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(yīng)力作用下孔隙水的擠出(土的固結(jié)問題)；由于表面張力作用產(chǎn)生的水分移動(土的毛細(xì)現(xiàn)象)；在土顆粒分子引力作用下結(jié)合水的移動(如凍結(jié)時土中水分的移動)；由于孔隙水溶液中離子濃度的差別產(chǎn)生的滲附現(xiàn)象等。土中水的運動將對土的性質(zhì)產(chǎn)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(jié)、滲流時的邊坡穩(wěn)定等，都與土中水的運動有關(guān)。故本章著重研究土中水的運動規(guī)律。3.2 土的毛細(xì)性 土的毛細(xì)性是指土能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。土的毛細(xì)

2、現(xiàn)象是指土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)微孔隙向上及向其他方向移動的現(xiàn)象。這種細(xì)微孔隙中的水被稱為毛細(xì)水。土的毛細(xì)現(xiàn)象在以下幾個方面對工程有影響：1) 毛細(xì)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(xì)水的上升會引起地下室過分潮濕。3) 毛細(xì)水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對建筑工程及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)都有很大影響。3.2.1 土層中的毛細(xì)水帶 土層中由于毛細(xì)現(xiàn)象所潤濕的范圍稱為毛細(xì)水帶。根據(jù)毛細(xì)水帶的形成條件和分布狀況，可分為三種，即正常毛細(xì)水帶、毛細(xì)網(wǎng)狀水帶和毛細(xì)懸掛水帶，如圖3.1所示。3.2.2 毛細(xì)水上升高度和上升速度 在實踐中也有些估算毛細(xì)水上升高度的經(jīng)驗方式，如海森(A.Ha

3、zen)的經(jīng)驗公式： 通過試驗可以得出，在較粗顆粒土中，毛細(xì)水上升一開始進(jìn)行的很快，以后逐漸緩慢，細(xì)顆粒土毛細(xì)水上升高度較大，但上升速度較慢。3.2.3 毛細(xì)壓力 毛細(xì)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(xì)水，土粒表面的濕潤作用，使毛細(xì)水形成彎液面。在水和空氣的分界面上產(chǎn)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(chǎn)生一個壓力，稱為毛細(xì)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(xiàn)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(nèi)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(rèn)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(dá)西定律)： 或或 在黏土中，應(yīng)按下述修正后的達(dá)西定律計算滲流速度： 3.3.3 土的滲透系數(shù) 滲透系數(shù)是綜合反映土體滲透能力的一個指標(biāo)，其數(shù)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(shù)滲透系數(shù)的確定室內(nèi)試驗測定法現(xiàn)場抽水試驗1) 室內(nèi)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(nèi)流經(jīng)試樣的水量Q，即可求出流過土體的流量，再根據(jù)達(dá)西定律求解k。(1)常水頭法(2)變水頭法 設(shè)玻璃管的內(nèi)截面積為a，試驗開始以后任一時刻t的水位差為h，經(jīng)時段dt，細(xì)玻璃管中水位下落dh，則在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量：2) 現(xiàn)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(shù)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(jié)合水膜的厚度土的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jù)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(xiàn)象、管涌和臨界水頭梯度 當(dāng)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(xiàn)象就稱為流砂現(xiàn)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(xì)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(xiàn)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(guān)。 3.4 二維滲流、流網(wǎng)及其工程應(yīng)用3.4.1 二維穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程 設(shè)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(dāng)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(shù)而與時間無關(guān)，即: 連續(xù)性條件假定： hh恒定穩(wěn)定滲流(與時間無關(guān))h=h(x,z), v=v(x,z)平面應(yīng)變問題取單寬 dy=1，則達(dá)西定律 基本假定介質(zhì)不可壓縮 連續(xù)性條件假定 Laplace方程 達(dá)西定律3.4.2 流網(wǎng)的特征及繪制1) 流網(wǎng)的特征(1) 流線與等勢線彼此正交；(2) 流線與等勢線構(gòu)成的各個網(wǎng)格的長寬比應(yīng)為常數(shù)，(3) 相鄰等勢線間的勢函數(shù)差相等(即測管水頭差相等)；(4) 相鄰流線間的流函數(shù)差相等。2) 流網(wǎng)的繪制 繪制方法根據(jù)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(wǎng)流線等勢線反復(fù)修改，調(diào)整ABCDbsH1h00lbH23.4.3 流網(wǎng)的應(yīng)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(xiàn)象及其對工程的危害 在冰凍季節(jié)因大氣負(fù)溫影響，使土中水分凍結(jié)成為凍土。多年凍土：凍結(jié)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(jié)，夏季全部融化 隔年凍土：冬季凍結(jié)，僅在繼后的夏季不融化 凍土現(xiàn)象：在凍土地區(qū)，隨著土中水的凍結(jié)和融化，會發(fā)生一些特殊的現(xiàn)象。 凍脹現(xiàn)象：凍土現(xiàn)象是由凍結(jié)及融化兩種作用所引起的。黏性土層在凍結(jié)時，往往會發(fā)生土層體積膨脹，使地面

9、隆起成丘。 翻漿現(xiàn)象：路基土凍融后，在車輛反復(fù)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(jī)理與影響因素1) 凍脹的原因溫度結(jié)合水遷移學(xué)說自由水結(jié)冰弱結(jié)合水凍結(jié)結(jié)合水膜變薄土粒產(chǎn)生剩余分子引力水膜中離子濃度增加產(chǎn)生滲附壓力未凍結(jié)區(qū)水膜厚處的結(jié)合水吸引到凍結(jié)區(qū)水膜較薄處冰晶體增大未凍結(jié)區(qū)水分不斷向凍結(jié)區(qū)遷移積聚形成冰夾層凍 脹未凍區(qū)存在水源毛細(xì)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(fù)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(jù)影響凍脹的三個因素，采取相應(yīng)的防治凍脹的工程措施。2) 影響凍脹的因素3.5.3 凍結(jié)深度 土的凍結(jié)深度不僅和當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)，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(guān)，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(jié)深度的平均值稱為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度。 當(dāng)無實測資料時，可參照標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)線圖，并結(jié)合實地調(diào)查確定。也可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料按公式（3.36）估算： 3.6 本章小結(jié)1.土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)