土力学第三章土中水的运动规律内容丰富

第三章土中水的运动规律本章要点Darcy渗流定律及其应用；渗透系数的测定方法；影响土的渗透性的主要因素；动水力（渗流力）的概念和计算方法；流砂、管涌的概念及发生的判别方法；土中水的运动原因和形式土的渗透性问题：重力作用下的地下水的流动；土的固结问题：在土中附加应力作用下孔隙水的挤出；土的毛细现象：由于表面现象产生的水分移动；在土颗粒的分子引力作用下结合水的移动：如冻结时土中水分的移动；由于孔隙水溶液中离子浓度的差别所产生的渗透吸附现象。与土中水的运动有关的工程问题流砂，管涌冻胀渗透固结渗流时的边坡稳定第一节土的毛细现象毛细现象土中水在表面张力作用下，沿着细微的孔隙向上及向其它方向移动的现象。毛细现象对工程的影响毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；毛细水的上升会引起房屋建筑的地下室过分潮湿；毛细水的上升可能引起土地的沼泽化和盐渍化。土层中的毛细水带土层中由于毛细现象所湿润的范围称为毛细水带。根据形成条件和分布状况，毛细水带可分为三种：正常毛细水带毛细网状水带毛细悬挂水带正常毛细水带又称毛细饱和带。位于毛细水带的下部，与地下潜水连通。主要由潜水面直接上升而形成，几乎充满全部孔隙。随着地下水位的升降而作相应的移动。毛细网状水带位于毛细水带的中下部，呈网状分布。可以在表面张力和重力作用下移动。毛细悬挂水带位于毛细水带的上部。由地表水渗入而形成，悬挂在土颗粒之间，不与中下部的毛细水相连。当地表有大气降水补给时，在重力作用下向下移动。毛细水带的产产生毛细水带的产产生取决于当当地的水文地地质条件。当地下水位很很高时，可能能只有正常毛毛细水带，而而没有毛细悬悬挂水带和毛毛细网状水带带。当地下水位较较低时，可能能同时产生三三个毛细水带带。毛细水带内含含水量的变化化在毛细水带内内，土的含水水量随着深度度的减小而减减小，但到达毛细悬悬挂水带后，，土的含水量量随着深度的的减小而增大大。毛细水的上升升高度作用在毛细水水柱上的上举举力表面张力第二节土土的渗透性内容提提要渗流模型土中水渗透定定律土渗透性的影影响因素工程应用（动动水力，流砂砂，管涌）土中水的渗流流：在水头差作用用下，土体中中的自由水通通过土体孔隙隙通道发生流流动的现象。。土的渗透性：：土能让水等流流体通过的性性质。与渗透性相关关的工程问题题基坑开挖排水水修筑渗水路堤堤饱和粘性土地地基的沉降施工降水地下水开采土石坝及堤岸岸的稳定性渗流模型对渗流的简化化：不考虑渗流路路径的迂回曲曲折，只分析析它的主要流流向；不考虑土体中中颗粒的影响响，认为孔隙隙和土颗粒所所占的空间之之总和均为渗渗流所充满。水在孔隙中的的真实运动轨轨迹理想化的渗流流模型对渗流模型的的要求在同一过水断断面，渗流模模型的流量等等于真实渗流流的流量；在任一界面上上，渗流模型型的压力与真真实渗流的压压力相等；在相同体积内内，渗流模型型所受到的阻阻力与真实渗渗流所受到的的阻力相等。。平均流速与真真实流速渗流模型的平平均流速F—过水断面面积积（m2）q—渗流流量（m3/s）真实流速ΔF—过水断面F真实渗渗流仅仅发生生在孔孔隙面面积△F内平均流流速与与真实实流速速n<1.0v<v0渗流模模型的的平均均流速速小于于真实实的渗渗流流流速土的层层流渗渗透定定律土体中中孔隙隙一般般较小小，水水在孔孔隙中中渗流流时的的粘滞滞阻力力很大大，流流速缓缓慢。。层流：水水流流线线互相平平行的流流动。层流渗透透定律层流达西（Darcy）定律层流的渗渗透速度度与水头头梯度成成正比达西定律律v—渗透速度度（m/s）k—渗透系数数（m/s）q—渗透流量量（m3/s）I—水头梯度度达西定律律水头梯度度I：沿着水流流方向单单位长度度上的水水头差。。a、b两点的水水头梯度度:渗透流量量q：单位时时间内流流过土截截面积F的流量。。