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1、土土 力力 学学(第第2 2版版)电子课件电子课件 主要内容主要内容第第1 1章章 土的物理性质土的物理性质第第3 3章章 地基中的应力地基中的应力第第5 5章章 土的抗剪强度土的抗剪强度第第7 7章章 土坡稳定性土坡稳定性第第2 2章章 土的渗透性土的渗透性第第4 4章章 土的压缩性土的压缩性第第6 6章章 地基承载力地基承载力第第8 8章章 土压力和挡土墙土压力和挡土墙第第1章章 土的物理性土的物理性质质和工程分和工程分类类1.4 1.4 土的物理性质三相土的物理性质三相比例指标的测定及计算比例指标的测定及计算1.1 1.1 土的生成土的生成1.2 1.2 土的三相组成土的三相组成1.3
2、1.3 土的结构、构造土的结构、构造1.5 1.5 无粘性土的特性无粘性土的特性1.7 1.7 粘性土水粘性土水-土系统土系统的工程特性的工程特性1.8 1.8 土的工程分类土的工程分类1.6 1.6 粘性土及粉土粘性土及粉土的特性的特性 1.1 1.1 土的生成（一）土的生成（一）土的生成（一）土的生成（一）1.1.1 岩石风化的产物及成土作用岩石风化的产物及成土作用 自然界的岩石岩石岩石岩石不断经历着物理、化学和生物风化作用风化作用风化作用风化作用等，形成各种风化产物，又经搬运、沉积等作用形成土。土。土。土。岩石岩石漫长地质年代、内外力漫长地质年代、内外力地质作用、沉积、变质地质作用、沉积
3、、变质风化、剥蚀、搬运、沉积环境风化、剥蚀、搬运、沉积环境成土作用成土作用成土作用成土作用土土 1.1 1.1 土的生成（二）土的生成（二）土的生成（二）土的生成（二）1.1.2 陆相沉积陆相沉积1.残积层2.坡积层3.洪积层,泥石流,冰川堆积物4.河流冲积层5.湖积层6.风积层1.1.3 海相沉积海相沉积1.滨海及泻湖沉积2.浅海沉积3.深海沉积 1.1.2 2 土的三相组成（一）土的三相组成（一）土的三相组成（一）土的三相组成（一）Vs、Vw、Va 分别为固体、水、气体部分的体积；Vv=Vw+Va，Vv 为土中孔隙的体积；V=Vs+Vv，V 为土样的总体积；ms、mw、ma 分别为固体、水
4、、气体部分的质量，ma可以忽略；m=ms+mw，m 为土样的总质量。土颗粒液 体气 体孔孔 隙隙土颗粒 1.1.2 2 土的三相组成（二）土的三相组成（二）土的三相组成（二）土的三相组成（二）1.2.1 土中的固体颗粒土中的固体颗粒粒度粒度粒度粒度：土颗粒的大小；粒径粒径粒径粒径：土颗粒当量小球体的直径；粒组粒组粒组粒组：按粒径大小把粒径相近、工程性质相近土颗粒划分为若干组；粒径级配曲线粒径级配曲线粒径级配曲线粒径级配曲线：表达颗粒分析结果的曲线；有效粒径有效粒径有效粒径有效粒径：d10连续粒径连续粒径连续粒径连续粒径：d30控制粒径控制粒径控制粒径控制粒径：d60颗粒级配不均匀系数颗粒级配不
5、均匀系数颗粒级配不均匀系数颗粒级配不均匀系数：表示曲线的斜率，Cu=d60/d10；曲线的曲率系数曲线的曲率系数曲线的曲率系数曲线的曲率系数：表示曲线的连续性状况，Cc=d302/(d10 d60)。定量表示粒径级配曲线的特征及工程意义定量表示粒径级配曲线的特征及工程意义；1.1.2 2 土的三相组成（三）土的三相组成（三）土的三相组成（三）土的三相组成（三）当Cu10且Cc=13：级级级级配良好的土配良好的土配良好的土配良好的土；若不能同时满足上述两个条件：级级级级配不良的土配不良的土配不良的土配不良的土。Cu=166.7Cc=2.96Cu=2.25Cc=0.84Cu=18.0Cc=0.88
6、 粒径级配曲粒径级配曲粒径级配曲粒径级配曲线线线线 1.1.2 2 土的三相组成（四）土的三相组成（四）土的三相组成（四）土的三相组成（四）土粒的矿物化学成分土粒的矿物化学成分土粒的矿物化学成分土粒的矿物化学成分原生矿物原生矿物原生矿物原生矿物：岩石风化后化学成分未变化、化学性质稳定的矿物；次生矿物次生矿物次生矿物次生矿物：经反复风化和搬运，化学成分和性质变化形成的新矿物；有机质有机质有机质有机质：生物遗骸及其分解物，形成有机质土、泥炭等；可溶可溶可溶可溶、难溶难溶难溶难溶及不溶不溶不溶不溶盐类，各种化合物及多种微量元素各种化合物及多种微量元素各种化合物及多种微量元素各种化合物及多种微量元素。
