土的三相性
传统定义认为：“土是坚硬岩石经过破坏、搬运和沉积等一系列作用和变化后形成的，它是第四纪以来地壳表层最新的、未胶结成岩的松散堆积物。”土是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成的，是一个多相、分散、多孔的系统，一般为三相体系，即固态相、液态相与气态相，有时是二相的（干燥或饱水）。
三相组成物质中，固体部分（土颗粒）一般由矿物质组成，有时含有机质（腐植质及动物残骸等），其构成土的骨架主体，是最稳定、变化最小的部分。液体部分实际上是化学溶液而不是纯水。水和水溶液对地下结构的腐蚀性显然是不同的，水是中性的，而水溶液可呈酸性或碱性。水溶液的酸性对基础混凝土具有腐蚀性；水溶液的碱性对钢筋有破坏作用。因此，土中的液相应表述为水溶液。三相之间的相互作用，固体相一般居主导地位，而且还不同程度地限制水和气体的作用如不同大小土粒与水相互作用，水可呈不同类型。从本质上讲，土的工程地质特性主要取决于组成的土粒大小和矿物类型，即土的颗粒级配与矿物成分，水和气体一般是通过其起作用的。当然，土中液体相部分对土的性质影响也较大，尤其是细粒土，土粒与水相互作用可形成一系列特殊的物理性质。土中水和气体是土的基本组成部分，随外界条件的变化，二者比例相继变化，使土的状态和性质也发生改变，土中水对土的性质影响较为显著，气体则不太明显。
综上所述，土是由固体颗粒、水溶液和气体所组成的三相体系。由岩屑、矿物和有机质等组成的固体颗粒组成空问骨架，骨架中间有孔隙，孔隙中充填有水溶液和气体。三相的成分、它们之问在体积和质量上的比例关系，决定了土的物理性质，如干湿、轻重、松紧和软硬等；而土的物理性质在很大程度上又决定着土的力学性质，如土的抗剪强度、土的临塑荷载、极限荷载及地基土的承载力等。因此，土的三相性和三相指标具有重要的土力学意义，必须准确把握。
一、固体颗粒
自然界中土的颗粒大小十分不均匀，性质各异。土颗粒大小，通常以其直径大小表示，简称粒径，单位为mm ；土粒并非理想的球体。通常为椭球状、针片状、棱角状等不规则形状，因此粒径只是一个相对的、近似的概念。应理解为土粒的等效粒径。土粒大小变化范围极大，大者可达数千毫米以上，小者可小于万分之一毫米，随着粒径的变化，土粒的成分和性质也逐渐发生变化。
土的粒组划分方案
土的颗粒级配是决定土工程性质的物质组成和主要的结构标志，因此，土的颗粒级配是土分类的主要标志之一。工程上将土中粒径>0.075mm 的质量超过全部质量的50%
称为粗粒土，小于50%的称为细粒土，具体的分类命名，各部门有所不同，如《岩土工程勘察规范》中的分类法，将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土；将粒径＞2mm 的质量小于50％而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土，砂土由粗到细还可细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂；将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。碎石土、砂土和粉土又称为无粘性土。
膨润土SEM （Scanning electron microscope）照片
土的固体相部分是由各种矿物颗粒或矿物集合体组成的，不同矿物成分的性质是有差别的，因此由不同矿物组成的土的性质也是不同的。土的矿物成分可分为原生矿物、次生矿物和有机质三大类。
原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。原生矿物主要有石英、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石、石榴石等，其中尤以石英、长石、云母最为常见。原生矿物颗粒一般都较粗大，它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。
次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。次生矿物又可分为两种类型，一种是原生矿物中部分可溶性物质被水溶滤后带到其他地方沉淀下来所形成的可溶性次生矿物；另一种是原生矿物中的可溶部分被溶滤带走后，残留下来的部分改变了原来矿物的成分与结构，形成了新的不可溶性次生矿物。
可溶性次生矿物又叫水溶盐，按其在水中的溶解度又分为易溶盐、中溶盐和难溶盐三类。常见的易溶盐有岩盐(NaCl)、钾盐(KCl)、芒硝(Na2SO4·10H2O)和苏打(NaHCO3)等；常见的中溶盐是石膏(CaSO4·2H2O)；常见的难溶盐有方解石(CaCO3)和白云石(CaCO3·MgCO3)，难溶的方解石在地壳上分布最广。当土中含水少时，这些次生矿物结晶沉淀，在土中起胶结作用，可暂时提高土的力学强度；当含水较多且盐分遇水溶解后，土的联结随之破坏，可使土的性质急剧变差。因此，土中含有一定数量的水溶盐时，
土的性质随矿物的结晶或溶解会发生很大变化，尤其是易溶盐和中溶盐，是土中的有害成分，许多水溶盐溶于水后对金属和混凝土有腐蚀侵蚀性。一些工程设计规范对水溶盐，特别是易溶盐含量有一定的限制。
不可溶性次生矿物有次生二氧化硅、倍半氧化物和粘土矿物。次生二氧化硅是由硅酸盐、长石等风化后形成的次生矿物，一般是含水的二氧化硅(SiO2·nH2O)、燧石、玛瑙、蛋白石等都属于此类矿物，其颗粒细小，在水中呈凝胶状态。倍半氧化物是由三价的Fe、Al和O、OH、H2O等组成的次生矿物，用R2O3表示，最常见的矿物有针铁矿(Fe2O3)，红色；褐铁矿(Fe2O3·3H2O)，黄色；铝矾土(Al2O3·nH2O )等，大多呈胶体状，颗粒极细小，具较强的亲水性。粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。粘土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化作用而形成。粘土矿物大多具有云母片状的结晶格架，这种层状结晶格架由硅氧四面体与铝氧八面体两个基本
两种。完全分解的腐植质，呈胶粒，亲水性极强，与水的相互作用比粘粒更强，据研究，土中含量为1%的腐植质相当于含量为1.5%的粘粒作用。有机残余物在湿度大和空气难以透入的条件下形成泥炭，性质很差。有机质是土中有害的矿物成分，腐植质含量在1.5～2%以上称为淤泥类土，压缩性极高，强度很低，属特殊土类，新近的土的分类方
案将有机质含量Q>5%的土称为有机质土。
从漂石粒到粘粒，随着颗粒变小，土的矿物成分逐渐有规律性地发生变化。土中常见的矿物成分和颗粒大小存在着一定的关系：粒径大于0.075mm的各粒组，均由原生矿物所构成，其中漂石粒、卵石粒、砾粒，其粒径往往大于矿物颗粒，多数是由母岩碎屑构成，仍保持了母岩具有的多矿物结构，有时也是单矿物，砂粒与原生矿物颗粒大小近似，往往是由单矿物组成，以石英最为常见，次为长石与云母，有时有少量暗色矿物。粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成，其中以抗风化能力很强的石英为主，其次为高岭石及难溶盐，在黄土中，有时为白云石和方解石。粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成，有时也含难溶盐，其中粘土矿物是最常见的矿物。
二、土中液体
