《土质学与土力学第三四章公开课教案课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土质学与土力学第三四章公开课教案课件（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2024年8月17日 第第3 3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 研究土中水的运动规律可以解决土的施工降水问题、渗流破坏问题以及土的研究土中水的运动规律可以解决土的施工降水问题、渗流破坏问题以及土的渗流控制问题。渗流控制问题。 3.1 土的毛细性土的毛细性 当土体中孔隙细微，具有毛细性，会引起地基土冻胀、路基冻害等，在工程当土体中孔隙细微，具有毛细性，会引起地基土冻胀、路基冻害等，在工程 中需加以研究和防治。中需加以研究和防治。 一、土层中的毛细水带一、土层中的毛细水带 毛细水带是由于土的毛细性所湿润的范围。可分为毛细水带是由于土的毛细性所湿润的范围。可分为以下三种：以下三种： 1.正常
2、毛细水带正常毛细水带 是靠毛细作用自地下潜水面上升的毛细饱和带。是靠毛细作用自地下潜水面上升的毛细饱和带。 2.毛细网状水带毛细网状水带 是地表渗水或毛细水带下降过程中残留在土中的是地表渗水或毛细水带下降过程中残留在土中的网状水带。网状水带。 3.毛细悬挂水带毛细悬挂水带 是由地表水渗入而形成的悬挂在土粒之间的水带。是由地表水渗入而形成的悬挂在土粒之间的水带。当地表降水时，毛细悬挂水带在重力作用下向下移动。当地表降水时，毛细悬挂水带在重力作用下向下移动。 2024年8月17日 二、毛细水上升高度及上升速度二、毛细水上升高度及上升速度 为了了解毛细水上升高度，借助于毛细管中的毛细现象进行研究。为
3、了了解毛细水上升高度，借助于毛细管中的毛细现象进行研究。 设毛细管内的最大上升高度为设毛细管内的最大上升高度为 ，毛细水柱重，毛细水柱重 ： 毛细水上升达到毛细水上升达到 时的上举力时的上举力 为：为： 由由 有：有： 若令若令 ，可得：，可得： 由此式可见，毛细管直径越小，毛细水由此式可见，毛细管直径越小，毛细水上升高度越大。由于土体中的孔隙通道错综上升高度越大。由于土体中的孔隙通道错综复杂，不能直接套用该式，可引用经验公式复杂，不能直接套用该式，可引用经验公式进行计算：进行计算： 式中式中 为与土有关的系数；为与土有关的系数； 和和 分别分别为土的孔隙比和有效粒径。为土的孔隙比和有效粒径。
4、 土中毛细水上升速度可由试验测得。土中毛细水上升速度可由试验测得。2024年8月17日 三、毛细压力三、毛细压力 当砂土中含水份较少时，在土粒接触点附近存在弯液面，当砂土中含水份较少时，在土粒接触点附近存在弯液面，在表面张力的作用下土粒接触点处会产生毛细压力。这种毛在表面张力的作用下土粒接触点处会产生毛细压力。这种毛细压力能使砂土粒粘聚在一起。所以毛细压力也称为假粘聚细压力能使砂土粒粘聚在一起。所以毛细压力也称为假粘聚力。当土中水份蒸发或水份增加时，假粘聚力就会消失。力。当土中水份蒸发或水份增加时，假粘聚力就会消失。 3.2 土的渗透性土的渗透性 土的渗透性是指地下水能在土的孔隙中通过的性能。