7、粘土矿物对粘性土的工程影响粘土矿物对粘性土的工程影响粘土矿物对粘性土的工程影响粘土矿物对粘性土的工程影响颗粒极细，比表面积极大颗粒极细，比表面积极大颗粒极细，比表面积极大颗粒极细，比表面积极大：可衡量土粒间连接的牢固程度；吸附能力极强吸附能力极强吸附能力极强吸附能力极强：具有很强的离子吸附及交换作用；粘土矿物颗粒的带电性粘土矿物颗粒的带电性粘土矿物颗粒的带电性粘土矿物颗粒的带电性。1.1.2 2 土的三相组成（五）土的三相组成（五）土的三相组成（五）土的三相组成（五）1.2.2 土中的水土中的水矿物结晶水或化学结合水矿物结晶水或化学结合水矿物结晶水或化学结合水矿物结晶水或化学结合水 通常在高温
8、或长期加热下发生变化，不包括在土的含水量计算中。结合（吸附）水结合（吸附）水结合（吸附）水结合（吸附）水 强结合水：吸附紧贴在土颗粒表面的水膜固定层，厚度15nm；弱结合水：强结合水膜外圈的水膜扩散层，厚度10100nm。自由水自由水自由水自由水 毛细水：存在于地下水位以上土颗粒间孔隙中的水，有溶解作用；重力水：地下水位以下的液态水，受重力规律支配，有浮力作用。1.1.2 2 土的三相组成（六）土的三相组成（六）土的三相组成（六）土的三相组成（六）1.2.3 土中的气体土中的气体自由气体自由气体自由气体自由气体 与外界大气相通，当土层受荷载作用压缩时，易使之逸出。封闭气泡封闭气泡封闭气泡封闭气
9、泡 粒径较细的土中，与大气隔绝，受荷载作用时，会被压缩或溶解，压缩性增加，透水性减小，使土体不易压实。有毒性气体、可燃性气体有毒性气体、可燃性气体有毒性气体、可燃性气体有毒性气体、可燃性气体 造成地质灾害。1.3 1.3 土的结构、构造（一）土的结构、构造（一）土的结构、构造（一）土的结构、构造（一）1.3.1 土粒结构土粒结构 单粒结构单粒结构单粒结构单粒结构较粗颗粒的土，如砾石、砂粒等 蜂窝状结构蜂窝状结构蜂窝状结构蜂窝状结构较细颗粒的土，如粉粒等絮凝状结构絮凝状结构絮凝状结构絮凝状结构微小的黏粒、胶体颗粒 1.3 1.3 土的结构、构造（二）土的结构、构造（二）土的结构、构造（二）土的结
10、构、构造（二）1.3.2 土体构造土体构造土体中各组成部分之间的排列、分布及外貌特征，如土层的层理及裂隙等宏观特征。反映了土的成因、土形成时的地质环境、气候特征及土层形成后的演变结果等。土体构造土体构造土体构造土体构造层状构造层状构造层状构造层状构造裂隙状构造裂隙状构造裂隙状构造裂隙状构造分散状构造分散状构造分散状构造分散状构造结核状构造结核状构造结核状构造结核状构造 1.4 1.4 土的物理性质三相比例指标的测定及计算（一）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（一）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（一）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（一）1.4.1 常用物理性质指标的定义及应用常用
11、物理性质指标的定义及应用 1.基本指标基本指标土粒相对密度土粒相对密度土粒相对密度土粒相对密度 ds=ms/mw=s/w，mw为4C时同体积水的质量土的天然含水量土的天然含水量土的天然含水量土的天然含水量 w=mw/ms (%)土的天然密度土的天然密度土的天然密度土的天然密度 =m/V (g/cm3)环刀法环刀法实验室测定：相对密度瓶法实验室测定：相对密度瓶法烘干法烘干法实测指标实测指标实测指标实测指标 1.4 1.4 土的物理性质三相比例指标的测定及计算（二）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（二）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（二）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（二）2.换算