天然状态的土一般都含有水，水常以不同的形式和状态存在于土中，并与土粒相互作用着，这是影响土的性质的主要因素。按土中水的存在形式、状态、活动性及其与土的相互作用将土中水划分为矿物成分水、结合水、液态水、气态水、固态水等类型。
(一)矿物成分水
矿物成分水存在于矿物结晶格架的内部又称矿物内部结合水。按其与结晶格架结合的牢固程度不同，又分为结构水、结晶水和沸石水。结构水是以H+和OH-离子的形式存在于矿物结晶格架的固定位置上，粘土矿物中铝氧八面体中的OH-就是结构水。结晶水是水以分子形式和一定的数量存在于矿物结晶格架的固定位置上，如石膏(CaSO4·2H2O)中的H2O就是结晶水。
(二) 孔隙中的水
孔隙中的水即存在于土粒间孔隙中的水，可分为结合水、液态水、气态水和固态水。
1.结合水
由于细小的土粒表面带电，而水又是极性水分子(一端类似阴极，另一端类似阳极，形成所谓的“偶极体”)，在土粒表面静电引力作用下而被吸附的水称为结合水，又叫
土粒表面结合水或物理结合水。土粒的静电引力强度是随着离开土粒表面的距离增大而逐渐减弱，靠近土粒表面的水分子，受到土粒的强烈吸引(可达1000—2000MPa)，而失去活动能力，整齐地排列起来，这部分水称为强结合水，又叫吸着水。而距离土粒表面稍远的水分子(强结合水的外缘)，受到土粒的吸引力减弱，有部分活动能力，排列疏松不整齐，这部分水叫弱结合水，又叫薄膜水。结合水不同于其它类型的水，它不受重力影响，密度较大(强结合水1.6—2.4g/cm3，弱结合水1.3—1.74g/cm3)，有粘滞性和一定的抗剪强度。强结合水在常温下不能移动，性质类似于固体颗粒，弱结合水可以从水膜厚处缓慢地向水膜薄处移动，粘性土的很多特性如可塑性与胀缩性等都是由于土中弱结合水的特性而表现出来的。
2.液态水
距土粒表面较远的水分子，几乎不受或者完全不受土粒表面静电引力的影响，主要受重力或毛细压力作用的控制，能传递静水压力和能溶解盐分，在温度0℃左右冻结成冰。液态水可分为重力水和毛细水。毛细水是由于毛细作用保持在土的毛细孔隙中的地下水，它分布在结合水的外围，虽然水分子不能被土粒表面直接吸引住，但仍受土粒表面的静电引力的影响，特别是在固、液、气三相交界弯液面的附近(地下水面以上附近)，这种影响尤甚。这种情况下，土粒的分子引力(浸湿力)和水与空气界面的表面张力(毛细力)共同作用而形成毛细水。毛细水对土性质的影响，主要是毛细力常使砂类土产生微弱的毛细水连结。毛细水上升至地表时不仅引起沼泽化、盐渍化，而且使地基、路基浸蚀，降低土的力学强度。重力水存在于较大孔隙中，具有自由活动的能力，在重力作用下产生流动，为普通液态水，重力水流动时，产生动水压力，能冲刷带走土中的细小土粒，这种作用常称为机械潜蚀作用如管涌，流土等；重力水还能溶滤土中的水溶盐，这种作用称为化学潜蚀作用。潜蚀作用都将使土的孔隙增大，增大压缩性，降低土的抗剪强度；同时，地下水面以下饱水的土，受重力水浮力作用，土粒及土的重量相对减小。
3.气态水与固态水
气态水以水气状态存在于土孔隙中，一般情况对土的性质影响不大，且含量相对较少。
当温度降低至0℃以下时，土中水主要是重力水冻结成固态水(冰)，固态水常以冰夹层、冰透镜体和细小冰晶等形式存在于土中，在土中起暂时胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。但冰融时，土的结构变疏松，强度降低，压缩性增大，土的性质显著恶化。
上述几种类型的水中，对土的性质影响较大的主要是弱结合水和重力水，其次是固态水。
三、气体成分
土中气体主要为空气与水气，一般与大气连通，处于动平衡状态，对土的性质影响不大。少数情况下土中存在封闭气体时对土的性质有一定的影响，主要表现在透水不畅，加固土时不易使土压实等。另外封闭气体的突然逸出可造成意外的沉陷。但最近有资料显示，气体成分在爆炸力和地震作用下，有其特殊性质。不过，土中气体对土性质的影响不如固体颗粒与土孔隙中的水。
四、三相间相互作用
土粒与水的相互作用是研究固体颗粒与孔隙溶液相互作用后产生的一系列性质。巨粒、粗粒以及粉粒由于它们的颗粒比较粗大，比表面积小，表面能小，因而与孔隙溶液作用后，对土的性质影响较小。对于粘粒来讲，由于其颗粒细小，比表面积大，比表能大，是土中活动的部分，与孔隙溶液相互作用后可表现出一系列界面现象，如颗粒表面的双电层、离子交换、粘粒的聚沉与稳定等，对土的性质影响较大。
在饱水状态下，作为分散体系的土，固体相的土粒构成分散体系中的分散相，液体相的水溶液构成分散介质。不同大小土粒在分散体系中的分散程度通常用比表面积来表示，比表面积就是每立方厘米或每克的分散相所具有的表面积(平方厘米)，即单位体积
或单位质量固体颗粒表面积的总和。假设土粒呈球形，d 为其直径，则比表面积S 为： d d
d
S 661
32===ππ土粒的体积土粒表面积
粘粒具有较大的比表面积，与孔隙溶液相互作用时，在其表面形成双电层，粘粒双电层是粘粒表面所带电荷与其吸附的反离子所构成。双电层厚度及其性质的变化将导致粘性土工程性质的变化。
由于粘粒表面带电，在其静电引力的作用下，吸附溶液中与它电荷符号相反的离子聚集在其周围形成反离子层。在反离子层中的离子实际上是水化离子。自然界中不存在纯水，都是含有离子成分的水溶液，故粘粒周围的水化膜包含着起主导作用的离子和作为主体的水分子。从起主导作用的离子着眼，称这层为反离子层；如果从作为主体的水分子着眼，则称该层为结合水层。
????????扩散层固定层外层反离子层内层决定电位离子层
双电层)()(
双电层结构示意图
当热力电位是某一定值时，溶液中任何一种离子，无论是反号离子还是同号离子(与颗粒表面电荷符号相同的离子)，对电动电位都有影响，特别是反号离子尤甚。在其它条件不变的情况下，反号离子由原来的一价变为二价时，由于带电粘粒对单个离子的吸引力加大了一倍，反号离子更接近粘粒表面，使电动电位降低较快，扩散层厚度变小，所以扩散层中电价高的离子较电价低的离子的扩散层厚度要薄。另外相同电价的离子，随着离子半径的增大，扩散层厚度变薄，这种规律是由于同价离子半径小者水化程度高，在其周围吸附较厚的水分子层，总的半径较大，使扩散层变厚，水化程度低的离子(半
径较大)则形成较薄的扩散层。
当溶液中反号离子的浓度增加，对扩散层中的反号离子起着排斥作用，结果使扩散层中的离子被迫进入固定层中，使扩散层变薄，这是因为固定层中的反号离子的增多，有效地补偿了粘粒表面电荷，使热力电位在固定层中迅速下降，电动电位也降低，故扩散层厚度变薄。
溶液的pH值决定着粘粒矿物表面分子的离解方式，从而决定粘粒表面所带电荷的符号、数量和热力电位的大小，也就影响到扩散层的厚度。对次生SiO2，溶液的pH值越大，其离解程度越高，则扩散层厚度就越大，反之亦然。对倍半氧化物与粘土矿物，溶液的pH值不仅决定着双电层的厚度，还决定着粘粒表面带电性质。一般情况下，溶液的pH值与粘粒矿物的
五、土三相性在工程中的应用
1、爆炸荷载作用下三相饱和土中气体运动
在显微镜下观察可以发现饱和土中气体主要是以气泡的形式存在的，饱和土中气泡的半径分布一般在0．001～0．05cm之问，平均半径约为0．01cm，在气体体积含量为几个百分点时，每立方厘米饱和土中气泡的数量有万个左右，因此饱和土可以认为是一种均匀细散的介质。气泡被周围介质包裹着，有爆炸波通过时，气泡与周围介质之间会产生相互作用。首先，气泡半径非常小，可能台使得气泡表面张力的作用变得明显；再者，气泡内气体与周围介质压缩性的巨大差异必然会引起气泡局部的径向压缩与膨胀运动，相应地周围介质产生压缩与拉伸波，此时气泡及其附近区域可以近似为一个有阻尼效应的单自由度体系，考虑到气泡的空间尺寸非常小，气泡运动的自振频率非常高，这样气泡总的运动就相当于在气泡的整体运动过程中叠加了一个高频运动，高频运动与气泡的空间尺寸关系有关；此外，液固两相运动的粘滞作用也会对气泡的局部运动产生影响，牯性系数越大，气泡的局部运动就越小。爆炸荷载作用下，饱和土介质中气体的运动主要是由气泡周围介质的粘性和气体本身的压缩规律所控制，气泡的表面张力、气
