第三章土中水的运动规律

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1、第三章第三章土中水的运动规律土中水的运动规律土中水的土中水的运运动规律律3.1 3.1 概述概述 土中水并非处于静止不变的状态，而是处于运动状态。土中水的运动原因和形式很多，例如，在重力作用下，地下水的流动(土的渗透性问题)；在土中附加应力作用下孔隙水的挤出(土的固结问题)；由于表面张力作用产生的水分移动(土的毛细现象)；在土颗粒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产生的渗附现象等。土中水的运动将对土的性质产生影响，在许多工程实践中碰到的问题，如流沙、冻胀、渗透固结、渗流时的边坡稳定等，都与土中水的运动有关。故本章着重研究土中水的运动规律。土中水

2、的土中水的运运动规律律3.2 3.2 土的毛细性土的毛细性 土的毛细性土的毛细性是指土能够产生毛细现象的性质。土的毛细现土的毛细现象象是指土中水在表面张力作用下，沿着细微孔隙向上及向其他方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水毛细水。土的毛细现象在以下几个方面对工程有影响：1) 毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一。2) 对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿。3) 毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对建筑工程及农业经济都有很大影响。土中水的土中水的运运动规律律3.2.1 3.2.1 土层中的毛细水带土层中的毛细水带 土层中由于毛细现象所润湿的范围称为毛毛细细水水带带。根据

3、毛细水带的形成条件和分布状况，可分为三种，即正常毛细水带、毛细网状水带和毛细悬挂水带，如图3.1所示。土中水的土中水的运运动规律律3.2.2 3.2.2 毛细水上升高度和上升速度毛细水上升高度和上升速度 在实践中也有些估算毛细水上升高度的经验方式，如海森(A.Hazen)的经验公式： 通过试验可以得出，在较粗颗粒土中，毛细水上升一开始进行的很快，以后逐渐缓慢，细颗粒土毛细水上升高度较大，但上升速度较慢。土中水的土中水的运运动规律律3.2.3 3.2.3 毛细压力毛细压力 毛细压力可以用图3.3来说明。图中两个土粒(假想是球体)的接触面间有一些毛细水，土粒表面的湿润作用，使毛细水形成弯液面。在水

4、和空气的分界面上产生的表面张力是沿着弯液面切线方向作用的，它促使两个土粒互相靠拢，在土粒的接触面上就产生一个压力，称为毛细压力毛细压力。土中水的土中水的运运动规律律3.3 3.3 土的渗透性土的渗透性 土孔隙中的自由水在重力的作用下发生运动的现象，称为土的渗透性土的渗透性。 浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 土中水的土中水的运运动规律律3.3.1 3.3.1 渗流模型渗流模型 考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，对渗流作出如下的简化：一是不考虑渗流

5、路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，称之为渗流模型渗流模型。 土中水的土中水的运运动规律律3.3.2 3.3.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律渗透定律(达西定律)： 或或土中水的土中水的运运动规律律 在黏土中，应按下述修正后的达西定律计算渗流速度： 土中水的土中水的运运动规律律3.3.3 3.3.3 土的渗透系数土的渗透系数 渗透系数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。成层土的渗透系数渗透系数的确定室内试验测定法现场抽水试验土

6、中水的土中水的运运动规律律1) 室内试验测定法室内试验测定法 常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变。用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量Q，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k。( (1)1)常水头法常水头法土中水的土中水的运运动规律律(2)(2)变水头法变水头法 设玻璃管的内截面积为a，试验开始以后任一时刻t的水位差为h，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量：土中水的土中水的运运动规律律2) 2) 现场抽水试验现场抽水试验(1)(1)无压完整井无压完整井(2)(2)无压非完整井无压非完整井土中水的土中水的运运动规律律3) 3) 成层土的渗透系数

7、成层土的渗透系数水平向：竖 向：土中水的土中水的运运动规律律3.3.4 3.3.4 影响土的渗透性的因素影响土的渗透性的因素土的粒度成分及矿物成分结合水膜的厚度土的结构构造水的黏滞度土中气体土中水的土中水的运运动规律律3.3.5 动水力及渗流破坏水力及渗流破坏 水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力的作用，这个力的作用方向是与水流方向相反的。根据作用力与反作用力相等的原理，水流也必然有个相等的力作用在土颗粒上，我们把水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为动动水水力力，也称为渗流力渗流力。 1) 动水力的水力的计算公式算公式土中水的土中水的运运动规律律 2) 2) 流砂现象、管涌和临界水头梯度流砂现

