普通版中文土力学全套课程教学课件1.ppt

1、土力学 Soil Mechanics 第一章第一章 绪绪 论论 第一节第一节 土力学的研究对象土力学的研究对象 第二节第二节 土力学研究内容与方法土力学研究内容与方法 第三节第三节 土力学发展简史与未来展望土力学发展简史与未来展望 目目 录录 第一节 土力学的研究对象 说明该问题时必须引出的几个概念说明该问题时必须引出的几个概念 1、土力学（、土力学（Soil Mechanics）：研究土的碎散 特性及受力后所表现出的力学性质。包括应力、 应变、强度、稳定性和渗透规律等。 2、土土各类岩石经长期地质营力作用风化后 的产物，它是由岩石碎块和矿物颗粒组成的松 散集合体。 岩石岩石 地球 风化风化

2、颗粒集合体颗粒集合体 地球 3、土体土体某一研究范围内的土或存在于一 定地质环境中的地质体。 4、土体的特性土体的特性松散性、孔隙性、多相性。 砾石料 卵 石 砂 粘 土 5、地基（、地基（Ground）由于上部建筑物荷重 的作用，使一定范围内地层的应力状态发 生变，这一范围内的地层成为地基。 6、基础（基础（Foundation）与地基接触的建 筑物下部结构。一般置于地面以下，起着 传递荷载的作用。 1 1上部结构 2基础 3地基 2 土力学与其他学科的比较 学科学科 研究对象研究对象 理论力学理论力学 质点或刚体质点或刚体 材料力学材料力学 单个弹性杆件（杆、轴、梁）单个弹性杆件（杆、轴、

3、梁） 连续固体连续固体 结构力学结构力学 若干弹性杆件组成的杆件结构若干弹性杆件组成的杆件结构 弹性力学弹性力学 弹性实体结构或板壳结构弹性实体结构或板壳结构 水力学水力学 不可压缩的连续流体（水）不可压缩的连续流体（水） 连续流体连续流体 土力学土力学 天然的三相碎散堆积物天然的三相碎散堆积物 碎散材料碎散材料 研究对象研究对象：土体土体 建筑介质 建筑地基 建筑材料 解决的主要问题解决的主要问题 土体的变形 土体的强度 变形变形过大过大 强度不够强度不够 几个强度问题的实例！ 加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故： 19131913年年9 9月开始装谷物，月开始装谷物， 至至1

4、010月月1717日共装入日共装入3 3万多万多 谷物，但此时发生破坏：谷物，但此时发生破坏： 1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm 2424小时倾斜小时倾斜26265353 西端下沉西端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m 上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损 概况：概况：长长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565个圆筒仓。钢混筏板个圆筒仓。钢混筏板 基础，厚基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。19131913年完工，自重年完工，自重2 2万万T T。 处理：处理：

5、事后在下面做了事后在下面做了7070多个支撑于基岩上的混凝土墩，使多个支撑于基岩上的混凝土墩，使 用用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来， 但其位置比原来但其位置比原来降低了降低了米。米。 原因：原因：谷仓的地基承载力谷仓的地基承载力 按邻近建筑物基槽开挖取按邻近建筑物基槽开挖取 土试验结果计算。土试验结果计算。19521952年年 经勘察试验与计算，地基经勘察试验与计算，地基 实际承载力远小于谷仓破实际承载力远小于谷仓破 坏时发生的基底压力。因坏时发生的基底压力。因 此谷仓地基因此谷仓地基因超载发生强超载发生强 度破

6、坏而滑动度破坏而滑动。 2653 失事后 1913.10.18 1952.10.5 试验孔 填土 褐色粉质粘土 灰色粉质粘土 -0.61 -12.34 -13.72 -4.27 1952.10.3 试验孔 19721972年年7 7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立月某日清晨，香港宝城路附近，两万立 方米方米残积土残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一 幢高层住宅幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒 塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7 7人。人。 香 港 宝 城 滑 坡