泡周围介质的压缩性和气泡局部膨胀压缩过程中的惯性对气体的运动影响很小，可以忽略不计。
2、地震危险区短临跟踪的一种有效观测手段
地下岩土气体是指以分子形式储存、运移、活动在地下岩、土层中的自由气体。这些气体埋藏在区域潜水面以上岩、土层中的裂隙或空隙里，大多呈自由状态存在，一部分以吸附状态存在于岩土颗粒表面。岩、土气体储存的介质是各类岩石和各种土层；岩、土气体运移活动的空间主要是岩石和土层中的空隙与裂隙。地壳表层的岩土气体经常与大气进行交换，在无外力和外来因素影响下。岩土层气体一般处于一种动态平衡中。它包括三部分气体：(1)土壤气；(2)土层气；(3)断层气。为了加强新疆地震重点危险区的短临跟踪工作，经过1年多资料收集和可行性试验研究，从2001年开始，新疆地震局先后在乌什、喀什、沙湾、石场、呼图壁、精河等地布设了12个地下岩土气体C02观测点。初步观测结果分析发现，在近场中强地震前，岩土气体C02含量会出现不同程度的短临高值异常变化，这在一定程度上表明，地下岩土气体032观测可能是一种行之有效的短临跟踪手段。
结语
土的三相性作为土力学及工程荷载中的基本理论，在工程中有着广泛的应用，而且在今后广泛的工程实践中有着巨大的开发潜力。鉴于现有知识的局限性，我们只能够做到这一步了，剩下的大量工作只能有待于以后继续学习和从事相关方面的研究了。
第四章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概述 土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。 渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。 水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。 此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力渗透变形等问题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透规律——达西定律 (一)渗流中的总水头与水力坡降 液体流动的连续性原理：（方程式） dw v dw v w w ??=2 211 2211v w v w = 1 221w w v v = 表明：通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的；或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。 前提：流体是连续介质 流体是不可压缩的； 流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。） c g v r p Z =++22 饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。 水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 按照伯努利方程，液流中一点的总水头h ，可以用位置水头Z ，压力水头U/r w 和流速水
第四章排土 第六百三十一条排土场位置的选择，应保证排弃土岩时，不致因大块滚落、滑坡、塌方等威胁采场、工业广场、居民区、铁路、公路、农田和水域的安全。 排土场位置选定后，应进行地质测绘和工程、水文地质勘探，以确定排土参数。 第六百三十二条排土场周围应修筑可靠的截泥、防洪和排水设施。当排土场范围内有出水点时，必须在排土之前用盲沟等方法将水疏出。排土场应保持平整，不应有积水。 高台阶、多台阶排土场应在最下层排弃中硬以上岩石，必要时应清理基底。 第六百三十三条铁路排土线路必须符合下列要求： （一）路基面必须向场地内侧按段高形成反坡。 （二）排土线必须设置移动停车位置标志和停车标志。 第六百三十四条列车在排土线上运行和卸车应遵守下列规定： （一）列车进入排土线后，由排土人员指挥列车运行。机械排土线的列车运行速度不得超过20km／h；人工排土线不得超过15km／h；接近路端时，不得超过5km／h。 （二）严禁运行中卸土。 （三）新移设线路后，首次列车严禁牵引进入。 （四）翻车时必须2人操作，操作人员应位于车箱内侧。 （五）清扫自翻车应采用机械化作业，人工清扫时必须有安全措施。 （六）卸车完毕，必须在排土人员发出出车信号后，列车方可驶出排土线。 第六百三十五条推土犁排土时，推土的运行速度不得超过20km／h；接近路端时，速度不得超过5km／h。 第六百三十六条单斗挖掘机排土时，应遵守下列规定： （一）受土坑的坡面角不得大于70°，严禁超挖。 （二）挖掘机至站立台阶坡顶线的安全距离应符合下列要求： 1.台阶高度10m以下为6m； 2.台阶高度11～15m为8m； 3.台阶高度16～20m为11m； 4.台阶高度超过20m时应制定安全措施。 第六百三十七条排土机排土必须遵守下列规定： （一）排土机必须在稳定的平盘上作业，外侧履带与台阶坡顶线之间必须保持一定的安全距离。 （二）工作场地和行走道路的坡度必须符合排土机的技术要求。 （三）排土机长距离走行时，受料臂、排料臂应与走行方向成一直线，并将其吊起、固定；配重小车在前靠近回转中心一端，到位后用销子固定；严禁上坡转弯。 第六百三十八条排土场卸载区应有通信设施或联络信号，夜间应有照明。 第六百三十九条汽车运输排土场及排弃作业应遵守下列规定： （一）排土场卸载区，应有连续的安全墙，其高度不得低于轮胎直径的2/5，特殊情况下必须制定安全措施。 （二）排土工作面向坡顶线方向应有3%～5%的反坡。 （三）应按规定顺序排弃土岩，在同一地段进行卸车和推土作业时，设备之间必须保持足够的安全距离。 （四）卸土时，汽车应垂直排土工作线；严禁高速倒车、冲撞安全墙。 （五）推土时，严禁推土机沿平行坡顶线方向推土。 第六百四十条当出现滑坡征兆或其他危险时，必须停止排土作业，制定安全措施。
土的本构关系 土体是天然地质材料的历史产物。土是一种复杂的多孔材料,在受到外界荷载作用后,其变形具有以下特性：①土体的变形具有明显的非线性,如:土体的压缩试验e～p 曲线、三轴剪切试验的应力—应变关系曲线、现场承载板试验所得的p～s曲线等; ②土体在剪切应力作用下会产生塑性应变,同时球应力也引起塑性应变; ③土体尤其是软粘土,具有十分明显的流变特性; ④由于土体的构造或沉积等原因,使土具有各向异性; ⑤紧砂、超固结粘土等在受剪后都表现出应变软化的特性; ⑥土体的变形与应力路径有关,证明不同的加载路径会出现较大的差别; ⑦剪胀性等。为了更好地描述土体的真实力学—变形特性,建立其应力、应变和时间的关系, 在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型,即: 土体的本构关系。 自从Roscoe等人首次建立了剑桥模型以来, 土的本构关系的研究经历了一个蓬勃发展的 阶段, 出现了一些具有实用价值的本构模型。