《土質與土力學》第3章 土中水的運動規(guī)律

第3章土中水的運動規(guī)律研究土中水的運動規(guī)律可以解決土的施工降水問題、滲流破壞問題以及土的滲流控制問題。3.1土的毛細性

當土體中孔隙細微，具有毛細性，會引起地基土凍脹、路基凍害等，在工程中需加以研究和防治。一、土層中的毛細水帶毛細水帶是由于土的毛細性所濕潤的范圍?？煞譃橐韵氯N：1.正常毛細水帶是靠毛細作用自地下潛水面上升的毛細飽和帶。2.毛細網(wǎng)狀水帶是地表滲水或毛細水帶下降過程中殘留在土中的網(wǎng)狀水帶。3.毛細懸掛水帶是由地表水滲入而形成的懸掛在土粒之間的水帶。當?shù)乇斫邓畷r，毛細懸掛水帶在重力作用下向下移動。

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二、毛細水上升高度及上升速度為了了解毛細水上升高度，借助于毛細管中的毛細現(xiàn)象進行研究。設毛細管內的最大上升高度為，毛細水柱重：

毛細水上升達到時的上舉力為：

由有：若令，可得：由此式可見，毛細管直徑越小，毛細水上升高度越大。由于土體中的孔隙通道錯綜復雜，不能直接套用該式，可引用經驗公式進行計算：式中為與土有關的系數(shù)；和分別為土的孔隙比和有效粒徑。土中毛細水上升速度可由試驗測得。2023/5/13

三、毛細壓力當砂土中含水份較少時，在土粒接觸點附近存在彎液面，在表面張力的作用下土粒接觸點處會產生毛細壓力。這種毛細壓力能使砂土粒粘聚在一起。所以毛細壓力也稱為假粘聚力。當土中水份蒸發(fā)或水份增加時，假粘聚力就會消失。

3.2土的滲透性土的滲透性是指地下水能在土的孔隙中通過的性能。由于土中運動的水體對土骨架產生作用力，土骨架也對運動的水產生阻力。利用這種相互作用規(guī)律可以解決許多工程問題。例如施工降水問題、滲流破壞問題、滲流控制問題等。一、滲流模型由于土的種類繁多，土中的孔隙錯綜復雜，研究滲流問題需做適當?shù)姆诸惡秃喕员阌诮⒎治瞿Ｐ??？疾鞚B流現(xiàn)象將其分為兩種類型：層流；紊流。層流是流線平行的緩慢滲流；紊流是流線交錯的無序滲流。在層流中將滲流速度(孔隙水流速)簡化為地下水體的移動速度。即平均流速：2023/5/13

二、達西定律

地下水自點流向點，是因為點水頭壓力大于點的水頭壓力。其壓力差可以水頭差反映，單位距離上的水頭差叫做水頭梯度。達西根據(jù)砂土的滲流試驗總結出滲流速度與水頭梯度成正比：或對黏性土：

式中為滲透系數(shù)，可由試驗測定。三、土的滲透系數(shù)(一)室內試驗測定法1.常水頭試驗：2023/5/13

2.變水頭試驗：設經過時段水頭變化為水量變化為。則：

整理得：

積分得：

即(二)現(xiàn)場抽水試驗測定法2023/5/13

(三)成層土的滲透系數(shù)四、影響土的滲透性的因素1、土的粒度成分及礦物成分土粒愈粗，愈均勻，k愈大；黏土礦物愈多，k愈小。2、結合水膜的厚度結合水膜厚度愈大，土的孔隙阻塞愈嚴重，

k愈小。3、土的結構構造土的結構構造各向異性越強，土在不同方向上的滲透性差異越大。擾動土的k

值小于原狀土，大孔隙黃土。4、水的黏滯度溫度愈高，水的黏滯度愈小，k

值愈大。5、土中氣體當土中含有封閉氣體時，會阻塞孔隙通道，使k

值降低。2023/5/13２、流砂現(xiàn)象、管涌和臨界水力梯度在細砂和粉土中，當動水力的方向向下時，土粒間壓力增大；當動水力的方向向上時，土粒間壓力減小。當動水力大于等于土的有效重度，且方向向上時，土粒間壓力等于零，即出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。管涌是細小土粒在土孔隙中流走的現(xiàn)象。當出現(xiàn)流砂時：

其中，臨界水力梯度：；在工程中要求：３、流砂防治措施a打鋼板樁法；b設置旋噴樁止水帷幕法；c凍結法。五、動水力及滲流破壞１、動水力的計算公式土中水滲流時對土骨架的作用力叫動水力,也叫滲流力。以

