土的物理性质及渗透性（新版） 课件.pptx

《土的物理性质及渗透性（新版） 课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土的物理性质及渗透性（新版） 课件.pptx（92页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,第四章 土的物理性质及渗透性,土 的 形 成,土,岩石,风化、搬运、沉积,地质成岩作用,土的组成、结构和物理力学性质,过程、条件,4.1土的三相组成与结构,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土,母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,包括植物、

2、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构,土的形成与风化作用,物理风化 化学风化 生物活动,土中气体 气相 次要作用,固体颗粒 固相 构成土体骨架 起决定作用,土中水 液相 重要影响,土体的三相构成,固体颗粒-颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,d(mm),砾石,砂粒,粉粒,粘粒,胶粒,60,2,0.075,0.005,0.002,0.25,0.5,5,20,粗,中,细,粗,中,细,0.075,粗粒,细粒,粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也

3、称粘性土。,巨粒,60,4.1.1土的三相组成 固体颗粒,固体颗粒-粒径级配,粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示 分析方法：筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土 常采用比重计法 表述方法:粒径级配累积曲线,1.2 土的三相组成 固体颗粒,4.1.1土的三相组成 固体颗粒,固体颗粒-粒径级配,孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075),200g土,筛余010161824223872,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P100958778665536,土的粒径级配累积曲线,水分法,筛分法,固体颗粒 级配曲线,d60,d50,d1

4、0,d30,特征粒径:,斜率:某粒径范围内颗 粒的含量 陡-相应粒组含量多 缓-相应粒组含量少 平台-相应粒组缺乏,d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30,4.1.1土的三相组成 固体颗粒,4.1.1土的三相组成 固体颗粒,土的粗细度：用d50 表示土的不均匀程度：用不均匀系数：Cu=d60/d10 表示，Cu 5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:用曲率系数 Cc=d302/(d60 d10)度量,Cc=13为连续级配,3或1为不连续级配,固体颗粒 级配曲线,小于某粒径之土质量百分数（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,d60,d50,d10,d30,小于某粒径之土质

5、量百分数（）,粒径(mm),土的粒径级配累积曲线,d60,d10,d30,缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，Cc,Cc=13,级配连续,曲率系数举例,4.1.1土的三相组成 固体颗粒,4.1.1土的三相组成 固体颗粒,粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu 5为不均匀土；Cu 5为 均匀土 曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=13为级配连续土；Cc3 或 Cc3 或Cc1为 级配 不良的土,粒径级配曲线和指标的应用,4.1.2土的三相组成 土中水,土 中 水,结晶水 矿物内部的水 结合水 吸附在土颗粒表面的水 自由水 电场引力作用范围之外的水 土中冰 由自由水冻成，

6、冻胀融沉 水蒸气 存在孔隙空气中,4.1.2 土的三相组成 土中水,-强结合水：排列致密，密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性 温度略高于100C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性,粘土颗粒,引力,d,水分子,阳离子,强结合水,弱结合水,自由水,土中水 结合水,结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水,4.1.2 土的三相组成 土中水,毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在

7、土中自由流动,土中水 自由水,自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水,hc,毛细水,重力水,4.1.3土的三相组成 土中气,气相-土中气,自由气体：与大气连通连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体,原状土和重塑土的强度沉积或碾压土的各向异性,土的结构是指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。,土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。,单粒结构,蜂窝结构,絮状结构,土的结构,4.1.4土的三相组成 土的结构,粗颗粒土在水中或空气中下沉而

8、成的，是碎石土和砂类土的结构特征。,单粒结构,特点：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。,粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用。,排列形式：点与点、点与面,蜂窝结构,当土颗粒较细，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则土粒被吸引不再下沉，逐渐形成土粒链，土粒链组成弓架结构，形成很大孔隙的蜂窝状结构。是粉粒土的结构形式。,特点：孔隙大，高水平荷载作用下，结构破坏，易导致严重的地基沉降。,絮状结构,粒径小于0.005mm的黏土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环

