第二章土力學

1、2022-3-72022-3-7土是具有連續(xù)的介質“土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運動著的”：在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象。：土具有被水透過的性質。主要內容主要內容水在土體中的滲透過程中在滲流作用下的和滲漏問題：滲漏問題：造成水量的損失，影響工程效益。造成水量的損失，影響工程效益。滲透變形：滲透變形：將引起土體內部應力狀態(tài)的變化，從將引起土體內部應力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴重時還而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴重時還會釀成破壞事故。會釀成破壞事故。滲流控制問題：滲流控制問題：當滲流量和滲透變形不能滿足設當滲流量和滲透變形不能滿足設計要求時，要采用工程

2、措施加以控制。計要求時，要采用工程措施加以控制。土的水理性質：土的水理性質：土體在水的作用及其變化的條件下，產生土的物理、力學狀態(tài)及性質的變化以及對工程的影響。這里主要討論以下的兩方面問題：這里主要討論以下的兩方面問題：p 土的毛細水性質土的毛細水性質p 土的凍脹土的凍脹2.2.1 土的毛細水性質土的毛細水性質 土中水在表面張力作用下沿著細小孔隙向上或其它方向移動的現(xiàn)象。 土能夠產生毛細現(xiàn)象的性質稱為土的毛細性。土的毛細性。 路基凍害、地下室潮濕、沼澤化和鹽漬化等。 ：hmax=4/dw ：hc=C /e d10（毛細粘聚力） 在土粒接觸面上由于空氣和水分界面產生的表面張力。2.2.2 土的凍

3、脹融陷特性土的凍脹融陷特性：未凍結區(qū)水分不斷向凍結區(qū)遷移和積聚，使冰晶體不斷擴大，土層中形成冰夾層，土體發(fā)生隆起。：土層解凍時，土中積聚的冰晶體融化，土體隨之下陷。 路基隆起，柔性路面鼓包、開裂，剛性路面錯縫、折斷，房屋、橋梁、涵管下沉或不均勻沉降等。：毛細水現(xiàn)象嚴重的細粒土，如：粉砂、粉土、粉質黏土。：凍結區(qū)附近地下水位較高，分有開敞型、封閉型凍脹。：氣溫緩慢下降，持續(xù)時間較長。2.3.1 地下水運動的基本方式地下水運動的基本方式 流線：流線：在滲流方向上，同一時刻不同水質點的連線形 層流層流：流線互相平行、水流平穩(wěn)、流速均勻 湍流湍流（紊流）：流線不規(guī)則、旋渦 穩(wěn)定流運動：穩(wěn)定流運動：地下

4、水任一質點的流速、流向、水位、水壓等特征要素不隨時間而改變 非穩(wěn)定流運動：非穩(wěn)定流運動：地下水任一質點的流速、流向、水位、水壓等特征要素隨時間而改變 一維、二維、三維流動2.3.2 地下水運動方式的判別地下水運動方式的判別 ：運動流體的和的比值（無量綱）。 作用：劃分和的定量界限。圓管中水的流動明渠中水的流動水流夾帶泥沙在土的孔隙中水的流動sdRe 水的滲流是由水頭勢能驅動，從水頭高（勢能大）的地方流水的滲流是由水頭勢能驅動，從水頭高（勢能大）的地方流向水頭低（勢能?。┑牡胤健Ｏ蛩^低（勢能?。┑牡胤健Ｋ^水頭( (water head) )：單位重量水體所具有的能量。：單位重量水體所具有的能

5、量。 滲流中一滲流中一點的點的總水頭總水頭h可用下式表示：可用下式表示：h = z + (2-1) z z 位置水頭位置水頭 壓力水頭壓力水頭 流速水頭，流速水頭近似等于流速水頭，流速水頭近似等于0 0它們的物理意義均代表單位重量水體所具有的各種機械能。它們的物理意義均代表單位重量水體所具有的各種機械能。gvuw22wug22wuzh1、各種水頭概念及水力坡降、各種水頭概念及水力坡降A AB BL Lh h1 1h h2 2z zA AwAu wBu z zB Bh h0 00 0基準面基準面水力坡降線水力坡降線wAAuzh1wBBuzh2hhh21wuzhLhiA A點總水頭：點總水頭：B

6、B點總水頭：點總水頭：總水頭：總水頭：水力坡降：水力坡降：滲流流過單位長度時的水頭損失。滲流流過單位長度時的水頭損失。 水力坡降的水力坡降的物理意義物理意義 注意：注意：土體中兩點是否會發(fā)生滲流，只取決于土體中兩點是否會發(fā)生滲流，只取決于總水頭差總水頭差， 若若hAhB時，才會發(fā)生水從總水頭高的點向總水頭低的點流動時，才會發(fā)生水從總水頭高的點向總水頭低的點流動( (但水但水并非一定向低處流并非一定向低處流) )。 層流滲透定律（H. Darcy，1856）公式：量綱：v為，q為，k為，i為滲透速度定義：內流過的水量。kiLhkAtq23/cmscmscm滲透速度符合達西定律：滲透速度符合達西定

