土力学教材(Word版)Word格式文档下载.doc
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粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。
流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限wL;
可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限wp;
半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限ws。
塑限wp是用搓条法测定的。
把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条,在缓慢的、单方向的搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发,如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段,则此时的含水量即为塑限wp。
详细的试验操作步骤请查阅滚搓法塑限试验的内容
液限wL可采用平衡锥式液限仪测定。
平衡锥重为76g,锥角为30º
。
试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏,当15s内正好沉入深度10mm时的含水量即为液限wL。
采用平衡锥式液限仪单独测定液限的试验过程可观看试验过程演示。
目前在液限与塑限的测定中还有根据平衡圆锥沉入深度与液限、塑限的对应关系而采取的液限塑限联合测定法,其试验操作步骤请查阅液限塑限联合测定法的内容。
3.塑性指数与液性指数
(1)塑性指数
可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。
可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量,从液限到塑限含水量的变化范围愈大,土的可塑性愈好。
这个范围称为塑性指数Ip:
(1-12)
塑性指数习惯上用不带%的数值表示。
塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一,它综合地反映了粘土的物质组成,广泛应用于土的分类和评价。
(2)液性指数
液性指数IL是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标,其表达式为:
(1-13)
可塑状态的土的液性指数在0到l之间,液性指数越大,表示土越软;
液性指数大于1的土处于流动状态;
小于0的土则处于固体状态或半固体状态。
粘性土的状态可根据液性指数IL分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑,见表1-1所示。
表1-3按塑性指数值确定粘性土状态
IL值
IL≤0
0<
IL≤0.25
0.25<
IL≤0.75
0.75<
IL≤1.0
1.0<
IL
状态
坚硬
硬塑
可塑
软塑
流塑
【例题1-2】已知粘性土的密度gs=27.5g/cm3,液限为40%,塑限为22%,饱和度为0.98,孔隙比为1.15,试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。
【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为18,土的含水量及液性指数可由下式求得
IL>l,故此粘性土为流塑状态。
五、砂土的密实度
1.砂土密实度的工程意义
砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。
密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性,是良好的建筑物地基;
但松散的砂土,尤其是饱和的松散砂土,不仅强度低,且水稳定性很差,容易产生流砂、液化等工程事故。
对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。
2.砂土的相对密实度
砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比,而在很大程度上还取决于土的级配情况。
粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比,但由于颗粒大小不同,颗粒排列不同,所处的密实状态也会不同。
为了同时考虑孔隙比和级配的影响,引入砂土相对密实度的概念。
当砂土处于最密实状态时,其孔隙比称为最小孔隙比;
而砂土处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比。
有关试验标准中规定了一定的方法测定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比,然后可按下式计算砂土的相对密实度:
(1-14)
从上式可以看出,当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时,相对密实度Dr接近于1,表明砂土接近于最密实的状态;
而当天然孔隙比接近于最大孔隙比时则表明砂土处于最松散的状态,其相对密实度接近于0。
根据砂土的相对密实度可以按表1-4将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。
表1-4砂土密实度划分标准
密实度
密实
中密
松散
相对密度
1.0~0.67
0.67~0.33
0.33~0
六、土的压实原理
土体能够通过振动、夯实和碾压等方法调整土粒排列,进而增加密实度的性质称为土的压实性。
1.土的压实与含水量的关系
土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。
在低含水量时,水被土颗粒吸附在土粒表面,土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱,土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。
