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1、工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性目目目目 录录录录 4.1 土的三相组成与结构 4.2 土的三相物理性质指标及换算 4.5 渗流的工程问题 4.3 土的物理状态 4.4 土的渗透性 4.6 地基土的工程分类工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土土 的的 形形 成成土土岩石岩石风化、搬运、沉积风化、搬运、沉积地质成岩作用地质成岩作用土的组成、结构土的组成、结构和物理力学性质和物理力学性质过程、条件过程、条件4.1土的三相组成与结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理
2、风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝缩而发生裂缝,或在运动过或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原矿物成分与母岩相同，称原生矿物生矿物产生无粘性土产生无粘性土工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性母岩表面和碎散的颗粒受环母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不
3、同，称次矿物成分与母岩不同，称次生矿物生矿物形成十分细微的土颗粒，最形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类主要为粘性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活动工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性包括植物、动物和土壤微包括植物、动物和土壤微生物的作用生物的作用可加剧物理和化学风化可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物构成土中有机质和营养物质的生物循环质的生物循环导致腐殖质的形成，改变导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土壤的结构土的形成与风化作用土的形成与风化作用 物理风化物理风化 化学风化化学风化 生物活动生物活
4、动工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土中气体土中气体 气相气相 次要作用次要作用固体颗粒固体颗粒 固相固相 构成土体骨架构成土体骨架 起决定作用起决定作用土中水土中水 液相液相 重要影响重要影响土体的三相构成土体的三相构成饱和土饱和土 ：土体孔隙完全被水充满：土体孔隙完全被水充满干干 土土 ：土体孔隙完全被气充满：土体孔隙完全被气充满非饱和土：孔隙中水和气均存在非饱和土：孔隙中水和气均存在工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性固体颗粒固体颗粒 -颗粒大小颗粒大小 粒组粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径界限粒径d(mm)砾
5、石砾石砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒粘粒胶粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗 中 细粗 中 细0.075粗粒粗粒细粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。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，也称粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒巨粒604.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性固体颗粒固体颗粒 -粒径级配粒径级配F 粒径级配：粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分各粒组的相对含量，用质量百分 数来表示数来
6、表示F 分析方法：分析方法：筛分法：适用于粗粒土筛分法：适用于粗粒土 孔径大小不同的筛子孔径大小不同的筛子 水分法：适用于细粒土水分法：适用于细粒土 常采用比重计法常采用比重计法F 表述方法表述方法:粒径级配累积曲线粒径级配累积曲线1.2 1.2 土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 固体颗粒固体颗粒 -粒径级配粒径级配孔径孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土土筛余筛余0101618242238721009080706050403020100小于
7、某粒径之土质量百分数小于某粒径之土质量百分数P P（）（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径(mm)(mm)P100958778665536土的粒径级配土的粒径级配累积曲线累积曲线水分法水分法粒径粒径(mm)(mm)0.050.050.010.010.0050.005百分数百分数P(%)P(%)262613.513.51010筛筛分分法法工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（）小于某粒径之土质量百分数（）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径粒径
8、(mm)(mm)土的粒径级配累积曲线土的粒径级配累积曲线固体颗粒固体颗粒 级配曲线级配曲线d60d50d10d30特征粒径特征粒径:斜率斜率:某粒径范围内颗某粒径范围内颗 粒的含量粒的含量 陡陡-相应粒组含量多相应粒组含量多 缓缓-相应粒组含量少相应粒组含量少 平台平台-相应粒组缺乏相应粒组缺乏d50:平均粒径平均粒径d60:控制粒径控制粒径d10:有效粒径有效粒径d304.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.14.1.1土的三相组成土的三相组成 固体颗粒固体颗粒 土的粗细度：土的粗细度：用用d50 表示表示土的不均
