土中水的运动规律

土力学与土质学

(第2章）土中水的运动规律——工程背景土中水并非处于静止不变的状态，而是运动着的。土中水的运动原因和形式很多，例如：●在重力的作用下，地下水流动（渗透问题）；●由于表面现象产生的水分移动（毛细现象）；●在土颗粒分子引力作用下结合水移动（冻结）；●由于孔隙离子浓度的差别产生的渗附现象。土中水运动对许多工程实践问题，如流砂、冻胀、渗透固结、渗透时边坡稳定等。第2章土中水的运动规律学习要求：

掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。1．掌握土的渗透定律、土中渗流量计算；2.了解二维渗流及流网绘制、掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析.基本内容：

2.1土的毛细性

2.2土的渗透性

2.3动水压力及流砂现象

2.4流网及其应用

2.1土的毛细性土的毛细性是指能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及其它方向移动的现象。毛细现象在以下四个方面对工程有影响：（1）毛细水的上升是引起路基冻害因素之一；（2）对建筑毛细水上升引起地下室过分潮湿；（3）毛细水的上升可能引起土地的沼泽化和盐渍化；（4）当地下水有浸蚀性时，毛细水上升对建筑物和构筑物的基础中的混凝土、钢筋等形成浸蚀作用。土层中毛细水分布土层中由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，根据其形成条件和分布状况分成3带：（1）正常毛细水带（毛细饱和带）。位于毛细水带的下部，与地下潜水相通。主要是由潜水面直接上升而形成的。随水位升降而移动。（2）毛细网状水带。位于毛细水带的中部，可在表面张力和重力作用下移动。（3）毛细悬挂水带。位于毛细水带的上部，主要是由地表水渗入而成的。在重力作用下移动。地下水上升原理由于液体与空气的分界面上存在着表面张力，因而在液体表面表面任意划一条线，线两侧的液体都会和拢；另外，毛细管管壁的分子和水分子之间有引力作用，这个引力使与管壁接触部分的水面呈向上弯曲状，这种现象称为~毛细水的上升是由于液体的“表面张力”和毛细管的“湿润现象”产生的。2.2土的渗透性※存在于地基中的地下水，在一定的压力差作用下，将透过土中孔隙发生流动，这种现象称为渗流或渗透。※下面讨论四个问题：1.渗透模型；2.层流渗透定律；3.渗透系数的确定；4.动水压力及流砂现象。渗透模型(1)模型的流量等于真实的流量；(2)模型的压力等于真实的压力(3)模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。

考虑到实际工程可对渗流作如下简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折；二是不考虑土体中颗粒的影响，这种假想的渗流模型

对于渗透速度，用单位时间内通过土体单位面积的水量这种平均渗透速度来代替真实速度。层流渗透定律装置中①是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为L的侧压管。滤板②填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量Q。

得出：流量Q与过水面积A和水头（h1-h2）成正比与渗透路径L成反比，即达西定律：

Q=KA(h1-h2)/L达西渗透实验装置达西定律的适用范围

达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。

(a)细粒土的v-i关系(b)粗粒土的v-i关系

①砂土、一般粘土;②颗粒极细的粘土

渗透系数的确定渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法(包括实验室测定法和现场测定法)或经验估算法来确定k值。

实验室测定法a常水头试验装置;b.变水头试验装置。

k>10-3

为细砂到中等卵石;透水性较小

(10-7<k<10-3)粘性土.现场测定法有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。(a)无压完整井抽水试验;(b)无压非完整井抽水试验

经验估算法●1991年

哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:

●1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:

表1土的渗透系数参考值

2.3动水压力及流砂现象1.动水压力(渗透力）定义：水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为~。用GD表示(kN/m3)。※在许多水工建筑物、土坝及基坑工程中，渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。实际工程中，也有过不少发生渗透变形(流砂或管涌)的事例，严重的使工程施工中断，甚至危及邻近建筑物与设施的安全。因此，在进行工程设计与施工时，对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该具有足够的重视。动水压力及流砂现象2.动水压力(渗透力）计算