5、由于土中运动的水体对土的渗透性是指地下水能在土的孔隙中通过的性能。由于土中运动的水体对土骨架产生作用力，土骨架也对运动的水产生阻力。利用这种相互作用规律可以土骨架产生作用力，土骨架也对运动的水产生阻力。利用这种相互作用规律可以解决许多工程问题。例如解决许多工程问题。例如施工降水问题施工降水问题、渗流破坏问题渗流破坏问题、渗流控制问题渗流控制问题等。等。一、渗流模型一、渗流模型 由于土的种类繁多，土中的孔隙错综复杂，研究渗流问题需做适当的分类和由于土的种类繁多，土中的孔隙错综复杂，研究渗流问题需做适当的分类和简化，以便于建立分析模型。简化，以便于建立分析模型。 考察渗流现象将其分为两种类型：考察
6、渗流现象将其分为两种类型：层流层流；紊流紊流。 层流是流线平行的缓慢渗流；紊流是流线交错的无序渗流。在层流中将渗流层流是流线平行的缓慢渗流；紊流是流线交错的无序渗流。在层流中将渗流速度速度( (孔隙水流速孔隙水流速) )简化为地下水体的移动速度。即简化为地下水体的移动速度。即平均流速平均流速：2024年8月17日 二、达西定律二、达西定律 地下水自地下水自 点流向点流向 点，是因为点，是因为 点水头点水头压力压力 大于大于 点的水头压力点的水头压力 。其压力差。其压力差可以水头差可以水头差 反映，单位距离上的反映，单位距离上的水头差水头差 叫做水头梯度。达西根据砂叫做水头梯度。达西根据砂土的渗
7、流试验总结出渗流速度与水头梯度成正土的渗流试验总结出渗流速度与水头梯度成正比：比： 或或 对黏性土：对黏性土： 式中式中 为渗透系数，可由为渗透系数，可由试验测定。试验测定。三、土的渗透系数三、土的渗透系数( (一一) )室内试验测定法室内试验测定法 1. 1.常水头试验：常水头试验：2024年8月17日 2. 2.变水头试验：变水头试验： 设经过设经过 时段水头变化为时段水头变化为 水量变化为水量变化为 。则：则： 整理得：整理得： 积分得：积分得： 即即( (二二) )现场抽水试验测定法现场抽水试验测定法2024年8月17日 2. 2.变水头试验：变水头试验： 设经过设经过 时段水头变化为
8、时段水头变化为 水量变化为水量变化为 。则：则： 整理得：整理得： 积分得：积分得： 即即( (二二) )现场抽水试验测定法现场抽水试验测定法2024年8月17日 ( (三三) )成层土的渗透系数成层土的渗透系数四、影响土的渗透性的因素四、影响土的渗透性的因素1、土的粒度成分及矿物成分土粒愈粗，愈均匀，、土的粒度成分及矿物成分土粒愈粗，愈均匀，k 愈大；黏土矿物愈多，愈大；黏土矿物愈多， k 愈小。愈小。2、结合水膜的厚度、结合水膜的厚度 结合水膜厚度愈大，结合水膜厚度愈大，土的孔隙阻塞愈严重，土的孔隙阻塞愈严重， k 愈小愈小。3、土的结构构造土的结构构造各向异性越强，土在不同方向上的渗透性
9、差异越大。、土的结构构造土的结构构造各向异性越强，土在不同方向上的渗透性差异越大。 扰动土的扰动土的 k 值小于原状土，大孔隙黄土值小于原状土，大孔隙黄土 。4、水的黏滞度温度愈高，水的黏滞度愈小，、水的黏滞度温度愈高，水的黏滞度愈小， k 值愈大。值愈大。5、土中气体当土中含有封闭气体时，会阻塞孔隙通道，使、土中气体当土中含有封闭气体时，会阻塞孔隙通道，使 k 值降低。值降低。2024年8月17日、流砂现象、管涌和临界水力梯度、流砂现象、管涌和临界水力梯度 在细砂和粉土中，当动水力在细砂和粉土中，当动水力 的的方向向下时，土粒间压力增大；方向向下时，土粒间压力增大； 当动水力当动水力 的方向