12、指标换算指标孔隙比孔隙比孔隙比孔隙比 e=Vv/Vs孔隙率孔隙率孔隙率孔隙率 n=Vv/V(%)饱和度饱和度饱和度饱和度 Sr=Vw/Vv(%)干密度干密度干密度干密度、干重度干重度干重度干重度 d=ms/V (g/cm3)、d=d g (kN/m3)饱和密度饱和密度饱和密度饱和密度、饱和重度饱和重度饱和重度饱和重度 sat=(ms+Vv w)/V (g/cm3)、sat=sat g (kN/m3)有效密度有效密度有效密度有效密度、有效重度有效重度有效重度有效重度 =(ms-Vs w)/V (g/cm3)、=g (kN/m3)假设则 1.4 1.4 土的物理性质三相比例指标的测定及计算（三）土
13、的物理性质三相比例指标的测定及计算（三）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（三）土的物理性质三相比例指标的测定及计算（三）推导各指标间的关系推导各指标间的关系推导各指标间的关系推导各指标间的关系于是根据定义式就便可推出各个指标间的换算式。例如例如例如例如在进行某地基勘察时，取一原状土样，由试验测得：土的天然密度=1.8g/cm3，土粒相对密度ds=2.70，土的天然含水量w=18.0%，试求其余六个指标。解：例题例题例题例题1 1 例题例题例题例题2 2某原状土样的总体积V=140cm3，湿土质量m=258g，干土质量ms=208g，土粒的相对密度ds=2.68，求土样的密度、重度、干密度、
14、干重度、含水量、孔隙比及饱和重度。解：某填土工程，土料的e=0.95，Sr=37%，ds=2.72，若孔隙比不变，使其达到w=18%，问：1)每1m3土中需要加水多少？2)每1000kg土中需要加水多少？解：如图分析：如图分析：e不变，且不变，且ms和和Vs不变，就是孔隙体积不变；总体积不变。不变，就是孔隙体积不变；总体积不变。假定加水前土的含水量为假定加水前土的含水量为w1，则：，则：加水后加水后(w2=18%)e=Vv/Vs=0.95填土材料填土材料加水前加水前(w1=12.9%)ms,Vsmw1,Vve=Vv/Vs=0.95ms,Vsmw2,Vv 例题例题例题例题3 31 1 1 1）每
15、）每）每）每1 1 1 1m m m m3 3 3 3土中需要加水土中需要加水土中需要加水土中需要加水2 2 2 2）每）每）每）每1000kg1000kg1000kg1000kg土中需要加水土中需要加水土中需要加水土中需要加水 1.5 1.5 无粘性土的特性无粘性土的特性无粘性土的特性无粘性土的特性（一）一）一）一）1.5.1 孔隙比孔隙比优点优点优点优点：简便简便简便简便缺点缺点缺点缺点：不能全面地考虑土颗粒的级配影响土颗粒的级配影响土颗粒的级配影响土颗粒的级配影响。土的名称分类密实度密实中密稍密松散砾,粗,中砂e 0.60.6 e 0.750.750.85细粉砂e 3015 N 3010
16、 N 15N 10 1.1.6 6 粘性土及粉土的特性（一）粘性土及粉土的特性（一）粘性土及粉土的特性（一）粘性土及粉土的特性（一）1.6.1 粘性土粘性的来源粘性土粘性的来源原始内聚力原始内聚力原始内聚力原始内聚力：物质分子间及微粒间的微观力所构成的凝聚力；固化内聚力固化内聚力固化内聚力固化内聚力：土体内含有的矿物质和化学物质产生的胶结固化作用。1.6.2 含水状态特征及界限含水量的测定含水状态特征及界限含水量的测定w ws sw wp pw wL L半固体半固体半固体半固体坚硬,含少量弱结合水可塑态可塑态可塑态可塑态含少量自由水结合水固体固体固体固体含有强结合水流动态流动态流动态流动态含大
17、量自由水缩限缩限缩限缩限塑限塑限塑限塑限液限液限液限液限 1.1.6 6 粘性土及粉土的特性（二）粘性土及粉土的特性（二）粘性土及粉土的特性（二）粘性土及粉土的特性（二）常用的界限含水量液限wL和塑限wp测定液限液限液限液限 ：液限仪：锥式（图a）、碟式（图b、c）塑限塑限塑限塑限 ：搓条法液限塑限联合测定仪液限塑限联合测定仪液限塑限联合测定仪液限塑限联合测定仪：1.6.3 两个重要指标及其工程应用1 1、塑性指数、塑性指数、塑性指数、塑性指数 Ip越大土的可塑性范围越大。对黏性土分类：2 2、液性指数、液性指数、液性指数、液性指数 表示粘性土含水软硬状态。稠度指数稠度指数稠度指数稠度指数 I
