土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1、3 3 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動(dòng)孔隙流體流動(dòng)滲流滲流各種勢(shì)能作用下，水在土體孔隙中各種勢(shì)能作用下，水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性滲透性土具有被水透過(guò)的性質(zhì)土具有被水透過(guò)的性質(zhì)滲透特性滲透特性強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性變形特性變形特性概述概述能量差能量差毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象在表面張力作用下，自由水沿細(xì)在表面張力作用下，自由水沿細(xì)的孔隙通道移動(dòng)的現(xiàn)象的孔隙通道移動(dòng)的現(xiàn)象滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡3 3 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3-1 3-1 土的毛細(xì)性土的毛細(xì)性3-2 3-2 土的滲透性與達(dá)西定律土的滲透性與達(dá)西定律3-

2、3 3-3 滲流力及滲流穩(wěn)定分析（重點(diǎn)）滲流力及滲流穩(wěn)定分析（重點(diǎn)）3-4 3-4 二維滲流與流網(wǎng)二維滲流與流網(wǎng)三種毛細(xì)水帶不一定同時(shí)存在；三種毛細(xì)水帶不一定同時(shí)存在； 毛細(xì)水帶內(nèi)土的含水率隨深度變化毛細(xì)水帶內(nèi)土的含水率隨深度變化 二、毛細(xì)水上升機(jī)理、上升高度及上升速度二、毛細(xì)水上升機(jī)理、上升高度及上升速度上升機(jī)理：上升機(jī)理： 由液體的由液體的“表面張力表面張力”和毛細(xì)管的和毛細(xì)管的“濕潤(rùn)現(xiàn)象濕潤(rùn)現(xiàn)象”產(chǎn)生。產(chǎn)生。表面張力：在其作用下，液體力圖縮小表面積，從而降低表表面張力：在其作用下，液體力圖縮小表面積，從而降低表 面自由能；面自由能；濕潤(rùn)現(xiàn)象：毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間的引力使與管壁濕潤(rùn)

3、現(xiàn)象：毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間的引力使與管壁 接觸部分的水面呈內(nèi)凹的彎液面。接觸部分的水面呈內(nèi)凹的彎液面。結(jié)論：上述兩種作用周而復(fù)始，使毛細(xì)管內(nèi)水柱上升，直至升結(jié)論：上述兩種作用周而復(fù)始，使毛細(xì)管內(nèi)水柱上升，直至升高水柱的重力和管壁與水分子之間的引力所產(chǎn)生的上舉力平衡高水柱的重力和管壁與水分子之間的引力所產(chǎn)生的上舉力平衡為止。為止。 土中毛細(xì)現(xiàn)象土中毛細(xì)現(xiàn)象 rThccos2 上升高度上升高度:r2hcw=2rTcos二、毛細(xì)水二、毛細(xì)水上升機(jī)理、上升高度及上升速度上升機(jī)理、上升高度及上升速度 毛細(xì)升高與孔徑成反比毛細(xì)升高與孔徑成反比粘土粘土粉土粉土砂土砂土分析對(duì)象分析對(duì)象: 水柱水柱毛細(xì)

4、水實(shí)際上升高度與理論計(jì)算結(jié)果不同；毛細(xì)管越細(xì)，管壁阻力大，毛細(xì)水上升速度慢對(duì)砂土強(qiáng)度的影響對(duì)砂土強(qiáng)度的影響:毛細(xì)角邊水受拉毛細(xì)角邊水受拉, 土顆粒受壓，即假凝聚力：稍濕砂土顆粒受壓，即假凝聚力：稍濕砂粒存在粘結(jié)作用粒存在粘結(jié)作用cchu 假定假定 = 0, 毛細(xì)壓力毛細(xì)壓力2rTcos+ucr2 = 0三、毛細(xì)壓力三、毛細(xì)壓力（表面張力效應(yīng)）（表面張力效應(yīng)） 非飽和土中毛細(xì)壓力的影響非飽和土中毛細(xì)壓力的影響分析對(duì)象分析對(duì)象:水膜水膜1、毛細(xì)水的上升引起建筑物或構(gòu)筑物地基凍害； 2、毛細(xì)水的上升會(huì)引起房屋建筑地下室、地下鐵道側(cè)壁過(guò)分潮濕，對(duì)防潮、防濕帶來(lái)更高的要求；3、當(dāng)?shù)叵滤星治g性時(shí)，毛細(xì)水

