土中水的運(yùn)動規(guī)律

土力學(xué)與土質(zhì)學(xué)

(第2章）土中水的運(yùn)動規(guī)律——工程背景土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動著的。土中水的運(yùn)動原因和形式很多，例如：●在重力的作用下，地下水流動（滲透問題）；●由于表面現(xiàn)象產(chǎn)生的水分移動（毛細(xì)現(xiàn)象）；●在土顆粒分子引力作用下結(jié)合水移動（凍結(jié)）；●由于孔隙離子濃度的差別產(chǎn)生的滲附現(xiàn)象。土中水運(yùn)動對許多工程實(shí)踐問題，如流砂、凍脹、滲透固結(jié)、滲透時邊坡穩(wěn)定等。第2章土中水的運(yùn)動規(guī)律學(xué)習(xí)要求：

掌握土的滲透定律與滲透力計算方法，具備對地基滲透變形進(jìn)行正確分析的能力。1．掌握土的滲透定律、土中滲流量計算；2.了解二維滲流及流網(wǎng)繪制、掌握土中水的滲透力與地基滲透變形分析.基本內(nèi)容：

2.1土的毛細(xì)性

2.2土的滲透性

2.3動水壓力及流砂現(xiàn)象

2.4流網(wǎng)及其應(yīng)用

2.1土的毛細(xì)性土的毛細(xì)性是指能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。土的毛細(xì)現(xiàn)象是指土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的孔隙向上及其它方向移動的現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象在以下四個方面對工程有影響：（1）毛細(xì)水的上升是引起路基凍害因素之一；（2）對建筑毛細(xì)水上升引起地下室過分潮濕；（3）毛細(xì)水的上升可能引起土地的沼澤化和鹽漬化；（4）當(dāng)?shù)叵滤薪g性時，毛細(xì)水上升對建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)中的混凝土、鋼筋等形成浸蝕作用。土層中毛細(xì)水分布土層中由于毛細(xì)現(xiàn)象所潤濕的范圍稱為毛細(xì)水帶，根據(jù)其形成條件和分布狀況分成3帶：（1）正常毛細(xì)水帶（毛細(xì)飽和帶）。位于毛細(xì)水帶的下部，與地下潛水相通。主要是由潛水面直接上升而形成的。隨水位升降而移動。（2）毛細(xì)網(wǎng)狀水帶。位于毛細(xì)水帶的中部，可在表面張力和重力作用下移動。（3）毛細(xì)懸掛水帶。位于毛細(xì)水帶的上部，主要是由地表水滲入而成的。在重力作用下移動。地下水上升原理由于液體與空氣的分界面上存在著表面張力，因而在液體表面表面任意劃一條線，線兩側(cè)的液體都會和攏；另外，毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個引力使與管壁接觸部分的水面呈向上彎曲狀，這種現(xiàn)象稱為~毛細(xì)水的上升是由于液體的“表面張力”和毛細(xì)管的“濕潤現(xiàn)象”產(chǎn)生的。2.2土的滲透性※存在于地基中的地下水，在一定的壓力差作用下，將透過土中孔隙發(fā)生流動，這種現(xiàn)象稱為滲流或滲透?！旅嬗懻撍膫€問題：1.滲透模型；2.層流滲透定律；3.滲透系數(shù)的確定；4.動水壓力及流砂現(xiàn)象。滲透模型(1)模型的流量等于真實(shí)的流量；(2)模型的壓力等于真實(shí)的壓力(3)模型所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力相等。

考慮到實(shí)際工程可對滲流作如下簡化：一是不考慮滲流路徑的迂回曲折；二是不考慮土體中顆粒的影響，這種假想的滲流模型

對于滲透速度，用單位時間內(nèi)通過土體單位面積的水量這種平均滲透速度來代替真實(shí)速度。層流滲透定律裝置中①是面積為A的直立圓筒，其側(cè)壁裝有兩支相距為L的側(cè)壓管。濾板②填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多余的水從溢水管③溢出，使筒內(nèi)的水位維持恒定。滲透過砂層的水從短水管④流入量杯⑤中，并以此來計算滲流量Q。

得出：流量Q與過水面積A和水頭（h1-h2）成正比與滲透路徑L成反比，即達(dá)西定律：

Q=KA(h1-h2)/L達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)西定律的適用范圍

達(dá)西定律是由砂質(zhì)土體實(shí)驗(yàn)得到的，后來推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細(xì)裂隙的巖石等。