10、向上时，土粒间压力减小。的方向向上时，土粒间压力减小。 当动水力当动水力 大于等于土的有效重度，且方向向上时，土粒间压力等于零，即出现流大于等于土的有效重度，且方向向上时，土粒间压力等于零，即出现流砂现象。管涌是细小土粒在土孔隙中流走的现象。砂现象。管涌是细小土粒在土孔隙中流走的现象。 当出现流砂时：当出现流砂时： 其中，临界水力梯度：其中，临界水力梯度： ；在工程中要求：；在工程中要求：、流砂防治措施、流砂防治措施 a 打钢板桩法；打钢板桩法；b 设置旋喷桩止水帷幕法；设置旋喷桩止水帷幕法；c 冻结法。冻结法。五、动水力及渗流破坏五、动水力及渗流破坏、动水力的计算公式、动水力的计算公式 土中
11、水渗流时对土骨架的作用力叫土中水渗流时对土骨架的作用力叫动水力动水力, 也叫渗流力。以也叫渗流力。以 表示。表示。 式中式中 土骨架阻力土骨架阻力2024年8月17日 3.33.3 流网及其应用流网及其应用 在实际工程中的渗流情况十分复杂，其中有一维渗流、二维渗流、三维渗流。在实际工程中的渗流情况十分复杂，其中有一维渗流、二维渗流、三维渗流。例如：大面积堆载加固饱和软粘土、水坝渗流计算、基坑开挖降水计算等。其中例如：大面积堆载加固饱和软粘土、水坝渗流计算、基坑开挖降水计算等。其中多数可简化为二维渗流情况。二维渗流流网可由两组正交曲线表示。一组是流线，多数可简化为二维渗流情况。二维渗流流网可由两
12、组正交曲线表示。一组是流线，另一组是等势线。另一组是等势线。一、平面渗流基本微分方程一、平面渗流基本微分方程以水坝渗流计算为例：以水坝渗流计算为例：取单元体：取单元体：设设 X, Z X, Z 方向的流速为：方向的流速为：单位时间流入单元体的水量：单位时间流入单元体的水量：单位时间流出单元体的水量：单位时间流出单元体的水量：根据渗流连续条件根据渗流连续条件( (土体不变形土体不变形) )：得：得：2024年8月17日由达西定律：代入上式：由达西定律：代入上式：得：得：即：即：对于各向同性土：对于各向同性土：得：地下水运动的得：地下水运动的 Laplace Laplace 方程方程引入势函数：引
13、入势函数：则：则：2024年8月17日把把 ( () ) 式对式对 X X 微分，微分，(2) (2) 式对式对 Z Z 微分，代入微分，代入 LaplaceLaplace 方程：方程：得：说明势函数也满足得：说明势函数也满足LaplaceLaplace方程方程流线方程可表示成：流线方程可表示成：设流线方程为某一流函数的全微分，设流线方程为某一流函数的全微分，则：则：因此有：因此有：比较前面的推导有：由此得：比较前面的推导有：由此得：2024年8月17日把把 ( () ) 式对式对 X X 微分，微分，(2) (2) 式对式对 Z Z 微分，代入微分，代入 LaplaceLaplace 方程：
14、方程：得：说明势函数也满足得：说明势函数也满足LaplaceLaplace方程方程流线方程可表示成：流线方程可表示成：设流线方程为某一流函数的全微分，设流线方程为某一流函数的全微分，则：则：因此有：因此有：比较前面的推导有：由此得：比较前面的推导有：由此得：2024年8月17日则：，即也满足则：，即也满足LaplaceLaplace方程方程 LaplaceLaplace方程可用解析法或数值法求解。方程可用解析法或数值法求解。求解后得到两组曲线称为流网。求解后得到两组曲线称为流网。流网的性质：流网的性质：(1)(1)流线与等势线互相正交；流线与等势线互相正交；(2)(2)每个网格的长宽比为常数每
