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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。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)%Vm=ρ)(Vgm3mNg⋅=⋅=ργ3)22~16(mkN=γsssVm=ρ即:sssVWd⋅=ωγ3)2200~1600(mkg=ρ(%)100×=swmmω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=ρ5、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''ργ=指标间的换算——导出指标与基本指标的关系eVeVVmsssssd+=+==1)1(ρρρeVeVVVmwssswswss+−=+−=−=1)1()('ρρρρρρeeVVmwswvs++=+=1satρρρρ1)1(101)1(1)1(1−+=−+=−+=−⋅+=−+=−==γωγωργρωρρωρsswssssssswssssvdVmVmVVmmVVVVVe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ppLIWI−=ω即pLpL−−=ω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。svVVe=(%)100×=VVnv)(3mkgVVmmVVmwawswvssatρρρ++=+=gsatsatργ=VVmwssρρ−='wsatwvwswvswvwswvsVVVVVmVVVVmρρρρρρρρρ−=+−+=−−+=)('LI0坚硬0.25硬塑0.75可塑1.0软塑流塑液、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!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∑=1Lhi=∫∫⋅⋅∆⋅⋅⋅=⋅21212hhrrdhhtkrdrQπ)(ln212212hhtkrrQ−⋅∆⋅⋅=⋅π122122ln)(rrhhtQk⋅−⋅∆⋅=π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∑∑=⇒=⇒jjzjjzkHHkkHHk11Q截面面积aAh1h2地面r12抽水量Q观测孔H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层H1H2H3HΔhk1k2k3xzv承压水Q3Q2Q1k1k2k3F1F2F3H1H2H3k1k2k3QF1F2F3h1h2h3H1H2H36.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,各层土的水头梯度均相同
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