第三章土中水的运动规律

1、土中水的运动规律土中水的运动规律 第三章第三章第三章第三章 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 3.4 3.4 土的冻结机理土的冻结机理 3.1 3.1 土的毛细性土的毛细性表面张力表面张力原来液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表原来液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液

2、体内部稀疏，所以它们受到指向液体表面层中的分子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。我们知道，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形我们知道，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。3.1 土的毛细性土的毛细性3 3

3、 土中水的运动规律土中水的运动规律 土中毛细现象土中毛细现象是指土中水在表面张力作用下，是指土中水在表面张力作用下，沿着细小孔隙向上及向其它方向移动的现象，这沿着细小孔隙向上及向其它方向移动的现象，这种细小孔隙中的水称为毛细水。种细小孔隙中的水称为毛细水。 rThccos2 上升高度上升高度:r2hcw=2rTcos毛细水毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粘土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱3 3 土中水的运

4、动规律土中水的运动规律 3.1 土的毛细性土的毛细性毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿；毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对土木工程及农业经济都有很大影响。土的毛细现象对工程的影响土的毛细现象对工程的影响3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.1 土的毛细性土的毛细性毛细水带毛细水带3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 毛细网状水带，它位于毛细水带的中部 正常毛细水带，又称毛细饱和带，它位于毛细水带的下部，与地下潜水连通。 毛细悬挂水带，又称上层毛细水带，它位于毛细水带的上部。 3.1 土的毛细性土的毛细性毛细水上升高度、上升速

5、度与土颗粒大小关系毛细水上升高度、上升速度与土颗粒大小关系毛细水在土中不是匀速上升的，而是随着高度的增加而减慢，直至接近最大高度时，渐趋近于零。从粒径而言，在较粗颗粒土中，毛细水上升开始进行得很快，以后逐渐缓慢，而且较粗颗粒的曲线为细颗粒的曲线所穿过，这说明细颗粒土毛细水上升高度较大，但上升速度较慢。3.1 土的毛细性土的毛细性3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 毛细压力毛细压力3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 图中两个土粒（假想是球体）的接触面间有一些毛细水，由于土粒表面的湿润作用，使毛细水形成弯液面。在水和空气的分界面上产生的表面张力T是沿着弯液面切线方向作用的，它促使两个土

6、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pc。由毛细压力所产生的土粒间的粘结力称为假内聚力。当砂土完全干燥时，颗粒间没有孔隙水，当砂土完全浸没在水中，孔隙中完全充满水时，孔隙水不存在弯液面，这两种情况下毛细压力也就消失了。假凝聚力假凝聚力3.1 土的毛细性土的毛细性3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱

7、和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差能量差3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗水压力渗水压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗流量渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗流量

8、渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗流渗流量量渗透变渗透变形形渗水压渗水压力力渗流滑渗流滑坡坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基坑等地下施工基坑等地下施工边坡渗流边坡渗流3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与

9、水力坡降二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素能量方程能量方程渗流速度的规律渗流速度的规律渗透特性渗透特性四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数地基的渗透系数3.2 土的渗透性土的渗透性五动水力及渗透破坏五动水力及渗透破坏3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降ABL3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙ABL3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降h1h2zAwAu w

10、Bu zBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 g2vuzh2w wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi 总水头总水头单位质量水体所具有的能量单位质量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头00A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降水力坡降(水头梯度）水头梯度）：3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 二二. . 渗透试验与渗透试验与达西定律达西定律试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L， qLhAq断面平均流速断面平均流速

11、水力坡降水力坡降Aqv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=const量测变量量测变量: : h2，Q，Th=h1-h2q=Q/TQ2.2. 达西定律达西定律ikv nvvvs 渗透定律3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。二二. . 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律iv

12、 注意：注意：AAvAAnv V V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vs s：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQVA VsAvk: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day2. 2. 达西定律达西定律3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土

13、中水的运动规律 二二. . 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s 适用条件适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土重的粘性土 两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法3.

