土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1、土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)人防教研室 趙佩勝中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件第三章 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 水以各種形式存在于土中，這在前面已講過(guò)。同時(shí)土中水在不斷地運(yùn)動(dòng)，如水的滲透，毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)等，這些運(yùn)動(dòng)對(duì)土的性質(zhì)影響很大。 土的毛細(xì)性是指土能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。毛細(xì)現(xiàn)象是指土中水在表面張力作用下，沿著孔隙形成的管道向上運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這部分孔隙中的水稱為毛細(xì)水。 毛細(xì)水的危害：引起路基凍害，地下室過(guò)分潮濕，土地沼澤化、鹽漬化。中 國(guó) 人 民 解 放

2、 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件第一節(jié) 土的毛細(xì)性 一、土層中的毛細(xì)水帶 1、正常毛細(xì)水帶（又稱毛細(xì)飽和帶）：位于毛細(xì)水帶下部，地下潛水面以上，幾乎充滿全部孔隙。正常毛細(xì)水帶會(huì)隨著地下水位的升降而作相應(yīng)的移動(dòng)。 2、毛細(xì)網(wǎng)狀水帶：位于毛細(xì)水帶中部，正常毛細(xì)水帶之上。當(dāng)?shù)叵滤患眲∠陆禃r(shí)，正常毛細(xì)水也隨之急速下降，在較小毛細(xì)孔隙中仍殘留一部分毛細(xì)水來(lái)不及移動(dòng)，而較大的孔隙因毛細(xì)水下降而留下氣泡，毛細(xì)水呈網(wǎng)狀分布。 3、毛細(xì)懸掛水帶：位于毛細(xì)水帶上部。主要為

3、地表水滲入而形成，水懸掛在土顆粒之間，不與中部或下部毛細(xì)水相連，當(dāng)?shù)乇碛写髿饨邓a(bǔ)給時(shí)，毛細(xì)懸掛水在重力作用下向下移動(dòng)（圖3-1）。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 二、毛細(xì)水上升高度及上升速度 毛細(xì)水的上升高度，可根據(jù)水的表面張力以及水在毛細(xì)管內(nèi)彎液面的角度進(jìn)行計(jì)算（圖3-2）。 毛細(xì)水上升的最大高度為： 據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)d=0.00001cm時(shí)，h=300m。實(shí)際是不可能的。天然土層中，毛細(xì)水上升高度很少超過(guò)數(shù)米。因?yàn)榭紫逗芗?xì)小，

4、又有結(jié)合水膜的阻礙，一般砂土和粘性土，毛細(xì)水上升不高，粉土和粉質(zhì)亞粘土較高。 毛細(xì)水上升的速度：粗粒土毛細(xì)水上升速度較快，細(xì)粒土上升速度慢，飽和土無(wú)毛細(xì)水（圖3-3）。wwdrh42max中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 三、毛細(xì)壓力 干燥的砂呈松散狀態(tài)，無(wú)粘結(jié)力，水下的飽和砂土也無(wú)粘結(jié)力。但有一定含水量的濕砂（非飽和砂土）能捏成團(tuán)，顯示一定的聯(lián)結(jié)力，這是因?yàn)槊?xì)壓力作用的結(jié)果。也稱假內(nèi)聚力（圖3-4）。（如第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)中的巴列夫

5、防線）。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件第二節(jié) 土的滲透性 一、滲流模型 二、土的層流滲透定律 土中孔隙水在壓力梯度下發(fā)生滲流一般符合達(dá)西（HDarcy）定律： 水的滲透速度與水頭梯度成正比。達(dá)西定律適用于層流的情況，一般只適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等。對(duì)于粗砂、礫石、卵石等粗粒土就不適用了。而在粘性土中，由于結(jié)合水的存在，滲流受粘滯作用而阻礙，只有克服結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度后才能開(kāi)始滲流。此時(shí)達(dá)西定律可修正為：kIv )(0IIkv中 國(guó)

6、人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 三、土的滲透系數(shù) 土的滲透系數(shù)可由經(jīng)驗(yàn)參考數(shù)值確定，也可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)測(cè)定。 1、室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn) 試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3-7。由試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果計(jì)算如下： 2、變水頭滲透試驗(yàn) 試驗(yàn)裝置如圖3-8。由此可求得滲透系數(shù)： 3、現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)見(jiàn)圖3-9。從而求得滲透系數(shù)為：HFtQlk21lnhhFtalk ln(/)()212221rrqkhh中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程