渗透力的大小与计算点的位置有关。根据对渗流网中的孔隙水压力和土粒间作用力的分析，得出单位体积内土粒受到的单位渗透力为：式中i为水力梯度；γw—水的容重。※当水力梯度超过一定界限值后，土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒冲出、带走，导致局部土体发生位移，位移达到一定程度，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透变形。※主要有两种形式，即流砂与管涌。渗流水流将整个土体带走的现象称为流砂；渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象称为管涌。动水溪压力起及流葵砂现过象3.嘴流砂惊现象淘、管破涌和灾临界牵水力菌梯度※在够粘性通土中梢，渗矩透力词的作堂用往虾往使蚕渗流盛逸出艇处某且一范祸围内笛的土蚕体出尸现表缺面隆它起变仪形；辅而在沟粉砂块、细炕砂及垮粉土盏等粘秧聚性私差的析细粒副土中风，水围力梯这度达菊到一讲定值楼后，女渗流慕逸出虑处出赠现表店面隆斜起变输形的宇同时波，还砌可能肆出现招渗流帝水流啦夹带请泥土弄向外眨涌出浓的砂酬沸现修象，请致使招地基辰破坏机，工跨程上化将这物种流敬土现亭象称柄为流砂。※管涌是在迟渗流团过程浙中，纸土体侮中的妥化合谜物不返断溶词解、驰细小行颗粒示在大呈颗粒妥间的状孔隙云中移帐动，煎形成倘一条你管状目通道俘，最亏后土钢粒在闻渗流初逸出才处冲辨出的图一种琴现象腐。※流砂挎的临逼界状柴态对北应的卸水力涉梯度icr（临界坟水力会梯度）可用代下式彩表示搁：2.舒4坐流倘网及峡其应赏用1.渗流愤问题抄的求术解方厉法简膀介；2.流网舒及其短性质；3.流网优的绘离制；4.流网前的工组程应兼用。渗流司问题垃的求逗解方迅法简嗓介※在实尖际工固程中龄，经野常遇膛到边案界条醉件较醒为复罪杂的软二维宰或三银维问营题，企在这煮类渗侄流问塞题中观，渗栏流场踏中各鸣点的荣渗流戒速度v与水则力梯牧度i等均碍是位委置坐掏标的考二维糖或三鼠维函加数。遍对此忘必须甚首先吓建立陕它们旱的渗张流微书分方当程，瓶然后岸结合努渗流岭边界侍条件迈与初匪始条仿件求院解。※在实胞际工汇程中仗，渗携流问劳题的唐边界骗条件绵往往画比较极复杂棕，其示严密为的解氏析解飘一般访都很允难求纳得。斩因此勾对渗慌流问槽题的酸求解档除采律用解析盈解法外，荐还有数值屡解法、图解榆法和模型担试验际法等，符其中斜最常胡用的凳是图解优法即流网确解法。流网搁及其好性质各向保同性翠土的累流网肌具有稳如下红性质袭：1、流网歉是相粥互正耀交的石网格粉；2、流网贼为曲是边正羞方形胀；3、任意惠两相抖邻等友势线暖间的墨水头劳损失图相等损；4、任意盐两相意邻流挥线间椅的单层位渗兼流量岸相等撒。闸基乎的渗各流流受网流网舌的绘稻制大致膨有三伟种：解析朴法、实验哄法（有竿水电才比拟椅法）浴、近似辉作图遗法（手群描法逃）。盲其步骤档大致灵为：先按皮流动机趋势斯画出恩流线仗，然年后根立据流穴网正元交性腹画出等巨势线腰，形虏成流网。如买发现诊所画阶的流仗网不小成曲胀边正方形拆时，每需反转复修惹改等蠢势线化和流递线直颠至满斩足要垃求。1）首错先将什建筑缓物及纸土层山剖面欧按一鞠定的扇比例劈燕绘出艘，并度根据客渗流复区的柏边界良，确趣定边苏界线皮及边到界等混势线抓；2）根昼据流良网特汤性，瞒初步搅绘出匪流网墓形态蛙；3）逐梁步修邀改流蒸网。流网龟的工贵程应柜用正确摔地绘纪制出云流网戴后，际可以促用它努来求个解渗宇流量斑、渗栏流速沉度。1）弓水力合梯度勿计算艰：2）拦渗流卵速度颤计算结：3）节渗流散量计脂算：当ai=bi本章热小结介绍肢了地堆基土渗透押理论的建朋立与慰平面具稳定粥渗流叮问题薄的流席网解宏法、轮渗透意系数汗的确农定方法以及渗透怕力与渗透华变形等内复容。涉存在滤于地亏基中竞的重绩力水边将在豆水力司梯度房诚的作荐用下台发生宝流动题而形丈成渗流。不骗同的引土具微有不脖同的坑透水唉能力鸟，主晴要由伍土的姿颗粒辨组成催和孔稀隙比掌等决焦定。尘土的秆透水促性定叹量指胜标是蜘渗透种系数素，渗岂透系姨数值街愈大止，表摆示土滔的透功水能员力愈匆强。肤渗透演系数密通常耗可通砌过试贺验方闯法或纸经验午估算币法来砍确定帆。研辨究渗嘴流问筋题的怀基本粗定律摧是达西谜定律，求赶解平烈面稳夜定渗装流问过题的慎常用逐方法气是流网平解法。渗染流的横作用志将在第地基去土中籍