土力学与土质学课件之土中水的运动规律.ppt

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 ，多余的水从溢水管溢出， 使筒内的水位维持恒定。渗透 过砂层的水从短水管流入量 杯中，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 砂土、一般粘土 ;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 k10-3) 粘性土. 现场测定法 n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；w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。 动水压力及流砂现象 3.流砂现象、管涌和临界水力梯度 在粘性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土 体出现表面隆起变形；而在粉砂、细砂及粉土等粘聚性差的细 粒土中，水力梯度达到一定值后，渗流逸出处出现表面隆起变 形的同时，还可能出现渗流水流夹带泥土向外涌出的砂沸现象 ，致使地基破坏，工程上将这种流土现象称为流砂。 管涌是在渗流过程中，土体中的化合物不断溶解、细小颗粒在 大颗粒间的孔隙中移动，形成一条管状通道，最后土粒在渗流 逸出处冲出的一种现象。 流砂的临界状态对应的水力梯度icr（临界水力梯度）可用下式 表示： 2.4 流网及其应用 1. 渗流问题的求解方法简介 ； 2. 流网及其性质 ； 3. 流网的绘制 ； 4. 流网的工程应用。 渗流问题的求解方法简介 在实际工程中，经常遇到边界条件较为复杂的二维 或三维问题，在这类渗流问题中，渗流场中各点的 渗流速度v与水力梯度i等均是位置坐标的二维或三 维函数。对此必须首先建立它们的渗流微分方程， 然后结合渗流边界条件与初始条件求解。 在实际工程中，渗流问题的边界条件往往比 较复杂，其严密的解析解一般都很难求得。 因此对渗流问题的求解除采用解析解法外， 还有数值解法、图解法和模型试验法等，其 中最常用的是图解法即流网解法。 流网及其性质 各向同性土的流网具有如下性质： 1、 流网是相互正交的网格； 2、 流网为曲边正方形； 3、 任意两相邻等势线间的水头损失相等； 4、 任意两相邻流线间的单位渗流量相等。 闸基的渗流流网 流网的绘制 大致有三种：解析法、实验法（有水电比拟法） 、 近似作图法（手描法）。其步骤大致为： 先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画 出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正 方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求。 1）首先将建筑物及土层剖面按一定的比例绘出， 并根据渗流区的边界，确定边界线及边界等势线； 2）根据流网特性，初步绘出流网形态； 3）逐步修改流网。 流网的工程应用 正确地绘制出流网后，可以用它来求解渗流 量、渗流速度。 1）水力梯度计算： 2）渗流速度计算： 3）渗流量计算： 当ai=bi 本章小结 介绍了地基土渗透理论的建立与平面稳定渗流问 题的流网解法、渗透系数的确定方法以及渗透力与渗 透变形等内容。存在于地基中的重力水将在水力梯度 的作用下发生流动而形成渗流。不同的土具有不同的 透水能力，主要由土的颗粒组成和孔隙比等决定。土 的透水性定量指标是渗透系数，渗透系数值愈大，表 示土的透水能力愈强。渗透系数通常可通过试验方法 或经验估算法来确定。研究渗流问题的基本定律是达 西定律，求解平面稳定渗流问题的常用方法