7、香 港 宝 城 滑 坡 1972 滑坡前滑坡前 July 1972 滑坡后滑坡后 原因：原因：山坡上残积土本身强度较低，加山坡上残积土本身强度较低，加 之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得 土体滑动力超过土的强度，土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发于是山坡土体发 生滑动。生滑动。 阪神大地震中的地基液化阪神大地震中的地基液化 液化：液化：松砂地基在振动荷载作用下丧松砂地基在振动荷载作用下丧 失强度变成流动状态的一种现象。失强度变成流动状态的一种现象。 神户码头：神户码头： 地震引起大面积地震引起大面积 砂土地基液化后产砂土地基液化后产 生很大的侧向变

8、形生很大的侧向变形 和沉降，大量的建和沉降，大量的建 筑物倒塌或遭到严筑物倒塌或遭到严 重损伤重损伤 阪神大地震中地基液化 神户码头：神户码头： 沉箱式岸墙因砂土地基液沉箱式岸墙因砂土地基液 化失稳滑入海中。化失稳滑入海中。 1964年日本新泻地震地基的大面积液化 可归结为与可归结为与土土有关的有关的 强度问题强度问题 加拿大特朗斯康谷仓地基失稳加拿大特朗斯康谷仓地基失稳 香港宝城滑坡香港宝城滑坡 阪神等大地震中地基液化阪神等大地震中地基液化 日本新泄地震引发的砂土液化日本新泄地震引发的砂土液化 案例总结（一） 几个变形问题的实例！ 比比 萨萨 斜斜 塔塔 11731173年：动工年：动工 1

9、3601360年：再复工，至年：再复工，至13701370年竣工，年竣工， 全塔共全塔共8 8层，高度为层，高度为55m55m 12721272年：复工，经年：复工，经6 6年，至年，至7 7层，层， 高高48m48m，再停工，再停工 11781178年：至年：至4 4层中，高约层中，高约29m29m， 因倾斜停工因倾斜停工 此时：塔向南倾斜，南北两端沉此时：塔向南倾斜，南北两端沉 降差降差1.80m，塔顶离中心线已达，塔顶离中心线已达 5.27m，倾斜，倾斜5.5 原因原因： 地基持力层为粉砂，下面为粉土地基持力层为粉砂，下面为粉土 和粘土层，压缩性高，变形大。和粘土层，压缩性高，变形大。

10、15901590年年: : 伽利略在此塔做伽利略在此塔做 自由落体实验自由落体实验 18381838- -18391839：挖环形基坑卸载：挖环形基坑卸载 19331933- -19351935：基坑防水处理：基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固 19901990年年1 1月月: : 封闭封闭 19921992年年7 7月：加固塔身，用压重月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理 目目 前前 : : 已向游人开放。已向游人开放。 处理措施处理措施 比比 萨萨 斜斜 塔塔 苏州虎丘塔苏州虎丘塔 概况：位于苏州虎丘公园山顶，概况：位于苏州虎丘公园山顶， 建于宋太祖

11、建隆二年建于宋太祖建隆二年( (公元公元961 年年) )。塔高。塔高47.5m，平面呈八角形。，平面呈八角形。 问题：塔身向东北方向严重倾斜，问题：塔身向东北方向严重倾斜， 塔顶离中心线达塔顶离中心线达2.31m，底层塔，底层塔 身发生不少裂缝，成为危险建筑身发生不少裂缝，成为危险建筑 物。物。 原因原因：坐落于不均匀粉质粘土层，：坐落于不均匀粉质粘土层， 产生不均匀沉降。产生不均匀沉降。 处理处理：在四周建造一圈桩排式地：在四周建造一圈桩排式地 下连续墙并对塔周围与塔基进行下连续墙并对塔周围与塔基进行 钻孔注浆和打设树根桩加固塔身。钻孔注浆和打设树根桩加固塔身。 19861986年：开工年

12、：开工 19901990年：人工岛完成年：人工岛完成 19941994年：机场运营年：机场运营 面积：面积：4370m4370m1250m1250m 填筑量：填筑量：18018010106 6m m3 3 平均厚度：平均厚度：33m33m 世界最大的人工岛世界最大的人工岛 日本关西机场日本关西机场 问题：沉降大且不均匀问题：沉降大且不均匀 设计沉降：设计沉降：5.7-7.5 m 完成时完成时(1990年年)实际沉降：实际沉降： 8.1 m，5cm/月月 预测主固结需：预测主固结需：20年年 可归结为与土有关的可归结为与土有关的 变形问题变形问题 意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔 苏州虎丘塔苏州虎丘