9、匀程度：土的不均匀程度：用不用不均匀系数：均匀系数：Cu=d60/d10 表示，表示，Cu 5，称为不均，称为不均匀土，反之称为均匀土匀土，反之称为均匀土连续程度连续程度:用曲率系数用曲率系数 Cc=d302/(d60 d10)度量度量,Cc=13为连续级为连续级配配,33或或13 或或 Cc1为级配不连续为级配不连续土土F 不均匀系数不均匀系数Cu和曲率系数和曲率系数Cc 用于判定土的用于判定土的级配优劣级配优劣：Cu 5且且 Cc=13为级配为级配 良好的土；如果良好的土；如果Cu3 或或Cc1g/cm3 冰点处于零下几十度冰点处于零下几十度 完全不能移动，具有固体的特性完全不能移动，具有
10、固体的特性 温度略高于温度略高于100C时可蒸发时可蒸发-弱结合水：弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜受电场引力作用，为粘滞水膜 外力作用下可以移动外力作用下可以移动 不因重力而流动，有粘滞性不因重力而流动，有粘滞性粘土粘土颗粒颗粒-+引力引力d水分子水分子阳离子阳离子强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水土中水土中水 结合水结合水n结合水：结合水：受颗粒表面电场作用力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，不能任意流动的水压力，不能任意流动的水工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.2 4.1.2 土的三相组成土的三相组
11、成 土中水土中水 -毛细水：毛细水：由于土体孔隙的毛细由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。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毛细水承受表面张力和重力的作用作用-重力水：重力水：自由水面以下的孔隙自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土自由水，在重力作用下可在土中自由流动中自由流动土中水土中水 自由水自由水n自由水：自由水：不受颗粒电场引不受颗粒电场引力作用的孔隙水力作用的孔隙水hc毛细水毛细水重力水重力水工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.1.34.1.3土的三相组成土的三相组成 土中气土中气 气相气相 -土中气土中气F自由气体：自由气体：与大气连通
12、连通的气体与大气连通连通的气体对土的性质影响不大对土的性质影响不大F封闭气体：封闭气体：被土颗粒和水封闭的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；其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性阻塞渗流通道，降低渗透性F溶解在水中的气体溶解在水中的气体F吸附于土颗粒表面的气体吸附于土颗粒表面的气体工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性原原状状土土和和重重塑土的强度塑土的强度沉沉积积或或碾碾压压土土的的各各向向异异性性土的结构土的结构土土的的结结构构是是指指土土粒粒的的原原位位集集合合体体特特征征，是是由由土土粒粒单单元元的的大大小小、形状、相互排列及其联结
13、关系等因素形成的综合特征。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土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。排列和相互联结。土体土体的性质的性质单粒结构单粒结构蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构 土的结构土的结构4.1.44.1.4土的三相组成土的三相组成 土的结构土的结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性F 粗粗颗颗粒粒土土在在水水中中或或空空气气中中下下沉沉而而成成的的，是是碎碎石石土土和和砂砂类类土土的的结构特征。结构特征。w 单粒结构单粒结构F 特点特点：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。F 粒粒间间作作用
14、用力力：重重力力起起决决定定性性的的作作用用。在在非非饱饱和和土土中中，还还受受到毛细力的作用。到毛细力的作用。F 排列形式排列形式：点与点、点与面：点与点、点与面工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性w 蜂窝结构蜂窝结构F 当当土土颗颗粒粒较较细细，在在水水中中单单个个下下沉沉，碰碰到到已已沉沉积积的的土土粒粒，由由于于土土粒粒之之间间的的分分子子吸吸力力大大于于颗颗粒粒自自重重，则则土土粒粒被被吸吸引引不不再再下下沉沉，逐逐渐渐形形成成土土粒粒链链，土土粒粒链链组组成成弓弓架架结结构构，形形成成很很大大孔孔隙隙的的蜂蜂窝窝状状结结构构。是是粉粒土的结构形式。粉粒土的结构形式。F 特
15、特点点：孔孔隙隙大大，高高水水平平荷荷载载作作用用下下，结结构构破破坏坏，易易导致严重的地基沉降。导致严重的地基沉降。工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性w 絮状结构絮状结构F 粒粒径径小小于于0.005mm0.005mm的的黏黏土土颗颗粒粒，在在水水中中长长期期悬悬浮浮并并在在水水中中运运动动时时，形形成成小小链链环环状状的的土土集集粒粒而而下下沉沉。这这种种小小链链环环碰碰到到另另一一小小链链环环被被吸吸引引，形形成成大大链链环状的絮状结构。环状的絮状结构。F 特特点点：不不稳稳定定的的，随随溶溶液液性性质质的的改变或受到震荡后可重新分散。改变或受到震荡后可重新分散。工程地质及土