14、2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验1. 1. 测定方法测定方法3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 室内试验方法室内试验方法11常水头试验法常水头试验法三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : Q，ti=h/LQ=qt=vAtv=kihtAQLk适用土类：适

15、用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const量测变量量测变量: : h ，t透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土tt+ t3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 三三. . 渗透系数

16、的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdhdVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运

17、动规律 常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算定算定取值取值h=consth变化变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAQLk 室内试验方法室内试验方法1. 1. 测定方法测定方法三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的

18、运动规律土中水的运动规律 1. 1. 测定方法测定方法三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ212212 212212hh)r/rln(Qk 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：2.影响因素 粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构土土粒粒特特性性、流流体体特特性性）(fk 3.2 3.2 土的

19、渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 l水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数l饱和度（含气量）饱和度（含气量） 对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡四四. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数(平均渗透系数）确立各层的确立各层的k ki i根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 天然土层多呈层状天然土层多呈层状H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四四. .层状地基的等效渗透

20、系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :Lhiii ixxqq iHH等效渗透系数等效渗透系数: :qx=vxH=kxiHqix=kiiiHi iixHkH1kH1H2H3Hhk1k2k3xz四四. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:vvi ihh iHH等效渗透系数等效渗透系数: :vi = ki (h hi i/ /Hi)iiikvHh z

21、kvHh iizkvHkvH iizkHHk)k1HH(k1iiz水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121iHkqx iixHkH1k ii2121HH;hh;v.vv;q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 四四. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数算例说明算例说明 day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 3.2

22、3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制day/m67.33HHkkiix day/m03. 0kHHkiiz 四四. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数一一. . 渗透力渗透力 试验观察h=0 h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳架产生一个摩擦、拖曳(y

23、e)(ye)力。力。渗透力渗透力 j j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 五五. .动水力（渗透力）及渗透破坏（渗透变形）动水力（渗透力）及渗透破坏（渗透变形）（一）（一） 渗透力渗透力3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流j3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3 3 土中水的运

24、动规律土中水的运动规律 h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （一）（一） 渗透力渗透力2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律 h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1

25、R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （一）（一） 渗透力渗透力3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = wh渗透力渗透力j =

26、 J/V = wh/L = wij = wi3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （一）（一） 渗透力渗透力3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i = h/L = /wicr = / /wL wh = 0e1)1G(ws e11Giscr 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （一）（一） 渗透力渗透力3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 P2WP1Rh1hh20

27、0hwL土土样样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+ Ww+ J= P2水体的平衡条件水体的平衡条件j = wiwhw+ wL + jL= wh1WJWwJ=R+P2P1P1 = = whwP2 = = wh1Ww= LwiLhL)Lhh(jwww1w 土水隔离分析土水隔离分析3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （一）（一） 渗透力渗透力2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j = wi大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作

28、用对象：作用对象：土骨架土骨架3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （一）（一） 渗透力渗透力基本类型基本类型 流土流土管涌管涌3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（渗透破坏）（二）渗透变形（渗透破坏） 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1. 基本类型基本类型 流土流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象crii0JW

29、 和和土土的的密密实实程程度度有有关关eGiscr 11 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 渗流渗流原因：原因：3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 1.1. 基本类型基本类型 管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。3 3 土中水的运动

30、规律土中水的运动规律 管涌管涌破坏3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 1. 基本类型基本类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生

31、在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 scrFiii Fs: 安全系数安全系数2 2.02.53 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 i : 允许坡降允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态流土流土经验判断：经验判断：3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 2.2.形成条件形成

32、条件较均匀土较均匀土（Cu10Cu10）3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.2.形成条件形成条件管涌管涌几何条件几何条件水力条件水力条件一般发生在无粘性土中一般发生在无粘性土中级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土

33、非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土几何条件几何条件P(%)lgd骨架骨架充填料充填料P53d5d33.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 水力条件：水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.2.形成条件形成条件Cu 20时时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15苏联：苏联：中国：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降i0.15-0.250.1-0.23.