13、塔 日本关西机场日本关西机场 案例总结（二） 土坝，土坝， 高高90m90m， 长长1000m1000m， 19751975年建成年建成 次年次年6 6月失事月失事 TetonTeton 坝 （ 美 国 ） 坝 （ 美 国 ） 损失：损失： 直接直接8000万美元，起诉万美元，起诉5500起，起， 2.5亿美元，死亿美元，死14人，受灾人，受灾2.5 万人，万人，60万亩土地，万亩土地，32公里铁公里铁 路路 原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂 上午上午10:3010:30 1111：0000 11:3011:30 11:5711:57 1212：0000过后过后 坍塌口加宽。坍塌口

14、加宽。 水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁。水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁。 洪水扫过下游谷底，附近所洪水扫过下游谷底，附近所 有设施被彻底摧毁。有设施被彻底摧毁。 失事现场目前的状况。失事现场目前的状况。 上海世纪广场 1998年长江大堤 漏洞漏洞 14%14% 脱坡脱坡 16%16% 管涌管涌 50%50% 跌窝跌窝 1%1% 散浸散浸 3%3% 崩岸崩岸 5%5% 其他其他 11%11% 跌窝跌窝 散浸散浸 崩岸崩岸 其他其他 漏洞漏洞 脱坡脱坡 管涌管涌 9898洪水长江堤防险情统计洪水长江堤防险情统计 共发生各种险情共发生各种险情60006000余处余处 九江大堤决口九江

15、大堤决口 1998年年8月月7日日13:10发生管涌发生管涌 险情，险情，20分钟后，在堤外迎分钟后，在堤外迎 水面找到水面找到2处进水口。处进水口。 又过又过20分钟，防水墙后的土分钟，防水墙后的土 堤突然塌陷出堤突然塌陷出1个洞，个洞，5 m宽宽 的堤顶随即全部塌陷，并很的堤顶随即全部塌陷，并很 快形成宽约快形成宽约62m的溃口。的溃口。 溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌 长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图 砂砂 环环 管管 涌涌 口口 粘性土粘性土 砂性土砂性土 渗水渗水 杂填土杂填土 管涌：管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通在渗

16、流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通 过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。 堤基管涌 可归结为与土有关的可归结为与土有关的 渗透问题渗透问题 美国美国TetonTeton坝失事坝失事 长江大堤长江大堤 九江大堤决口九江大堤决口 案例总结（三） 第二节第二节 土力学的研究内容和方法土力学的研究内容和方法 一、研究内容是沿着土体受力后变形和强一、研究内容是沿着土体受力后变形和强 度问题展开的度问题展开的 基本理论基本理论： 1 有效应力原理 2 土内的应力分布理论 3 渗透固结理论 4 抗剪强度理论 实践应用实践应用： 1 地基变形计算 2 地基承载力计

17、算 3 土坡稳定性验算 4 土压力计算 二、研究方法：二、研究方法： 1 地质调查 2 现场和室内试验 3 建立数学模型进行计算 三、与相关学科的结合与渗透三、与相关学科的结合与渗透 1、研究土的理化特性涉及学科：工程地 质学、第四纪地质学和地貌学、物理化学、 胶体化学。 2、研究土的力学特性涉及学科：理论力 学、材料力学、弹性力学、塑性力学。 3、研究土体中水的运动问题涉及学科： 水力学、地下水动力学、水文地质学。 第三节第三节 土力学发展简史与未来发展土力学发展简史与未来发展 一、许多经典理论发展过程一、许多经典理论发展过程 1、1733年 法国Cou Lomb砂土抗剪强度砂土抗剪强度 公