7、律：滲透速度應考慮起始水頭梯度：滲透速度應考慮起始水頭梯度：的粗顆粒，采用經(jīng)驗公式。的粗顆粒，采用經(jīng)驗公式。Lhkki)(0iik滲透系數(shù)：滲透系數(shù)：單位水力坡降（單位水力坡降（i=1i=1）時的滲透速度）時的滲透速度 ，是直接，是直接衡量土的透水性強弱的一個重要的力學性質指標。衡量土的透水性強弱的一個重要的力學性質指標。滲透系數(shù)的滲透系數(shù)的測定方法測定方法室內試驗方法室內試驗方法現(xiàn)場試驗方法現(xiàn)場試驗方法常水頭滲透試驗常水頭滲透試驗無粘性土無粘性土變水頭滲透試驗變水頭滲透試驗粘性土粘性土鉆孔抽水試驗鉆孔抽水試驗鉆孔壓水試驗鉆孔壓水試驗2.5.1 滲透系數(shù)滲透系數(shù) k 的測定的測定常水頭法：是在

8、整個試驗過程中，水頭保持不變。適是在整個試驗過程中，水頭保持不變。適用于用于透水性強的無粘性土透水性強的無粘性土。AtLhkAtkiAtQAhtQLk adhdQAdtkiAdtvdQ2112ln)(hhttAaLk變水頭法：在整個試驗過程中，水頭是隨著時間而變化在整個試驗過程中，水頭是隨著時間而變化的，適用于的，適用于透水性弱的粘性土。透水性弱的粘性土。達西定律達西定律a2.5.2 成層土的滲透系數(shù)成層土的滲透系數(shù)與土層面時的niiiniixxHikqq11HikqxxniiixHkHk11達西達西定律定律與土層面時的iyyqq AHhkqyyniiiykHHk1AHhkqiiiiy2.5.

9、3 影響土滲透性的因素影響土滲透性的因素：顆粒大小、級配、密度、封閉氣泡 ：礦物成分、結合水膜厚度、土的結構構造2.6.1 流網(wǎng)的概念流網(wǎng)的概念：同一水質點在不同時刻位置點的連線。：在滲流方向上，同一時刻不同水質點的連線形成的曲線，在該曲線上所有各質點的瞬時流速矢量都和該曲線相切。在的情況下，和重合。 ：流線上勢能相等的點的連線。：一組流線和一組等勢線交織的正交網(wǎng)格。如果取相鄰兩條流線之間通過的流量相等，相鄰兩條等勢線之間的勢能差值相等： 反映出地下水徑流的強度不同，流線越密徑流強度越大 反映出水力梯度的變化率，等勢線越密水力梯度越大穩(wěn)定流條件下，均勻且各向同性介質中的滲流：穩(wěn)定流條件下，均勻

10、且各向同性介質中的滲流：滲流場：可以用來描述流 線：可以用 來描述 滿足等勢線：可以用 來描述 滿足02222zhxh02222zx),(zx),(zx02222zx2.6.2 流網(wǎng)作圖的特點流網(wǎng)作圖的特點首先要弄清滲流場的流網(wǎng)中的和，近似成作流網(wǎng)圖時，使相鄰兩條流線之間通過的，相鄰兩條等勢線之間的的最終完成只能是做成的2.6.3 流網(wǎng)圖的應用流網(wǎng)圖的應用以一個例子來說明其應用情況，有關尺寸如圖：1、求圖中A點的2、求沿圖中縱向取單位長度1m單位時間內流量：qv=vF=kiF=khnf b/(nda)其中水力坡降： i=h/a=h/(nda)， 過水斷面：F=nf b1式中，nd為沿著流線勢能

11、降低的階數(shù)，nf為沿著等勢線流帶的劃分數(shù)，本例中流網(wǎng)圖近似為正方形網(wǎng)格，即：a=b；nd=8，nf =4則：qv=1.010-4m3/s勢能水頭差：h=P1-P2=2.0m 相鄰等勢線間的水頭差為0.25m故PA=5.875mA點總勢能水頭：PA=uA/w+zA其中zA=3.5m為位置水頭則：UA=(PA-zA) w=23.75kPa2.7.1 滲流壓力滲流壓力滲流時水對土顆粒骨架的壓力即 (KN/m3)水所受到土的顆粒骨架的 T = - - Gd： T =w i (KN/m3)：自上而下、自下而上、水平：沖刷作用、影響土體滲流穩(wěn)定性對水柱體BA受力分析：前提：水頭差(H1-H2)；長度 L；

12、截面積F 忽略滲流水慣性力。 B截面水壓力： fB=wh1F A截面水壓力： fA= wh2F 水流自重： wLF 土的顆粒骨架對水的阻力T根據(jù)力的極限平衡，水柱BA上各力的平衡關系式wh1F+wLFcos-wh2F-TFL=0消去公因子F，并把 cos （z1z2）/L代入，整理有 wh1+ w(z1-z2) - wh2 - TL=0 w(z1-z2) +(h1-h2) TL=0由于 z1h1=H1， z2h2=H2 i=(H1-H2)/L= (z1-z2)+(h1-h2)/L 整理得到 T w i即動水壓力 Gd w i動水壓力Gd方向和滲流方向一致wh2Fwh1FwLFcosTLFwLF2.7.2 流沙流沙 在水下單位體積土的有效重力為： 當土粒所受的動水壓力等于或大于土的有效重力土顆粒間的有效接觸力為零，土粒呈懸浮狀態(tài)，并隨滲流水一起流動上涌，表土層變得象液體一樣，完全失去抗剪強