土力學與地基基礎SoilMechanicsandFoundation周先齊

該課程是土木工程專業基礎課程，系統講述了土的性質及工程分類、地基的應力和沉降計算、土的抗剪強度、土壓力以及擋土墻和土坡穩定分析；重點討論了淺基礎、樁基礎的常規設計計算；簡要介紹了我國目前常用的各種軟土地基處理技術；并對區域性地基、地震區地基以及滑坡等進行了討論。課程介紹

土是由巖石經過長期的風化、搬運、沉積作用而形成的未膠結的、覆蓋在地球表面的沉積物。第二章土的性質及工程分類地質作用內力地質作用外力地質作用巖漿活動地殼運動變質作用氣溫變化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、風、生物等2.1土的組成和結構土的固體顆粒固相液相氣相三相體系干土二相體系水氣體飽和土2.1土的組成和結構第二章土的性質及工程分類土的礦物成分：

1原生礦物

2次生礦物

土粒粒組顆粒的大小性質不同塊石六大粒組顆粒的成分碎石礫石砂粒粉粒粘粒2.1土的組成和結構第二章土的性質及工程分類顆粒級配2.1土的組成和結構第二章土的性質及工程分類不同粒組的分布情況級配曲線分布形態顆粒分析試驗2.1土的組成和結構第二章土的性質及工程分類試驗方法：篩分法沉降分析法固態液態氣態凍土對土的性質沒影響強結合水弱結合水結合水自由水毛細水重力水固態105粘滯狀態存在狀態強度大解凍時強度大大降低

土中水第二章土的性質及工程分類

土中水第二章土的性質及工程分類黏土顆粒與水的相互作用（1）帶電現象（2）雙電層與擴散層概念（3）影響雙電層的因素

土中水第二章土的性質及工程分類毛細水（1）上升高度（2）毛細壓力

土中水第二章土的性質及工程分類土的凍脹（1）土的因素（2）水的因素（3）溫度因素

與大氣相連通的氣體與大氣相隔離的氣體土變形穩定需要很短時間粗粒細粒土變形穩定需要很長時間

土中氣第二章土的性質及工程分類是指土顆粒的大小、形狀、表面特征、相互排列及其聯結關系的綜合特征。2、分

類單粒結構蜂窩結構絮狀結構由較粗的礫石、砂粒在重力作用下沉積而成（無結構性土）。由較細土粒在水中沉積而成，孔隙較大。由細粒土在水中處于懸浮狀態凝聚成海綿絮狀的集合體。1、定

義有結構性土無結構性土土的結構第二章土的性質及工程分類土的構造第二章土的性質及工程分類層理構造裂隙構造第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標三相簡圖土的物理指標基本物理指標——3個其它物理指標——6個第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標三個基本試驗指標1、土的天然重度土在天然狀態下，單位體積的重量，稱為～。一般土18～20;砂土16～20第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標三個基本試驗指標2、含水量（%）在天然狀態下，土中水的質量與土顆粒質量之比的百分率，稱為～。※含水量是標志土的濕度的一個重要物理指標。含水量大濕軟第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標三個基本試驗指標3、土的相對密度土顆粒的密度與水的密度之比值，稱為～。土粒相對密度取絕于土的礦物成分。粘性土2·70～2·75，砂土2·65左右。第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標反映土單位體積質量指標1、干土重度2、土的飽和重度飽和土——孔隙完全被水充滿第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標反映土單位體積質量指標第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標反映土單位體積質量指標

3、有效重度第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標反映土的孔隙特征、含水程度的指標1、土的孔隙比e——小數（0·6～1·0）第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標反映土的孔隙特征、含水程度的指標2、土的孔隙率n%反映土的密實程度第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標反映土的孔隙特征、含水程度的指標3、土的飽和度描述土體中孔隙被水充滿的程度。干土為0；濕土為100%。第二章土的性質及工程分類2.3土的物理性質指標指標換算無粘性土碎石土砂土密實疏松強度高密實度一、碎石土的密實度重型圓錐動力觸探錘擊數N63·551020松散稍密中密密實N63·5強度低判別方法第二章土的性質及工程分類2.4無粘性土的密實度二、砂土的密實度標準貫入試驗錘擊數NN101530松散稍密中密密實判別方法工程上用密實度來判定無粘性土的承載力密實壓縮性小強度高承載力大2.4無粘性土的密實度第二章土的性質及工程分類2.5粘性土的物理特性一、界限含水量二、塑性指數三、液性指數五、靈敏度和觸變性四、天然稠度一、界限含水量1、土由一種狀態轉為另一種狀態的分界含水量，叫～。固態半固態流動狀態可塑狀態2、可塑性：土在某一含水量范圍內時，可以塑成任何形狀，并當外力移去后仍保持所得形狀，土的這種特性叫做可塑性。所處狀態叫可塑狀態。塑限液限縮限二、塑性指數對于粘性土來說——可塑性范圍越大越好1、定義：液限與塑限的差值，做～。給土命名工程上用粘性土1017粉質粘土粘土三、液性指數判斷土的軟硬程度工程上用堅硬00.250.751硬塑可塑軟塑流塑第二章土的性質及工程分類2.5粘性土的物理特性四、天然稠度第二章土的性質及工程分類2.5粘性土的物理特性五、靈敏度和觸變性37本章特點學習要點主要難點有較嚴格的理論（水流的一般規律）有經驗性規律（散粒體多孔介質特性）注重對物理概念和意義的深入理解注意土是散粒體（多孔介質）這一特點水頭及水力坡降二維流網及其應用滲透力及其分析方法2.6土的滲透性和滲流問題