18、式、挡土墙上土压公式、挡土墙上土压力理力理论论 2、1856年 法国Darcy H创立了砂性土的砂性土的 Darcy公式公式 3、1857年 Rankine WJM创立了朗肯土土压压 力理力理论论 4、1855年 法国Boussinesq J（布辛奈斯克） 竖向荷载作用下应力计算公式竖向荷载作用下应力计算公式 5、1920年 瑞典Fellenius边坡圆弧滑动面边坡圆弧滑动面 分析法分析法 6、1925年 美国Terzaghi有效应力原理、有效应力原理、 渗透固结理论渗透固结理论 7、20世纪50年代完善和发展已有理论 8、黄文熙教授非均质地基的应力分布、非均质地基的应力分布、 考虑侧向变形的

19、沉降计算方法考虑侧向变形的沉降计算方法 9、陈宗基教授粘性土的流变模式及次固粘性土的流变模式及次固 结理论结理论 二、现阶段几个主要的发展方向二、现阶段几个主要的发展方向 1、室内和原位测试技术和仪器设备的研 究 2、土的本构关系：应力应变非线性关系 的数学模型，如邓肯和张模型、剑桥模型 等 3、计算技术的研究 4、模型试验和现场监测 5、宏观和微观研究相结合。 本章思考题本章思考题 1.土力学、地基、基础的概念？土力学、地基、基础的概念？ 2.土受力后，可能会产生哪些工程问题？与土受力后，可能会产生哪些工程问题？与 房屋建筑工程相关的有哪些？房屋建筑工程相关的有哪些？ 3.土力学的研究内容？

20、土力学的研究内容？ 4. 你身边的土力学现象有哪些？你身边的土力学现象有哪些？ 教材、参考书 1. 方云，林彤方云，林彤.土力学（第二版）土力学（第二版）.武汉：中国地质大学出版社，武汉：中国地质大学出版社，2012 2. 陈希哲编著陈希哲编著.土力学地基基础土力学地基基础.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2004 3. 东南大学等合编东南大学等合编.土力学（第二版）土力学（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，2005 4. 杨小平主编杨小平主编.土力学土力学. 广州：华南理工大学出版社广州：华南理工大学出版社, 2001 5. 张孟喜主编张孟喜主编.土

21、力学原理土力学原理.武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，2006 6. 赵明华主编赵明华主编.土力学与基础工程土力学与基础工程.武汉：武汉理工大学出版社，武汉：武汉理工大学出版社，2003 7. 赵成刚，白冰主编赵成刚，白冰主编.土力学原理土力学原理.北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社2009 7.莫海鸿等主编莫海鸿等主编. 8. 土力学及基础工程学习辅导与习题精解土力学及基础工程学习辅导与习题精解.北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，2006 9. 李相然著李相然著.土力学应试指导土力学应试指导.北京：中国建材工业出版社，北京：中国建材工业出版社，200

22、1 10. 文杰主编文杰主编.土力学及基础工程习题集土力学及基础工程习题集.北京：中国建材工业出版社，北京：中国建材工业出版社，2004 1.清华大学 http:/166.111.92.13/apply/teacher/course_preview_index.jsp?curid=6 3 水水 溶液中带阳离子溶液中带阳离子：Na ， ，Ca 等 等。 土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场土颗粒表面负电荷围绕土粒形成电场，在电场在电场 作用范围内的作用范围内的水分子水分子和水溶液中的和水溶液中的阳离子阳离子吸附于土吸附于土 粒表面粒表面，呈不同程度的定向排列呈不同程度的定向排列。 粘土颗粒粘土颗粒

23、水分子水分子 阳离子阳离子 离土粒越近，电分子力越大，离土粒越近，电分子力越大， 从而形成紧密吸附于土粒表从而形成紧密吸附于土粒表 面的面的固定层（强结合水）固定层（强结合水）和和 在固定层外围的在固定层外围的扩散层扩散层(弱结弱结 合水合水)，固定层和扩散层中所，固定层和扩散层中所 含的阳离子与土颗粒表面的含的阳离子与土颗粒表面的 负电荷的电位相反，故称为负电荷的电位相反，故称为 反离子反离子，固定层和扩散层合，固定层和扩散层合 称为称为反离子层反离子层。反离子层与。反离子层与 土粒表面的负电荷一起构成土粒表面的负电荷一起构成 双电层。双电层。 扩散层水膜的厚度对粘性土的工程性质影响很大，扩