18、c 越大，土体越稠、越硬。软硬状态坚硬硬塑可塑软塑流动液性指数IL 00 IL 0.250.25 IL 0.750.75 1.0黏性土的软硬状态分类 1.1.6 6 粘性土及粉土的特性（三）粘性土及粉土的特性（三）粘性土及粉土的特性（三）粘性土及粉土的特性（三）黏土黏土黏土黏土；粉质黏土粉质黏土粉质黏土粉质黏土1.6.4 黏性土的活动度、灵敏度及触变性活动度活动度活动度活动度 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度触变性触变性触变性触变性 1.1.6 6 粘性土及粉土的特性（四）粘性土及粉土的特性（四）粘性土及粉土的特性（四）粘性土及粉土的特性（四）不活动黏土不活动黏土不活动黏土不活动黏土一般黏土一般黏土一
19、般黏土一般黏土活动黏土活动黏土活动黏土活动黏土强活动黏土强活动黏土强活动黏土强活动黏土不灵敏不灵敏不灵敏不灵敏低灵敏低灵敏低灵敏低灵敏中等灵敏中等灵敏中等灵敏中等灵敏灵敏灵敏灵敏灵敏高灵敏高灵敏高灵敏高灵敏流动流动流动流动1.7.1 粘性土的夯粘性土的夯(压压)实性实性 击实试验击实试验击实试验击实试验 以干密度和含水率关系作出击实曲线。击实曲线峰值点峰值点峰值点峰值点对应纵坐标为最大干密度最大干密度最大干密度最大干密度，横坐标为最优含水率最优含水率最优含水率最优含水率(量量量量)。1.1.7 7 粘性土水粘性土水粘性土水粘性土水-土系统的工程特性（一）土系统的工程特性（一）土系统的工程特性（
20、一）土系统的工程特性（一）饱和度最大干密度最大干密度最优含水率最优含水率1.7.2 粘性土的收缩、膨胀、崩解粘性土的收缩、膨胀、崩解收缩收缩收缩收缩：由于含水量的蒸发而引起土体积缩小的现象。土的收缩值和矿物成分有关。膨胀膨胀膨胀膨胀：土体中粘粒、胶粒含量越多，膨胀性越显著。如蒙脱土吸水膨胀显著，失水收缩也显著。崩解崩解崩解崩解：土在胀缩过程中由于应力不均匀、土粒间距超过引力作用范围，土体就出现崩解现象。1.7.3 粘性土土质改良粘性土土质改良 1.7.4 粘土中的降、排水粘土中的降、排水 1.7.5 冻结过程中水分的迁移和积聚冻结过程中水分的迁移和积聚 1.1.7 7 粘性土水粘性土水粘性土水
21、粘性土水-土系统的工程特性（二）土系统的工程特性（二）土系统的工程特性（二）土系统的工程特性（二）常用土的分类有：碎石、砾石类土碎石、砾石类土碎石、砾石类土碎石、砾石类土；砂类土砂类土砂类土砂类土；粉土粉土粉土粉土；粘性土粘性土粘性土粘性土；特殊土（湿陷性黄土、软黏土、膨胀土、盐渍土、冻土等等）特殊土（湿陷性黄土、软黏土、膨胀土、盐渍土、冻土等等）特殊土（湿陷性黄土、软黏土、膨胀土、盐渍土、冻土等等）特殊土（湿陷性黄土、软黏土、膨胀土、盐渍土、冻土等等）。1.8 1.8 土的工程分类土的工程分类土的工程分类土的工程分类可参见现行有关对土分类的标准、规范（规程），如：国家标准土的工程分类标准（G
22、B/T 501452007）；建设部建筑地基基础设计规范（GB 500072002）；建设部岩土工程勘察规范（GB 500212001）；交通部公路土工试验规程（JTGE402007）；水利部土工试验规程（SL 2371999）。第第2章章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流2.1 2.1 土的渗透性及举例土的渗透性及举例2.2.2 2 土的水理性质土的水理性质2.3 2.3 地下水的地下水的运动方式和判别运动方式和判别2.4 2.4 达西定律达西定律及其适用范围及其适用范围2.5 2.5 渗透系数渗透系数2.6 2.6 二维渗流二维渗流及流网应用及流网应用2.7 2.7 渗流力、流沙渗流力、流
23、沙和潜蚀的危害及防治和潜蚀的危害及防治2.8 2.8 渗流情况下的渗流情况下的有效应力和孔隙水压力有效应力和孔隙水压力 2.1 2.1 土的渗透性及土的渗透性及土的渗透性及土的渗透性及举举举举例例例例渗透渗透渗透渗透：在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。渗透性渗透性渗透性渗透性：土具有被水透过的性质。主要内容主要内容水在土体中的渗透规律渗透规律渗透规律渗透规律渗透过程中土体的变形土体的变形土体的变形土体的变形在渗流作用下的有效应力有效应力有效应力有效应力和孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力 2.2 2.2 土的水理性土的水理性土的水理性土的水理性质质质质（一）（一）（一）（一）2.2.