34、2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 scrFiii 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 （二）渗透变形（二）渗透变形 3.3.防治措施防治措施 3.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 Laplac

35、e方程方程zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 一一. . 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 连续性条件连续性条件zxkk 假定：假定： 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 hh h恒定恒定稳定渗流稳定渗流h=h(x,z), v=v(x,z)取单宽：取单宽： dy=1与时间无关与时间无关达西定律达西定律平面渗流的基本方程平面渗流的基本方程 1. 基本方程基本方程3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 一一. . 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 0zvxvzx z

36、hkv;xhkvzzxx 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律zxkk 假定假定 dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 0zhxh2222 0zhkxhk22z22x Laplace方程方程1. 基本方程基本方程3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 一一. . 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 解析方法解析方法3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 试验比拟方法试验比拟方法 （电比拟方法）（电比拟方法） 数值方法数值方法 图解法图解法 流网流网近似求解方法近似求解方法 适用于边界条件简单的

37、情况适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数通解：两个共轭调和函数势函数势函数(x,z)(x,z)流函数流函数(x,z)(x,z)等势线等势线流线流线相互正交相互正交边界条件边界条件特定解特定解差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛 利用渗流场和电场均服从利用渗流场和电场均服从LaplaceLaplace方程这一特点，按一定比例制方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。以达到确定渗流场中渗流要素的目的。

38、理论基础：理论基础：解析法的结果解析法的结果3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 流流 网网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的等势线和流线所形成的网络状曲线簇。网络状曲线簇。 流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。 等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。 流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 Hh03.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 基本要求基本要求1. 正交

39、性：流线与等势线必须正交正交性：流线与等势线必须正交二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 Hh0lsls2. 各个网格的长宽比各个网格的长宽比c应为常数。取应为常数。取c=1c=1，即为曲边正方形即为曲边正方形3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 ABCDlsHh h00ls二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 绘制方法绘制方法一个高精度的流网图，需经过一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成

40、。多次的修改后才能完成。根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 流网特点流网特点与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 h=consth=const；与与k k无关；无关；等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h h相等。相等。二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 Hh0lsls3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用

41、3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一一. . 渗透力渗透力利用流网求渗透力利用流网求渗透力复杂条件总渗透力总渗透力大大 小：小：jx网格面积网格面积 方方 向：向：与流线一致与流线一致作用点：作用点：形心形心 ij 流网较密处流网较密处i i较大，该处渗透力也大较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同jAsljJ sHsljJ HHi; jll Hh0lsls3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 测管水头测管水头 h h 实际应用实际应用l /Hi hiiikv HMkMqq;HkslHkqiiii 确定孔压确定孔压 确定流速

42、确定流速 确定流量确定流量流道数M二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 水力坡降水力坡降Hh0lsls3.3 3.3 流网及其应用流网及其应用 3.4 3.4 土的冻结机理土的冻结机理 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一一. .冻土现象及其对工程的危害冻土现象及其对工程的危害在冰冻季节因大气负温影响，使土中水分冻结成为冻土。在冰冻季节因大气负温影响，使土中水分冻结成为冻土。冻土根据其冻融情况分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土根据其冻融情况分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。冻土。季节性冻土是指冬季冻结夏季全部融化的冻土；季节性冻土是

43、指冬季冻结夏季全部融化的冻土；若冬季冻结，一两年不融化的土层称为隔年冻土；若冬季冻结，一两年不融化的土层称为隔年冻土；凡冻结状态持续三年或三年以上的土层称为多年冻土。多凡冻结状态持续三年或三年以上的土层称为多年冻土。多年冻土地区的表土层，有时夏季融化，冬季冻结，所以也年冻土地区的表土层，有时夏季融化，冬季冻结，所以也是属于季节性冻土。是属于季节性冻土。3.4 3.4 土的冻结机理土的冻结机理 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一一. .冻土现象及其对工程的危害冻土现象及其对工程的危害随着土中水的冻结和融化，会发生冻土现象。某些细粒随着土中水的冻结和融化，会发生冻土现象。某些细粒土层在冻