24、散层水膜的厚度对粘性土的工程性质影响很大，扩散层厚扩散层厚 度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。度大，土的塑性就大，膨胀与收缩性也大。 双电层厚度与矿物本身和外界条件有关：双电层厚度与矿物本身和外界条件有关： 蒙脱石颗粒厚度小，形成的扩散层相对厚度大于高岭石蒙脱石颗粒厚度小，形成的扩散层相对厚度大于高岭石 水溶液中的阳离子的原子价位越高，它与土粒之间的的静电水溶液中的阳离子的原子价位越高，它与土粒之间的的静电 引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子数量愈少，扩散层引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子数量愈少，扩散层 愈薄愈薄 外部温度升高，双电层厚度就增大外部温度升高，双电层厚度就增大 工

25、程实践中用三价及二价离子（工程实践中用三价及二价离子（Mg2+Ca2+ Fe3+ Al3+ ）处理）处理 粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加 了土的强度与稳定性，了土的强度与稳定性，减少了膨胀性。减少了膨胀性。 思考：如果增加思考：如果增加 膨胀用什么离子？膨胀用什么离子？ 第五节 土的结构 土的结构指的是组成土粒的大小、形状、 表面特征、土粒的排列情况和土粒间的连 结关系。 土的结构决定土的许多重要的物理力学性 质，尤其是对土粒间的连结与土粒的排列 方式更为重要。 几种连结类型 1）结合水连结：粘性土为主 2）毛细水连

26、结：粉土和砂土 3）胶结连结：水溶盐类，盐渍土、黄土 4）冰连结：冻土 土的结构和构造土的结构和构造 集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、集合体特征：土粒单元大小、矿物成分、 形状、相互排列及其关联关系形状、相互排列及其关联关系 土土 的的 结结 构构 微 观 结 构微 观 结 构 （结构结构） 宏观结构（构造）：表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏宏观结构（构造）：表征土的层理、裂隙及大孔隙等宏 观特征。观特征。 水的性质水的性质 孔隙特征孔隙特征 1.土的结构土的结构 基本类型：基本类型： 单粒结构；单粒结构； 蜂窝结构（粒径蜂窝结构（粒径0.0750.005mm）；）； 絮状结构（粒径絮状结构

27、（粒径0.005mm）。）。 单粒结构单粒结构 蜂窝结构蜂窝结构 絮状结构絮状结构 单粒结构单粒结构 蜂窝结构蜂窝结构 土的构造分为土的构造分为层理构造、分散构造、结核构造和裂隙构造层理构造、分散构造、结核构造和裂隙构造。 分散构造分散构造 裂隙构造裂隙构造 土有三个组成部分：固相、液相和气相土有三个组成部分：固相、液相和气相 小小 结结 1. 固体颗粒固体颗粒 2. 土中水土中水 3. 土中气体土中气体 粒径级配粒径级配 矿物成分矿物成分 颗粒形状颗粒形状 结合水结合水 (强结合水、弱结合水强结合水、弱结合水) 自由水自由水 (重力水、毛细水重力水、毛细水) 自由气体自由气体 封闭气体封闭气

28、体 4.土的结构：土的结构： 5.土的构造：土的构造： 单粒结构单粒结构 蜂窝结构（粒径蜂窝结构（粒径 0.0750.005mm） 絮状结构（粒径絮状结构（粒径 10-3cm/s）的土，）的土， 例如砂土。例如砂土。 2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a 任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时段，经时段 dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh， 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量 分离变量 积分 2 1 12 ln h h ttA aL k 2 1 12 lg3.2 h h

29、ttA aL k 适用于透水性差，渗透系数小的 粘性土 现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验 抽水量抽水量Q Q r1 r2 h1 h2 井井 不透水层不透水层 试验条件试验条件: : Q=const 量测变量量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长 观察井观察井 四、影响渗透系数的因素 1.1.土粒大小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土 的渗透系数就会大大减小。 2.2.土的密实度土的密实度 3.水的动

30、力粘滞系数 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比 降低，土的渗透性也减小。 动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小， 土的渗透系数则愈大。 4.土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土 的渗透性愈小。 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z q1x q3x q2x L 五.层状地基的等效渗透系数 1 1 2 2 不透水层 水平渗流水平渗流 条件条件: : 等效渗透系数等效渗透系数: : qx=vxH=kxiH qix=kiiiHi H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z

