土力学课件土的力学性质1

土的（击）压实性2.1.1击实试验2.1.2影响土击实性的因素2.1.3填土压实的质量控制土的力学性质1击实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实，以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性。击实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的：以最小的能量消耗获得最大的压实密度击实方法：室内击实试验：轻、重型击实仪现场试验:夯打、振动、碾压2.1击实试验2.1.1土的压（击）实性（原理）土的压（击）实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土体能够压实到某种密实程度的性质。土工建筑物，如土坝、土堤及道路填方是用土作为建筑材料填筑而成，为了保证填土有足够的强度，较小的压缩性和透水性。在施工中常常需要压密填料，以提高土的密实度和均匀性。填土的密实度常以其干密度来表示。在实验室内研究土的压（击）实性是通过击实试验进行的。2.1土的压（击）实原理－击实试验轻型：适用于粒径小于5毫米重型：适用于粒径小于20毫米3947Vcm击实筒2.5GKg击实锤30.5Hcm落距每层25下，分三层击实32104cmVKgG5.4cmH7.45每层56下，分5层击实2.1.1土的压实原理击实仪2.1.2影响击实效果的因素含水量的影响击实功能的影响土类和级配的影响含水率的影响当含水率较小时，土的干密度随着含水率的增加而增大，而当干密度增加到某一值后，含水率继续增加反而使干密度减小。干密度的这一最大值称为该击数下的最大干密度，此时对应的含水率称为最优含水率。2.1.2影响击实效果的因素2.1.2影响击实效果的因素击实功能1、土料的最大干密度和最优含水率不是常数。最大干密度随击数的增加而逐渐增大，最优含水率则逐渐减小。但是这种增大或减小的速率是递减的，因而光靠增加击实功能来提高土的干密度是有一定限度，更不经济。2、含水率较低时击实数的影响显著。当含水率较高时，含水率与干密度的关系曲线趋近于饱和线，也就是说，这时提高击实功能是无效的。填料的含水率过高和过低都是不利的，过高恶化土体的力学性质，过低则填土遇水后容易引起湿陷。土类和级配的影响：1.同样的含水率情况下，粘性土的粘粒含量越高或塑性指数越大，越难于压实；2.对于无粘性土，含水率对压实性的影响没有像粘性土那么敏感，其击实曲线与粘性土不同，在含水率较大时得到较高的干密度。因此在无粘性土的实际填筑中同时需要不断洒水使其在较高含水率下压实。无粘性土通常用相对密实度来控制，一般不进行击实试验；3.级配良好的土易于压实，反之则不易压实。2.1.2影响击实效果的因素a.粘性土存在最优含水量ωop，在填土施工中应该将土料的含水量控制在ωop左右，以期得到ρdmax。在ωop的干侧：常具有凝聚结构。土质比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密；但浸水时易产生附加沉降。在ωop的湿侧：常具有分散结构。土体可塑性大，适应变形的能力强；但强度较低。在设计土料时应根据填土的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量，一般要求为：%)3~2(opb.工程上常采用压实度λ控制（作为填方密度控制标准）%100maxd室内标准击实试验的填土的干密度Ⅰ、Ⅱ级土石坝λ95~98%Ⅲ~Ⅴ级土石坝λ92~95%2.1.3土的压实度2.1.4砂土液化液化：任何物质转化为液体的行为或过程。就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状态的转化是由于孔隙水压力增大和有效应力减小的过程。（美国土木工程协会岩土工程分部土动力学委员会）饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土骨架转向水，由于粉、细砂土的渗透性不良，孔隙水压力急剧上升。当达到总应力值时，有效正应力下降到0,颗粒悬浮在水中，砂土体即发生振动液化，完全丧失强度和承载能力。砂土发生液化后，在超孔隙水压力作用下，孔隙水自下向上运动。如果砂土层上部无渗透性更弱的盖层，地下水即大面积地漫溢于地表；如果砂土层上有渗透性更弱的粘性土覆盖，当超孔隙水压力超过盖层强度，则地下水携带砂粒冲破盖层或沿盖层已有裂缝喷出地表，即产生所谓的“喷水冒砂”现象。地基砂土液化可导致建筑物大量沉陷或不均匀沉陷，甚至倾倒，造成极大危害。地震、爆破、机械振动等均能引起砂土液化，其中尤以地震为广，危害最大。2.2土的渗透性水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。(a)(b)图不同渗流方向对土的影响(a)向下渗流时(b)向上渗流时2.2土的渗透性渗透：土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象称为水的渗透，而土被水流透过的性质，称为土的渗透性。由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢层流水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比==/qhvkkiALihLqvAkiA2.2.1土的渗透定理－达西定律v渗透速度（cm/s或m/s）；q渗流量（cm3/s后m3/s）；i水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次；h试样两端的水位差，即水头损失；L渗径长度；k渗透系数（cm/s或m/s,m/d）；A试样截面积（cm2或者m2）。2.2.1土的渗透定理－达西定律砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系，符合达西渗透定律。2.2.1土的渗透定理－达西定律对于密实的粘土，由于薄膜水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了薄膜水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度i00vkii2.2.1土的渗透定理－达西定律ivoi0在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用。