土力学笔记(清华大学出版社)

第一章:土的物理性质及工程分类土是三相体——固相（土颗粒）、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Cu≥10,，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：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；Cu5,均匀土；3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3，级配连续土；Cc3或Cc1,级配不连续土。4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良好的土；如果Cu5或Cc3或Cc1,级配不良的土。土粒的矿物成份——矿物分为原生矿物和次生矿物。原生矿物：岩浆在冷凝过程中形成的矿物（圆状、浑圆状、棱角状）次生矿物：原生矿物经化学风化后发生变化而形成。（针状、片状、扁平状）粗粒土：原岩直接破碎，基本上是原生矿物，其成份同生成它们的母岩。粘性土（细粒土）是由次生矿物组成，主要是粘土矿物。（粘土颗粒本身带负电）二、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三.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——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密度ρ：单位体积土的质量常见值：重力密度γ：单位体积土的重量常见值：土粒密度ρs：土中固体颗粒单位体积的质量土粒相对密度ds：土颗粒重量与同体积4°C时纯水的重量比。Vm)(Vgm3mNg3)22~16(mkNsssVm即：sssVWd3)2200~1600(mkg常见值：砂土——26.5～26.9粉土——27.0～27.1粘性土——27.2～27.4土的含水量ω：土中水的质量与固体颗粒质量的比值常见值：砂土——（0～4）％；粘性土——（20～60）％土的六个导出指标1、孔隙比e：土中孔隙体积与土颗粒体积之比常见值：砂土——0.5～1.0，e0.6时呈密实状态，为良好地基；粘性土——0.5～1.2，e1.0时，为软弱地基2、孔隙率n：土中孔隙体积与土总体积之比常见值：n=(30~50)%第三章饱和度sr：水在空隙中充满的程度vwrVVs常见值：0～1第四章干密度：土的固体颗粒质量与总体积之比Vmsd5、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：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——导出指标与基本指标的关系eVeVVmsssssd1)1(eVeVVVmwssswswss1)1()('eeVVmwswvs1sat1)1(101)1(1)1(1sswssssssswssssvdVmVmVVmmVVVVVe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，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；再加水充分湿润，它就具有一定的可塑性；水加的过多，就成了流塑状态的泥浆状。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，我们称其为界限含水量，分别称为液限、塑限和缩限。1.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Wp3.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10Ip17粉质粘土液性指数IL——粘性土的天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比，记为IL。稠度指标，反映粘性土的软、硬程度(%)100swmmsvVVe(%)100VVnv)(3mkgVVmmVVmwawswvssatgsatsatVVmwss'wsatwvwswvswvwswvsVVVVVmVVVVm)('ppLIWI即pLpL当天然含水量ω小于等于塑限Wp时，土体处于固态或者是半固态，此时IL小于或等于零；当天然含水量ω大于等于液限WL时，土体处于流塑状态，此时IL大于或等于1.0；当天然含水量在液限WL和塑限Wp之间变化时，IL值处于0～1.0之间，此时粘性土处于可塑状态。各类规范根据IL值的大小，将粘性土的软硬状态分为土坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑等几种状态。液、塑限的测定1.液限测定：国家标准：锥式液限仪。凭经验调好土样（调成土湖状），分层放入盛土碗内，用刀抹平盛土碗表面将锥顶角30°、重76g的圆锥体锥尖对准土样表面，松手后让其在自重作用下下沉，5s沉入土中深度恰好为10mm时，土样含水量即为液限WL。2.塑限Wp：搓条法。手工搓泥条，直径3mm，恰好在土条表面开始产生均匀裂纹时的含水量即为塑限。灵敏度——粘性土原状土强度与结构完全破坏的重塑土的相应强度的比值。灵敏度反映粘性土结构性的强弱。'uutqqSSt—粘性土的灵敏度。qu—原状土（粘性土）无侧限抗压强度。qu'—重塑土（粘性土）无侧限抗压强度；砂土的密实度——粘土颗粒间有粘聚力，呈团聚状态；砂土则不然，颗粒间基本上无联结，其颗粒排列的紧密程度直接决定了它的承载能力；砂土的密实程度决定了砂土的承载能力。孔隙比是反映土体密实程度的一个指标，但土体孔隙比的值与土的粒径组成有关。在某一固定粒度条件下，以最疏松状态制样可以达到其最大孔隙比emax，当振动、加压、捣实后可以获得最小孔隙比emin。砂土的相对密度Dr——天然状态下，其孔隙比设为e，则该砂土在天然状态下的密实程度可以用天然孔隙比在最大emax、最小孔隙比emin之间的相对位置来表示，即相对密度Dr：minmaxmaxeeeeDr当e=emax，Dr=0时；表示土体处于最疏松状态；当e=emin，Dr=1.0；表示土样处于最紧密状态。一般情况下，可以用相对密度Dr的值对砂土的密实程度进行划分：0Dr1/3松散；1/3Dr2/3中密；2/3Dr1.0密实。第二章：土的渗透特性和渗流问题土中水运动规律——土的渗透性。渗透：水透过土体孔隙的现象。渗透性：土允许水透过的性质称为土的渗透性。土石坝坝基坝身渗流、板桩围护下的基坑渗流、水井渗流、渠道渗流。达西定律——水在土中的渗透速度与土的水力梯度成正比v=k·i（水力梯度i，即沿渗流方向单位距离的水头损失）密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。达西定律适用于层流，不适用于紊流。1.常水头试验——整个试验过程中水头保持不变。适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。hAtQLkAtLhkkiAtvAtqtQ2.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=－a·dh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)(hhttAaLk3.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，1～2个观测孔，开始抽水！LI0坚硬0.25硬塑0.75可塑1.0软塑流塑Lhi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.π.r.h。Q=k.i.A.△t=k.(dh/dr).A.△t=k.(dh/dr).(2.π.r.h).△t4.水平渗流层状地基的等效渗透系数条件：LhiijjxxqqjHH等效渗透系数：HikHvqxxx，jjjjjjxHkiHikq即得：jjxHkHk1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21212hhrrdhhtkrdrQ)(ln212212hhtkrrQ122122ln)(rrhhtQkQ截面面积aAh1h2地面r12抽水量Q观测孔H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层H1H2H3HΔhk1k2k3xzv承压水Q3Q2Q1k1k2k3F1F2F3H1H2H3k1k2k3QF1F2F3h1h2h3H1H2H3四、竖直渗流层状地基的等效渗透系数条件：vvjjhhjHH等效渗透系数kz：vj=kj(Δhj/Hj)jjjkvHh因为zkvHh，jhh推出jjzkvHkvHjjzjjzkHHkkHHk116.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