15、个网格的长宽比为常数, , 即即 网格为曲线正方形；网格为曲线正方形；(3)(3)任意两相邻流线间的渗流量相等；任意两相邻流线间的渗流量相等；(4)(4)任意两相邻等势线间的水头损失相等相等。任意两相邻等势线间的水头损失相等相等。二、流网的应用二、流网的应用应用程序：按要求绘制流网；求各水头梯度；求渗透系数；求渗流量应用程序：按要求绘制流网；求各水头梯度；求渗透系数；求渗流量 、水头梯度、水头梯度 、求渗透速度、求渗透速度 、渗流量、渗流量 2024年8月17日一、冻土现象及其对工程的危害一、冻土现象及其对工程的危害一、冻土现象及其对工程的危害一、冻土现象及其对工程的危害二、冻胀的机理与影响因
16、素二、冻胀的机理与影响因素二、冻胀的机理与影响因素二、冻胀的机理与影响因素1 1 1 1、冻胀的要素：、冻胀的要素：、冻胀的要素：、冻胀的要素：1)1)低温；低温；2)2)水源水源( (地下水地下水) )；3)3)弱结合水膜转移。弱结合水膜转移。 地基不均匀冻胀融沉，导致上部结构破坏。地基不均匀冻胀融沉，导致上部结构破坏。 3.4 3.4 3.4 3.4 土在冻结过程中水分的转移土在冻结过程中水分的转移土在冻结过程中水分的转移土在冻结过程中水分的转移2 2 2 2、地基冻胀性分类、地基冻胀性分类、地基冻胀性分类、地基冻胀性分类 1 1）分类依据：）分类依据： a a土的类别土的类别( (有否弱
17、结合水膜有否弱结合水膜) )； 毛细水上升毛细水上升 b b冻前天然含水量冻前天然含水量( (弱结合水膜厚度弱结合水膜厚度) )； c c冻结期间地下水位距离冻结面的最小距离冻结期间地下水位距离冻结面的最小距离( (毛细水上升路径的长短毛细水上升路径的长短) )； d d平均冻胀率平均冻胀率 2 2）分类方法：）分类方法： 建筑地基规范将土的冻胀性分为建筑地基规范将土的冻胀性分为5 5类：类：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀。三、冻结深度三、冻结深度三、冻结深度三、冻结深度1 1 1 1、季节性冻土地基的设计冻深、季节性冻土地基的设计冻深、季节性冻土
18、地基的设计冻深、季节性冻土地基的设计冻深标准冻深，标准冻深，地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不 少于少于1010年实测最大冻深的平均值。按规范图查取年实测最大冻深的平均值。按规范图查取或或实测实测。 土的类别对冻深的影响系数，按土的类别对冻深的影响系数，按规范规范取值；取值； 土的冻胀性对冻深的影响系数，按土的冻胀性对冻深的影响系数，按规范规范取值；取值； 环境对冻深的影响系数，按环境对冻深的影响系数，按规范规范取值；取值； 基础底面下允许残留冻土层的最大厚度基础底面下允许残留冻土层的最大厚度, ,按按规范规范取值。取值。2 2 2 2、基础最小埋深、
19、基础最小埋深、基础最小埋深、基础最小埋深四、防止冻害的措施四、防止冻害的措施四、防止冻害的措施四、防止冻害的措施1 1）减少切向冻胀力；）减少切向冻胀力；2 2）减水防冻；减水防冻；3 3）增强房屋的整体刚度；）增强房屋的整体刚度；4 4）减小对冻胀的约束；）减小对冻胀的约束；5 5）保温；）保温； 作业：作业：3-23-22024年8月17日第章第章 土中应力计算土中应力计算 .1.1 概述概述一、土中应力计算的目的和方法一、土中应力计算的目的和方法一、土中应力计算的目的和方法一、土中应力计算的目的和方法(1)(1)(1)(1)研究和解决土体的变形问题；研究和解决土体的变形问题；研究和解决土