虽然很多的理论为建立土的本构关系提供了有力的工具, 但是由于土是一种三相体材料, 在性质上既不同于固体也不同于液体, 是介于两者 之间的特殊材料, 所以人们常借助于固体力学或流体力学理论, 同时结合工程实践经验来解 决土工问题, 从而研究土的本构关系形成了自己一套独特的方法—半理论半经验的方法。建立一个成功的本构关系关键有两点：第一要建立一个函数能较好地反映土在受力下的响应特征；第二要充分利用试验结果提供的数据比较容易地确定模型参数。模型都需要满足以下基本条件：（1）不违背更高一级的基本物理原理（如热力学第一、第二定律）。（2）建立在一定的力学理论基础之上（如弹性理论、塑性理论等）。（3）模型参数能够通过常规试验求取。从工程应用的角度出发，研究问题的精度就需要进行合理的控制，从而在计算精度与计算设备、计算难度、计算时间以及计算成本之间获得平衡。另外，任何理论、方法都应以实践应用为目的，这样才具有价值。综合上述两点，从工程应用的角度去分析各种土的本构关系是非常有必要的。本构关系是反映材料的力学性状的数学表达式，表示形式一般为应力-应变-强度-时间的关系。土的本构关系十分复杂，除受时间因素影响外，还受温度、湿度等因素影响。时间作为一个主要因素，主要是反映土的流变特性且在大多数情况下可以忽略其影响。同时，强度可以视为土体应力-应变发展的一个特殊阶段，即在发生很小的应力增量下，土体单元将发生无限大的变形。 对于一般的岩土工程问题，稳定问题是主要问题，如地基稳定问题、斜坡稳定问题等，一般采用极限平衡法对土体进行分析。这种分析不考虑土体破坏前的变形过程及变形量，只关心土体处于最后整体滑动时的状态及条件，实际上是刚塑性或理想塑性的理论。20 世纪50 年代末到60 年代初，由于高重土工构筑物、高层建筑以及许多大型建筑物的兴建，使土体变形问题成为主要矛盾。此外，随着计算手段、试验手段的提高，也极大地促进了本构关系的发展。 土的线弹性模型：经典土力学将土体视为理想弹性体,在进行变形计算时采用基于广义虎克定律的线性弹性模型,假定土体的应力和应变关系成正比,通过测定土在不排水条件下的弹性 模量E和泊松比μ,或者体积变形模量K和剪切模量G来描述其应力—应变关系。土的线弹性模型简单,适用于不排水、安全系数较大、土体不发生屈服的情况,工程中可用于:①计算地基中的垂直应力分布; ②计算地基在不排水加荷情况下的位移和沉降; ③基坑开挖问题计算,用于估计基坑在不排水条件下的侧向压力与侧向位移; ④计算软粘土地基在加荷不排水条件下的沉 降和孔隙水压力。 土的非线弹性模型：土体在外荷载作用下一般都要发生屈服,其应力—应变关系具有非线性,土体发生的变形既有弹性变形又有塑性变形,土的非线弹性模型可以较好地描述其变形特性。土的非线弹性模型理论可以分为三类:弹性模型、超弹性(Hyper Elastic)模型(又称Green超弹性模型)和次弹性(Hypo Elastic) 模型。其中影响最大、最具有代表性的主要是邓肯一张
******有限公司 科技发展项目建议书 项目名称：排土场稳定性分析及监测治理综合技术研究项目类别：（采矿√、选矿、冶炼、化工、加工、其他）项目单位（公章）：**************** ：**************** 项目单位负责人：***** 项目负责人：****** 申报日期：2015年 12月04日 ****************有限公司制
一、项目的必要性： 矿山工业的迅速发展与征地之间的矛盾，使得矿山排土技术强调运距短、少占土地，在露天开采境界外就近排土，从而导致露天排土场岩土量大而集中。由于排土场由松散的剥离物组成，稳定性差，季节性灾害比较明显，排土工程一直是露天矿生产的薄弱环节。因此，合理规划排土工程，科学管理排土场所，不仅是保证全面完成矿山生产任务的必须手段，而且对社会和生态平衡也有着十分重要的意义。 ****************严格按照有关标准、规范、规程要求，完成了****************索尔库都克铜矿（以下简称索矿）排土场初步设计，索矿排土场设计采用多台阶排土，底部标高740m，顶部标高830m，最终排土高度90m。排土场每一台阶排弃坡度为35°，最终堆积边坡角28°，台阶高度15m；排土场投入使用后，一直十分稳定，足见设计的合理性。因矿区地处戈壁，遍布矿区的第四系风成沙、残坡、洪积层和第三系乌伦古河组卵砾石孔隙发育；近年来，因北疆地区雨雪较多，第四系表土接受大气降水的渗入补给，随着雨水入渗使得岩土体的抗剪强度降低或软化；水入渗导致的渗流作用也使排土场岩体的下滑力增加，两者的相互作用导致索矿排土场发生了几次小规模的滑坡现象。 排土场内部滑移破坏裂隙（拍摄于2015年6月） 排土场西侧地基破坏（拍摄于2015年9月） 实践表明，当排土场坐落于软弱地层上时，由于地基受排土场荷载压力而产生的滑坡和底鼓，然后牵动排土场滑坡，这类牵引式滑
《土力学》第三章习题集及详细解答 第3章土的渗透性及渗流 一、填空题 1.土体具有被液体透过的性质称为土的。 2.影响渗透系数的主要因素有：、、、、、 。 3.一般来讲，室内渗透试验有两种，即和。 4.渗流破坏主要有和两种基本形式。 5.达西定律只适用于的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的。 二选择题 1.反应土透水性质的指标是（）。 A.不均匀系数 B.相对密实度 C.压缩系数 D.渗透系数 2.下列有关流土与管涌的概念，正确的说法是（）。 A．发生流土时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流 B.流土多发生在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中 C.流土属突发性破坏，管涌属渐进式破坏 D.流土属渗流破坏，管涌不属渗流破坏 3.土透水性的强弱可用土的哪一项指标来反映？（）
A.压缩系数 B.固结系数 C.压缩模量 D.渗透系数 4.发生在地基中的下列现象，哪一种不属于渗透变形？（） A.坑底隆起 B.流土 C.砂沸 D.流砂 5.下属关于渗流力的描述不正确的是（）。 A.其数值与水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致 B.是一种体积力，其量纲与重度的量纲相同 C.流网中等势线越密集的区域，其渗流力也越大 D.渗流力的存在对土体稳定总是不利的 6.下列哪一种土样更容易发生流砂？（） A.砂砾或粗砂 B.细砂或粉砂 C.粉质黏土 D.黏土 7.成层土水平方向的等效渗透系数与垂直方向的等效渗透系数的关系是（）。 A.> B.= C.< 8. 在渗流场中某点的渗流力（）。 A.随水力梯度增加而增加 B.随水利力梯度增加而减少 C.与水力梯度无关 9.评价下列说法的正误。（） ①土的渗透系数越大，土的透水性也越大，土的水力梯度也越大； ②任何一种土，只要水力梯度足够大，就有可能发生流土和管涌； ③土中任一点渗流力的大小取决于该点孔隙水总水头的大小； ④渗流力的大小不仅取决于水力梯度，还与其方向有关。 A.①对 B.②对 C.③和④对 D.全不对 10.下列描述正确的是（）。