9、状的絮状结构。,特点：不稳定的，随溶液性质的改变或受到震荡后可重新分散。,4.2土的三相物理性质指标及换算,物理性质指标,土的三个组成相的体积和质量上的比例关系,密实程度干湿程度,特点:指标概念简单，数量很多 要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 基本方法:,定义,三相草图法,4.2.1土的三相物理性质指标,三 相 草 图,三 相 草 图,三个独立变量，干土或饱和土二个独立变量,其它指标：三相草图法计算,实验室测定,基本物理性质试验,为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验 土粒比重试验 土的含水量试验,定义：土单位体积

10、的质量表达式：单 位:kg/m3 或 g/cm3一般范围:1.602.20 g/cm3,土的密度,基本试验指标-土的密度,定义：土粒的密度与4C时纯蒸馏水密度的比值表达式：单 位:无量纲一般范围：粘性土 2.702.75，砂土 2.65,土粒比重ds,基本试验指标-土粒比重,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,基本试验指标-含水量,定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示表达式：单 位:无量纲一般范围：变化范围大,注意:其实是含水比,可达到或超过100,土的含水量W,换算指标,可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：,表示土中孔隙含量的指标,砂类土：28-35%粘性土

11、：30-50%，有的可达60-70%,孔隙比e：土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,为无量纲,孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示,可用三相草图推出,表示土中含水程度的指标,对干土：Sr=0对饱和土：Sr=1,饱和度：土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度：,表示土体密度和容重的指标,干密度：土被烘干时的密度，干容重：,天然密度 天然容重,饱和密度：土被饱和时的密度，饱和容重：,浮容重：,静水下的有效容重,各种密度容重间的大小关系,天然密度干密度饱和密度,天然容重干容重饱和容重浮容重,步骤：首先绘出三相草图；明确所求指标的表达式或定义；作假设以减少未知量，

12、求解。,4.2.2物理性质指标之间的换算,例如,设：,推求,土的物理状态指标,土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态,土的物理性质指标(三相间的比例关系),表示,4.3土的物理状态,4.3.1无粘性土的密实度,粗粒土的密实状态,密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少,简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响,物理性质指标：孔隙比e（孔隙率n）干容重d,相对密实度：,emax与emin：最大与最小孔隙比,最大孔隙比emax:将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比最小孔隙比emin:将松散的风干土样装入金属容器内，按规定

13、方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比,理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难,粗粒土的最大与最小孔隙比,相对密度,粗粒土的相对密度,相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位标准贯入试验法测定,粗粒土的相对密度,依据现场试验结构确定土的密实度,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002),4.3.2粘性土的物理特征,粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力,稠度状态与含水量有关,

14、粘性土,含水量,较硬,变软,流动,粘性土的稠度状态,塑限wp,液限wl,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态或半固态,可塑状态,流动状态,强结合水,弱结合水,自由水,w,强结合水膜最大,出现相当数量自由水,粘性土的稠度状态,液性指数：,IL0 坚硬(半固态)01流塑,土的稠度状态液性指数,不同的粘土，wp、wl 大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同,液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。,塑性指数,定义：,大体上表示土的弱结合水含量,反映吸附结合水的能力，即粘性大小 大致反映粘土颗粒含量 常作为细粒土工程分类的依据,粘性土按塑性指数分类,4.4土

15、的渗透性,土体中的渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动,水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,工程中的渗流问题,防渗体,坝体,渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,2.1 概述-渗流问题,渗流问题：1

16、.渗流量？2.地下水影响 范围？,渠道、河流渗流,原地下水位,渗流时地下水位,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？,事故实例,达西渗透试验,4.4.2达西定律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,达西定律：土中水的渗透速度v与水头梯度i成正比。,v=k i Q/A,式中：v渗流速度（m/s);k渗透系数（m/s);i水头梯度，即沿水流方向单位长度上的水头差。,土的层流渗透定律（达西定律）,达西定律,达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性

17、质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,达西定律的适用范围,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：,Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区,达西定律的适用范围,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,两种特例,对