土的渗透系数数参考值土的类别渗透系数（m/s）粘土<5×10-8粉质粘土5×10-8～1×10-6粉土1×10-6～5×10-6黄土2.5×10-6～5×10-6粉砂5×10-6～1×10-5土的类别渗透系数（m/s）细砂1×10-5～5×10-5中砂5×10-5～2×10-4粗砂2×10-4～5×10-4圆砾5×10-4～1×10-3卵石1×10-3～5×10-3土的渗透系数数参考值达西定律律的适用用范围达西定律律只适用用于层流的情况，，一般只只适用于于中砂、、细砂、、粉砂等等土类中中水的渗渗流。对于粗砂砂、砾石石、卵石石等粗颗颗粒土，，水的渗渗流速度度较大，，不再是是层流而而是紊流，达西定定律不再再适用。。对于粘土土中水的的渗流，，达西定定律需进进行修正正。粘土的渗渗透规律律粘土中自自由水的的渗流受受到结合合水的粘粘滞作用用所产生生的很大大阻力，，只有克克服结合合水的粘粘滞作用用才能开开始渗流流。克服结合合水的粘粘滞作用用所需要要的初始始水头梯梯度，称称为粘土土的起始水头头梯度I0。粘土中的的达西定定律：砂土土粘土土的渗土的渗透系数数的测定方室内试验测定常水头试验变水头试验现场抽水试验常水头渗透试试验在整个试验过过程中，土样样的压力水头头ΔH保持不变。适用于透水性性强的无粘性性土。渗透系数：常水头渗透试试验变水头渗透试试验试验过程中储储水管中的水水位不断下降降，水头不断断减小。适用于透水性性弱的粘性土土。变水头渗透试试验现场抽水试验验用于粗颗粒土土或成层土抽水井类型无压完整井无压非完整井井无压完整井：现场抽水试验验无压非完整井井：现场抽水试验验成层土的渗透透系数水平渗流：水平向的平均均渗透系数：：竖向渗流：竖向平均渗透透系数：成层土的渗透透系数影响土的渗透透性的因素土的粒度成分分及矿物成分分结合水膜的厚厚度土的结构构造造水的粘滞度动水力及渗流流破坏水在土中渗流流时，受到土土颗粒的阻力力T的作用，这个个力的作用方方向是与水流流方向相反的的，水流必然然有一个相等等的力作用在在土颗粒上。。把水流作用在在单位体积土土体中土颗粒粒上的力称为为动水力GD（kN/m3），也称为渗流力。动水力的作用用方向与水流流方向一致。。动水力与阻力力T大小相等，方方向相反，都都用体积力表表示。动水力的计算算水流的流速变变化很小，惯惯性力可以忽忽略不计土柱隔离体体内水的受受力—作用在土柱柱隔离体截截面a处的水压力力，其方向向与水流方方向一致；；—作用在土柱柱隔离体截截面b处的水压力力，其方向向与水流方方向相反；；—土柱隔离体体内水的重重力，其方方向为竖直直向下；动水力的计计算动水力的计计算—土柱隔离体体内土颗粒粒作用于水水的力（水水对土颗粒粒作用的浮浮力的反作作用力），，其方向为为竖直向下下；—水渗流时，，土柱隔离离体中的土土颗粒对水水的阻力，，其方向与与水流方向向相反。土柱隔离体体内水的受受力土柱隔离体体内水的力力平衡方程程动水力的计计算动水力的计计算公式动水力的计计算动水力表示示的是水流流对单位体体积土体颗颗粒的作用用力，是由由水流的外外力转化为为均匀分布布的体积力力，普遍作作用于渗流流场中所有有的土颗粒粒骨架上。。动水力的大大小与水头头梯度成正正比，方向向与渗流的的方向一致致。渗流方向对对土颗粒间间作用力的的影响当水的渗流流由上向下下时，动水水力的方向向与土体重重力方向一一致，使土颗粒之之间的接触触压力增大大；当水的渗流流由下向上上时，动水水力的方向向与土体重重力方向相相反，使土颗粒之之间的接触触压力减小小。当向上的动水水力GD与土的有效效重度相等等时，即土颗粒间的的压力就等等于零，土土颗粒处于于悬浮状态态而失去稳稳定。临界水头梯梯度Icr：容许水头梯梯度：安全系数土的渗透破破坏与防治治措施土的渗透破破坏：由于水的渗渗流作用引引起的土工工建筑物和和地基的破破坏。土的渗透破破坏的主要要形式：流砂管涌土的渗透破破坏与防治治措施流砂流砂：在向向上的渗透透水流作用用下，表层层土局部范范围内的土土体或颗粒粒群同时发发生悬浮和和流动的现现象。