矿山排土场安全稳定性及预防措施的探讨 【摘要】矿山设置的排土场是指矿山采矿排弃物集中排放的场所，排土场的安全稳定性是保证矿山持续发展、合理组织生产、确保矿山生产安全的重要组成部分。随着矿产资源开发的规模不断扩大，矿山排土场安全稳定性问题正在日益的突出，直接制约着矿山的安全，是影响矿山经济效益的重要因素之一。该如何对矿山排土场安全稳定性进行科学分析，并制定合理的预防措施，是采矿工程技术人员应该认真面对的课题。 【摘要】排土场安全稳定性影响因素措施 排土工程是矿山生产的重要环节，据有关数据显示，矿山在开采的过程中仅排土的费用，就占到开采总费用的15%-20%。同时多数排土场没经过精心设计、排土作业不规范、段高过高、排土场的地基没有按设计处理以及疏于管理，都为排土场的安全稳定性留下了隐患。 1 影响排土场安全稳定性的因素 1.1 废石物料的特点 在排土场排放的物质主要是剥离出的覆盖岩土、围岩和目前尚无利用价值的矿石及开采损失的矿石，也称废石或岩石。它们颗粒大小不一，成分复杂不均匀，无任何分选并非常松散[2]。这就为滑坡等地质灾害提供了必要的物质来源。 1.2 排土场场地 排土场场地是影响排土场安全的重要因素之一，其地貌多呈不规则的形状，大多分布于山地、丘陵和河谷附近[1]。如果排土场场址选得好，第四系表土厚度不大、密实或基岩裸露地形地貌好，这样排土场场地安全稳定性就相对高；反之第四系表土厚度大、很松散并地形地貌不良，这样排土场场地安全稳定性就相对差。表层软土也易构成排土场滑坡的部分滑动面，为排土场滑坡留下了安全隐患。 1.3 排土场作业 排土场作业过程中经常发生以下情况：运输车行驶速度太快、作业方式不合理；排土推进速度过快；排土阶段高度、总堆置高度、安全平台宽度、总边坡角、相邻阶段同时作业超前堆置高度等参数不满足设计要求；在排土场坡脚乱踩乱挖，翻拣矿石；排土卸载平台边缘未设置安全挡墙，顶部宽度和底部宽度过小；排土场基底坡度和台阶坡度小于其堆置物的最小安息角；排土场未保持反向坡。这些作业的不规范很可能是产生安全事故的诱因。 1.4 截流、防洪、排水设施
目录 第一章排土场工程地质条件分析研究..................... 错误!未定义书签。 概述............................................... 错误!未定义书签。 区域地质条件....................................... 错误!未定义书签。 地形地貌特征...................................... 错误!未定义书签。 排土场地基工程地质条件............................ 错误!未定义书签。 排土场水文地质特征............................... 错误!未定义书签。 场地土类型与地震动参数............................ 错误!未定义书签。 排土场区不良地质条件分析.......................... 错误!未定义书签。 研究依据 (10) 本章小节.......................................... 错误!未定义书签。第二章排土场渗流场分析研究........................... 错误!未定义书签。 概述.............................................. 错误!未定义书签。 排土场区水文地质特征............................. 错误!未定义书签。 地下水渗流场有限元分析原理......................... 错误!未定义书签。 渗流场边界条件处理............................... 错误!未定义书签。 渗流场计算结果及分析.............................. 错误!未定义书签。第三章排土场岩土物理力学性质试验..................... 错误!未定义书签。 概述............................................... 错误!未定义书签。 试验项目及工作量 (30) 排土场散体物料模拟 (30) 地基岩层物理力学性质试验........................... 错误!未定义书签。 散体物理力学性质试验............................... 错误!未定义书签。第四章排土场基底承载力及单台阶极限高度分析........... 错误!未定义书签。 概述............................................... 错误!未定义书签。 地基承载力分析..................................... 错误!未定义书签。
第二章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概 述 土是多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土体中两点之间存在能量差时，水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流；土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。 土的渗透性是土的重要力学性质之一。在水利工程中，许多问题都与土的渗透性有关。渗透问题的研究主要包括以下几个方面： 1．渗流量问题。 例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算（图2－la 、b ），基坑开挖时的渗水量及排水量计算（图2－1C ），以及水井的供水量估算（图2－1d ）等。渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。 2．渗透变形（或称渗透破坏）问题。 流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，这一作用力称为渗透力。当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。渗透变形问题直接关系到建筑物的安全，它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。 3．渗流控制问题。 当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制，这一工作称为渗流控制。 渗流会造成水量损失而降低工程效益；会引起土体渗透变形，从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。因此，研究土的渗透规律、对渗流进行有效的控制和利用，是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透定律—达西定律 （一）渗流中的总水头与水力坡降 液体流动除了要满足连续原理外，还必须要满足液流的能量方程，即伯努里方程。在饱和土体渗透水流的研究中，常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。水头是指单位重量水体所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一点的总水头h ，可用位置水头Z 、压力水头w u γ和流速水头g v 22 之和表示，即 1)-(2 22 g v u z h w ++=γ 式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，其量纲为长度。 对于流经土体中A 、B 二点渗流（图2－2），按照式（2－1），A 、B 两点的总水头可分别表示为： g v u z h g v u z h B w B B A w A A 22222 1++=++=γγ 且 h h h ?+=21