8、象、管涌和临界水头梯度 当向上的动水力与土的有效重度相等时，土颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象就称为流砂现象流砂现象。这时的水头梯度称为临界水头梯度临界水头梯度：土中水的土中水的运运动规律律 水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水力的作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走，这种现象称为管涌管涌。 发生管涌的临界水头梯度与土颗粒大小及其级配情况有关。 土中水的土中水的运运动规律律3.4 3.4 二维渗流、流网及其工程应用二维渗流、流网及其工程应用3.4.1 3.4.1 二维稳定渗流场中的拉普拉斯方程二维稳定渗流场中的拉普拉斯方程 设板桩墙沿垂直纸面的方向非常长

9、，则板桩墙下的渗流就是二维渗流问题；当板桩墙墙前和墙后的水位差保持恒定时，板桩墙下的渗流即为二维稳定渗流。这时渗流场中的测管水头以及流速等渗流要素仅是位置的函数而与时间无关，即: 土中水的土中水的运运动规律律连续性条件连续性条件假定：假定： hh h恒定恒定稳定渗流稳定渗流( (与时间无关与时间无关) )h=h=h(x,zh(x,z), v=), v=v(x,zv(x,z) )平面应变问题取单宽平面应变问题取单宽 d dy y=1=1，则，则达西定律达西定律 基本假定基本假定介质不可压缩介质不可压缩土中水的土中水的运运动规律律 连续性条件连续性条件假定假定 Laplace方程方程 达西定律达西

10、定律土中水的土中水的运运动规律律3.4.2 流流网网的特征及的特征及绘制制1) 流流网网的特征的特征(1) 流线与等势线彼此正交；(2) 流线与等势线构成的各个网格的长宽比应为常数，(3) 相邻等势线间的势函数差相等(即测管水头差相等)；(4) 相邻流线间的流函数差相等。土中水的土中水的运运动规律律2) 2) 流网的绘制流网的绘制 绘制方法绘制方法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ABCDbsH1h h00lbH2土中水的土中水的运运动规

11、律律3.4.3 3.4.3 流网的应用流网的应用测管水头差测管水头差 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 确定流量确定流量水力坡降水力坡降H1h0lblbH2土中水的土中水的运运动规律律3.5 3.5 土的冻胀性土的冻胀性3.4.1 冻土土现象及其象及其对工程的危害工程的危害 在冰冻季节因大气负温影响，使土中水分冻结成为冻土冻土。多年冻土：冻结状态持续二年或二年以上 冻土季节性冻土：冬季冻结，夏季全部融化 隔年冻土：冬季冻结，仅在继后的夏季不融化 冻土现象冻土现象：在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，会发生一些特殊的现象。 冻胀现象冻胀现象：冻土现象是由冻结及融化两种作用所引起的。黏性土层在冻

12、结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘。 翻浆现象翻浆现象：路基土冻融后，在车辆反复碾压下，轻者路面变得松软、限制行车速度，重者路面开裂、冒泥。土中水的土中水的运运动规律律3.5.2 3.5.2 冻胀的机理与影响因素冻胀的机理与影响因素1) 冻胀的原因的原因温温度度结合水迁移学说结合水迁移学说自自由由水水结结冰冰弱弱结结合合水水冻冻结结结合水结合水膜变薄膜变薄土粒土粒产生剩余产生剩余分子引力分子引力水膜中离水膜中离子浓度增加子浓度增加产生渗附压力产生渗附压力未未冻结区冻结区水膜厚处水膜厚处的结合水的结合水吸引到冻吸引到冻结区水膜结区水膜较薄处较薄处冰冰晶晶体体增增大大未未冻结冻结区水分区

13、水分不断向不断向冻结区冻结区迁移积迁移积聚聚形形成成冰冰夹夹层层冻冻 胀胀未冻区存在未冻区存在水源水源毛细通道毛细通道土中水的土中水的运运动规律律(1)土的因素(2) 水的因素(3)温度的因素 上述三个方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。因此，在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、亚黏土、轻亚黏土等土层常具有较大的冻胀危害。但是，我们也可以根据影响冻胀的三个因素，采取相应的防治冻胀的工程措施。2) 影响冻胀的因素土中水的土中水的运运动规律律3.5.3 3.5.3 冻结深度冻结深度 土的冻结深度不仅和当地气候有关，而且也和土的类别、湿度以及地面覆盖情况(如植被、积雪、覆盖土层等)有关

14、，在工程实践中，把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标准冻结深度。 当无实测资料时，可参照标准冻结线图，并结合实地调查确定。也可根据当地气象观测资料按公式（3.36）估算： 土中水的土中水的运运动规律律3.6 3.6 本章小结本章小结1.土中水并非处于静止不变的状态，而是处于运动状态。 2.毛细水是引起路基冻害的因素之一 。3.达西定律属于土的层流渗透定律 。4.二维稳定渗流场中的拉普拉斯方程，描述了渗流场中测管水头与平面坐标之间的函数关系。 5.水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为动水力，也称为渗流力。 6.土发生冻胀的原因是冻结使土中水分向冻结区迁移和积聚。