16、力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.2土的三相物理性质指标及换算物理性质指标物理性质指标土的三个组成相的体积土的三个组成相的体积和质量上的比例关系和质量上的比例关系密实程度密实程度干湿程度干湿程度 特点特点:指标概念简单，数量很多指标概念简单，数量很多 要点：要点：名称、概念或定义、符号、表达式、名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别单位或量纲、常见值或范围、联系与区别 基本方法基本方法:定义定义三相草图法三相草图法工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.2.1土的三相物理性质指标空气空气 Air三三 相相 草草 图图水水 Water固体固体 Soli
17、dma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性三三 相相 草草 图图九个物理量九个物理量:V Vv Vs Va Vw ms m w ma m物性指标是比物性指标是比例关系例关系:可假设可假设任一参数为任一参数为1物理量关系物理量关系:空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积三个独立变量，三个独立变量，干土或饱和土二干土或饱和土二个独立变量个独立变量其它指标：其它指标：三相草图法计算三相草图法计算实验室实验室测定测定工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性基本物理性质试验基本物理性质试验为了确定三相草图诸
18、量中的三个量，通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：常进行三个基本的物理性质试验：F 土的密度试验土的密度试验F 土粒比重试验土粒比重试验F 土的含水量试验土的含水量试验工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性定义：土单位体积的质量定义：土单位体积的质量表达式：表达式：单单 位位:kg/m3 或或 g/cm3一般范围一般范围:1.602.20 g/cm3n 土的密度土的密度 空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积 相关指标相关指标:土的容重土的容重 =g 单位单位:kN/m3 工程上更常用工程上更常用,用于计算土的用于计算土的
19、自重应力自重应力基本试验指标基本试验指标-土的密度土的密度工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性定义：土粒的密度与定义：土粒的密度与4C时时纯蒸馏水密度的比值纯蒸馏水密度的比值表达式：表达式：单单 位位:无量纲无量纲一般范围：粘性土一般范围：粘性土 2.702.75，砂土砂土 2.65n 土粒比重土粒比重ds基本试验指标基本试验指标-土粒比重土粒比重=1.0 g/cm3土粒比重在数值上土粒比重在数值上等于土粒的密度等于土粒的密度空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性基本试验指标基本试验指标-含水量含水量 定
20、义：土中水的质量与土粒质定义：土中水的质量与土粒质 量之比，用百分数表示量之比，用百分数表示表达式：表达式：单单 位位:无量纲无量纲一般范围：变化范围大一般范围：变化范围大注意注意:其实是含水比其实是含水比,可达到或超过可达到或超过100100n 土的含水量土的含水量W空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性换算指标n 可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：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表示土中孔隙含量的指标砂类土：砂类土：28-35%粘性土：粘性土：30-50%，有的可达，有的可达
21、60-70%n孔隙比孔隙比e：土中孔隙体积与固土中孔隙体积与固体颗粒体积之比体颗粒体积之比,为无量纲为无量纲n孔隙率孔隙率(孔隙度孔隙度)n：土中孔隙体土中孔隙体积与总体积之比积与总体积之比,用百分数表示用百分数表示可用三相草图推出可用三相草图推出空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性表示土中含水程度的指标表示土中含水程度的指标对干土：对干土：Sr=0对饱和土：对饱和土：Sr=1 n饱和度：饱和度：土中水的体积与孔土中水的体积与孔隙体积的比值隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的饱和度表示孔隙中充满水的程度：程度：空
22、气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性表示土体密度和容重的指标表示土体密度和容重的指标n干密度：干密度：土被烘干时的密度，土被烘干时的密度，干容重：干容重：n天然密度天然密度 天然容重天然容重n饱和密度：饱和密度：土被饱和时的密度，土被饱和时的密度，饱和容重：饱和容重：n浮容重：浮容重：静水下的静水下的有效容重有效容重空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性各种密度容重间的大小关系各种密度容重间的大小关系n天然密度天然密度n干密度干密度n饱
23、和密度饱和密度n天然容重天然容重n干容重干容重n饱和容重饱和容重n浮容重浮容重空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性步骤步骤：首先绘出三相草图；首先绘出三相草图；明确所求指标的表达式或定义；明确所求指标的表达式或定义；作假设以减少未知量作假设以减少未知量，求解。，求解。4.2.2物理性质指标之间的换算空气空气水水固体固体ma=0mwmsm质量质量VaVwVsVvV体积体积工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性例如例如设：设：工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性推求推求工程地质及土力学 第四章 土的
24、物理性质及渗透性土的物理状态指标土的物理状态指标土的物理状态土的物理状态粗粒土的松密程度粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态粘性土的软硬状态土的物理性质指标土的物理性质指标(三相间的比例关系三相间的比例关系)表表示示影响影响力学特性力学特性密实度密实度稠度稠度4.3土的物理状态工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.3.1无粘性土的密实度粗粒土的密实状态粗粒土的密实状态n 密实度：密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便，但只能用于同一种简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响土，不能反映级配的影响 l 物理性质指标物理性质指标：孔隙比
