土中水的運動規(guī)律課件

1、第三章土中水的運動規(guī)律3.1 概述 土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是處于運動狀態(tài)。土中水的運動原因和形式很多，例如，在重力作用下，地下水的流動(土的滲透性問題)；在土中附加應力作用下孔隙水的擠出(土的固結問題)；由于表面張力作用產生的水分移動(土的毛細現象)；在土顆粒分子引力作用下結合水的移動(如凍結時土中水分的移動)；由于孔隙水溶液中離子濃度的差別產生的滲附現象等。土中水的運動將對土的性質產生影響，在許多工程實踐中碰到的問題，如流沙、凍脹、滲透固結、滲流時的邊坡穩(wěn)定等，都與土中水的運動有關。故本章著重研究土中水的運動規(guī)律。3.2 土的毛細性 土的毛細性是指土能夠產生毛細現象的性質。土的毛細

2、現象是指土中水在表面張力作用下，沿著細微孔隙向上及向其他方向移動的現象。這種細微孔隙中的水被稱為毛細水。土的毛細現象在以下幾個方面對工程有影響：1) 毛細水的上升是引起路基凍害的因素之一。2) 對于房屋建筑，毛細水的上升會引起地下室過分潮濕。3) 毛細水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對建筑工程及農業(yè)經濟都有很大影響。3.2.1 土層中的毛細水帶 土層中由于毛細現象所潤濕的范圍稱為毛細水帶。根據毛細水帶的形成條件和分布狀況，可分為三種，即正常毛細水帶、毛細網狀水帶和毛細懸掛水帶，如圖3.1所示。3.2.2 毛細水上升高度和上升速度 在實踐中也有些估算毛細水上升高度的經驗方式，如海森(A.Ha

3、zen)的經驗公式： 通過試驗可以得出，在較粗顆粒土中，毛細水上升一開始進行的很快，以后逐漸緩慢，細顆粒土毛細水上升高度較大，但上升速度較慢。3.2.3 毛細壓力 毛細壓力可以用圖3.3來說明。圖中兩個土粒(假想是球體)的接觸面間有一些毛細水，土粒表面的濕潤作用，使毛細水形成彎液面。在水和空氣的分界面上產生的表面張力是沿著彎液面切線方向作用的，它促使兩個土粒互相靠攏，在土粒的接觸面上就產生一個壓力，稱為毛細壓力。3.3 土的滲透性 土孔隙中的自由水在重力的作用下發(fā)生運動的現象，稱為土的滲透性。 浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內流動 3.3.1 滲

4、流模型 考慮到實際工程中并不需要了解具體孔隙中的滲流情況，對滲流作出如下的簡化：一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考慮土體中顆粒的影響，認為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。作了這種簡化后的滲流其實只是一種假想的土體滲流，稱之為滲流模型。 3.3.2 土的層流滲透定律滲透定律(達西定律)： 或或 在黏土中，應按下述修正后的達西定律計算滲流速度： 3.3.3 土的滲透系數 滲透系數是綜合反映土體滲透能力的一個指標，其數值的正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。成層土的滲透系數滲透系數的確定室內試驗測定法現場抽水試驗1) 室內試驗測定法 常水頭法就是在整個試驗過程中，

5、水頭保持不變。用量筒和秒表測出某一時刻t內流經試樣的水量Q，即可求出流過土體的流量，再根據達西定律求解k。(1)常水頭法(2)變水頭法 設玻璃管的內截面積為a，試驗開始以后任一時刻t的水位差為h，經時段dt，細玻璃管中水位下落dh，則在時段dt內流經試樣的水量：2) 現場抽水試驗(1)無壓完整井(2)無壓非完整井3) 成層土的滲透系數水平向：豎 向：3.3.4 影響土的滲透性的因素土的粒度成分及礦物成分結合水膜的厚度土的結構構造水的黏滯度土中氣體3.3.5 動水力及滲流破壞 水在土中滲流時，受到土顆粒的阻力的作用，這個力的作用方向是與水流方向相反的。根據作用力與反作用力相等的原理，水流也必然有