20、体的变形问题；研究和解决土体的变形问题；(2)(2)(2)(2)研究和解决土体的强度问题；研究和解决土体的强度问题；研究和解决土体的强度问题；研究和解决土体的强度问题；(3)(3)(3)(3)研究和解决土体的稳定性问题；研究和解决土体的稳定性问题；研究和解决土体的稳定性问题；研究和解决土体的稳定性问题；(4)(4)(4)(4)关于土体作为力学介质的假定。关于土体作为力学介质的假定。关于土体作为力学介质的假定。关于土体作为力学介质的假定。 在计算土中应力时，假定土体是在计算土中应力时，假定土体是在计算土中应力时，假定土体是在计算土中应力时，假定土体是均匀连续、各向同性的半无限线性变形体。均匀连续
21、、各向同性的半无限线性变形体。均匀连续、各向同性的半无限线性变形体。均匀连续、各向同性的半无限线性变形体。三、应力坐标和符号的规定三、应力坐标和符号的规定三、应力坐标和符号的规定三、应力坐标和符号的规定采用空间直角坐标系表示土中应力的位置和方向。采用空间直角坐标系表示土中应力的位置和方向。采用空间直角坐标系表示土中应力的位置和方向。采用空间直角坐标系表示土中应力的位置和方向。Z Z 轴以向下为正，应力以轴以向下为正，应力以轴以向下为正，应力以轴以向下为正，应力以受压为正。受压为正。受压为正。受压为正。四、土中应力划分四、土中应力划分四、土中应力划分四、土中应力划分土中应力划分为：土中应力划分为
22、：土中应力划分为：土中应力划分为：自重应力自重应力自重应力自重应力；附加应力附加应力附加应力附加应力；有效应力有效应力有效应力有效应力；孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力等。等。等。等。2024年8月17日 4.2 土中自重应力土中自重应力一、基本计算公式一、基本计算公式一、基本计算公式一、基本计算公式( (均质土中竖向自重应力均质土中竖向自重应力均质土中竖向自重应力均质土中竖向自重应力) ) 在土体内竖向取单位面积土柱，由于对称性，在土体内竖向取单位面积土柱，由于对称性，在土体内竖向取单位面积土柱，由于对称性，在土体内竖向取单位面积土柱，由于对称性，土柱侧面无剪应力，由土柱竖向平衡有：
23、土柱侧面无剪应力，由土柱竖向平衡有：土柱侧面无剪应力，由土柱竖向平衡有：土柱侧面无剪应力，由土柱竖向平衡有： 竖向自重应力竖向自重应力竖向自重应力竖向自重应力二、土体成层及有地下水时的计算公式二、土体成层及有地下水时的计算公式二、土体成层及有地下水时的计算公式二、土体成层及有地下水时的计算公式 1 1 1 1、当土体成层时当土体成层时当土体成层时当土体成层时 、土层中有地下水时、土层中有地下水时、土层中有地下水时、土层中有地下水时 无黏性土和无黏性土和无黏性土和无黏性土和 的黏性土中，取的黏性土中，取的黏性土中，取的黏性土中，取 计算。计算。计算。计算。 对对对对 的黏性土取的黏性土取的黏性土
24、取的黏性土取 计算。计算。计算。计算。 对对对对 的黏性土按不利状态考虑。的黏性土按不利状态考虑。的黏性土按不利状态考虑。的黏性土按不利状态考虑。三、水平向自重应力三、水平向自重应力三、水平向自重应力三、水平向自重应力 式中：式中：式中：式中： 土的静止侧压力系数，由试验测得。土的静止侧压力系数，由试验测得。土的静止侧压力系数，由试验测得。土的静止侧压力系数，由试验测得。2024年8月17日 4.3 基底压力基底压力一、基础底面压力分布的概念一、基础底面压力分布的概念一、基础底面压力分布的概念一、基础底面压力分布的概念 二、基底压力的简化计算方法二、基底压力的简化计算方法二、基底压力的简化计算