5、的上升，可能對(duì)建構(gòu)筑物基礎(chǔ)中的混凝土、鋼筋等形成侵蝕作用，縮短使用年限。4、毛細(xì)水的上升還可能引起土的沼澤化、鹽漬化，對(duì)道路、橋梁、水利工程等可能造成影響。3-2 土的滲透性與達(dá)西定律土的滲透性與達(dá)西定律滲流滲流各種勢(shì)能作用下，水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象各種勢(shì)能作用下，水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性滲透性土具有被水透過(guò)的性質(zhì)土具有被水透過(guò)的性質(zhì)3-2 土的滲透性與達(dá)西定律土的滲透性與達(dá)西定律圖圖3-3 滲流模型滲流模型a）水在土孔隙中的運(yùn)動(dòng)軌跡；）水在土孔隙中的運(yùn)動(dòng)軌跡； b）理想化的滲流模型）理想化的滲流模型層流：水在土的細(xì)微孔隙中的緩慢流動(dòng)稱為層流。層流：水在土的細(xì)微孔隙中的緩慢流動(dòng)稱為層流

6、。二滲流中的水頭與水力坡降二滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL3-2 3-2 土的滲透性與土的滲透性與達(dá)西定律達(dá)西定律 透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻ABL二滲流中的水頭與水力坡降二滲流中的水頭與水力坡降h1h2zAwAu wBu zBh h00基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力坡降線水力坡降線gvuzhw22 wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi 總水頭總水頭單位質(zhì)量水體所具有的能量單位質(zhì)量水體所具有的能量z：位置水頭：位置水頭u/u/w w：壓力水頭：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭流速水頭00A A點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：B B點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：總水頭：總水頭：水力坡降：

7、水力坡降： cm L h i m/dm/s,cm/s,mm/s, k cm A cm Q cm/s v 1)-(2 23滲滲流流途途徑徑水水頭頭差差水水頭頭損損失失水水力力梯梯度度水水力力坡坡降降滲滲透透系系數(shù)數(shù)過(guò)過(guò)水水?dāng)鄶嗝婷鏉B滲出出水水量量斷斷面面平平均均滲滲透透速速度度式式中中或或 LhkkiAtQvkAtiQ滲透系數(shù)的物理意義滲透系數(shù)的物理意義單位水力梯度時(shí)孔隙流體的滲流速度。單位水力梯度時(shí)孔隙流體的滲流速度。反映土體滲透性的大小，是土的重要指標(biāo)之一?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)測(cè)定。反映土體滲透性的大小，是土的重要指標(biāo)之一?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)測(cè)定。達(dá)西定律達(dá)西定律無(wú)粘性土無(wú)粘性土中砂、細(xì)砂、粉砂中砂、細(xì)砂、粉

8、砂粘土粘土大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土； 疏松的粘土及砂性較重的粘性土疏松的粘土及砂性較重的粘性土起始水力梯度i=h/LQ=vAtv=kiAhtQLk 2112ln)(hhttAaLk21lnhhAtaLk 自學(xué)推導(dǎo)過(guò)程 室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)比常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件條件已知已知測(cè)定測(cè)定算定算定取值取值h=consth變化變化h，A，LQ，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，Lh，t21lnhhAtaLk AhtQLk 不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土3、野外測(cè)定方法、野外測(cè)定方法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法抽水試驗(yàn)

9、和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù)地下水位地下水位測(cè)壓管水面測(cè)壓管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層（完整井）（完整井）觀察井觀察井A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 2 )(ln212212hhkrrq 212212)/ln(hhrrqk 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)試試驗(yàn)方法：驗(yàn)方法：理論依據(jù)：理論依據(jù)：（二）影響因素 粒徑大小及級(jí)配粒徑大小及級(jí)配孔隙比孔隙比礦物成分礦物成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土土粒粒特特性性、流流體體特特性性）(fk l水的動(dòng)力粘