第三章：土的渗透特性及渗透稳定 土中水运动规律——土的渗透性。渗透：水透过土体孔隙的现象。渗透性：土允许水透过的性质称为土的渗透性。土石坝坝基坝身渗流、板桩围护下的基坑渗流、水井渗流、渠道渗流。 达西定律——水在土中的渗透速度与土的水力梯度成正比v=k·i （水力梯度i ，即沿渗流方向单位距离的水头损失） 密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 。达西定律适用于层流，不适用于紊流。 1.常水头试验——整个试验过程中水头保持不变。适用于透水性大（k>10-3cm/s ）的土，例如砂土。 hAt QL k At L h k kiAt vAt qt Q = ?==== 2.变水头试验——整个试验过程水头随时间变化。适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。 任一时刻t 的水头差为h ，经时段dt 后，细玻璃管中水位降落dh ，在时段dt 内流经试样的水量dQ=－a·dh 在时段dt 内流经试样的水量dQ=k.I.A.dt=k.A.h/L.dt 管内减少水量＝流经试样水量 －a.dh=k.A.h/L.dt 分离变量，积分 2 112ln )(h h t t A aL k -= 3.现场抽水试验——单一土层可以取样在室内测定，实际上土体都是成层的，有时室内测定结果很难代表现场实际，这时亦可采用现场测试方法确定k 值。根据井底土层的情况此井可分为完整井（井底位于不透水层）和非完整井（井底位于透水土层）两种类型；假设抽水孔钻至不透水层层面，属于完整井。钻孔——1个抽水孔，1～2个观测孔，开始抽水！ 在△t 时间内，抽水量为Q ，并在土中形成一个降落漏斗，假定在任一半径处，水头梯度为常数，即i=dh/dr ， 任一点的过水断面为2.π.r.h 。Q=k.i.A. △ t=k.(dh/dr).A. △ t=k.(dh/dr).(2.π.r.h). △ t 4.水平渗流层状地基的等效渗透系数 条件：L h i i j ?= = ∑=jx x q q ∑=j H H 等效渗透系数：H i k H v q x x x ??==， ∑∑∑==j j j j j jx H k i H i k q 即得：j j x H k H k ∑= 1 常水头 变水头 L h i = ?? ??????=?21 21 2h h r r dh h t k r dr Q π)(ln 212 21 2h h t k r r Q -????=?π1 2 2122ln )(r r h h t Q k ?-???= πQ 截面面积a
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。结构性软土具有结构强度。因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。研究的结果对在软土工程有着重要意义。（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。给出了压缩特性的微观行为，提出了作者自己的一些观点。（4）通过三轴的固结不排水和不固结不排水试验，研究了结构性软土在不同的围压下的应力－应变关系，应力路径对结构性软土的影响以及孔隙水压力的变化规律。（5）论文分别从制备土样、制备拍照样品、SEM图像的拍摄、数字图像处理等方面介绍了软粘土微观分析操作步骤。运用MATLAB对SEM图像的灰度直方图、图像阈值分割和边缘检测进行分析。探讨阈值分割和边缘检测算子对SEM图像的影响。介绍了IPP专业图像分析软件对SEM图像进行测量方法与技巧。（6）采用IPP软件分别对颗粒的面积、颗粒的平均形状系数和孔隙的面积、孔隙的平均形状系数、孔隙的个数、孔隙的等效直径、面孔隙比、面孔隙度、孔隙的圆度、孔隙的定向频率等方面分析了随荷载的变化规律。（7）考虑软土的结构性，引入损伤比概念，对邓肯－张模型进行修正。修正后的模型能够更好的反映结构性软土的应力－应变关系。探讨了结构性软土的应变软化和应变硬化的变化规律，从而得出不同的阶段有着不同的初始弹性模量和K、n值。（8）鉴于土结构的不确定性及其力学性状的非线性表现，采用BP神经网络模型建立结构性参数的非线性模型是一种可行的办法。研究了结构性参数与结构特征参数间的关系。结果表明孔隙总面积、孔隙平均孔径、孔隙圆度与结构性参数有较强的相关性，而孔隙分维数、颗粒总面积、颗粒平均孔径与之则较差。
一、排土场基底承载能力计算和台阶高度的确定 1、第一平盘台阶高度的确定 1 12180cot cot 104-??? ???-??? ? ?+=-ππ??γ?πC H 式中 H 1——排土场的堆置高度（m ）； C ——基底岩土的粘结力（Pa ）； φ——基底岩土的内摩擦角（°）； γ——排土场场料的容重（t/m 3）。 γ?=8.90.18 1 12180cot cot 104-? ?? ???-??? ? ?+=-ππ??γ?πC H 1 214.31808.2714.38.27cot 83.18.27cot 10002.7114.3104-??????-?? ? ?? ?+????=- =28.82m 根据GB50421-2007《有色金属矿山排土场设计规范》中的规定“多台阶排土基底第一级台阶高度易取10～25m ”，参考采矿手册中“第一台阶的高度以不超过20～25m 为宜，当基底为倾斜的砂质粘土时，第一台阶的高度不因大于15m ”，综合考虑取第一台阶的高度为10m 。 2、第二平盘台阶高度的确定 当第一台阶高度为10m 时，根据太沙基理论计算公式计算第二级台阶的允许极限高度。 q c r qN cN bN P ++=γ2 1 u 式中 u P ——地基极限承载力（kPa ）； r N 、c N 、q N ,——地基承载力系数，与土层内摩擦角φ有关，可根据下
表选取（Pa ）； c ——土的内聚力（kPa ）； γ、b ——地基的天然重度（kN/m 3）。 b ——基础宽度（m ）； q ——排土场底部平盘段高产生的垂直荷载（kPa ）； 根据地基基础工程规范中规定，应用太沙基极限承载能力计算式，当基础宽度b>6m 时，取b=6m ；当基础宽度b<3m 时，应取b=3m 。在该排土场基地承载能力计算中，上覆荷载作用宽度远远大于6m ，因此取b=6m 。 太沙基极限承载力系数 由基地土层内摩擦角08.27=?查表得：20=r N ，30=c N ，5.17=q N 平盘高度为25米时，排土场底部平盘段高产生的垂直荷载为500kPa. q c r qN cN bN P ++=γ21 u =5.17500302.712061.172 1 ?+?+??? =11912kPa 在上部荷载作用下，该排土场基地极限承载能力必须满足以下条件 K P P u 0>