25、：孔隙比e e（孔隙率（孔隙率n n）干容重干容重 d demin=0.35emin=0.20l 相对密实度相对密实度：e emaxmax与与e emin min：最大与最小孔隙比：最大与最小孔隙比工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性F最大孔隙比最大孔隙比e emaxmax:将松散的风干土样通过长颈漏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干密度再经换算得到最大孔隙比F最小孔隙比最小孔隙比emin:将松散的风干土样装入金属容将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密
26、度不再器内，按规定方法振动和锤击，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提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比孔隙比理论上的最大与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在室内的测定有时很困难粗粒土的最大与最小孔隙比粗粒土的最大与最小孔隙比工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性l 相对密度相对密度粗粒土的相对密度粗粒土的相对密度l粗粒土的密实粗粒土的密实度标准度标准 Dr=0 最松状态最松状态 Dr 1/3疏松状态疏松状态1/3 2/3密实状态密实状态 Dr=1最密状态最密状态l相对密度指标主要用于人工填土，对天然相对密度指标主要用于人工填土，对天
27、然砂土层采用砂土层采用原位标准贯入试验原位标准贯入试验法测定法测定工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性粗粒土的相对密度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动力触探的锤击数N63.5进行评定进行评定(GB50007-2002)密实度密实度按按N评定砂石密实度评定砂石密实度 按按N63.5评定碎石土密实度评定碎石土密实度 松散松散稍密稍密中密中密密实密实N10N63.5510N
28、155N63.51015N3010N63.520N30N63.520工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.3.2粘性土的物理特征n粘性土最主要的物理状态特征是它的粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度稠度，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抵抗能力稠度状态与含水量有关稠度状态与含水量有关粘性土粘性土含水量含水量较硬较硬变软变软流动流动粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性塑限塑限w wp p液限液限w wl l粘性土的稠度反映土中水的形态粘性土的稠度反映土中水的形态固态或固态或
29、半固态半固态可塑状态可塑状态 流动状态流动状态 强结合水强结合水弱结合水弱结合水自由水自由水w w土颗粒土颗粒强结合水强结合水弱结合水弱结合水土颗粒土颗粒强结合水强结合水土颗粒土颗粒自由水自由水弱结合水弱结合水强结合水强结合水强结合水膜最大强结合水膜最大出现相当数量自由水出现相当数量自由水粘性土的稠度状态粘性土的稠度状态稠度界限稠度界限稠度状态稠度状态含水量含水量土中水的形态土中水的形态示意图示意图工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性液性指数：液性指数：wpwwl IL 0 坚硬坚硬(半固态半固态)0IL 0.25硬塑硬塑0.25 IL 0.75可塑可塑 0.75 1流塑流塑土的稠度
30、状态土的稠度状态液性指数液性指数不同的粘土，不同的粘土，wp、wl 大小不同。对于不同大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同F液性指数液性指数是表征土的含水量与分界含水量之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。间相对关系的指标。对重塑土较为合适。工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性塑性指数塑性指数n 定义：定义：大体上表示土的大体上表示土的弱结合水含量弱结合水含量 反映吸附结合水的反映吸附结合水的能力能力，即粘性大小，即粘性大小 大致反映粘土颗粒含量大致反映粘土颗粒含量 常作为细粒土工程分类的依据常作为细粒土工程
31、分类的依据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：注：塑性指数由相应于塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为圆锥体沉入土样中深度为10mm测测定的液限计算而得定的液限计算而得 IP1710IP17粘性土按塑性指数分类粘性土按塑性指数分类工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.4土的渗透性土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动量
32、高的点向能量低的点流动F 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流工程中的渗流问题工程中的渗流问题防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.渗透破坏？渗透破坏？3.渗透力？渗透力？工程实例工程实例工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.渗透破坏渗透破坏？3.