10、滯系數(shù)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)l飽和度（含氣量）飽和度（含氣量） 對(duì)對(duì)k k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡（四）層狀地基的等效滲透系數(shù)（四）層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的確立各層的k ki i根據(jù)滲流方向確定等效滲透系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲透系數(shù)天然土層多呈層狀天然土層多呈層狀H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL（四）層狀地基的（四）層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)1122不透水層不透水層水平滲流水平滲流條件條件: :Lhiii ixxqq iHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :qx=vxH=kxiHqix=kiiiHi iixHkH1k閘板H1H2H

11、3Hhk1k2k3xz豎直滲流豎直滲流:v承壓水承壓水條件條件:vvi ihh iHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :vi = ki (h hi i/ /Hi)iiikvHh zkvHh iizkvHkvH iizkHHk)k1HH(k1iiz（四）層狀地基的（四）層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)算例說(shuō)明算例說(shuō)明 day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)層厚加權(quán)平均，由較小值控制倒數(shù)層厚加權(quán)平均，由較小值控制day/m67.33HHkkiix day/m03.

12、 0kHHkiiz （四）層狀地基的（四）層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)滲流力：當(dāng)土中發(fā)生向下或向上的滲流時(shí)，滲透水流作用在土顆粒上的與滲流方向相同的體積力，使土骨架應(yīng)力相應(yīng)地增加或減小，此體積力稱為滲流力。滲流變形滲流變形滲流力滲流力000uhuhaaww面：LuhLhuLhLhbbwwwsatw)(1010面：hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(面：hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(:面當(dāng)當(dāng)h1=h2時(shí)，無(wú)滲流發(fā)生時(shí)，無(wú)滲流發(fā)生當(dāng)當(dāng)h1h2時(shí)，向上滲流時(shí)，向上滲流當(dāng)當(dāng)h1h2時(shí)，向

13、下滲流時(shí)，向下滲流zjziLzhLwwB)()()(ijw單位滲流力：自學(xué)教材上的計(jì)算方法以水作為脫離體ijw單位滲流力：基本類型基本類型 二二. .滲流穩(wěn)定分析（滲透變形）滲流穩(wěn)定分析（滲透變形） 流土流土管涌管涌3-3 3-3 滲流力與滲流穩(wěn)定分析滲流力與滲流穩(wěn)定分析 土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件形成條件 防治措施防治措施 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體1. 1. 基本類型基本類型 流土流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象

14、和和土土的的密密實(shí)實(shí)程程度度有有關(guān)關(guān)eGiscr 11 滲流滲流原因：原因：zj)(ijw或二二. .滲流穩(wěn)定分析（滲透變形）滲流穩(wěn)定分析（滲透變形） 管涌管涌原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因外因滲流力足夠大滲流力足夠大 在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞二二. .滲流穩(wěn)定分析（滲透變形）滲流穩(wěn)定分析（滲透變形） 流土與管涌的

15、比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)移動(dòng)管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中生在任何土中破壞過(guò)程短破壞過(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時(shí)歷時(shí)后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生

16、塌陷或潰口二二. .滲流穩(wěn)定分析（滲透變形）滲流穩(wěn)定分析（滲透變形） 2.2.形成條件形成條件 scrFiii Fs: 安全系數(shù)安全系數(shù)2.02.02.52.5 i : 允許坡降允許坡降i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)流土流土經(jīng)驗(yàn)判斷：經(jīng)驗(yàn)判斷：二二. .滲流穩(wěn)定分析（滲透變形）滲流穩(wěn)定分析（滲透變形） 過(guò)渡型土管涌土非管涌土級(jí)配連續(xù)的土過(guò)渡型土細(xì)料含量管涌土細(xì)料含量非管涌土細(xì)料含量級(jí)配不連續(xù)的土的不均勻土非管涌土的比較均勻的土 (b) 35%25 5%2 35% (a) 10 B. 10 .5305030ddDdD

