第二章 土中水的运动规律 土力学与基础工程

第二章土中水的运动规律学习内容：（1）毛细水产生的原因和对工程的影响以及土的冻结（2）达西定律（3）流沙、管涌现象产生的原因、对工程的危害以及防治措施第一节土的毛细性土的毛细现象：土中水在表面张力作用下，沿着土中毛细孔隙向上及向其它方向移动的现象一.土层中的毛细水带正常毛细水带毛细网状水带毛细悬挂水带hc毛细水重力水二.土中水毛细现象对工程的影响：1).毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；2).对于房屋建筑,毛细水的上升会引起地下室过分潮湿；3).毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化,对建筑工程及农业经济都有很大影响。三.毛细水上升机理及上升高度与速度:1）在毛细管内的水柱,由于湿润现象使弯液面呈内凹状时,水柱的表面积就增加了,这时由于管壁与水分子之间的引力很大,促使管内的水柱升高,从而改变弯液面形状,缩小表面积,降低表面自由能。但当水柱升高改变了弯液面的形状时,管壁与水之间的湿润现象又会水柱面恢复为内凹的弯液面状。这样周而复始,使毛细管内的水柱上升,直到升高的水柱重力和管壁与水分子间的引力所产生的上举力平衡为止。2)毛细水上升最大高度：3)在较粗颗粒土中，毛细水上升一开始进行得很快，以后逐渐减慢，而细颗粒土中毛细水上升高度较大，但速度较慢.毛细压力：土粒接触面间的毛细水由于湿润作用形成弯液面，在水和空气分界面上产生的表面张力是沿着弯液面切线方向作用的，它促使土粒互相靠拢，在土粒的接触面上就产生一个压力，称为毛细压力。wdh4max四.土的冻结冻土根据其冻融情况可以分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土季节性冻土：冬季冻结、夏季全部融化的冻土隔年冻土：冬季冻结、一二年不融化的土层多年冻土：冻结状态持续3年或3年以上的土层冻土现象：在冻土地区，随着冻结和融化会发生特殊的现象，称为冻土现象。冻胀现象：粘性土层在冻结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘，称为冻胀现象。冻融现象：土层解冻融化后，由于土中含水量增加，且地基细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，土层软化，强度大大降低，称为冻融现象。冻土现象及其对工程的危害冻土现象是由冻结和融化两种作用引起。冻结时，往往发生土层体积膨胀使地面隆起成丘，形成冻胀；土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时其体积要增大9%的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大，土体积也随之发生膨胀隆起；当冻胀土层融化后，土中含水量大大增加，加之细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，强度大大降低，在车辆荷载作用下，极易造成路面的破坏。冻胀机理及影响因素1）冻胀机理当大气温度降到负温时，土层中温度也随之降低，土孔隙中的自由水首先在00c时冻结成冰晶体。随着气温的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大，这样使冰晶体周围土结合水膜减薄，土粒就产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加（因为结合水中的水分子结成冰晶体，使离子浓度相应增加），这样，就产生渗附压力（即当两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中的水向浓度较大的溶液渗流）。在这两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水，被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即被冻结，使冰晶体增大，而不平衡引力继续存在。若未冻结区存在着水源（如地下水距冻结区很近）及适当的水源补给通道（即毛细通道），能够源源不断地补充被吸引的结合水，则未冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移积聚，使冰晶体扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生隆胀，即冻胀现象。这种冰晶体的不断增大，一直要到水源的补给断绝后才停止。冻胀机理温度结合水迁移学说自由水结冰弱结合水冻结结合水膜变薄土粒产生剩余分子引力水膜中离子浓度增加产生渗附压力未冻结区水膜厚处的结合水吸引到冻结区水膜较薄处冰晶体增大未冻结区水分不断向冻结区迁移积聚形成冰夹层冻胀未冻区存在水源毛细通道2）影响冻胀的因素土的因素水的因素温度的因素在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、亚粘土、轻亚粘土等土层常发生较大的冻胀危害。浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透第二节土的渗透性基准线12l1h2h1z2z1H2Hh一.