33、渗水压力渗水压力？透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙工程实例工程实例工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性渗流问题：渗流问题：1.渗流量渗流量Q？2.降水深度？降水深度？透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q2.1 2.1 概述概述-渗流问题渗流问题工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.地下水影响地下水影响 范围？范围？渠道、河流渗流渠道、河流渗流原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑
34、坡渗流问题：渗流问题：1.渗透力？渗透力？2.入渗过程？入渗过程？事故实例事故实例工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性达西渗透试验达西渗透试验4.4.2达西定律LAh1h2QQ透水石1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验或：或：其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上：单位渗流长度上的水头损失的水头损失工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性q 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
35、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）工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性达西定律达西定律n达达西西定定律律：在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中，渗渗透透速速度度v与与水水力力坡坡降降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n渗渗透透系系数数k:反反映映土土的的透透水水性性能能的的比比例例系系数数，其其物物理理意意义义为为水力坡降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/dayn渗渗透透速速度度v：土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度，也也称称假假想想渗流速度渗流速度其中，其中，V V
36、s s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性达西定律的适用范围达西定律的适用范围n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判定律。可用雷诺数进行判断断 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2
37、.01.51.00.50水水力力坡坡降降流速流速(m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂h10dvRe=Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性达西定律的适用范围达西定律的适用范围在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆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，达石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：西定律不再适用，此时：ivoi0n 两种特例两种特例对致密的粘性土，存在起始水力对致密的粘性土，存在起始水力坡降坡降i i0 0？ivovcrii0,v=k(i-i0)工程地质及土力学
38、第四章 土的物理性质及渗透性渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验4.4.3渗透系数的测定及影响因素F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性室内试验方法室内试验方法-常水头试验法常水头试验法n 试验条件试验条件:h，A，L=constn 量测变量量测变量:体积体积Q，tn 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土i=h/LQ=qt=vAtv=kihL土样土样AVQ工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性室内试验
39、方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法n 试验条件试验条件:h变化变化 A，a，L=constn 量测变量量测变量:h，tn 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性土样土样At=t1t=t2h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内：入流量入流量：dVe=-adh 出流量：出流量：dVo=kiAdt=k(h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo-adh=k(h/L)Adthdhtt+dt室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变
40、水头试验法选择几组量测结果选择几组量测结果，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性n是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小的主要影响因素响因素n因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：来表示，如哈臣公式：土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素 工程地质及土力学 第四章
41、土的物理性质及渗透性n是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数与渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如：渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性n对粘性土，影响颗粒的表面力对粘性土，影响颗粒的表面力n不同粘土矿物之间渗透系数相差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极大，其渗透性大小的次序为高岭石岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石；当粘土；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，中含
42、有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低其渗透性将越低n塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的参数参数渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性n影响孔隙系统的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大对粘性土影响更大n在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平kk垂直垂直n在微观
43、结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性有更大的透水性渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k絮状结构絮状结构 分散结构分散结构渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性渗透系数的
44、影响因素 n水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数：温度温度，水粘滞性，水粘滞性，k n饱和度（含气量）：封闭气饱和度（含气量）：封闭气泡对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道的通道 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.5渗流的工程问题 渗透力渗透力-试验观察试验观察nh=0 h=0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。nh0 h0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力
45、，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：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的作用力，方向与渗流方向一致工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性4.5.1渗透力与临界水力梯度渗透力渗透力-试验观察试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j j：体积力：体积力渗渗透透力力j j：单单位位土土体体内内土土骨骨架架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力工程地
46、质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性截面积截面积A=1h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab渗透力渗透力-受力分析受力分析WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L n 土水整体受力分析土水整体受力分析-静水静水工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性渗透力渗透力-受力分析受力分析截面积截面积A=1WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L-w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析-渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器
47、贮水器a b工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性渗透力渗透力-受力分析受力分析R=L-w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析-对比对比h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤网支持力减少网支持力减少R=L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗透力：总渗透力：J=J=w w h hF 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=w h/L=wi工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性渗透力的性质渗透力
48、的性质F物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力F大小：大小：j=j=w wi iF方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致F作用对象：作用对象：土骨架土骨架工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性向上渗流存在时，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持力减少。力减少。当滤网支持力为零当滤网支持力为零时的水力坡降称为时的水力坡降称为临界水力临界水力坡降坡降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：流土破坏时的水力梯度：4.5.24.5.2临界水力梯度临界水力梯度渗透力渗透力-
49、受力分析受力分析渗透力渗透力-临界水力梯度临界水力梯度R=L-w h=0h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bicr=h/L=/w由于由于icr取决于土取决于土的物理性质的物理性质工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性基本类型基本类型 流土流土管涌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形成条件 防治措施防治措施 4.5.3渗流的工程问题渗流的工程问题工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性流砂或流土渗透变形渗透变形-流土流土n流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下
50、，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。力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏。流土现象比流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生较容易在粉细沙，粉土地层中发生，所以常称为流沙。，所以常称为流沙。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流F 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性地震引起的砂土液化地震引起的砂土液化工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性发生