碎散性多孔介質三相體系孔隙流體流動滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質滲透特性強度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性能量差土顆粒土中水滲流概述2.6土的滲透性和滲流問題

概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流2.6土的滲透性和滲流問題

滲水壓力揚壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流滑坡滲流滑坡概述2.6土的滲透性和滲流問題

滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲透規律二維滲流及流網滲透力與滲透變形揚壓力土坡穩定分析擋水建筑物集水建筑物引水結構物基坑等地下施工多雨地區邊坡概述2.6土的滲透性和滲流問題

ABL

土的滲透性與滲透規律透水層不透水層基坑板樁墻一．滲流中的水頭與水力坡降2.6土的滲透性和滲流問題

二.滲透試驗與達西定律試驗前提：層流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗試驗結果試驗裝置：如圖試驗條件:

h1，A（面積），L=const量測變量:

V（總水量），T（時間）h2Δh=h1-h2Q=V/T土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

2.達西定律滲透定律在層流狀態的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質有關。二.滲透試驗與達西定律注意：AAvv：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝vA

＝vsAvk:

反映土的透水性能的比例系數，稱為滲透系數物理意義：水力坡降i＝1時的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

2.達西定律

適用條件：層流（線性流）

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

二.滲透試驗與達西定律巖土工程中的絕大多數滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態可能會隨流速增大呈紊流狀態，滲流不再服從達西定律。可用雷諾數Re進行判斷：Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re＞5時為過渡區

2.達西定律（1）粗粒土：①礫石類土中的滲流常不符合達西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

兩種特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

二.滲透試驗與達西定律三.滲透系數的測定及影響因素室內試驗測定方法野外試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗1.測定方法

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

室內試驗方法1—常水頭試驗法三.滲透系數的測定及影響因素1.測定方法結果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

hL土樣AVQ例題：定水頭滲透試驗中，已知滲透儀直徑D為75mm，在L=200mm的滲透途徑上的水頭損失H=83mm，在60s時間內的滲水量Q=75cm3，試求土的滲透系數。解：根據《土工試驗方法標準》，滲透儀的截面積A=?D2/4=?*7.52/4=44.2cm2滲透系數k=QL/AHT=75*20/（44.2*8.3*60）=6.8*10-2cm/sk=2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）室內試驗方法2—變水頭試驗法適用土類：透水性較小的黏性土例題：變水頭滲透試驗中，黏土試樣的截面積30cm2，厚度為4cm，滲透儀細玻璃管內徑D為0.4cm，試驗開始時的水位差為145cm，經8分鐘后觀測的水位差為100cm，試求土的滲透系數。解：根據《土工試驗方法標準》，滲透儀的截面積A=?D2/4=?*0.42/4=0.1256cm2滲透系數=1.29*10-5cm/sk=2.3*（a*L/A*t）㏒（△h1/△h2）

野外測定方法－抽水試驗和注水試驗法優點：可獲得現場較為可靠的平均滲透系數1.測定方法三.滲透系數的測定及影響因素地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點：費用較高，耗時較長實驗方法：理論依據：

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

積分2.影響因素粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構三.滲透系數的測定及影響因素飽和度（含氣量）水的動力粘滯系數

土的滲透性與滲透規律2.6土的滲透性和滲流問題

流網的繪制及應用流網——滲流場中的兩族相互正交曲線——等勢線和流線所形成的網絡狀曲線簇。流線——水質點運動的軌跡線。等勢線——測管水頭相同的點之連線。流網法——通過繪制流線與勢線的網絡狀曲線簇來求解滲流問題。H△h02.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網ABCDlsH△h00ls二.流網的繪制及應用繪制方法一個高精度的流網圖，需經過多次的修改后才能完成。根據滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形初步繪制流網流線→等勢線→反復修改，調整精度較高的流網圖工具：鉛筆＋橡皮2.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網二.流網的繪制及應用H△h0lsls2.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網

對于各向同性的滲透介質，流網具有下列特征：（1）流線與等勢線彼此正交；（2）每個網格的長寬比為常數；（3）相鄰等勢線間的水頭損失相等；（4）各流槽的滲流量相等。測管水頭

h實際應用確定孔壓確定流速確定流量二.流網的繪制及應用水力坡降H△h0lslsM:流道數ΔH=Δh/N:相鄰等勢線間的水頭損失2.6土的滲透性和滲流問題

平面滲流與流網一.滲透力1、試驗觀察滲透變形滲透力二.滲透變形（滲透破壞）2、物理本質3、計算方法土水整體分析土水隔離分析

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

一.

滲透力1、試驗觀察Δh=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>0

水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產生一個摩擦、拖曳力。滲透力j

——滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現的變形或破壞形成條件防治措施

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發生懸浮移動的現象滲流原因：

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

1.基本類型管涌原因：內因——有足夠多的粗顆粒形成大于細粒徑的孔隙通道外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞二.滲透變形（滲透破壞）

滲流力與滲透變形2.6土的滲透性和滲流問題

1.基本類型流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發生移動管涌只發生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產生局部滑動等現象位置土類歷時后果土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發生于土體內部和滲流溢出處一般發生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過