(a)細(xì)粒土的v-i關(guān)系(b)粗粒土的v-i關(guān)系

①砂土、一般粘土;②顆粒極細(xì)的粘土

滲透系數(shù)的確定滲透系數(shù)k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。影響滲透系數(shù)大小的因素很多，主要取決于土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的粘滯性等，要建立計算滲透系數(shù)k的精確理論公式比較困難，通?？赏ㄟ^試驗(yàn)方法(包括實(shí)驗(yàn)室測定法和現(xiàn)場測定法)或經(jīng)驗(yàn)估算法來確定k值。

實(shí)驗(yàn)室測定法a常水頭試驗(yàn)裝置;b.變水頭試驗(yàn)裝置。

k>10-3

為細(xì)砂到中等卵石;透水性較小

(10-7<k<10-3)粘性土.現(xiàn)場測定法有野外注水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)等，是在現(xiàn)場鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時，量測地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應(yīng)的理論公式求出滲透系數(shù)k值。(a)無壓完整井抽水試驗(yàn);(b)無壓非完整井抽水試驗(yàn)

經(jīng)驗(yàn)估算法●1991年

哈森提出用有效粒徑d10計算較均勻砂土的公式:

●1955年，太沙基提出考慮土體孔隙比e的經(jīng)驗(yàn)公式:

表1土的滲透系數(shù)參考值

2.3動水壓力及流砂現(xiàn)象1.動水壓力(滲透力）定義：水在土中流動的過程中將受到土阻力的作用，使水頭逐漸損失。同時，水的滲透將對土骨架產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。這種滲透水流作用對土骨架產(chǎn)生的拖曳力稱為~。用GD表示(kN/m3)?！谠S多水工建筑物、土壩及基坑工程中，滲透力的大小是影響工程安全的重要因素之一。實(shí)際工程中，也有過不少發(fā)生滲透變形(流砂或管涌)的事例，嚴(yán)重的使工程施工中斷，甚至危及鄰近建筑物與設(shè)施的安全。因此，在進(jìn)行工程設(shè)計與施工時，對滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來的不良后果應(yīng)該具有足夠的重視。動水壓力及流砂現(xiàn)象2.動水壓力(滲透力）計算

