土中水运动规律

1、土质学与土力学人防教研室 赵佩胜中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件第三章 土中水的运动规律 水以各种形式存在于土中，这在前面已讲过。同时土中水在不断地运动，如水的渗透，毛细水运动等，这些运动对土的性质影响很大。 土的毛细性是指土能够产生毛细现象的性质。毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙形成的管道向上运动的现象。这部分孔隙中的水称为毛细水。 毛细水的危害：引起路基冻害，地下室过分潮湿，土地沼泽化、盐渍化。中 国 人 民 解 放

2、 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件第一节 土的毛细性 一、土层中的毛细水带 1、正常毛细水带（又称毛细饱和带）：位于毛细水带下部，地下潜水面以上，几乎充满全部孔隙。正常毛细水带会随着地下水位的升降而作相应的移动。 2、毛细网状水带：位于毛细水带中部，正常毛细水带之上。当地下水位急剧下降时，正常毛细水也随之急速下降，在较小毛细孔隙中仍残留一部分毛细水来不及移动，而较大的孔隙因毛细水下降而留下气泡，毛细水呈网状分布。 3、毛细悬挂水带：位于毛细水带上部。主要为

3、地表水渗入而形成，水悬挂在土颗粒之间，不与中部或下部毛细水相连，当地表有大气降水补给时，毛细悬挂水在重力作用下向下移动（图3-1）。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 二、毛细水上升高度及上升速度 毛细水的上升高度，可根据水的表面张力以及水在毛细管内弯液面的角度进行计算（图3-2）。 毛细水上升的最大高度为： 据理论计算，当d=0.00001cm时，h=300m。实际是不可能的。天然土层中，毛细水上升高度很少超过数米。因为孔隙很细小，

4、又有结合水膜的阻碍，一般砂土和粘性土，毛细水上升不高，粉土和粉质亚粘土较高。 毛细水上升的速度：粗粒土毛细水上升速度较快，细粒土上升速度慢，饱和土无毛细水（图3-3）。wwdrh42max中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 三、毛细压力 干燥的砂呈松散状态，无粘结力，水下的饱和砂土也无粘结力。但有一定含水量的湿砂（非饱和砂土）能捏成团，显示一定的联结力，这是因为毛细压力作用的结果。也称假内聚力（图3-4）。（如第四次中东战争中的巴列夫

5、防线）。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件第二节 土的渗透性 一、渗流模型 二、土的层流渗透定律 土中孔隙水在压力梯度下发生渗流一般符合达西（HDarcy）定律： 水的渗透速度与水头梯度成正比。达西定律适用于层流的情况，一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。对于粗砂、砾石、卵石等粗粒土就不适用了。而在粘性土中，由于结合水的存在，渗流受粘滞作用而阻碍，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。此时达西定律可修正为：kIv )(0IIkv中 国

6、人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 三、土的渗透系数 土的渗透系数可由经验参考数值确定，也可通过室内试验、现场抽水试验测定。 1、室内常水头渗透试验 试验装置见图3-7。由试验测得的结果计算如下： 2、变水头渗透试验 试验装置如图3-8。由此可求得渗透系数： 3、现场抽水试验 现场抽水试验见图3-9。从而求得渗透系数为：HFtQlk21lnhhFtalk ln(/)()212221rrqkhh中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程

7、 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 4、成层土的渗透系数 对于有水平分层的沉积土层，分层对渗透系数影响很大（图3-11）。 （1）考虑水平向渗流时（水流方向与土层平行） 各层土的水头梯度相同，总的流量等于各土层流量之和，总的截面积等于各层土截面之和。 （2）考虑竖直向渗流时（水流方向与土层垂直） 总的流量等于每一土层的流量，总的截面积等于各土层的截面积，总的水头损失等于每一层的水头损失之和。1211 122 21 12212iihik hqqk F Ik F Ik hk hqkFIF

8、IFIhhh()()()()1212121212121 122121 122iviihhhhhhhhhqqqqkhhhFIFHFHHFq hq hkkkF kF k中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 三、影响土的渗透性的因素 1、土的粒度成分及矿物成分 颗粒大小、形状及级配，影响孔隙大小及形状，也影响渗透性。土颗粒越粗、越浑圆、越均匀时，渗透性就大。砂土含较多粉土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。 土的矿物成分对卵石、砂土和粉土等粗

9、粒土的渗透性影响不大，但对粘性土的渗透性影响较大，主要是由于其亲水性和有机质的含量。 2、结合水膜厚度 粘性土结合水膜较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。如在粘土中加入高价离子的电解质，会使土粒扩散层厚度减薄，粘土颗粒会凝聚成粒团，土的孔隙因而增大，土的渗透性也增大。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 3、土的结构构造 天然土层不是各向同性的，因此渗透性也一样。如黄土具有竖向大孔隙，因此它竖直方向的渗透系数比水平方向大得多。层状粘