31、五.层状地基的等效渗透系数 竖直渗流: v 承压水 条件: 等效渗透系数: : vi = ki (h hi i/ /Hi) i i i k vH h z k vH h i i z k vH k vH 水平渗流情形水平渗流情形 垂直渗流情形垂直渗流情形 条件条件 已知已知 等效等效 推定推定 五.层状地基的等效渗透系数 第三节 二维渗流与流网 平面问题：渗流剖面和产生平面问题：渗流剖面和产生 渗流的条件沿某一个方向不渗流的条件沿某一个方向不 发生变化，则在垂直该方向发生变化，则在垂直该方向 的各个平面内，渗流状况完的各个平面内，渗流状况完 全一致。全一致。 对平面问题，常取对平面问题，常取dy=

32、1m单单 位宽度的一片来进行分析位宽度的一片来进行分析 h 一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 与kx, kz无关 满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数 连续性条件 达西定律 假定 dxvdzvdq zxe dx)dz z v v(dz)dx x v v(dq z z x xo oe dqdq Laplace方程方程 特点 描述渗流场内部的测管水头的分布， 是平面稳定渗流的基本方程式 1. 1. 基本方程基本方程 二、流网的特征及应用 流 网渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网 络状曲线簇。 流 线水质点运动的轨迹线。 等势线测管水头相同的点之连线 。 流网法通过绘制流线与势线的

33、网络状曲线簇来求解渗流问题。 H h 0 二、流网的特征及应用 基本要求 1. 正交性：流线与等势线必须正交 H h 0 l s l s 2. 各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形 5. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。 3.相邻等势线的水头损失相等 4.各流糟的渗流量相等 二、流网的特征及应用 测管水头 h h 实际应用 确定孔压 确定流速 确定流量 水力坡降 H h 0 l s l s M流道数 第四节 渗透力和渗透变形 h=0 h=0 静水中，土骨架会受静水中，土骨架会受 到浮力作用。到浮力作用。 h0 h0 水在流动时，水流受水在流动时，水流受 到来自土骨

34、架的阻力，同时流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动的孔隙水对土骨架产生一个 摩擦、拖曳力。摩擦、拖曳力。 h1 h h2 0 0 hw L 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 渗透力渗透力- -试验观察试验观察 h1 h h2 0 0 hw L 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 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗：单位土体内土骨架所受到的渗 透水流的拖曳力透水

35、流的拖曳力 1.试验观察 h=0 静水中，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。 渗透变形 渗透力 h1 h h2 0 0 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 一、渗透力 h1 h h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体静水中的土体 A=1 R = L wh R = L 渗流中的土体渗流中的土体 向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少 减少的部分由谁承担？减少的部分

36、由谁承担？ 水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力 总渗透力总渗透力 J = wh 渗透力渗透力 j = J/V = wh/L = wi j = wi 土水整体分析土水整体分析 P2 W P1 R h1 h h2 0 0 hw L 土土 样样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b A=1 P1+ Ww+ J= P2 水体的平衡条件水体的平衡条件 j = wi whw+ wL + jL= wh1 W J Ww J = R + P2 P1 P1 = = whw P2 = = wh1 Ww= Vvw+ Vsw= Lw i L h L )Lhh( j w ww1w 土水隔离分析土水隔离

37、分析 渗透力具有以下特征： (1)渗透力是一种体积力，量纲为kN/m3 (2)渗透力与水力坡降成正比j=rwi (3)渗透力方向与渗流方向一致。 二、渗透变形 基本类型 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 二、渗透变形 粘性土k1k2 砂性土k2 坝体坝体 1. 基本类型 流土 在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象 和土的密实程度有关和土的密实程度有关 e G i s cr 1 1 渗流渗流 原因： 二、渗透变形 管涌 原因： 内因内因 有足够多的粗颗粒 形成大于细粒直径的孔隙 外因外因渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中

