第二章土力学

1、2021-7-272021-7-27土是具有连续的介质“土中的水并非处于静止不变的状态，而是运动着的”：在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。：土具有被水透过的性质。主要内容主要内容水在土体中的渗透过程中在渗流作用下的和渗漏问题：渗漏问题：造成水量的损失，影响工程效益。造成水量的损失，影响工程效益。渗透变形：渗透变形：将引起土体内部应力状态的变化，从将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。会酿成破坏事故。渗流控制问题：渗流控制问题：当渗流量和渗透变形不能满足设当渗流量和渗透变形不能满足设计要求时，要采用

2、工程措施加以控制。计要求时，要采用工程措施加以控制。土的水理性质：土的水理性质：土体在水的作用及其变化的条件下，产生土的物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。这里主要讨论以下的两方面问题：这里主要讨论以下的两方面问题：p 土的毛细水性质土的毛细水性质p 土的冻胀土的冻胀2.2.1 土的毛细水性质土的毛细水性质 土中水在表面张力作用下沿着细小孔隙向上或其它方向移动的现象。 土能够产生毛细现象的性质称为土的毛细性土的毛细性。 路基冻害、地下室潮湿、沼泽化和盐渍化等。 ：hmax=4/dw ：hc=C /e d10（毛细粘聚力） 在土粒接触面上由于空气和水分界面产生的表面张力。2.2.2 土的

3、冻胀融陷特性土的冻胀融陷特性：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，土层中形成冰夹层，土体发生隆起。：土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷。 路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝、折断，房屋、桥梁、涵管下沉或不均匀沉降等。：毛细水现象严重的细粒土，如：粉砂、粉土、粉质黏土。：冻结区附近地下水位较高，分有开敞型、封闭型冻胀。：气温缓慢下降，持续时间较长。2.3.1 地下水运动的基本方式地下水运动的基本方式 流线流线：在渗流方向上，同一时刻不同水质点的连线形 层流层流：流线互相平行、水流平稳、流速均匀 湍流湍流（紊流）：流线不规则、旋涡 稳定流运动：稳定流运动：地下

4、水任一质点的流速、流向、水位、水压等特征要素不随时间而改变 非稳定流非稳定流运动：运动：地下水任一质点的流速、流向、水位、水压等特征要素随时间而改变 一维、二维、三维流动2.3.2 地下水运动方式的判别地下水运动方式的判别 ：运动流体的和的比值（无量纲）。 作用：划分和的定量界限。圆管中水的流动明渠中水的流动水流夹带泥沙在土的孔隙中水的流动sdRe 水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方。向水头低（势能小）的地方。水头水头( (water head) )：单位重量水体所具有的能量。：单位重量水体所具有的能

5、量。 渗流中一渗流中一点的点的总水头总水头h可用下式表示：可用下式表示：h = z + (2-1) z z 位置水头位置水头 压力水头压力水头 流速水头，流速水头近似等于流速水头，流速水头近似等于0 0它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能。它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能。gvuw22wug22wuzh1、各种水头概念及水力坡降、各种水头概念及水力坡降A AB BL Lh h1 1h h2 2z zA AwAu wBu z zB Bh h0 00 0基准面基准面水力坡降线水力坡降线wAAuzh1wBBuzh2hhh21wuzhLhiA A点总水头：点总水头：B

6、B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：渗流流过单位长度时的水头损失。渗流流过单位长度时的水头损失。 水力坡降的水力坡降的物理意义物理意义 注意：注意：土体中两点是否会发生渗流，只取决于土体中两点是否会发生渗流，只取决于总水头差总水头差， 若若hAhB时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动( (但水但水并非一定向低处流并非一定向低处流) )。 层流渗透定律（H. Darcy，1856）公式：量纲：v为，q为，k为，i为渗透速度定义：内流过的水量。kiLhkAtq23/cmscmscm渗透速度符合达西定律：渗透速度符合达西定

7、律：渗透速度应考虑起始水头梯度：渗透速度应考虑起始水头梯度：的粗颗粒，采用经验公式。的粗颗粒，采用经验公式。Lhkki)(0iik渗透系数：渗透系数：单位水力坡降（单位水力坡降（i=1i=1）时的渗透速度）时的渗透速度 ，是直接，是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。渗透系数的渗透系数的测定方法测定方法室内试验方法室内试验方法现场试验方法现场试验方法常水头渗透试验常水头渗透试验无粘性土无粘性土变水头渗透试验变水头渗透试验粘性土粘性土钻孔抽水试验钻孔抽水试验钻孔压水试验钻孔压水试验2.5.1 渗透系数渗透系数 k 的测定的测定常水头法：是在