2.2.1土的渗透定理－达西定律ivovcr(1)mvkim注意按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。实际上，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多。他们之间的关系为eevnvv100渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。常水头试验：适用于透水性强的无粘性土。变水头试验：适用于透水性弱的粘性土。2.2.2土的渗透系数常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变。用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量Q，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k/=/QvqAkhLAtQlkAht2.2.2土的渗透系数－常水头法粘性土，渗透系数小，流经水量少。2.2.2土的渗透系数－变水头法设玻璃管的内截面积为a，试验开始以后任一时刻t的水位差为Δh，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量hdQadthdQkAdl2.2.2土的渗透系数－变水头法hhadkAdtl1212ln()halkAtthhdQadhdQkAdtl2.2.2土的渗透系数－变水头法21t-tt2.2.2土的渗透系数－现场抽水试验2.2.2土的渗透系数－现场抽水试验221212πlnhkhhhQrhrhkkiAtQq2πdd212221lnπrrQkhh土的渗透系数参考值土类渗透系数k(cm/s)渗透性卵石、碎石、砾石10-1高渗透性砂10-3~10-1中渗透性粉土10-4~10-3低渗透性粉质粘土10-6~10-5极低渗透性粘土10-7几乎不透水2.2.3土渗透性的影响因素土的粒度成分及矿物成分结合水膜厚度土的结构构造水的粘滞度（水的温度）土中气体水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的力称为渗流力、动水压力。2.2.4渗流力与渗流稳定性分析－渗流力1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利；2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利；4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利。2.2.4渗流力与渗流稳定性分析－渗流力渗流力方向与渗透方向相同，大小取决于水力梯度。即ijw2.2.4渗流力与渗流稳定性分析－渗流力当渗流力和土的有效重度大小相同且方向相反时，土颗粒间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。这种现象称为流土，此时的水头梯度成为临界水头梯度icr。2.2.4渗流力与渗流稳定性分析－临界水头梯度satwsatcr当crwsatiijww逸出梯度与渗透稳定流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。criicriicrii土处于稳定状态土处于临界状态土处于流土状态岩土与地下工程研究所土力学与基础工程如图所示，土样受到渗流作用。已知土样高度为0.4m，土样的饱和容重为20kN/m3。(1)计算作用在土样上的动水压力及其方向；(2)若土样发生流沙现象，其水头差h应是多少？例题分析2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－渗流变形渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－渗流变形2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－流土2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－流土2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－管涌2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－管涌2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－管涌反滤倒渗2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－管涌的治理反滤围井2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－管涌的治理2.2.5渗流力与渗流稳定性分析－管涌的治理蓄水反压冻胀现象及其对工程的危害冻土：在冰冻季节因大气负温影响，使土中水分冻结成为冻土。季节性冻土：冬季冻结，夏季全部融化。隔年冻土：冬季冻结，一两年内不融化的冻土。多年冻土：冻结状态持续三年或三年以上。2.2.6土中水－土的冻胀性冻土现象：在冻土地区，随着冻结和融化会发生特殊的现象，称为冻土现象。冻胀现象：粘性土层在冻结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘，称为冻胀现象。冻融现象：土层解冻融化后，由于土中含水量增加，且地基细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，土层软化，强度大大降低，称为冻融现象。2.2.6土中水和气－土的冻胀性(1)冻胀机理：(2)影响因素：土的因素：粉砂、粉土、粉质亚砂土、粉质粘土显著，土粒较大或较小都不明显。水的因素：有无补给水源。温度的因素：气温下降速度，冻结不明显。但在持续负温作用下地下水位较高的处的粉砂、粉土、亚粘土、轻亚粘土等土层中具有较大的冻胀现象。2.2.6土中水和气－土的冻胀性