在高含水量时,土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团,削弱了土颗粒间的联结,使土粒润滑而变得易于移动,夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象,失去夯击效果。
土的干密度rd是反映土的密实度的重要指标,它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有关。
将同一种土配置成不同含水量的土样后进行室内击实试验,可以获得如图1-4所示的含水量w与干密度rd之间的关系曲线,称作击实曲线。
图1-4土的击实曲线
2.最优含水量和最大干密度
图1-4的击实曲线表明,存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值,产生最好的击实效果。
将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量(或最佳含水量),用wop表示。
在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度,用gdmax表示。
土的最优含水量wop通常采用室内标准击实试验确定,若采用土的塑限值含水量wp间接确定,一般可取wop=wp+2。
七、土的工程分类
1.土的工程分类原则
土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去,其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性,或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。
通常对建筑地基可分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土五大类。
2.土的工程分类方法
(1)岩石的分类
岩石(基岩)是指颗粒间牢固联结,形成整体或具有节理、裂隙的岩体。
它作为建筑场地和建筑地基可按下列原则分类:
1)按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。
2)根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度q分为硬质岩石(q≥30MPa)和软质岩石(q<
30MPa)。
3)根据风化程度分为微风化、中等风化和强风化。
4)按软化系数KR分为软化岩石和不软化岩石。
KR为饱和状态与风干状态的岩石单轴极限抗压强度之比,KR<0.75为软化岩石,KR>0.75为不软化岩石。
(2)碎石土
碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土,按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾,具体划分见表1-5。
表1-5碎石土的分类(GBJ7-89)
土的名称
颗粒形状
粒组含量
漂石
圆形及亚圆形为主
粒径大于200mm的颗粒超过全重50%
块石
棱角形为主
卵石
粒径大于20mm的颗粒超过全重50%
碎石
圆砾
粒径大于2mm的颗粒超过全重50%
角砾
碎石土的密实度一般用定性的方法由野外描述确定,卵石的密实度可按超重型动力触探的锤击数划分。
(3)砂土
砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量的50%的土。
砂土可再划分为5个亚类,即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂,具体划分见表1-6。
表1-6砂土的分类(GBJ7-89)
砾砂
粒径大于2mm的颗粒超过全重25%~50%
粗砂
粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50%
中砂
粒径大于0.25mm的颗粒超过全重50%
细砂
粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85%
粉砂
粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%
(4)粉土
粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%,且塑性指数Ip小于或等于10的土。
粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类,它具有砂土和粘性土的某些特征,根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。
(5)粘性土
粘性土是指塑性指数大于10的土。
根据塑性指数大小,粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类,当10<
Ip≤17时为粉质粘土,当Ip>
17时为粘土。
具体的分类方法可参阅例题1-3。
【例题1-3】
完全饱和的土样含水量为30%,液限为29%,塑限为17%,试按塑性指数分类法定名,并确定其状态。
【解】求塑性指数IP:
求液性指数IL:
根据定名标准该土样应为粉质粘土,其状态为流塑状态。
本章主要讨论了土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法,包括土的三相组成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。
这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识,也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。
序号
问题
参考解答
1
何谓土粒粒组?
土粒六大粒组划分标准是什么?
各规范规定为何有差异?
2
在土的三相比例指标中,哪些指标是直接测定的?
其余指标的导出思路主要是什么?
3
塑性指数的定义和物理意义是什么?
Ip大小与土颗粒的粗细有何关系?
Ip大的土具有哪些特点?
4
砂土的密实度如何判别?
不同指标如何使用?
5
在土类定名时,无粘性土与粘性土各主要依据什么指标?
您想测试一下自己对本章基本概念的掌握程度吗?
