总土质量13%50%, 故按碎石土分类故按碎石土分类, 该土该土应命名为应命名为圆砾或角砾圆砾或角砾 。2.8 土（岩）的工程分类 本章总结本章总结u本章重点讨论无粘性土和粘性土的本章重点讨论无粘性土和粘性土的三相组成、物理特性、三相组成、物理特性、三项指标三项指标的基本概念与换算、以及岩土的的基本概念与换算、以及岩土的工程分类工程分类；简简要介绍土的要介绍土的矿物成分、结构、矿物成分、结构、以及土的以及土的渗透与动力特性渗透与动力特性。u要求从宏观和微观两方面了解要求从宏观和微观两方面了解土的成因、组成和结构性；土的成因、组成和结构性；较深入了解土的较深入了解土的渗透定律、压实原理及流砂现象；渗透定律、压实原理及流砂现象；熟练熟练掌握无粘性土和粘性土的掌握无粘性土和粘性土的物理性质、三相指标物理性质、三相指标的基本的基本概概念、换算和试验方法；念、换算和试验方法；掌握土的掌握土的工程分类工程分类原则、土的类原则、土的类别与工程特性的关系。别与工程特性的关系。第二章 土的性质及工程分类