6、個相等的力作用在土顆粒上，我們把水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力稱為動水力，也稱為滲流力。 1) 動水力的計算公式 2) 流砂現象、管涌和臨界水頭梯度 當向上的動水力與土的有效重度相等時，土顆粒間的壓力就等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，這種現象就稱為流砂現象。這時的水頭梯度稱為臨界水頭梯度： 水在砂性土中滲流時，土中的一些細小顆粒在動水力的作用下，可能通過粗顆粒的孔隙被水流帶走，這種現象稱為管涌。 發(fā)生管涌的臨界水頭梯度與土顆粒大小及其級配情況有關。 3.4 二維滲流、流網及其工程應用3.4.1 二維穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程 設板樁墻沿垂直紙面的方向非常長，則板樁墻下的滲流就是二

7、維滲流問題；當板樁墻墻前和墻后的水位差保持恒定時，板樁墻下的滲流即為二維穩(wěn)定滲流。這時滲流場中的測管水頭以及流速等滲流要素僅是位置的函數而與時間無關，即: 連續(xù)性條件假定： hh恒定穩(wěn)定滲流(與時間無關)h=h(x,z), v=v(x,z)平面應變問題取單寬 dy=1，則達西定律 基本假定介質不可壓縮 連續(xù)性條件假定 Laplace方程 達西定律3.4.2 流網的特征及繪制1) 流網的特征(1) 流線與等勢線彼此正交；(2) 流線與等勢線構成的各個網格的長寬比應為常數，(3) 相鄰等勢線間的勢函數差相等(即測管水頭差相等)；(4) 相鄰流線間的流函數差相等。2) 流網的繪制 繪制方法根據滲流場

8、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ABCDbsH1h00lbH23.4.3 流網的應用測管水頭差 確定孔壓 確定流速 確定流量水力坡降H1h0lblbH23.5 土的凍脹性3.4.1 凍土現象及其對工程的危害 在冰凍季節(jié)因大氣負溫影響，使土中水分凍結成為凍土。多年凍土：凍結狀態(tài)持續(xù)二年或二年以上 凍土季節(jié)性凍土：冬季凍結，夏季全部融化 隔年凍土：冬季凍結，僅在繼后的夏季不融化 凍土現象：在凍土地區(qū)，隨著土中水的凍結和融化，會發(fā)生一些特殊的現象。 凍脹現象：凍土現象是由凍結及融化兩種作用所引起的。黏性土層在凍結時，往往會發(fā)生土層體積膨脹，使地面

9、隆起成丘。 翻漿現象：路基土凍融后，在車輛反復碾壓下，輕者路面變得松軟、限制行車速度，重者路面開裂、冒泥。3.5.2 凍脹的機理與影響因素1) 凍脹的原因溫度結合水遷移學說自由水結冰弱結合水凍結結合水膜變薄土粒產生剩余分子引力水膜中離子濃度增加產生滲附壓力未凍結區(qū)水膜厚處的結合水吸引到凍結區(qū)水膜較薄處冰晶體增大未凍結區(qū)水分不斷向凍結區(qū)遷移積聚形成冰夾層凍 脹未凍區(qū)存在水源毛細通道(1)土的因素(2) 水的因素(3)溫度的因素 上述三個方面的因素是土層發(fā)生凍脹的三個必要條件。因此，在持續(xù)負溫作用下，地下水位較高處的粉砂、粉土、亞黏土、輕亞黏土等土層常具有較大的凍脹危害。但是，我們也可以根據影響凍脹的三個因素，采取相應的防治凍脹的工程措施。2) 影響凍脹的因素3.5.3 凍結深度 土的凍結深度不僅和當地氣候有關，而且也和土的類別、濕度以及地面覆蓋情況(如植被、積雪、覆蓋土層等)有關，在工程實踐中，把地表無積雪和草皮等覆蓋條件下，多年實測最大凍結深度的平均值稱為標準凍結深度。 當無實測資料時，可參照標準凍結線圖，并結合實地調查確定。也可根據當地氣象觀測資料按公式（3.36）估算： 3.6 本章小結1.土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)