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学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法,具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
学习基本要求
1.掌握土的渗透定律
2.掌握二维渗流及流网绘制
2.掌握土中渗流量计算
4.掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析
参考学习进度
内
容
学时A(36学时制)
学时B(54学时制)
渗透基本理论
2.0
3.0
流网及其工程应用
1.0
1.5
土中渗透作用力与渗透变形
合
计
4.0
6.0
主要基础知识
土的三相比例指标计算、流体力学初步
一、工程背景
在许多实际工程中都会遇到渗流问题。
如水利工程中的土坝和闸基、建筑物基础施工中开挖的基坑等。
图2-1(a)是水利工程中常见的闸基,在上游水位压力差的作用下,水将从上游河底进入闸基的地基,沿地基土中的孔隙渗向下游,再从下游河床逸出。
图2-1(b)为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构,在开挖基坑的过程中,通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水位而形成水头差,地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。
在这些渗流问题中,通常都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定性。
当渗流的流速较大时,水流拖曳土体的渗透力将增大。
渗透力的增大将导致土体发生渗透变形,并可能危及建筑物或周围设施的安全。
因此,在工程设计与施工中,应正确分析可能出现的渗流情况,必要时采取合理的防渗技术措施。
图2-1(a)闸基渗流模拟
图2-1(b)基坑渗流模拟
二、渗透理论
1.渗透的定义
存在于地基中的地下水,在一定的压力差作用下,将透过土中孔隙发生流动,这种现象称为渗流或渗透。
2.渗透模型
实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙,由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂,导致渗流水质点的运动轨迹很不规则,如图2-2(a)所示。
考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况,可以对渗流作出如下二方面的简化:
一是不考虑渗流路径的迂回曲折,只分析它的主要流向;
二是不考虑土体中颗粒的影响,认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流,称之为渗流模型,如图2-2(b)所示。
为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致,它还应该符合以下要求:
(1)在同一过水断面,渗流模型的流量等于真实渗流的流量;
(2)在任意截面上,渗流模型的压力与真实渗流的压力相等;
(3)在相同体积内,渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。
图2-2(a)水在土孔隙中的运动
图2-2(b)渗流模型
3.达西(Dracy)渗透定律
(1)达西渗透实验与达西定律
地下水在土体孔隙中渗透时,由于渗透阻力的作用,沿程必然伴随着能量的损失。
为了揭示水在土体中的渗透规律,法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究,1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。
达西(HenriPhilibertGaspardDarcy,1803~1858),法国著名工程师,1855年提出了达西定律,1857年提出了紊流沿程水头损失计算的著名经验公式。
图2-3达西渗透实验装置图
达西实验的装置如图2-3所示。
装置中的①是横截面积为A的直立圆筒,其上端开口,在圆筒侧壁装有两支相距为l的侧压管。
筒底以上一定距离处装一滤板②,滤板上填放颗粒均匀的砂土。
水由上端注入圆筒,多余的水从溢水管③溢出,使筒内的水位维持一个恒定值。
渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中,并以此来计算渗流量q。
设△t时间内流入量杯的水体体积为△V,则渗流量为q=△V/△t。
同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值h1,h2,Δh为两断面之间的水头损失。
达西分析了大量实验资料,发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h成正比,与断面间距l成反比,即
(2-1)
或
(2-2)
式中i=△h/l,称为水力梯度,也称水力坡降;
k为渗透系数,其值等于水力梯度为1时水的渗透速度,cm/s。
式(三.渗透系数的确定
渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标,其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。
影响渗透系数大小的因素很多,主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等,要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难,通常可通过试验方法或经验估算法来确定k值。
1.实验室测定法
实验室测定渗透系数k值的方法称为室内渗透试验,根据所用试验装置的差异又分为常水头试验和变水头试验。
(1)常水头试验
图2-5
常水头渗透试验过程演示
常水头试验的过程可参见其动画演示。
试验时将高度为l,横截面积为A的试样装入垂直放置的圆筒中,从土样的上端注入与现场温度完全相同的水,并用溢水口使水头保持不变。
土样在不变的水头差△h作用下产生渗流,当渗流达到稳定后,量得时间t内流经试样的水量为Q,而土样渗流流量q=Q/t,根据式(2-1)可求得
(2-3)
常水头试验适用于透水性较大(k>
10-3cm/s)的土,应用粒组范围大致为细砂到中等卵石。
2-1)和(2-2)所表示的关系称为达西定律,它是渗透的基本定律。
四、流网及其工程应用
1.渗流问题的求解方法简介
在实际工程中,经常遇到的是边界条件较为复杂的二维或三维问题,在这类渗流问题中,渗流场中各点的渗流速度v与水力梯度i等均是位置坐标的二维或三维函数。
对此必须首先建立它们的渗流微分方程,然后结合渗流边界条件与初始条件求解。
工程中涉及渗流问题的常见构筑物有坝基、闸基及带挡墙(或板桩)的基坑等。
这类构筑物有一个共同的特点是轴线长度远大于其横向尺寸,因而可以认为渗流仅发生在横断面内(严格地说,只有当轴向长度为无限长时才能成立)。
因此对这类问题只要研究任一横断面的渗流特性,也就掌握了整个渗流场的渗流情况。
如取xoz平面与横断面重合,则渗流的速度v等即是点的位置坐标x,z的二元函数,这种渗流称为二维渗流或平面渗流。
在实际工程中,渗流问题的边界条件往往比较复杂,其严密的解析解一般都很难求得。
因此对渗流问题的求解除采用解析解法外,还有数值解法、图解法和模型试验法等,其中最常用的是图解法即流网解法。
3.流网的绘制
(1)绘制的方法
流网的绘制方法大致有三种:
一种是解析法,即用解析的方法求出流速势函数及流函数,再令其函数等于一系列的常数,就可以描绘出一簇流线和等势线。
第二种方法是实验法,常用的有水电比拟法。
此方法利用水流与电流在数学上和物理上的相似性,通过测绘相似几何边界电场中的等电位线,获取渗流的等势线与流线,再根据流网性质补绘出流网。
第三种方法是近似作图法也称手描法,系根据流网性质和确定的边界条件,用作图方法逐步近似画出流线和等势线。
在上述方法中,解析法虽然严密,但数学上求解还存在较大困难。
实验方法在操作上比较复杂,不易在工程中推广应用。
目前常用的方法还是近似作图法,故下面主要对这一方法作一些介绍。
近似作图法的步骤大致为:
先按流动趋势画出流线,然后根据流网正交性画出等势线,形成流网。
如发现所画的流网不成曲边正方形时,需反复修改等势线和流线直至满足要求。
(2)流网绘制实例
图2-9
溢流坝的渗流流网
如图2-9为一带板桩的溢流坝,其流网可按如下步骤绘出:
1)首先将建筑物及土层剖面按一定的比例绘出,并根据渗流区的边界,确定边界线及边界等势线。
如图中的上游透水边界AB是一条等势线,其上各点水头高度均为h1,下游透水边界也是一等势线,其上各点水头高度均为h2。
坝基的地下轮廊线B—1—2—3—4—5—6—7—8—C为一条流线,渗流区边界EF为另一条边界流线。
2)根据流网特性,初步绘出流网形态。
可先按上下边界流线形态大致描绘几条流线,描绘时注意中间流线的形状由坝基轮廊线形状逐步变为不透水层面EF相接近。
中间流线数量越多,流网越准确,但绘制与修改工作量也越大,中间流线的数量应视工程的重要性而定,一般中间流线可绘3~4条。
流线绘好后,根据曲边正方形网格要求,描绘等势线。
绘制时应注意等势线与上、下边界流线应保持垂直,并且等势线与流线都应是光滑的曲线。
3)逐步修改流网。
初绘的流网,可以加绘网格的对角线来检验其正确性。
如果每一网格的对角线都正交,且成正方形,则流网是正确的,否则应作进一步修改。
但是,由于边界通常是不规则的,在形状突变处,很难保证网格为正方形,有时甚至成为三角形或五角形。
对此应从整个流网来分析,只要绝大多数网格满足流网特征,个别网格不符合要求,对计算结果影响不大。
流网的修改过程是一项细致的工作,常常是改变一个网格便带来整个流网图的变化。
因此只有通过反复的实践演练,才能做到快速正确地绘制流网。
4.流网的工程应用
(1)渗流速度计算
如图2-9,计算渗流区中某一网格内的渗流速度,可先从流网图中量出该网格的流线长度l。
根据流网的特性,在任意两条等势线之间的水头损失相等,设流网中的等势线的数量为n(包括边界等势线),上下游总水头差为h,则任意两等势线间的水头差为:
(2-11)
而所求网格内的渗透速度为
(2-12)
(2)渗流量计算
由于任意两相邻流线间的单位渗流量相等,设整个流网的流线数量为m(包括边界流线),则单位宽度内总的渗流量q为:
(2-13)
式
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