主要发生在在地基或土土坝下游的的渗流溢出出处。土的渗透破破坏与防治治措施发生流砂现现象的土质质条件流砂现象主主要发生在在细砂、粉砂及粉土等土层中。。对于饱和的的低塑性粘粘性土，当当受到扰动动，也会发发生流砂。。在粗颗粒土及粘土中不易产生生流砂现象象。土的渗透破破坏与防治治措施流砂现象的的危害土的渗透破破坏与防治治措施流砂现象的的危害土的渗透破破坏与防治治措施流砂现象的的危害土的渗透破破坏与防治治措施流砂现象的的判别I<Icr，土体处于稳稳定状态，，不发生流流砂；I=Icr，土体处于临临界状态；；I>Icr，在土体发生生流砂破坏坏。流砂的安全全性评价安全系数K一般取2.0～2.5土的渗透破破坏与防治治措施防治流砂现现象的工程程措施关键：控制制渗流溢出出处的水头头梯度。切断地基的的透水层（（防渗墙等等）；延长渗流路路径，降低低溢出处的的水头梯度度；减小渗流压压力，防止止土体被渗渗透力悬浮浮（减压井井等）。土的渗透破破坏与防治治措施管涌管涌：水在在砂性土中中渗流时，，土中的一一些细小颗颗粒在动水水力的作用用下，通过过粗颗粒的的孔隙被水水流带走的的现象。土的渗透破破坏与防治治措施土的渗透破破坏与防治治措施土的渗透破破坏与防治治措施管涌现象的危危害土的渗透破坏坏与防治措施施管涌与土颗粒粒组成的关系系发生管涌的临临界水头梯度度与土颗粒的的大小及其级级配情况有关关。土的不均匀系系数越大，管管涌现象越容容易发生。土的渗透破坏坏与防治措施施管涌现象的判判别不均匀系数：：10<Cu

<20，为管涌土或非管涌土，还需结合其它条件进行判别；Cu>20，为管涌土。土的渗透破坏坏与防治措施施防治管涌现象象的工程措施施在渗流溢出处处铺设反滤层，使土颗粒不不被渗透水流流带走。反滤层：粒反滤层由2-4层颗粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料组成，顺着水流的方向颗粒逐渐增大。土的渗透破坏坏与防治措施施土的渗透破坏坏与防治措施施第四节土在在冻结过程中中水分的迁移移和积聚冻土现象及其其对工程的危危害冻土的形成在冰冻季节因因大气负温影影响，使土中中水分冻结成成为冻土。冻土的分类季节性冻土：：冬季冻结，，夏季全部融融化；隔年冻土：冬冬季冻结，一一两年不融化化；多年冻土：冻冻结状态持续续三年或三年年以上。冻土现象及其其对工程的危危害我国冻土的分分布地区基本上集中在在纬度较高和和海拔较高的的严寒地区，，如东北大兴兴安岭和小兴兴安岭北部，，青藏高原以以及新疆的天天山、阿尔泰泰山等地区。。冻土现象：在冻土地区，，随着土中水水的冻结和融融化，所发生生的一些独特特的现象。冻土现象是由由冻结和融化两种作用所引引起。冻胀现象：土土层在冻结时时体积膨胀，，使地面隆起起成丘的现象象。冻胀现象对工工程的危害：：使路基隆起，，柔性路面鼓鼓包、开裂，，使刚性路面面错缝或折断断；使建筑物抬起起，引起建筑筑物开裂、倾倾斜，甚至倒倒塌。冻土现象及其其对工程的危危害冻融现象对工工程的危害：：使路基土含水水量增大，使使土层软化，，强度大大降降低。在行车车荷载反复作作用下，路面面出现翻浆现现象（开裂、、冒泥），使使路面破坏；；使建筑物发生生很大沉降或或不均匀沉降降，引起建筑筑物开裂破坏坏。预防冻融现象象危害的核心心：控制冻胀融沉沉变形。冻土现象及其其对工程的危危害青藏铁路沿线线的冻土带青藏铁路沿线线的冻土带青藏铁路冻土土路基稳定性性措施—热棒青藏铁路冻土土路基稳定性性措施—遮阳棚冻胀的原因及及影响因素土发生冻胀的的原因是因为为冻结时土中中的水分向冻冻结区迁移和和积聚。冻结区具有引引力作用，吸吸引未冻结区区水分向冻结结区迁移。影响冻胀的因因素：土的因素水的因素温度的因素冻胀的影响因因素土的因素冻胀现象通常常发生在细粒粒土中，特别别是粉土、粉粉质粘土中。。（具有较显著的毛毛细现象，毛细水水上升高度大；表表面能大，吸附结结合水能力强）水的因素冻结区地下水位高高，冻