7、 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 4、成層土的滲透系數(shù) 對(duì)于有水平分層的沉積土層，分層對(duì)滲透系數(shù)影響很大（圖3-11）。 （1）考慮水平向滲流時(shí)（水流方向與土層平行） 各層土的水頭梯度相同，總的流量等于各土層流量之和，總的截面積等于各層土截面之和。 （2）考慮豎直向滲流時(shí)（水流方向與土層垂直） 總的流量等于每一土層的流量，總的截面積等于各土層的截面積，總的水頭損失等于每一層的水頭損失之和。1211 12221 12212iihik hqqk F Ik F Ik hk hqkFIFI

8、FIhhh()()()()1212121212121 122121 122iviihhhhhhhhhqqqqkhhhFIFHFHHFq hq hkkkF kF k中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 三、影響土的滲透性的因素 1、土的粒度成分及礦物成分 顆粒大小、形狀及級(jí)配，影響孔隙大小及形狀，也影響滲透性。土顆粒越粗、越渾圓、越均勻時(shí)，滲透性就大。砂土含較多粉土及粘土顆粒時(shí)，其滲透系數(shù)就大大降低。 土的礦物成分對(duì)卵石、砂土和粉土等粗粒

9、土的滲透性影響不大，但對(duì)粘性土的滲透性影響較大，主要是由于其親水性和有機(jī)質(zhì)的含量。 2、結(jié)合水膜厚度 粘性土結(jié)合水膜較厚時(shí)，會(huì)阻塞土的孔隙，降低土的滲透性。如在粘土中加入高價(jià)離子的電解質(zhì)，會(huì)使土粒擴(kuò)散層厚度減薄，粘土顆粒會(huì)凝聚成粒團(tuán)，土的孔隙因而增大，土的滲透性也增大。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 3、土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 天然土層不是各向同性的，因此滲透性也一樣。如黃土具有豎向大孔隙，因此它豎直方向的滲透系數(shù)比水平方向大得多。層狀粘土

10、常夾有薄層粉砂層，它在水平方向的滲透系數(shù)比豎直方向要大。 4、水的粘滯度 水在土中的流速與水的容重和粘滯度有關(guān)，而它們又與溫度有關(guān)。水的容重隨溫度變化可以忽略，水的粘滯系數(shù)隨溫度的變化對(duì)滲透系數(shù)的影響可用下式修正： 5、土中氣體 土孔隙中的密閉氣泡，會(huì)阻塞水的滲流，從而降低土的滲透性。1010ttkk中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 四、動(dòng)水力及滲流破壞 水在土中滲流時(shí)受到土顆粒的阻力T，同樣水流也有一個(gè)力作用于土顆粒上，我們把水流

11、作用在單位體積土體上的力稱為動(dòng)水力GD，也稱滲流力，動(dòng)水力的作用方向與水流方向一致。 1、動(dòng)水力的計(jì)算公式： 2、流砂現(xiàn)象、管涌和臨界水頭坡度 如果滲流的方向自下而上時(shí)，動(dòng)水力方向與重力方向相反，這將減少顆粒間的壓力。當(dāng)動(dòng)水壓力等于土的浮容重時(shí)，土粒間壓力為零，土處于懸浮狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為流砂。即： 產(chǎn)生流砂時(shí)的水力梯度稱為臨界水力梯度：ITGwDwswsatwDeIG11eGIwsatwcr111中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件

12、流砂現(xiàn)象主要發(fā)生在細(xì)砂、粉砂、粉土等土層中，粗砂、粘土等不易產(chǎn)生流砂。 處理流砂的方法主要有： （1）人工降低地下水位，減小水頭梯度； （2）打板樁，增加排水路徑，間接降低水頭梯度； （3）水下施工法。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件第三節(jié) 流網(wǎng)及其應(yīng)用 本節(jié)內(nèi)容自習(xí)。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué)

13、院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件第四節(jié) 土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚 一、凍土現(xiàn)象及其對(duì)工程的危害 在嚴(yán)寒地區(qū)或當(dāng)氣溫下降至零度以下時(shí)，土中水分凍結(jié)成冰而成為凍土。根據(jù)其凍融情況可分為： 季節(jié)性凍土：冬季凍結(jié)、夏季全部融化的凍土； 隔年凍土：一、兩年不融化的土層稱為隔年凍土； 多年凍土：凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年或三年以上的土層。 凍土的危害：凍土由凍結(jié)及融化兩種作用引起。在凍結(jié)時(shí)，由于水結(jié)成冰體積要膨脹9%，引起土體膨脹，使地面隆起，稱為凍脹現(xiàn)象。凍脹引起路基開(kāi)裂、路面鼓包、開(kāi)裂，建筑物上抬、開(kāi)裂、傾斜，甚至倒塌。融化時(shí)，土中冰融化成水使土的含水量增加，強(qiáng)度下降，冰水積聚，容易引起路面翻漿冒泥，使路面