第一章土的物质组成和结构 一、土和土体的概念 1．土(soil) 地球表面30－80km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体称为土。 土是由固体相、液相、气体三相物质组成；或土是由固体相、液体相、气体相和有机质（腐殖质）相四相物质组成。 不同的风化作用，形成不同性质的土。风化作用有下列三种：物理风化、化学风化、生物风化。 2．“土体”(soil mass) 土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定、变形有关的土层的组合体。 土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。 二、土和土体的形成和演变 地壳表面广泛分布着的土体是完整坚硬的岩石经过风化、剥蚀等外力作用而瓦解的碎块或矿物颗粒，再经水流、风力或重力作用、冰川作用搬运在适当的条件下沉积成各种类型的土体。 再搬运过程中，由于形成土的母岩成分的差异、颗粒大小、形态，矿物成分又进一步发生变化，并在搬运及沉积过程中由于分选作用形成在成分、结构、构造和性质上有规律的变化。 土体沉积后： a.将经过生物化学及物理化学变化，即成壤作用，形成土壤（1）靠近地表的土体 b. 未形成土壤的土，继续受到风化、剥蚀、侵蚀而再破碎、 再搬运、再沉积等地质作用。 （2）时代较老的土，在上覆沉积物的自重压力及地下水的作用下，经受成岩作用，逐渐固结成岩，强度增高，成为“母岩”。 总之，土体的形成和演化过程，就是土的性质和变化过程，由于不同的作用处于不同的作用阶段，土体就表现出不同的特点。
三、土的基本特征及主要成因类型 （一）土的基本特征 从工程地质观点分析，土有以下共同的基本特征： 1．土是自然历史的产物 土是由许多矿物自然结合而成的。它在一定的地质历史时期内，经过各种复杂的自然因素作用后形成各类土的形成时间、地点、环境以及方式不同，各种矿物在质量、数量和空间排列上都有一定的差异，其工程地质性质也就有所不同。 2．土是相系组合体 土是由三相（固、液、气）或四相（固、液、气、有机质）所组成的体系。相系组成之间的变化,将导致土的性质的改变。土的相系之间的质和量的变化是鉴别其工程地质性质的一个重要依据。它们存在着复杂的物理～化学作用。 3．土是分散体系 由二相或更多的相所构成的体系，其一相或一些相分散在另一相中，谓之分散体系。根据固相土粒的大小程度(分散程度)，土可分为①粗分散体系（大于2μ），②细分散体系，（2～0.1μ），③胶体体系（0.1～0.01μ），④分子体系（小于0.01μ）。分散体系的性质随着分散程度的变化而改变。 粗分散与细分散和胶体体系的差别很大。细分散体系与胶体具有许多共性，可将它们合在一起看成是土的细分散部分。土的细分散部分具有特殊的矿物成分，具有很高的分散性和比表面积，因而具有较大的表面能。 任何土类均储备有一定的能量，在砂土和粘土类土中其总能量系由内部储量与表面能量之和构成，即： E 总＝E 内 ＋E 表 4．土是多矿物组合体 在一般情况下，土将含有5～10种或更多的矿物，其中除原生矿物外，次生粘土矿物是主要成分。粘土矿物的粒径很小（小于0.002mm），遇水呈现出胶体化学特性。 （二）土体的主要成因类型 按形成土体的地质营力和沉积条件（沉积环境），可将土体划分为若干成因类型：如残积、坡积、洪积…… 现就介绍几种主要的成因类型、土体的性质成分及其工程地质特征。 1．残积土体的工程地质特征 残积土体是由基岩风化而成，未经搬运留于原地的土体。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中剧风化带。 残积土一般形成剥蚀平原 影响残积土工程地质特征因素主要是气候条件和母岩的岩性： 1）气候因素 从而使得不同气候条件不同地区的残积土具有特定的粒 度成分、矿物成分、化学成分。 ①干旱地区：以物理风化为主，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏粘土矿物，具有砾石类土和工程地质特征。 ②半干旱地区：在物理风化的基础上发生化学变化，使原生的硅酸盐矿物变成粘土矿物；但由于雨量稀少，蒸汽量大，故土中常含有较多的可溶盐类；如碳酸钙、硫酸钙等。 ③潮湿地区：a、在潮湿而温暖，排水条件良好的地区，由于有机质迅速腐烂，分解出CO2，有利于高岭石的形成。b、在潮湿温暖而排水条件差的地区，则往往形成蒙脱石。 可见：从干旱、半干旱地区至潮湿地区，土的颗粒组成由粗变细；土的类型从砾石类
第四章土的渗流性和渗流问题 一、填空题 1.当渗流方向向上，且水头梯度大于临界水头梯度时，会发生流砂现象。 2.渗透系数的数值等于水力梯度为1时，地下水的渗透速度越小，颗粒越粗的土，渗透系数数值越大。 3.土体具有被液体透过的性质称为土的渗透性或透水性。 4.一般来讲，室内渗透试验有两种，即常水头法和变水头法。 5.渗流破坏主要有流砂和管涌两种基本形式。 6.达西定律只适用于层流的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的渗 透系数。 7.出现流砂的水头梯度称临界水头梯度。 8.渗透力是一种体积力。它的大小和水力坡度成正比，作用方向与渗流 方向相一致。 二、名词解释 1.渗流力：水在土中流动时，单位体积土颗粒受到的渗流作用力。 2.流砂：土体在向上动水力作用下，有效应力为零时，颗粒发生悬浮、移动的现象。 3.水力梯度：土中两点的水头差与水流过的距离之比。为单位长度上的水头损失。 4.临界水力梯度：使土开始发生流砂现象的水力梯度。 三、选择题 1.流砂产生的条件为：（ D ） （A）渗流由上而下，动水力小于土的有效重度 （B）渗流由上而下，动水力大于土的有效重度 （C）渗流由下而上，动水力小于土的有效重度 （D）渗流由下而上，动水力大于土的有效重度 2.饱和重度为20kN/m3的砂土，在临界水头梯度I Cr时，动水力G D大小为：（ C ）（A）1 kN/m3（B）2 kN/m3 （C）10 kN/m3 （D）20 kN/m3 3.反应土透水性质的指标是（ D ）。 （A）不均匀系数（B）相对密实度（C）压缩系数（D）渗透系数4.下列有关流土与管涌的概念，正确的说法是（ C ）。 （A）发生流土时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流 （B）流土多发生在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中 （C）流土属突发性破坏，管涌属渐进式破坏 （D）流土属渗流破坏，管涌不属渗流破坏 5.土透水性的强弱可用土的哪一项指标来反映？（ D ） （A）压缩系数（B）固结系数（C）压缩模量（D）渗透系数6.发生在地基中的下列现象，哪一种不属于渗透变形？（ A ） （A）坑底隆起（B）流土（C）砂沸（D）流砂 7.下属关于渗流力的描述不正确的是（ D ）。 （A）其数值与水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致 （B）是一种体积力，其量纲与重度的量纲相同 （C）流网中等势线越密集的区域，其渗流力也越大 （D）渗流力的存在对土体稳定总是不利的 8.下列哪一种土样更容易发生流砂？（ B ） （A）砂砾或粗砂（B）细砂或粉砂（C）粉质黏土（D）黏土
边坡稳定计算（采场、排土场） 一、水文地质概况 该区气候干燥，雨量稀少，该井田内无常年性地表水体，北缘的***沟为本区最大的泄洪通道，山洪从西部边界经南部边界流出，于区外汇入大灯沟，平时无水，只在雨季遇暴雨时才有短暂水流，据实测汛期最大洪流量为27.8m3/s，正常洪流量为11.1m3/s，山洪暴发后一般来势凶猛，大多经5～6小时后洪峰排泄出区外，自西部的1551m降至东南低凹处的1508m。 沟谷中有第四系分布，为风积砂、河床冲洪积相砂、砂砾石、亚粘土等沉积物。地下水主要赋存于第四系冲洪积砂、砂砾石、风积砂和石炭、二叠系砂岩地层中。 二、工程地质概况 由于内外力的综合作用结果，地表岩石强度遭到破坏，随着深度的增大，裂隙减少减弱，岩石强度增大。强风化带一般深度为20～30m，裂隙普遍发育，超过50m岩石坚硬程度增高，裂隙减少，砂质页岩与泥质粉砂岩脱水后极易风化，而中粗粒砂岩、细砂岩则不易风化，虽然沿裂隙成单体，但单体岩层的强度还是极高的。 （一）影响治理区边坡稳定的因素 1、不同成因和类型的结构面（层理层面，软弱夹层，节理，断层等）与边坡的临空面相互位置关系，会弱化边坡岩体的力学性质，从而会降低边坡的稳定性； 2、治理区的采动作用会破坏边坡岩体的整体性，产生位移、裂隙，对边坡的稳定性影响较大； 3、大气降雨，尤其雨季集中的强降雨，通过断层裂隙渗入边坡岩体、降低岩体强度和岩体的摩擦力，导致边坡失衡；