土的层流渗透定律（达西定律）大多数情况下，土中水的渗流属于层流，符合达西定律kILhkvv——渗流速度（m/s)；k——渗透系数，（m/s)；I——水头梯度，为水头损失h与渗透路径长度L之比q——渗透流量（m3/s)kIFq或F上式只适用于层流的情况,故一般只适用于中砂、细砂、粉砂等，对粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土就不适用对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度i00iikvivoi0在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用。ivovcr(1)mvkim渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。常水头试验：适用于透水性强的无粘性土。变水头试验：适用于透水性弱的粘性土。二.渗透系数常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变。用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量Q，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解kFtQvHtFQlk（1）土的渗透系数－常水头法设玻璃管的内截面积为a，试验开始以后任一时刻t的水位差为h，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量adhdQFdtlhkdQ（2）土的渗透系数－变水头法Fdtlhkadh2112ln)(hhttFalkadhdQFdtlhkdQ三、影响土渗透性的因素1）土的粒度成分及矿物成分：土颗粒越粗，越浑圆，越均匀，渗透性越大；粘土中含亲水性较大的粘土矿物或有机质时，渗透性大为降低。2）结合水膜厚度：水膜越厚，渗透性越小。3）土的结构构造：黃土竖向渗透系数要比水平向大得多；夹有粉砂层的层状粘土，水平向渗透系数比竖向大得多。4）水的粘滞度：不同温度下，水的粘滞度不同，室内试验中一般将测定的kt值修正为100c水温时的k10值：k10=kt5）土中气体：土中有密闭气泡时，将降低土的渗透性，因此室内试验应用不含溶解空气的蒸馏水。四、动水力及渗流破坏我们把水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为动水力，也称为渗流力。动水力的作用方向与渗流方向一致。1）动水力的计算公式：ILhGwwDh2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h考虑作用在1-2土柱内水上的力系：作用在1处的水压力（与水流方向一致）+作用在2处的水压力（与水流方向相反）-土柱体内水的重力沿轴线方向的分力（与水流方向一致）+水对土颗粒作用的浮力的反力（与水流方向一致）+渗流时，土柱中的土颗粒对水的阻力（与水流方向相反）-wsatWDIG'2）流砂现象、管涌和临界水头梯度若水的渗流方向自下而上，在土体表面取一单位体积土体进行分析，已知土在水下的浮容重为，当向上的动水力与土的浮容重相等时，即，这时土颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象就称为流沙现象。这时的水头梯度称为临界水头梯度工程中：水在砂性土中渗流时，土中的一些小颗粒在动水力作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走，这种现象称为管涌。1wsatwcrIKIIIcr流砂土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口流砂与管涌的比较zxzvxvdxxvvxxdzzvvzz一.平面渗流的基本微分方程连续性条件zxkk假定：ΔhΔh恒定稳定渗流(与时间无关)h=h(x,z),v=v(x,z)平面应变问题取单宽dy=1，则达西定律基本假定第三节流网及其应用介质不可压缩zxzvxvdxxvvxxdzzvvzz0zvxvzxzhkv;xhkvzzxx连续性条件达西定律zxkk假定dxvdzvdqzxedx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxooedqdq0zhxh22220zhkxhk22z22xLaplace方程02222zhxh02222zxkh通解：两个共轭调和函数势函数(x,z)流函数y(x,z)等势线流线02222zxyy流函数y(x,z)势函数(x,z)02222zxxzvzyzxvxyzxvdzvdx流线0dzvdxvdzzdxxdxzyyyABBABABAzxBAddzzxdxdxvdzvdqqyyyyyBA0..zzxxyy等势线和流线相互正交单宽流量二.平面稳定渗流问题的流网解法•（一）流网及其性质•平面稳定渗流基本微分方程的解可以用渗流区平面内两簇相互正交的曲线来表示。其中一簇为流线，它代表水流的流动路径，另一簇为等势线，在任一条等势线上，各点的测压水位或总水头都在同一水平线上。工程上把这种等势线簇和流线簇交织成的网格图形称为流网，如下图。各向同性土的流网性质•流网是相互正交的网格:由于流线与等势线具有相互正交的性质，故流网为正交网格；•流网为曲边正方形:在流网网格中，网格的长度l与宽度b之比通常取为定值，一般取1.0，使之成为曲边正方形；•任意两相邻等势线间的水头损失相等；•任意两相邻流线间的单位渗流量相等。（二）流网的近似绘制方法绘制方法根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形初步绘制流网流线→等势线→反复修改，调整ABCDbsH1h00lbH2测管水头差lnhlhi)1(/zhlnkhikv)1(lnhmkqmqblhkq)1()1()1(确定孔压确定流速确定流量流线数—m（三）流网的工程应用水力坡降H1h0lblbH21nhh等势线数—n