25、方法二、基底压力的简化计算方法1 1 1 1、中心荷载作用时、中心荷载作用时、中心荷载作用时、中心荷载作用时、偏心荷载时、偏心荷载时、偏心荷载时、偏心荷载时当当当当 时，时，时，时，三、基底附加压力三、基底附加压力三、基底附加压力三、基底附加压力 基底附加压力是引起地基土沉降的压力：基底附加压力是引起地基土沉降的压力：基底附加压力是引起地基土沉降的压力：基底附加压力是引起地基土沉降的压力：2024年8月17日 4.3 基底压力基底压力一、基础底面压力分布的概念一、基础底面压力分布的概念一、基础底面压力分布的概念一、基础底面压力分布的概念 二、基底压力的简化计算方法二、基底压力的简化计算方法二、
26、基底压力的简化计算方法二、基底压力的简化计算方法1 1 1 1、中心荷载作用时、中心荷载作用时、中心荷载作用时、中心荷载作用时、偏心荷载时、偏心荷载时、偏心荷载时、偏心荷载时当当当当 时，时，时，时，三、基底附加压力三、基底附加压力三、基底附加压力三、基底附加压力 基底附加压力是引起地基土沉降的压力：基底附加压力是引起地基土沉降的压力：基底附加压力是引起地基土沉降的压力：基底附加压力是引起地基土沉降的压力：2024年8月17日 4.4 4.4 竖向集中力作用下土中应力计算竖向集中力作用下土中应力计算竖向集中力作用下土中应力计算竖向集中力作用下土中应力计算 1 1 1 1、布辛奈斯克解（布辛奈斯
27、克解（布辛奈斯克解（布辛奈斯克解（P63P63）、等代荷载法、等代荷载法、等代荷载法、等代荷载法系数表达式系数表达式系数表达式系数表达式若干力作用时：若干力作用时：若干力作用时：若干力作用时： 式中式中式中式中 查表查表查表查表4-24-2。2024年8月17日 4.5 4.5 竖向分布荷载作用下土中应力计算竖向分布荷载作用下土中应力计算竖向分布荷载作用下土中应力计算竖向分布荷载作用下土中应力计算1 1、矩形均布荷载角点下的附加应力、矩形均布荷载角点下的附加应力、矩形均布荷载角点下的附加应力、矩形均布荷载角点下的附加应力 、矩形均布荷载任意点下的附加应力、矩形均布荷载任意点下的附加应力、矩形均
28、布荷载任意点下的附加应力、矩形均布荷载任意点下的附加应力（）、（）、（）、（）、OO点在荷载面边缘点在荷载面边缘点在荷载面边缘点在荷载面边缘（）、（）、（）、（）、OO点在荷载面内点在荷载面内点在荷载面内点在荷载面内（）、（）、（）、（）、OO点在荷载面外点在荷载面外点在荷载面外点在荷载面外2024年8月17日 3 3、矩形面积受三角形分布垂直荷载、矩形面积受三角形分布垂直荷载、矩形面积受三角形分布垂直荷载、矩形面积受三角形分布垂直荷载 作用的地基附加应力作用的地基附加应力作用的地基附加应力作用的地基附加应力4 4、垂直均布条形荷载作用下的、垂直均布条形荷载作用下的、垂直均布条形荷载作用下的、垂直均布条形荷载作用下的 地基附加应力地基附加应力地基附加应力地基附加应力 2024年8月17日 4.6 4.6 饱和土有效应力原理饱和土有效应力原理饱和土有效应力原理饱和土有效应力原理 根据试验根据试验根据试验根据试验 可忽略。可忽略。可忽略。可忽略。 第章作业：第章作业：第章作业：第章作业：4-14-1、4-2 4-2 、4-3 4-3 、4-4 4-4 、4-54-5、4-64-6