24、1 土的毛细水性质土的毛细水性质毛细现象毛细现象毛细现象毛细现象 土中水在表面张力作用下沿着细小孔隙向上或其它方向移动的现象。工程影响工程影响工程影响工程影响 路基冻害、地下室潮湿、沼泽化和盐渍化等。毛细水最大上升高度毛细水最大上升高度毛细水最大上升高度毛细水最大上升高度 理论理论理论理论：hmax=4/dw 汉森经验公式汉森经验公式汉森经验公式汉森经验公式：hc=C/e d10毛细压力毛细压力毛细压力毛细压力（毛细粘聚力）在土粒接触面上由于空气和水分界面产生的表面张力。2.2 2.2 土的水理性土的水理性土的水理性土的水理性质质质质（二）（二）（二）（二）2.2.2 土的冻胀融陷特性土的冻胀
25、融陷特性冻胀冻胀冻胀冻胀：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，土层中形成冰夹层，土体发生隆起。融陷融陷融陷融陷：土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷。冻融对工程影响冻融对工程影响冻融对工程影响冻融对工程影响 路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝、折断，房屋、桥梁、涵管下沉或不均匀沉降等。影响冻胀的因素影响冻胀的因素影响冻胀的因素影响冻胀的因素土土土土：毛细水现象严重的细粒土，如：粉砂、粉土、粉质黏土。水水水水：冻结区附近地下水位较高，分有开敞型、封闭型冻胀。温度温度温度温度：气温缓慢下降，持续时间较长。2.3 2.3 地下水的运地下水的运地下水的运地下水的运动
26、动动动方式和判方式和判方式和判方式和判别别别别（一）（一）（一）（一）2.3.1 地下水运动的基本方式地下水运动的基本方式按地下水的流线形态按地下水的流线形态按地下水的流线形态按地下水的流线形态 层流层流：流线互相平行、水流平稳、流速均匀 湍流湍流（紊流）：流线不规则、旋涡按水流特征随时间的变化状况按水流特征随时间的变化状况按水流特征随时间的变化状况按水流特征随时间的变化状况 稳定流运动 非稳定流运动按水流在空间上的分布状况按水流在空间上的分布状况按水流在空间上的分布状况按水流在空间上的分布状况 一维、二维、三维流动 2.3 2.3 地下水的运地下水的运地下水的运地下水的运动动动动方式和判方式
27、和判方式和判方式和判别别别别（二）（二）（二）（二）2.3.2 地下水运动方式的判别地下水运动方式的判别 临界雷诺数临界雷诺数临界雷诺数临界雷诺数 ReRe 定义：运动流体的惯性力惯性力惯性力惯性力和粘滞力粘滞力粘滞力粘滞力的比值（无量纲）。作用：划分层流层流层流层流和紊流紊流紊流紊流的定量界限。圆管中水的流动明渠中水的流动水流夹带泥沙在土的孔隙中水的流动 2.4 2.4 达西定律（一）达西定律（一）达西定律（一）达西定律（一）达西定律达西定律达西定律达西定律 层流渗透定律（H.Darcy，1856）公式：量纲：v为渗透速度渗透速度渗透速度渗透速度，q为流量流量流量流量，k为渗透系数渗透系数渗
28、透系数渗透系数，i为水头梯度水头梯度水头梯度水头梯度渗透速度定义：单位时间单位时间单位时间单位时间内流过单位土截面积单位土截面积单位土截面积单位土截面积的水量。渗流装置示意渗流装置示意渗流装置示意渗流装置示意图图图图 2.4 2.4 达西定律（二）达西定律（二）达西定律（二）达西定律（二）砂土砂土砂土砂土渗透速度符合达西定律：渗透速度符合达西定律：粘性土粘性土粘性土粘性土渗透速度应考虑起始水头梯度：渗透速度应考虑起始水头梯度：砾石、卵石砾石、卵石砾石、卵石砾石、卵石的粗颗粒，采用经验公式。的粗颗粒，采用经验公式。2.5 2.5 渗透系数的渗透系数的渗透系数的渗透系数的测测测测定（一）定（一）定
29、（一）定（一）2.5.1 渗透系数渗透系数 k 的测定的测定常水头法适用：透水性强无粘性土适用：透水性强无粘性土适用：透水性强无粘性土适用：透水性强无粘性土 常水头试验装置示意常水头试验装置示意常水头试验装置示意常水头试验装置示意图图图图 适用：透水性弱的粘性土适用：透水性弱的粘性土适用：透水性弱的粘性土适用：透水性弱的粘性土 2.5 2.5 渗透系数的渗透系数的渗透系数的渗透系数的测测测测定（二）定（二）定（二）定（二）变水头法达西定律达西定律 变水头试验装置示意变水头试验装置示意变水头试验装置示意变水头试验装置示意图图图图a 2.5 2.5 渗透系数的渗透系数的渗透系数的渗透系数的测测测测
30、定（三）定（三）定（三）定（三）2.5.2 成层土的渗透系数成层土的渗透系数与土层面平行平行平行平行时的平均渗流系数平均渗流系数平均渗流系数平均渗流系数 成层土渗流示意图成层土渗流示意图成层土渗流示意图成层土渗流示意图达西达西定律定律 2.5 2.5 渗透系数的渗透系数的渗透系数的渗透系数的测测测测定（四）定（四）定（四）定（四）与土层面垂直垂直垂直垂直时的平均渗流系数平均渗流系数平均渗流系数平均渗流系数 成层土渗流示意图成层土渗流示意图成层土渗流示意图成层土渗流示意图 2.5 2.5 渗透系数的渗透系数的渗透系数的渗透系数的测测测测定（五）定（五）定（五）定（五）2.5.3 影响土渗透性的因
31、素影响土渗透性的因素砂性土砂性土砂性土砂性土：颗粒大小、级配、密度、封闭气泡 粘性土粘性土粘性土粘性土：矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造级配越不好级配越不好颗粒越均匀颗粒越均匀渗透性越好渗透性越好级配越好级配越好颗粒越不均匀颗粒越不均匀渗透性越不好渗透性越不好粘粒越多粘粒越多渗透性越不好渗透性越不好 2.6 2.6 二二二二维维维维渗流及流网渗流及流网渗流及流网渗流及流网应应应应用（一）用（一）用（一）用（一）2.6.1 流网的概念流网的概念迹迹迹迹 线线线线：同一水质点在不同时刻位置点的连线。流流流流 线线线线：在渗流方向上，同一时刻不同水质点的连线形成的曲线，在该曲线上所有各质点的瞬时
32、流速矢量都和该曲线相切。在稳定流稳定流稳定流稳定流的情况下，迹线迹线迹线迹线和流线流线流线流线重合。等势线等势线等势线等势线：流线上势能相等的点的连线。流流流流 网网网网：一组流线和一组等势线交织的正交网格。2.6 2.6 二二二二维维维维渗流及流网渗流及流网渗流及流网渗流及流网应应应应用（二）用（二）用（二）用（二）如果取相邻两条流线之间通过的流量相等，相邻两条等势线之间的势能差值相等：流线疏密程度流线疏密程度流线疏密程度流线疏密程度 反映出地下水径流的强度不同，流线越密径流强度越大等势线疏密程度等势线疏密程度等势线疏密程度等势线疏密程度 反映出水力梯度的变化率，等势线越密水力梯度越大 2.