表示。

式中

土骨架阻力2023/5/13

3.3

流網(wǎng)及其應用在實際工程中的滲流情況十分復雜，其中有一維滲流、二維滲流、三維滲流。例如：大面積堆載加固飽和軟粘土、水壩滲流計算、基坑開挖降水計算等。其中多數(shù)可簡化為二維滲流情況。二維滲流流網(wǎng)可由兩組正交曲線表示。一組是流線，另一組是等勢線。一、平面滲流基本微分方程以水壩滲流計算為例：取單元體：設X,Z方向的流速為：單位時間流入單元體的水量：單位時間流出單元體的水量：根據(jù)滲流連續(xù)條件(土體不變形)：得：2023/5/13

由達西定律：代入上式：

得：

即：對于各向同性土：得：地下水運動的Laplace

方程引入勢函數(shù)：則：2023/5/13

把(１)式對X微分，(2)式對Z微分，代入Laplace

方程：得：說明勢函數(shù)也滿足Laplace方程

流線方程可表示成：設流線方程為某一流函數(shù)的全微分，則：

因此有：

比較前面的推導有：由此得：2023/5/13

則：，即也滿足Laplace方程

Laplace方程可用解析法或數(shù)值法求解。求解后得到兩組曲線稱為流網(wǎng)。流網(wǎng)的性質：

(1)流線與等勢線互相正交；

(2)每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù),即網(wǎng)格為曲線正方形；

(3)任意兩相鄰流線間的滲流量相等；

(4)任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等相等。二、流網(wǎng)的應用應用程序：按要求繪制流網(wǎng)；求各水頭梯度；求滲透系數(shù)；求滲流量１、水頭梯度２、求滲透速度３、滲流量

2023/5/13一、凍土現(xiàn)象及其對工程的危害二、凍脹的機理與影響因素1、凍脹的要素：1)低溫；2)水源(地下水)；3)弱結合水膜轉移。地基不均勻凍脹融沉，導致上部結構破壞。3.4土在凍結過程中水分的轉移2、地基凍脹性分類

1）分類依據(jù)：a土的類別(有否弱結合水膜)；毛細水上升

b凍前天然含水量(弱結合水膜厚度)；

c凍結期間地下水位距離凍結面的最小距離(毛細水上升路徑的長短)；

d平均凍脹率

2）分類方法：建筑地基規(guī)范將土的凍脹性分為5類：不凍脹、弱凍脹、凍脹、強凍脹、特強凍脹。三、凍結深度1、季節(jié)性凍土地基的設計凍深——標準凍深，地表平坦、裸露、城市之外的空曠場地中不

少于10年實測最大凍深的平均值。按規(guī)范圖查取或實測?！恋念悇e對凍深的影響系數(shù)，按規(guī)范取值；——土的凍脹性對凍深的影響系數(shù)，按規(guī)范取值；——環(huán)境對凍深的影響系數(shù)，按規(guī)范取值；——基礎底面下允許殘留凍土層的最大厚度,按規(guī)范取值。2、基礎最小埋深四、防止凍害的措施1）減少切向凍脹力；2）減水防凍；3）增強房屋的整體剛度；4）減小對凍脹的約束；5）保溫；作業(yè)：3-22023/5/13第４章土中應力計算

４.1

概述一、土中應力計算的目的和方法(1)研究和解決土體的變形問題；(2)研究和解決土體的強度問題；(3)研究和解決土體的穩(wěn)定性問題；(4)關于土體作為力學介質的假定。在計算土中應力時，假定土體是均勻連續(xù)、各向同性的半無限線性變形體。三、應力坐標和符號的規(guī)定采用空間直角坐標系表示土中應力的位置和方向。Z

軸以向下為正，應力以受壓為正。四、土中應力劃分土中應力劃分為：自重應力；附加應力；有效應力；孔隙水壓力等。2023/5/13

4.2土中自重應力一、基本計算公式(均質土中豎向自重應力)在土體內豎向取單位面積土柱，由于對稱性，土柱側面無剪應力，由土柱豎向平衡有：豎向自重應力二、土體成層及有地下水時的計算公式1、當土體成層時

２、土層中有地下水時無黏性土和的黏性土中，取計算。對的黏性土取計算。對的黏性土按不利狀態(tài)考慮。三、水平向自重應力

式中：土的靜止側壓力系數(shù)，由試驗測得。2023/5/13

4.3基底壓力一、基礎底面壓力分布的概念

二、基底壓力的簡化計算方法1、中心荷載作用時２、偏心荷載時當時，三、基底附加壓力基底附加壓力是引起地基土沉降的壓力：2023/5/13

4.4豎向集中力作用下土中應力計算

1、布辛奈斯克解（P63）２、等代荷載法系數(shù)表達式若干力作用時：式中查表4-2。2023/5/13

4.5豎向分布荷載作用下土中應力計算

1、矩形均布荷載角點下的附加應力２、矩形均布荷載任意點下的附加應力（１）、