44、结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起土层在冻结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘，即所谓冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是成丘，即所谓冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时体积要增大由于水分冻结成冰时体积要增大9%的缘故，还主要是的缘故，还主要是由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区集聚，使冻结区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不区集聚，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。冻土的冻胀会使断增大，土体积也随之发生膨胀隆起。冻土的冻胀会使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂，使刚

45、性路面错缝或路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂，使刚性路面错缝或折断；冻胀还使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物折断；冻胀还使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。开裂、倾斜，甚至倒塌。 3.4 3.4 土的冻结机理土的冻结机理 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 一一. .冻土现象及其对工程的危害冻土现象及其对工程的危害对工程危害更大的是在季节性冻土地区，一到春暖土层解对工程危害更大的是在季节性冻土地区，一到春暖土层解冻融化后，由于土层上部积累的冰晶融化，使土中含水率冻融化后，由于土层上部积累的冰晶融化，使土中含水率大大增加，加之细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，大大增

46、加，加之细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，土层软化，强度大大降低。路基土冻融后，在车辆反复碾土层软化，强度大大降低。路基土冻融后，在车辆反复碾压下，轻者路面会变得松软，限制行车速度，重者路面开压下，轻者路面会变得松软，限制行车速度，重者路面开裂、冒泥，即出现翻浆现象，使路面完全破坏。冻融也会裂、冒泥，即出现翻浆现象，使路面完全破坏。冻融也会使房屋、桥梁、涵管发生大量下沉或不均匀下沉，引起建使房屋、桥梁、涵管发生大量下沉或不均匀下沉，引起建筑物开裂破坏。因此，冻土的冻胀及冻融都会对工程带来筑物开裂破坏。因此，冻土的冻胀及冻融都会对工程带来危害，必须引起注意，采取必要的防治措施。危害，必须引起注

47、意，采取必要的防治措施。3.4 3.4 土的冻结机理土的冻结机理 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 二二. .冻土的机理与影响因素冻土的机理与影响因素1.冻胀的原因冻胀的原因 大气温度降至负温时，土体孔隙中的自由水首先在大气温度降至负温时，土体孔隙中的自由水首先在0 C时冻结成冰晶体。随着时冻结成冰晶体。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粒的结合水膜减薄，土粒就产生剩余的分子引力。另外，由于结冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒就产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减

48、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

49、即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），就能够源源不断下水距冻结区很近）及适当的水源补给通道（即毛细通道），就能够源源不断地补充被吸收的结合水，则未冻结的水分就会不断地向冻结区迁移积聚，使冰地补充被吸收的结合水，则未冻结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。这种冰晶体晶体扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生隆胀，即冻胀现

50、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。的不断增大，一直要到水源的补给断绝后才停止。3.4 3.4 土的冻结机理土的冻结机理 3 3 土中水的运动规律土中水的运动规律 二二. .冻土的机理与影响因素冻土的机理与影响因素2.影响冻胀的因素影响冻胀的因素 （1）土的因素。冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是在粉土、粉质黏土中，冻）土的因素。冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是在粉土、粉质黏土中，冻结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。这是因为这类土具有较显著的毛细结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道，同时，这类土的现象，上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道，同时，这类土的颗粒较细，表面能大，土粒矿物成分亲水性强，能持有较多的结合水，从而能使颗粒较细，表面能大，土粒矿物成分亲水性强，能持有较多的结合水，从而能使大量结合水迁移和积聚。大量结合水迁移和积聚。 砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，孔隙中自由水冻结后，不会发生砂砾等粗