33、6 2.6 二二二二维维维维渗流及流网渗流及流网渗流及流网渗流及流网应应应应用（三）用（三）用（三）用（三）稳定流条件下，均匀且各向同性介质中的渗流：稳定流条件下，均匀且各向同性介质中的渗流：渗流场：可以用拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程来描述流 线：可以用流函数流函数流函数流函数 来描述 流函数流函数流函数流函数满足拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程等势线：可以用势函数势函数 来描述 势函数势函数势函数势函数满足拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程 2.6 2.6 二二二二维维维维渗流及流网渗流及流网渗流及流网渗流及流网应应应应用（四）用（四）用（四
34、）用（四）2.6.2 流网作图的特点流网作图的特点首先要弄清渗流场的边界条件边界条件边界条件边界条件流网中的流线流线流线流线和等势线正交等势线正交等势线正交等势线正交，近似成直角直角直角直角作流网图时，使相邻两条流线之间通过的流量相等流量相等流量相等流量相等，相邻两条等势线之间的势能差值相等势能差值相等势能差值相等势能差值相等流网图流网图流网图流网图的最终完成只能是逐步逐步逐步逐步做成的 2.6 2.6 二二二二维维维维渗流及流网渗流及流网渗流及流网渗流及流网应应应应用（五）用（五）用（五）用（五）2.6.3 流网图的应用流网图的应用以一个例子来说明其应用情况，有关尺寸如图：1、求图中A点的孔
35、隙水压力孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力u uA A2、求渗流水量渗流水量渗流水量渗流水量沿图中纵向取单位长度1m单位时间内流量：qv=vF=kiF=khnf b/(nda)其中水力坡降：i=h/a=h/(nda)，过水断面：F=nf b1式中，nd为沿着流线势能降低的阶数，nf为沿着等势线流带的划分数，本例中流网图近似为正方形网格，即：a=b；nd=8，nf=4则：qv=1.010-4m3/s势能水头差：h=P1-P2=2.0m 相邻等势线间的水头差为0.25m故PA=5.875mA点总势能水头：PA=uA/w+zA其中zA=3.5m为位置水头则：UA=(PA-zA)w=23.75kPa 2.
36、2.7 7 渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜蚀蚀蚀蚀的危害及防治（一）的危害及防治（一）的危害及防治（一）的危害及防治（一）2.7.1 渗流压力渗流压力渗流时水对土颗粒骨架的压力即动水压力动水压力动水压力动水压力GGd d(KN/m3)水所受到土的颗粒骨架的阻力阻力阻力阻力T T T=-Gd大小大小大小大小：T=w i (KN/m3)方向方向方向方向：自上而下、自下而上、水平作用作用作用作用：冲刷作用、影响土体渗流稳定性对水柱体BA受力分析：前提：水头差(H1-H2)；长度 L；截面积F 忽略渗流水惯性力。B截面水压力：fB=wh1F A截面水压力：fA=wh2
37、F 水流自重：wLF 土的颗粒骨架对水的阻力T根据力的极限平衡，水柱BA上各力的平衡关系式wh1F+wLFcos-wh2F-TFL=0消去公因子F，并把 cos （z1z2）/L代入，整理有 wh1+w(z1-z2)-wh2-TL=0 w(z1-z2)+(h1-h2)TL=0由于 z1h1=H1，z2h2=H2 i=(H1-H2)/L=(z1-z2)+(h1-h2)/L 整理得到 T w i即动水压力 Gd w i动水压力Gd方向和渗流方向一致T T（G Gd d ）公式的推导：）公式的推导：）公式的推导：）公式的推导：wh2Fwh1FwLFcosTLFwLF 2.2.7 7 渗流力、流沙和潜
38、渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜蚀蚀蚀蚀的危害及防治（二）的危害及防治（二）的危害及防治（二）的危害及防治（二）2.7.2 流沙流沙 流沙现象流沙现象流沙现象流沙现象在水下单位体积土的有效重力为：当土粒所受的动水压力等于或大于土的有效重力土颗粒间的有效接触力为零，土粒呈悬浮状态，并随渗流水一起流动上涌，表土层变得象液体一样，完全失去抗剪强度，地层遭到破坏。产生流沙 2.2.7 7 渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜蚀蚀蚀蚀的危害及防治（三）的危害及防治（三）的危害及防治（三）的危害及防治（三）流沙形成的条件水动力条件水动力条件水动力条件水动力条件