滲透力的大小與計算點(diǎn)的位置有關(guān)。根據(jù)對滲流網(wǎng)中的孔隙水壓力和土粒間作用力的分析，得出單位體積內(nèi)土粒受到的單位滲透力為：式中i為水力梯度；γw—水的容重。※當(dāng)水力梯度超過一定界限值后，土中的滲流水流會把部分土體或土顆粒沖出、帶走，導(dǎo)致局部土體發(fā)生位移，位移達(dá)到一定程度，土體將發(fā)生失穩(wěn)破壞，這種現(xiàn)象稱為滲透變形?！饕袃煞N形式，即流砂與管涌。滲流水流將整個土體帶走的現(xiàn)象稱為流砂；滲流中土體大顆粒之間的小顆粒被沖出的現(xiàn)象稱為管涌。動水溪壓力起及流葵砂現(xiàn)過象3.嘴流砂驚現(xiàn)象淘、管破涌和災(zāi)臨界牽水力菌梯度※在夠粘性通土中梢，滲矩透力詞的作堂用往蝦往使蠶滲流盛逸出艇處某且一范禍圍內(nèi)笛的土蠶體出尸現(xiàn)表缺面隆它起變儀形；輔而在溝粉砂塊、細(xì)炕砂及垮粉土盞等粘秧聚性私差的析細(xì)粒副土中風(fēng)，水圍力梯這度達(dá)菊到一講定值樓后，女滲流慕逸出慮處出贈現(xiàn)表店面隆斜起變輸形的宇同時波，還砌可能肆出現(xiàn)招滲流帝水流啦夾帶請泥土弄向外眨涌出濃的砂酬沸現(xiàn)修象，請致使招地基辰破壞機(jī)，工跨程上化將這物種流敬土現(xiàn)亭象稱柄為流砂?！苡渴窃谶t滲流團(tuán)過程浙中，紙土體侮中的妥化合謎物不返斷溶詞解、馳細(xì)小行顆粒示在大呈顆粒妥間的狀孔隙云中移帳動，煎形成倘一條你管狀目通道俘，最虧后土鋼粒在聞滲流初逸出才處沖辨出的圖一種琴現(xiàn)象腐?！魃翱娴呐R逼界狀柴態(tài)對北應(yīng)的卸水力涉梯度icr（臨界墳水力會梯度）可用代下式彩表示擱：2.舒4坐流倘網(wǎng)及峽其應(yīng)賞用1.滲流憤問題抄的求術(shù)解方厲法簡膀介；2.流網(wǎng)舒及其短性質(zhì)；3.流網(wǎng)優(yōu)的繪離制；4.流網(wǎng)前的工組程應(yīng)兼用。滲流司問題垃的求逗解方迅法簡嗓介※在實(shí)尖際工固程中齡，經(jīng)野常遇膛到邊案界條醉件較醒為復(fù)罪雜的軟二維宰或三銀維問營題，企在這煮類滲侄流問塞題中觀，滲欄流場踏中各鳴點(diǎn)的榮滲流戒速度v與水則力梯牧度i等均礙是位委置坐掏標(biāo)的考二維糖或三鼠維函加數(shù)。遍對此忘必須甚首先嚇建立陜它們旱的滲張流微書分方當(dāng)程，瓶然后岸結(jié)合努滲流嶺邊界侍條件邁與初匪始條仿件求院解。※在實(shí)胞際工匯程中仗，滲攜流問勞題的唐邊界騙條件綿往往畫比較極復(fù)雜棕，其示嚴(yán)密為的解氏析解飄一般訪都很允難求納得。斬因此勾對滲慌流問槽題的酸求解檔除采律用解析盈解法外，薦還有數(shù)值屢解法、圖解榆法和模型擔(dān)試驗(yàn)際法等，符其中斜最常胡用的凳是圖解優(yōu)法即流網(wǎng)確解法。流網(wǎng)擱及其好性質(zhì)各向保同性翠土的累流網(wǎng)肌具有穩(wěn)如下紅性質(zhì)襲：1、流網(wǎng)歉是相粥互正耀交的石網(wǎng)格粉；2、流網(wǎng)賊為曲是邊正羞方形脹；3、任意惠兩相抖鄰等友勢線暖間的墨水頭勞損失圖相等損；4、任意鹽兩相意鄰流揮線間椅的單層位滲兼流量岸相等撒。閘基乎的滲各流流受網(wǎng)流網(wǎng)舌的繪稻制大致膨有三偉種：解析樸法、實(shí)驗(yàn)哄法（有竿水電才比擬椅法）浴、近似輝作圖遺法（手群描法逃）。盲其步驟檔大致靈為：先按皮流動機(jī)趨勢斯畫出恩流線仗，然年后根立據(jù)流穴網(wǎng)正元交性腹畫出等巨勢線腰，形虜成流網(wǎng)。如買發(fā)現(xiàn)診所畫階的流仗網(wǎng)不小成曲脹邊正方形拆時，每需反轉(zhuǎn)復(fù)修惹改等蠢勢線化和流遞線直顛至滿斬足要垃求。1）首錯先將什建筑緩物及紙土層山剖面歐按一鞠定的扇比例劈燕繪出艘，并度根據(jù)客滲流復(fù)區(qū)的柏邊界良，確趣定邊蘇界線皮及邊到界等混勢線抓；2）根晝據(jù)流良網(wǎng)特湯性，瞞初步攪?yán)L出匪流網(wǎng)墓形態(tài)蛙；3）逐梁步修邀改流蒸網(wǎng)。流網(wǎng)龜?shù)墓べF程應(yīng)柜用正確摔地繪紀(jì)制出云流網(wǎng)戴后，際可以促用它努來求個解滲宇流量斑、滲欄流速沉度。1）弓水力合梯度勿計算艱：2）攔滲流卵速度顫計算結(jié)：3）節(jié)滲流散量計脂算：當(dāng)ai=bi本章熱小結(jié)介紹肢了地堆基土滲透押理論的建朋立與慰平面具穩(wěn)定粥滲流叮問題薄的流席網(wǎng)解宏法、輪滲透意系數(shù)汗的確農(nóng)定方法以及滲透怕力與滲透華變形等內(nèi)復(fù)容。涉存在濾于地虧基中競的重績力水邊將在豆水力司梯度房誠的作薦用下臺發(fā)生寶流動題而形丈成滲流。不騙同的引土具微有不脖同的坑透水唉能力鳥，主晴要由伍土的姿顆粒辨組成催和孔稀隙比掌等決焦定。塵土的稈透水促性定嘆量指勝標(biāo)是蜘滲透種系數(shù)素，滲豈透系姨數(shù)值街愈大止，表擺示土滔的透功水能員力愈匆強(qiáng)。膚滲透演系數(shù)密通常耗可通砌過試賀驗(yàn)方闖法或紙經(jīng)驗(yàn)午估算幣法來砍確定帆。研辨究滲嘴流問筋題的懷基本粗定律摧是達(dá)西謎定律，求趕解平烈面穩(wěn)夜定滲裝流問過題的慎常用逐方法氣是流網(wǎng)平解法。滲染流的橫作用志將在第地基去土中籍