38、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贯通的管道。 管涌 管涌破坏 流土与管涌的比较 流土 土体局部范围的颗粒同时 发生移动 管涌 只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大， 可发生在任何土中 破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等 现象现象 位置位置 土类土类 历时历时 后果后果 土体内细颗粒通过粗粒形成 的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流 溢出处 一般发生在特定级配的 无粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口 2.形成条件 F Fs s: : 安全系数1.52.0 i : i : 允许坡降 i icr : 土体处于稳定状态 土体发生流

39、土破坏 土体处于临界状态 流土 经验判断： 三、渗流工程问题与处理措施 1.渗流工程问题 (1)地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产 生浮托力 (2)地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷， 将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中 (3)流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破 坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地 层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常 出现 (4)基坑突涌 当基坑下部有承压水层

40、时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层 较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为 基坑突涌 hH w 2.防渗处理措施 1)水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长 渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形 垂直截渗 主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水 层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗 设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土铺盖 设置反滤层 砂垫层 水位 加筋土工布 回填中粗砂 抛石棱体 设置反滤层，既可通

41、畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形 的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某 河堤基础加筋土工布反滤层 三、渗流工程问题与处理措施 排水减压 粘性土 含水层 减压井 为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深 挖排水槽 2.防渗处理措施 2)基坑开挖防渗措施 工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位 在基坑内（外）设置排水沟、 集水井，用抽水设备将地下 水从排水沟或集水井排出 原地下水位 明沟排水 原水位面 一级抽水后水位 二级抽水后水位 多级井点降水 要求地下水位降得较

42、深，采用 井点降水。在基坑周围布置一 排至几排井点，从井中抽水降 低水位 2.防渗处理措施 设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流 路径，减小水力坡降 钢板桩 水下挖 掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。 为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 土力学 Soil Mechanics 冯晓腊 教授 第三章第三章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类 第一节 土的基本物理性质 第二节 粘性土的稠度与可塑性 第三节 土的透水性 第四节 土的工程分类 土体中三相之间比例关系、相互作用， 决定其在外力作用下表现出的一系列

43、性质 ，本节课主要讨论土的基本物理性质。 物理模型 假定模型 第一节第一节 土的基本物理性质土的基本物理性质 三相图、各符号的物理意义 试问：同一地点，三相比例是否不变？同一地点，三相比例是否不变？ 气气 水水 土粒土粒 ms mw m Vs Vw V Va 质量质量m 体积体积V Vv ma 三相与工程性质 固体+气体，粘土呈坚硬状态； 固体+液体+气体，粘土多为可塑状态； 固体+液体，砂土液化 土的基本物理性质土的基本物理性质 土的密度、土的含水性、土粒比重。 如：粉土 e=0.8, w=10%, fa=200kPa,多层 e=1.6, w=70%, fa=50kPa，桩基 一、一、 土的

44、密度 1、土粒密度 （g/cm3） 土粒比重 （比重瓶法） a、取决于矿物成分与孔隙大小，与含水 多少无关 b、一般砂土：2.60-2.69 粉土：2.70-2.71 粘土：2.72-2.75 c、是实测指标 s s s v m s s s v m s s s v m W S C ws s s v m G 4 一、一、 土的密度 a、天然密度 （g/cm3） 实测指标 b、干密度 （g/cm3） c、饱和密度 （g/cm3） 说明： 工程中常用的重度概念（kN/m3） 同一种土 sat d 土的浮重度（土 在地下水位以下） 一般变化于1.62.2g/cm3 环刀法和灌水法 v m v ms d

45、 v vm wvs sat 2、土体的密度 二、土的含水性 （说明土的干湿程度105110） 1、含水量 （实测指标） 2、饱和度 （导出指标，0100%之间） %100 s w m m %100 s wv sat m V %100 s w r V V S %100 s w r V V S 砂土：040% 粘性土：2060% 测量含水 量所用的 烘箱 三、土的孔隙性三、土的孔隙性 孔隙度 （取决于土的结构状态，计 算指标） 孔隙比 （反映土的密实程度，计算 指标，规范中常用） 关系： 或 %100 V V n v s v V V e e e n 1 n n e 1 n=0.3 0.5 砂土：e=0.51 粘性土：e=0.51.2 砂土的相对密度 说明：Dr一般为01之间；工程中用其评 判砂土的震动液化。 mi