土力学1

《土力学1》（Soil Mechanics 1）

土的形成：岩石风化、搬运、沉积

土体的特点：碎散性；三相性；天然性（渗透；变形；强度）

强度案例：加拿大特朗斯康谷仓地基失稳；上海“楼倒倒；万亨大厦基坑倒塌；汶川地震中的滑坡；杭州地铁基坑事故；泥石流室外试验事故

变形案例：意大利比萨斜塔；日本关西机场；加拿大接吻的筒仓；墨西哥城一幢建筑的沉降

渗透案例：美国Teton坝失事；98洪水长江堤防险情；沟后面板砂砾石坝溃坝

§1土的物理性质与工程分类

风化：物理风化（原生矿物）；化学风化（次生矿物）；生物活动

残积土（无搬运）与运积土（有搬运）

三相构成：固相构成土体骨架，起决定作用—饱和土、干土和非饱和土

固体颗粒三要素：粒组级配（筛分法；水分法）；矿物成分；颗粒形状

粒径级配累计曲线：斜率（陡—含量多；平台—粒组缺乏）；平均粒径，控制粒径，有效粒径

粗细度（d50）；不均匀系数C u = d60 / d10，C u≥5 为不均匀土；曲率系数

2

30

c

6010

d

c

d d

=

⋅，

C c=1~3为连续级配。

黏土矿物：高岭石，伊利石，蒙特石（亲水能力由差到强）电泳（黏土颗粒往阳极运动）和电渗（水渗向阴极）

结晶水；结合水（强；弱）；自由水（毛细水；重力水）

毛细水上升高度：

毛细升高与孔径成反比 假粘聚力

三相草图：V V v V s V a V w m s m w m a m （土的密度试验；土粒比重试验；土的含水量试验）

土的密度ρ、土粒比重G s 、土的含水量w （水的质量与土粒质量之比）、孔隙比e 、孔隙率(孔隙度)n 、饱和度S r （水的体积与孔隙体积的比值）、天然密度or 天然重度、干密度or 干重度、饱和密度or 饱和重度、浮重度

密实度（粗粒土的松密程度）：相对密度

max max min r e e D e e -=-（D r = 0 最松状态；D r ≤ 1/3 疏松状态；1/3 2/3 密实状态；D r = 1 最密状态）

稠度（黏性土的软硬状态）：塑限w p 、液限w L 、液性指数p

L L p w w I w w -=-（I L ≤0坚硬(半固

态)；0< I L ≤0.25 硬塑；0.25 < I L ≤ 0.75 可塑；0.75 < I L ≤ 1软塑；I L >1 流塑）、塑性指数

p L p I w w =-、活性指数

0.002p

I A p = 粗粒土：单粒结构（重力）

细粒土：分散结构（淡水沉积）；絮凝结构（海水沉积）

灵敏度S （原状土无侧限：重塑土无侧限）；触变性（静置强度恢复）

工程分类：粉土；粘性土I p >10（粉质粘土10~17；黏土>17）

室内标准击实试验（仅适用于细粒土；对粗粒土，可用较大尺寸的击实仪，用相对密度控制）----最大干密度ρdmax ；最优含水量W op 含水量 Wop ：水膜润滑作用不再明显增加；封闭气泡难以排出；水的相对含量增

加，分散结构

压实度：

100% c

d max

D

ρ

=⨯

填土的干密度

室内标准击实试验的

§2土的渗透性和渗流问题（达西定律）

位置水头；压力水头；测管水头；总水头（水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失）渗流：连续性方程、能量方程、动量方程

达西定律：

Q

v k i

A

==⋅

，在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正

比，并与土的性质有关（不适用于：紊流；致密黏土）

渗透系数k：反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s, m/s, m/day

渗透流速v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度s v

v v

n <=

测定方法：室内—常水头试验法

VL

k

A ht

=

∆（砂性土）；变水头试验法

1

2

ln

h

aL

k

A t h

∆

=

∆∆（黏

性土）

野外—井孔抽水试验

21

22

21

ln(/)

r r

Q

k

h h

π

=

-；井孔注水试验

k的影响因素：土（粒径大小及级配；孔隙比；矿物成分：高岭石>伊里石>蒙脱石；结构：水平>垂直，凝聚结构>分散结构；饱和度）；水（温度—粘滞性）

层状地基的水平等效渗透系数：

1

x j j k k H

H

=∑

层状地基的垂直等效渗透系数：

z

j

j

H

k

H

k

=

∑

广义达西定律：渗透系数矩阵（渗透主轴方向）；各向同性土，渗透流速和渗透坡降的

渗流的连续性方程：

z0

z

x

v v

x

∂∂

+=

∂∂；运动方程：

22

z

z

x

h h

k k

x

∂∂

+=

∂∂；边界条件：水头边界

条件；流速边界条件；渗出面；自由水面

分析方法：数学解析法或近似解析法；数值解法；电比拟试验法；流网法

势函数：等势面是等水头面；两条等势面的势值差同其水头差成正比

流函数：流线互不相交，在同一条流线上，流函数的值为一常数；两条流线流函数的差值等于其间通过的流量

渗透力j（方向与渗流方向一致，体积力）：单位体积土体内土骨架所受到的渗透水流的推动和拖曳力。j=γw i

临界水力坡降：

1

1

s

cr

G

i

e

-

=

+（土性）

渗透变形：流土（任何类型的土）：i=i cr。工程设计：

[]cr

s

i i i

F ≤=

管涌（一定级配的无黏性土。内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙。外因：渗透力足够大）：几何条件（颗粒级配）；水利条件（管涌临界水力坡降）防治措施：流土：减小i：上游延长渗径，下游减小水压；增大[i]：下游增加透水，盖重。

管涌：改善几何条件：设反滤层；改善水利条件：减小渗透坡降。

§3土体中的应力计算（有效应力原理）

应力正负号规定

地基中的应力状态：一般应力状态，三维应力状态；平面应变状态，侧限应力状态（侧