（二）影响排土场边坡稳定性的主要因素 1、排土工艺和排弃高度； 2、排弃物的物理力学性质； 3、排土场基底的强度及倾斜度； 4、大气降水和冰雪融化会渗入排土场，使排弃物软化，产生静水和渗流水压力，引起滑坡。 上述多种因素以及其它外在因素均会不同程度地制约边坡的稳定。 （三）治理区的边坡稳定性分析 1.计算数据的选择 计算采掘场边坡稳定需要岩体的抗剪强度，这些指标是通过岩块的抗剪强度指标，并利用岩体粘结力随节理密度增大而降低的关系来确定的。由于地质报告中没有关于岩石节理、裂隙密度的统计资料，设计中不能依此来计算岩体与岩块间的整体凝聚力减弱系数，只能依据现场调研与周围矿山类比得出减弱系数为λ=0.045，岩石为0.35，沙土为0.5，煤为0.2，根据上述原则，设计依据报告提供的相应岩性有限资料与类似矿山经验数据，确定岩石的抗剪强度和内摩擦角计算参数见表。
霍矿排土场稳定性分析与综合评价 岩土工程类型很多，不同工程有不同的稳定要求。对南露天矿排土场而言，要求保证在排土场作业人员的安全，保证汽车排土机等运输排土设备正常的作业与安全。 评价岩土工程稳定性的方法通常有按稳定性计算结果评价、工程地质对比、滑动因素分析等方法。各种方法都有其独特之处，但也各有缺点。因而应采用多种方法综合评价，互为补充。本研究中从稳定性计算结果、开采排土程序、运输排土工艺、排弃物及基底岩土特征、基底地形特征等方面进行评价。 一、按稳定系数评价 1、内排土场 内排土场稳定性计算结果表明，当排弃物指标采用一般值时，对于第一条区，除剖面ⅲ—ⅲ′中排土位置为时其稳定系数为1.270外，其余所有计算剖面不同排土位置的稳定系数均大于1.30。 即在采场中部基底倾角较大、排土高度亦较大，亦即稳定性最差的剖面，稳定系数大多在1.40～1.50左右，少数1.30～1.40，个别达1.9或2.0以上。 对于现南、北采坑的ⅳ—ⅳ′—ⅸ~ⅸ′剖面，各排土位置的稳定系数在1.73～2.60之间。 国内外露天开采设计及研究界普遍认可的容许稳定系数（即安全系数）一般为1.30。稳定系数普遍较大，因此稳定性尤好。 对于第二条区，亦即走向排土、基底为“水平”的条件下，当排弃
物指标采用一般值时，各排高的排土场稳定系数在1.62～2.98之间，当排土工作帮坡角为12°时，排土高度为300或50m的内排土场稳定系数分别达到2.23和2.89。排土工作帮坡角为16°时，排土高年发布的《露天煤矿工程设计规范》也规定内排土场的容许稳定系数为1.2～1.3。因此，可以认为上述剖面各排土位置边坡包括二次剥离边坡是稳定的。对于现南、北采坑各剖度为300或50m的内排土场稳定系数分别达到1.67和2.16，此值远大于上述容许的稳定系数1.30，所以可认为第二条区的内排土场是稳定的。 因此，一般而言，内排土场不同剖面，不同排土位置，包括二次剥离边坡，均是稳定的。 采用上述计算值可认为是岩性不良的剥离物排弃集中又为水长期 浸润时发生。数据表明，当排弃物或基底岩石指标降低时稳定系数值下降，当指标值降至甚低时，有的排土位置稳定系数降至1.20 以下甚至小于1.0。这种情况可认为该边坡不符合稳定要求或该边坡是不稳定的。因此，事先应从排土、防排水等方面加以管理控制。 2、外排土场 当排弃物指标采用一般值时，不同基底倾角及排土高度的外排土场稳定系数为1.41～2.51，大于普遍认可的容许稳定系数1.30，《露天煤矿工程设计规范》规定外排土场容许稳定系数为1.2～1.5，因此可认为外排土场一般也是稳定的。 当排弃物指标采用极低值时，排土高度80m时，稳定系数略小于1.3，排土场稳定性稍差。
第3章土的渗透性及渗流 题 始水力梯度产生的原因。 土的渗透性的因素主要有哪些。 内渗透试验与现场测试得出的渗透系数有较大差别？ 方程适应于什么条件的渗流场？ 线与等势线总是正交的？ 涌现象有什么区别和联系？ 会引起哪些破坏？ 题 液体透过的性质称为土的。 数的主要因素有：、、、、、。 室内渗透试验有两种，即和。 要有和两种基本形式。 适用于的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的。 题 性质的指标是（）。 B.相对密实度 D.渗透系数 土与管涌的概念，正确的说法是（）。 时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流 在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中 性破坏，管涌属渐进式破坏 破坏，管涌不属渗流破坏 强弱可用土的哪一项指标来反映？（） B.固结系数 D.渗透系数 中的下列现象，哪一种不属于渗透变形？（） B.流土 C.砂沸 D.流砂 流力的描述不正确的是（）。 力梯度成正比，其方向与渗流方向一致 力，其量纲与重度的量纲相同 线越密集的区域，其渗流力也越大 在对土体稳定总是不利的 土样更容易发生流砂？（） B.细砂或粉砂 D.黏土 方向的等效渗透系数与垂直方向的等效渗透系数的关系是（）。
B.= C.< 中某点的渗流力（）。 增加而增加 B.随水利力梯度增加而减少 C.与水力梯度无关 法的正误。（） 数越大，土的透水性也越大，土的水力梯度也越大； ，只要水力梯度足够大，就有可能发生流土和管涌； 渗流力的大小取决于该点孔隙水总水头的大小； 小不仅取决于水力梯度，还与其方向有关。 B.②对 C.③和④对 D.全不对 正确的是（）。 越密处，其水力梯度越小 等势线上的两点，其孔隙水压力总是相同的 ，任意两相邻等势线间的势能差相等 方向为流线的法线方向 研究的主要问题不包括（）。 B.渗透变形问题 题 D.地基承载力问题 程场地细砂含水层的流线上A、B两点，A点的水位标高2.5米，B点的水位标高3.0米，两点间流线长为10米，计算两点间的平均渗个值。 ； (B)0.83 kN/m3； (C) 0.50 kN/m3； (D) 0.20 kN/m3。 土样的孔隙率和细粒含量（以质量百分率计）如下，试按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）计算判别下列（）选项的土式属于管涌。 ； (B) ； ； (D) 。 改错题 时必须满足的基本条件之一是流线和等势线必须正交。 中的渗透速度不是孔隙水的实际流速。 比愈大，其渗透系数也愈大。 中，流线愈密集的地方，水力坡降愈小。 时，渗流力方向与重力方向相同。 渗透系数测定通常采用“常水头”试验进行。 时，每个网格的长宽比没有要求。 ，任意两相邻流线间的渗流量相等。 在渗流溢出处，而流土发生的部位可以在渗流溢出处，也可以在土体内部。 题 所示，在恒定的总水头差之下水自下而上透过两个土样，从土样1顶面溢出。 2底面c－c 为基准面，求该面的总水头和静水头； 流经土样2的水头损失为总水头差的30%，求 b－b面的总水头和静水头； 样2的渗透系数为0.05cm/s ，求单位时间内土样横截面单位面积的流量；