18、致密的粘性土，存在起始水力坡降i0？,ii0,v=k(i-i0),渗透系数的测定方法,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,4.4.3渗透系数的测定及影响因素,室内试验方法 野外试验方法,室内试验方法-常水头试验法,试验条件:h，A，L=const 量测变量:体积Q，t,适用土类：透水性较大的砂性土,室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量:h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,土样,A,L,Q,水头测管,开关,a,在tt+dt时段内：,室内试验方法-变水头试验法,是土中孔隙直径大小的主要影响因素因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故

19、土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,对粘性土，影响颗粒的表面力不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿

20、物成分结构,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,4.5渗流的工程问题,渗透力-试验观察,h=0 静水中

21、，土骨架会受到浮力作用。h0 水在流动时，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。,渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致,4.5.1渗透力与临界水力梯度,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j：体积力,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,渗透力-受力分析,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh2,R=?,R+P2=W+P1,R+wh2=L(+w)+whw,R=L,土水整体受力分析-静水,渗透力-受力分析,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh1,R=?,R+P2=W+P1,R+wh1=L

22、(+w)+whw,R=L-wh,土水整体受力分析-渗流,渗透力-受力分析,R=L-wh,土水整体受力分析-对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,R=L,减少的部分由谁承担？,总渗透力：J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j=J/V=wh/L=wi,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：,4.5.2临界水力梯度,渗透力-受力分

23、析,渗透力-临界水力梯度,R=L-wh=0,icr=h/L=/w,基本类型,流土,管涌,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏,形成条件,防治措施,4.5.3渗流的工程问题,流砂或流土,渗透变形-流土,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏。流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生，所以常称为流沙。,渗流,地震引起的砂土液化,发生流沙的条件当竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）时，土体就处于流土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流砂现象。以濒临渗

24、透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度。,Gd,Gd,渗流压力,浮重度,2.潜蚀,在渗流情况下，地下水对岩土的矿物、化学成分产生溶蚀、滤液后这些成分被带走以及水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中直接带走，这种作用叫潜蚀。潜蚀是岩土体内部的水土流失，在渗流出口处表现为管状涌水并带出细小颗粒，所以潜蚀也称管涌。,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,千里之堤，溃于蚁穴,潜蚀的防治,渗透变形 潜蚀（管涌）,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,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

25、贯通的管道,渗流,过程演示,1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,Fs:安全系数1.52.0,i:允许坡降,i icr:土体处于稳定状态,i=icr:土体处于临界状态,i icr:土体发生流土破坏,工程设计：,流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件,管涌可能性的判别,

26、渗透变形的防治措施,减小i：上游延长渗径 下游减小水压增大i：下游增加透水 盖重,改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降,防治流土,防治管涌,4.6地基土的工程分类,土的组成土的状态土的结构,建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法,水利部SL237-1999分类法,土的工程分类,目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标 要求：要有一定的逻辑性、系统性，纲目分明，简单易记，便于运用,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,土,建筑场地基基础规范GB50007-2011,颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，

27、坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,土,建筑场地基基础规范GB50007-2011,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土,注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定,土的名称 粒组含量,粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%,砾砂粗砂中砂细砂粉砂,粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%,建筑场地基基础规范GB50007-2011,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,砂土,粒径大于2mm的颗粒

28、含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定,岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土,土,粉土粘性土,粘性土：塑性指数Ip10的土,粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土,建筑场地基基础规范GB50007-2011,人工填土：由于人类活动而堆积的土，其物质成分杂乱，均匀性较差。（1）素填土：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土。（2）杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料和生活垃圾等杂物的填土。（3）冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。（4）压实填土：素填土分层填筑，经过人工或机械压实后形成的。,水利部SL237-1999分类法,土颗粒组成及其特性 塑性指标：液限、塑限、塑性指数 有机质含量,土的分类,巨粒土和含巨粒土 粗粒土：砾类土、砂类土 细粒土：根据塑性图分类 特殊土：黄土、膨胀土、红粘土,分类依据：,The end！,