39、产生流沙临界状态：流沙临界水力梯度：颗粒级配颗粒级配颗粒级配颗粒级配 不均匀系数Cu10，孔隙率n较大，细粒填料（d2mm）大于3035%，土质疏松、透水快，易发生流沙。2.2.7 7 渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜渗流力、流沙和潜蚀蚀蚀蚀的危害及防治（四）的危害及防治（四）的危害及防治（四）的危害及防治（四）流沙的防治流沙的防治施工上采取特殊处理：冻结法施工、打钢板桩、设防渗墙降低水力梯度(i=h/L)：降低水头差h，延长渗流路径对于基坑底面下有相对不透水层，其下有承压水时，应满足承压水以上土的总重量大于承压水的水压力：填堵，抛填粗填料砂土砂土粘性土粘性土Hw 有一粘土层位
40、于两砂层之间，其中砂层的湿重度有一粘土层位于两砂层之间，其中砂层的湿重度r=17.6kN/m3，饱和重度，饱和重度rsat=19.6kN/m3，粘土层的饱和重度，粘土层的饱和重度rsat=20.6kN/m3，土层厚度如图所示。，土层厚度如图所示。地下水保持在地面以下地下水保持在地面以下1.5m处，若下层砂中有承压水，其测压管水位高处，若下层砂中有承压水，其测压管水位高出地面出地面3m。若粘土层发生流沙，则下层砂中的承压水引起的测压管水位若粘土层发生流沙，则下层砂中的承压水引起的测压管水位应当高出地面多少米？应当高出地面多少米？解：设测压管水位高出地面 x m，则砂土层上界面b以上：总静水压力总
41、静水压力总静水压力总静水压力 总重量总重量总重量总重量令静水压力=总重量，得 x=5.76m当高出地面5.76m时将发生流沙。例题例题例题例题1 1 方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡3m3m1.5m1.5m砂土层砂土层粘土层粘土层砂土层砂土层地地地地 面面面面地下水位地下水位地下水位地下水位ab 例题例题例题例题1 1解：设测压管水位高出地面x m，则砂土层上界面b 以上：总渗流压力总渗流压力总渗流压力总渗流压力其中，为渗流压力作用的长度总有效重量总有效重量总有效重量
42、总有效重量令渗流压力=有效重量，得 x=5.76m当高出地面5.76m时将发生流沙。方法二：判断渗流压力与有效重量之间的平衡方法二：判断渗流压力与有效重量之间的平衡方法二：判断渗流压力与有效重量之间的平衡方法二：判断渗流压力与有效重量之间的平衡 2.2.7 7 渗流力、潜渗流力、潜渗流力、潜渗流力、潜蚀蚀蚀蚀和流沙的危害及防治（五）和流沙的危害及防治（五）和流沙的危害及防治（五）和流沙的危害及防治（五）2.7.3 潜蚀潜蚀概念概念概念概念：在渗流下，地下水对岩土矿物、化学成分产生溶蚀后，水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中带走的现象，也称管涌。前者为化学潜蚀化学潜蚀化学潜蚀化学潜蚀；后者为机械潜蚀
43、机械潜蚀机械潜蚀机械潜蚀潜蚀形成的条件潜蚀形成的条件潜蚀形成的条件潜蚀形成的条件：1）水动力条件：i i i1-2处不会发生流沙 从图中直接量出9、10、11、12的平均渗流长度L=5.0m，两流线间的平均距离b=4.4m，其上渗流力Gd=wibL=34.5kN/m本电子课件中部分未列入的章节可作为选学内容。各个学校可根据学时情况作适当的调整。第第3章章 地基中的地基中的应应力力3.1 概述3.3 有效应力原理3.5 地基中的附加应力 3.7 刚性基础的倾斜3.2 地基中的自重应力 3.4 基底压力计算3.6 平面问题条件下的附加应力 3.8 几个问题的讨论 3.1 3.1 概述（一）概述（一
44、）概述（一）概述（一）3.1.1 3.1.1 研究土中应力的目的研究土中应力的目的研究土中应力的目的研究土中应力的目的 建筑物地基的土体在上部荷载的作用下会发生变形，使建筑物发生沉降沉降、倾斜倾斜和水平位移水平位移等破坏，过大的变形会影响建筑物的安全和正常使用，因此有必要了解和掌握土体中应力土体中应力的分布规律和计算方法。自重应力自重应力：由土体本身有效重量产生的应力，通常认为变形已经稳定；附加应力附加应力：由于外荷在地基内部引起的应力，是使地基失稳和产生变形的主要原因。土中一点三维应力状态的六个独立分量土中一点三维应力状态的六个独立分量土中一点三维应力状态的六个独立分量土中一点三维应力状态的