8、整个试验过程中，水头保持不变。适是在整个试验过程中，水头保持不变。适用于用于透水性强的无粘性土透水性强的无粘性土。AtLhkAtkiAtQAhtQLk adhdQAdtkiAdtvdQ2112ln)(hhttAaLk变水头法：在整个试验过程中，水头是随着时间而变化在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，适用于的，适用于透水性弱的粘性土。透水性弱的粘性土。达西定律达西定律a2.5.2 成层土的渗透系数成层土的渗透系数与土层面时的niiiniixxHikqq11HikqxxniiixHkHk11达西达西定律定律与土层面时的iyyqq AHhkqyyniiiykHHk1AHhkqiiiiy2.5.

9、3 影响土渗透性的因素影响土渗透性的因素：颗粒大小、级配、密度、封闭气泡 ：矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造2.6.1 流网的概念流网的概念：同一水质点在不同时刻位置点的连线。：在渗流方向上，同一时刻不同水质点的连线形成的曲线，在该曲线上所有各质点的瞬时流速矢量都和该曲线相切。在的情况下，和重合。 ：流线上势能相等的点的连线。：一组流线和一组等势线交织的正交网格。如果取相邻两条流线之间通过的流量相等，相邻两条等势线之间的势能差值相等： 反映出地下水径流的强度不同，流线越密径流强度越大 反映出水力梯度的变化率，等势线越密水力梯度越大稳定流条件下，均匀且各向同性介质中的渗流：稳定流条件下，均匀

10、且各向同性介质中的渗流：渗流场：可以用来描述流 线：可以用 来描述 满足等势线：可以用 来描述 满足),(zx),(zx2.6.2 流网作图的特点流网作图的特点首先要弄清渗流场的流网中的和，近似成作流网图时，使相邻两条流线之间通过的，相邻两条等势线之间的的最终完成只能是做成的2.6.3 流网图的应用流网图的应用以一个例子来说明其应用情况，有关尺寸如图：1、求图中A点的2、求沿图中纵向取单位长度1m单位时间内流量：qv=vF=kiF=khnf b/(nda)其中水力坡降： i=h/a=h/(nda)， 过水断面：F=nf b1式中，nd为沿着流线势能降低的阶数，nf为沿着等势线流带的划分数，本例

11、中流网图近似为正方形网格，即：a=b；nd=8，nf =4则：qv=1.010-4m3/s势能水头差：h=P1-P2=2.0m 相邻等势线间的水头差为0.25m故PA=5.875mA点总势能水头：PA=uA/w+zA其中zA=3.5m为位置水头则：UA=(PA-zA) w=23.75kPa2.7.1 渗流压力渗流压力渗流时水对土颗粒骨架的压力即 (KN/m3)水所受到土的颗粒骨架的 T = - - Gd： T =w i (KN/m3)：自上而下、自下而上、水平：冲刷作用、影响土体渗流稳定性对水柱体BA受力分析：前提：水头差(H1-H2)；长度 L；截面积F 忽略渗流水惯性力。 B截面水压力：

12、fB=wh1F A截面水压力： fA= wh2F 水流自重： wLF 土的颗粒骨架对水的阻力T根据力的极限平衡，水柱BA上各力的平衡关系式wh1F+wLFcos-wh2F-TFL=0消去公因子F，并把 cos （z1z2）/L代入，整理有 wh1+ w(z1-z2) - wh2 - TL=0 w(z1-z2) +(h1-h2) TL=0由于 z1h1=H1， z2h2=H2 i=(H1-H2)/L= (z1-z2)+(h1-h2)/L 整理得到 T w i即动水压力 Gd w i动水压力Gd方向和渗流方向一致wh2Fwh1FwLFcosTLFwLF2.7.2 流沙流沙 在水下单位体积土的有效重力为： 当土粒所受的动水压力等于或大于土的有效重力土颗粒间的有效接触力为零，土粒呈悬浮状态，并随渗流水一起流动上涌，表土层变得象液体一样