14、破壞、建筑物也融陷。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 二、凍脹的機(jī)理與影響因素 1、凍脹的原因 土發(fā)生凍脹是因?yàn)閮鼋Y(jié)時(shí)水分向凍結(jié)區(qū)遷移和積聚。一般情況下水在0時(shí)結(jié)冰，但結(jié)合水的冰點(diǎn)小于零度，弱結(jié)合水的冰點(diǎn)為-0.5-30，強(qiáng)結(jié)合水的冰點(diǎn)則達(dá)-78。 外界氣溫降至負(fù)溫時(shí)，自由水先開(kāi)始凍結(jié)成冰晶體，然后弱結(jié)合水外層開(kāi)始凍結(jié)，隨著冰晶體的擴(kuò)大，冰晶體周圍土粒的結(jié)合水膜減薄，土粒產(chǎn)生剩余分子引力。另外水膜中的離子濃度也增加，產(chǎn)生滲附壓力。在

15、這兩種引力的作用下，附近未凍結(jié)區(qū)水膜較厚的結(jié)合水被吸引到凍結(jié)區(qū)的水膜較薄處。如此不斷進(jìn)行，如有適當(dāng)?shù)乃?，則使冰晶體擴(kuò)大，在土層中形成冰夾層，土體積發(fā)生隆脹，即凍脹。中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 2、影響凍脹的因素 （1）土的因素：凍脹現(xiàn)象在細(xì)粒土中易發(fā)生。因?yàn)檫@類土有毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)水上升高度大，速度快，有通暢的水源補(bǔ)給通道。粘土雖有較厚的結(jié)合水膜，但毛細(xì)孔隙很小，阻止了水分的遷移。砂礫等粗顆粒土沒(méi)有結(jié)合水，也無(wú)毛細(xì)現(xiàn)象，不會(huì)發(fā)

16、生水分遷移積聚。 （2）水的因素：凍結(jié)區(qū)補(bǔ)給的水源是否充分。地下水位較高，毛細(xì)水上升的高度能達(dá)到或接近凍結(jié)線，凍脹現(xiàn)象強(qiáng)烈。 （3）溫度的因素：凍脹現(xiàn)象與溫度下降速度和冷凍強(qiáng)度有關(guān)。氣溫驟降且冷卻強(qiáng)度很大時(shí)，土的凍結(jié)面迅速下移，凍結(jié)速度很快，土中結(jié)合水及毛細(xì)水不向凍結(jié)區(qū)遷移，凍土無(wú)明顯的凍脹。氣溫緩慢下降，冷卻強(qiáng)度小，負(fù)溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有利于未凍結(jié)區(qū)水分向凍結(jié)區(qū)遷移，出現(xiàn)凍脹。胰腺癌生活如何護(hù)理 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件 三、凍結(jié)

17、深度 為了克服凍融對(duì)建筑物的危害，設(shè)計(jì)中應(yīng)將基礎(chǔ)底面置于當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度以下。土的凍結(jié)深度與當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼恋念悇e、濕度、地面覆蓋等有關(guān)，在工程實(shí)踐中用標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度表示（地表無(wú)積雪和草皮等覆蓋條件下，多年實(shí)測(cè)最大凍結(jié)深度的平均值稱為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度）。公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ024-85）給出了我國(guó)東北和華北地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)凍深圖，也可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)資料按下式計(jì)算：5 . 0728. 00mTz中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件The E

18、nd中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-1土層中的毛細(xì)水中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-2毛細(xì)管中水柱的上升中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工

19、 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-3在不同粒徑的土中毛細(xì)水上升速度與上升高度關(guān)系曲線中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3- 4毛細(xì)壓力示意圖中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-5水在土中的滲流中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué)

20、 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-6砂土和粘土的滲透規(guī)律中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-7常水頭滲透試驗(yàn)中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-8變水頭滲透試驗(yàn)中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-9現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件圖3-10例題3-1中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程 學(xué) 院 多 媒 體 教 學(xué) 課 件中 國(guó) 人 民 解 放 軍 理 工 大 學(xué) 工 程 兵 工 程