10、土常夹有薄层粉砂层，它在水平方向的渗透系数比竖直方向要大。 4、水的粘滞度 水在土中的流速与水的容重和粘滞度有关，而它们又与温度有关。水的容重随温度变化可以忽略，水的粘滞系数随温度的变化对渗透系数的影响可用下式修正： 5、土中气体 土孔隙中的密闭气泡，会阻塞水的渗流，从而降低土的渗透性。1010ttkk中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 四、动水力及渗流破坏 水在土中渗流时受到土颗粒的阻力T，同样水流也有一个力作用于土颗粒上，我们把水

11、流作用在单位体积土体上的力称为动水力GD，也称渗流力，动水力的作用方向与水流方向一致。 1、动水力的计算公式： 2、流砂现象、管涌和临界水头坡度 如果渗流的方向自下而上时，动水力方向与重力方向相反，这将减少颗粒间的压力。当动水压力等于土的浮容重时，土粒间压力为零，土处于悬浮状态，这种现象称为流砂。即： 产生流砂时的水力梯度称为临界水力梯度：ITGwDwswsatwDeIG11eGIwsatwcr111中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件

12、 流砂现象主要发生在细砂、粉砂、粉土等土层中，粗砂、粘土等不易产生流砂。 处理流砂的方法主要有： （1）人工降低地下水位，减小水头梯度； （2）打板桩，增加排水路径，间接降低水头梯度； （3）水下施工法。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件第三节 流网及其应用 本节内容自习。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学

13、 院 多 媒 体 教 学 课 件第四节 土在冻结过程中水分的迁移和积聚 一、冻土现象及其对工程的危害 在严寒地区或当气温下降至零度以下时，土中水分冻结成冰而成为冻土。根据其冻融情况可分为： 季节性冻土：冬季冻结、夏季全部融化的冻土； 隔年冻土：一、两年不融化的土层称为隔年冻土； 多年冻土：冻结状态持续三年或三年以上的土层。 冻土的危害：冻土由冻结及融化两种作用引起。在冻结时，由于水结成冰体积要膨胀9%，引起土体膨胀，使地面隆起，称为冻胀现象。冻胀引起路基开裂、路面鼓包、开裂，建筑物上抬、开裂、倾斜，甚至倒塌。融化时，土中冰融化成水使土的含水量增加，强度下降，冰水积聚，容易引起路面翻浆冒泥，使路

14、面破坏、建筑物也融陷。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 二、冻胀的机理与影响因素 1、冻胀的原因 土发生冻胀是因为冻结时水分向冻结区迁移和积聚。一般情况下水在0时结冰，但结合水的冰点小于零度，弱结合水的冰点为-0.5-30，强结合水的冰点则达-78。 外界气温降至负温时，自由水先开始冻结成冰晶体，然后弱结合水外层开始冻结，随着冰晶体的扩大，冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒产生剩余分子引力。另外水膜中的离子浓度也增加，产生渗附压力。

15、在这两种引力的作用下，附近未冻结区水膜较厚的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄处。如此不断进行，如有适当的水源，则使冰晶体扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生隆胀，即冻胀。中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 2、影响冻胀的因素 （1）土的因素：冻胀现象在细粒土中易发生。因为这类土有毛细现象，毛细水上升高度大，速度快，有通畅的水源补给通道。粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，阻止了水分的迁移。砂砾等粗颗粒土没有结合水，也无毛细现象，不会

16、发生水分迁移积聚。 （2）水的因素：冻结区补给的水源是否充分。地下水位较高，毛细水上升的高度能达到或接近冻结线，冻胀现象强烈。 （3）温度的因素：冻胀现象与温度下降速度和冷冻强度有关。气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结面迅速下移，冻结速度很快，土中结合水及毛细水不向冻结区迁移，冻土无明显的冻胀。气温缓慢下降，冷却强度小，负温持续时间长，有利于未冻结区水分向冻结区迁移，出现冻胀。胰腺癌生活如何护理 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件 三、冻

17、结深度 为了克服冻融对建筑物的危害，设计中应将基础底面置于当地冻结深度以下。土的冻结深度与当地的气候、土的类别、湿度、地面覆盖等有关，在工程实践中用标准冻结深度表示（地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实测最大冻结深度的平均值称为标准冻结深度）。公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）给出了我国东北和华北地区的标准冻深图，也可根据当地气象观测资料按下式计算：5 . 0728. 00mTz中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件The

18、End中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-1土层中的毛细水中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-2毛细管中水柱的上升中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵

19、工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-3在不同粒径的土中毛细水上升速度与上升高度关系曲线中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3- 4毛细压力示意图中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-5水在土中的渗流中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程

20、学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-6砂土和粘土的渗透规律中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-7常水头渗透试验中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-8变水头渗透试验中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-9现场抽水试验中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件图3-10例题3-1中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程