17、dDCCAuu無(wú)粘性土無(wú)粘性土 發(fā)生管涌的判別標(biāo)準(zhǔn)為（內(nèi)因發(fā)生管涌的判別標(biāo)準(zhǔn)為（內(nèi)因顆粒幾何條件）：顆粒幾何條件）：200250d.D 土的孔隙平均直徑d20小于該粒小于該粒徑的土質(zhì)量占總徑的土質(zhì)量占總質(zhì)量的質(zhì)量的20%3. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 增大增大ii：下游增加透水蓋重下游增加透水蓋重 防治流土防治流土土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤(rùn)線浸潤(rùn)線透水層透水層不透水層不透水層減小減小i i ：上游延長(zhǎng)滲徑；上游延長(zhǎng)滲徑； 下游減小水壓下游減小水壓防治管涌防治管涌改善幾何條件：改善幾何條件：設(shè)反濾層等，設(shè)反濾層等，反濾層為級(jí)配較均勻的砂子和礫反濾層為級(jí)配較均勻的砂

18、子和礫石層，能保護(hù)細(xì)顆粒不被帶走，石層，能保護(hù)細(xì)顆粒不被帶走，同時(shí)也具有較大的透水性同時(shí)也具有較大的透水性改善水力條件：改善水力條件：減小滲透坡降減小滲透坡降二二. .滲流穩(wěn)定分析（滲透變形）滲流穩(wěn)定分析（滲透變形） 3-4 二維二維滲流與流網(wǎng)滲流與流網(wǎng) Laplace方程方程zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 連續(xù)性條件連續(xù)性條件zxkk 假定：假定： hh h恒定恒定穩(wěn)定滲流穩(wěn)定滲流h=h(x,z), v=v(x,z)取單寬：取單寬： dy=1與時(shí)間無(wú)關(guān)與時(shí)間無(wú)關(guān)達(dá)西定律達(dá)西定律平面滲流的基本方程平面滲流的基本方程 1.

19、 基本方程基本方程一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 與與kx, kz無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)滿足它的是兩個(gè)共軛調(diào)合函數(shù)滿足它的是兩個(gè)共軛調(diào)合函數(shù) 勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)勢(shì)函數(shù)和流函數(shù) 0zvxvzx zhkv;xhkvzzxx 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 達(dá)西定律達(dá)西定律zxkk 假定假定 dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 0zhxh2222 0zhkxhk22z22x Laplace方程方程n 特點(diǎn)特點(diǎn)描述滲流場(chǎng)內(nèi)部的測(cè)管水頭的分布，描述滲流場(chǎng)內(nèi)部的測(cè)管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式是平

20、面穩(wěn)定滲流的基本方程式1. 基本方程基本方程一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 確定滲流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的確定滲流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的測(cè)管水頭測(cè)管水頭h的分布的分布基本方程基本方程邊界條件邊界條件定解條件定解條件一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 （1 1）解析方法）解析方法（3 3）試驗(yàn)比擬方法）試驗(yàn)比擬方法 （電比擬方法）（電比擬方法） （2 2）數(shù)值方法）數(shù)值方法（4 4）圖解法）圖解法 流網(wǎng)流網(wǎng)近似求解方法近似求解方法 適用于邊界條件簡(jiǎn)單的情況適用于邊界條件簡(jiǎn)單的情況 通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)通解：兩

21、個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)勢(shì)函數(shù)勢(shì)函數(shù)(x,z(x,z) )流函數(shù)流函數(shù)(x,z(x,z) )等勢(shì)線等勢(shì)線流線流線相互正交相互正交邊界條件邊界條件特定解特定解差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛 利用滲流場(chǎng)和電場(chǎng)均服從利用滲流場(chǎng)和電場(chǎng)均服從LaplaceLaplace方程這一特點(diǎn)，按一定比例制方程這一特點(diǎn)，按一定比例制作模型，用電場(chǎng)中的等勢(shì)線和流線來(lái)模擬滲流場(chǎng)中的等勢(shì)線和流線，作模型，用電場(chǎng)中的等勢(shì)線和流線來(lái)模擬滲流場(chǎng)中的等勢(shì)線和流線，以達(dá)到確定滲流場(chǎng)中滲流要素的目的。以達(dá)到確定滲流場(chǎng)中滲流要素的目的。理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：解析法的結(jié)果解析法的結(jié)果二二. .流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 流流 網(wǎng)網(wǎng)滲流場(chǎng)中的兩族相互正交曲線滲流場(chǎng)中的兩族相互正交曲線 等勢(shì)線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。等勢(shì)線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。 流流 線線水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