45、六个独立分量 3.1 3.1 概述（二）概述（二）概述（二）概述（二）3.1.2 土中的土中的应应力状力状态态 计算地基应力时，将地基看作具有水平界面、深度和广度都无限大的半空半空半空半空间间间间无限体无限体无限体无限体。三三三三维应维应维应维应力状力状力状力状态态态态、平面应变状态、侧限应力状态 ()材料力学材料力学材料力学材料力学 ()土力学土力学土力学土力学 3.1 3.1 概述（三）概述（三）概述（三）概述（三）应力的方向应力的方向应力的方向应力的方向（土力学）法向应力法向应力法向应力法向应力以压压应力为正正，拉拉应力为负负；切向应力切向应力切向应力切向应力以表面外法线与坐标轴方向一致
46、的截面为基准面，与坐标轴方向相反与坐标轴方向相反为正正或以使截面外法线顺时针顺时针方向转为正正。3.2.1 3.2.1 竖向自重应力竖向自重应力竖向自重应力竖向自重应力 均质土层均质土层均质土层均质土层 成层土层成层土层成层土层成层土层:土的天然重度，kN/m3 h:计算应力点以上土层厚度，m hi:i 层土的厚度，m n:计算深度范围内土层数i:第i层土的的天然重度，kN/m3，地下地下水位以下应取水位以下应取浮重度浮重度浮重度浮重度i isat-w 3.2 3.2 地基中的自重地基中的自重地基中的自重地基中的自重应应应应力（一）力（一）力（一）力（一）对位于地下水位以下有不透水层不透水层不
47、透水层不透水层，该层上的有效自重应力为上部水和土的总重。右图中 3.2 3.2 地基中的自重地基中的自重地基中的自重地基中的自重应应应应力（二）力（二）力（二）力（二）1z1+2 satz2 不透不透不透不透水层水层水层水层 3.2.2 水平自重应力水平自重应力 根据虎克定律 土的泊松比0土的侧压力(静止土压力)系数侧限条件侧限条件侧限条件侧限条件 3.2 3.2 地基中的自重地基中的自重地基中的自重地基中的自重应应应应力（三）力（三）力（三）力（三）土中两种应力试验土中两种应力试验土中两种应力试验土中两种应力试验 3.3 3.3 有效应力原理（一）有效应力原理（一）有效应力原理（一）有效应力
48、原理（一）3.2.1 土中两种应力试验土中两种应力试验 有效应力有效应力有效应力有效应力 由钢球施加的应力，通过土体骨架传递的应力为有效应力有效应力有效应力有效应力，只有这种应力才使得土体变形，强度改变。孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力 由水施加的应力通过孔隙水来传递，即孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力，这种应力不会使土体发生压缩变形。3.3.2 有效应力原理有效应力原理 土体在外力作用下处于平衡，沿a-a截面取脱离体，土颗粒接触面的法向应力s，s土颗粒接触面积之和，u孔隙水压力，Aw孔隙水横截面积，u a孔隙气压力，Aa空气截面积 根据平衡条件根据平衡条件根据平衡条件根据平衡
49、条件：A=ss+u Aw+u aAa对于饱和土体饱和土体饱和土体饱和土体：Aa则A=ss+u Aw式中，作用于截面上的总应力。变换得：=ssA+u(A As)A 或 =ssA+u(As)有效应力原理示意图有效应力原理示意图有效应力原理示意图有效应力原理示意图1=+u有效应力原理有效应力原理有效应力原理有效应力原理 3.3 3.3 有效应力原理（二）有效应力原理（二）有效应力原理（二）有效应力原理（二）3.3.3 3.3.3 有效应力原理应用举例有效应力原理应用举例有效应力原理应用举例有效应力原理应用举例C点水平面上点水平面上竖向竖向总应力总应力总应力总应力：=h1+sat h2孔隙水压力孔隙水
50、压力孔隙水压力孔隙水压力：u=w h2有效应力有效应力有效应力有效应力：uh1+h2 3.3 3.3 有效应力原理（三）有效应力原理（三）有效应力原理（三）有效应力原理（三）静水条件下各应力的分布静水条件下各应力的分布静水条件下各应力的分布静水条件下各应力的分布 毛细水上升时土中有效自重应力的变化毛细水上升时土中有效自重应力的变化毛细水上升时土中有效自重应力的变化毛细水上升时土中有效自重应力的变化 毛细水上升区由于表面张力表面张力表面张力表面张力的作用使孔隙水压力为负孔隙水压力为负孔隙水压力为负孔隙水压力为负值值值值，u=whc使有效应力增加有效应力增加有效应力增加有效应力增加。在地下水位以下