2 土中水的运动规律.ppt

第二章 土中水的运动规律 2 1土的毛细性 毛细水 存在于地下水位以上 在表面张力作用下能沿着细小空隙向上或其他方向移动的自由水 毛细现象 途中具有毛细水的现象称为土的毛细现象 一 土层中的毛细水带 土层中由毛细水所湿润的范围称为毛细水带 根据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 二 毛细水压力 若毛细管内水柱上升到最大高度hmax 根据平衡条件知道管壁与弯液面水分子间引力的合力S等于水的表面张力 若S与管壁间的夹角为 则作用在毛细水柱上的上举力P为P S 2 rcos 2 r cos 毛细管内上升水柱的重力G为 G w r2hmax 1 毛细水上升高度 碎石类土 无毛细作用 砂性土 hmax 0 2 0 3m 粉性土 hmax 0 9 1 5m 而粘性土的hmax不及粉性土 上升速度也较慢 对于粉砂 粉土和粉质粘土等 毛细现象较显著 毛细水上升高度大 上升速度快 估算毛细水上升高度的经验公式 2 毛细压力 两个球状的土粒A和B 接触面上有毛细水存在 在水和空气的分界面上有弯液面产生的表面张力沿着弯液面切线方向作用 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P 称为毛细压力 由毛细压力产生的土粒间的粘结力称为假内聚力或毛细粘聚力 2 2达西定律 一 达西定律的表达式与适用条件 水透过土孔隙流动的现象 称为渗透或渗流 土可以被水透过的性质 称为土的渗透性或透水性 层流 地下水在岩土的孔隙或微裂隙中渗流 流线互不相交 湍流 地下水在岩土的裂隙或洞穴中流动 流线有相互交错的现象 H1 H2 zA zB h 0 0 基准面 水力坡降线 H1 H2 zA zB H 0 0 基准面 水力坡降线 土中A B两点 测得A点的水头为H1 B点的水头为H2 水自高水头的A点流向低水头的B点 水流流经长度为L 可得水流的渗透速度为 水力坡降 砂土 V I成线性关系 符合达西定律 粘性土 砾类土 砂土 粘性土 V I成非线性关系 土中水的流动状态为紊流 不适用达西定律 适用范围 二 渗透系数的测定方法 室内试验测定方法野外试验测定方法 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 1 室内试验测定 常水头试验测得 适用于透水性较大的土 时间t内的流量Q a b两点水头差 土样的横截面积A 则 试验过程中水头保持常数 一 测定 变水头试验 适用于渗透性小的粉土与粘土 优点 设备简单 费用较省 缺点 不能反映现场土的实际渗透性 渗透性与土的结构有关 水平方向性的渗透性与竖直方向的渗透性不同取土过程中易造成扰动 试验过程中渗透水头差随时间而变化 2 现场抽水试验 三 层状地基的等效渗透系数 等效渗透系数 确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数 天然土层多呈层状 h1 h2 A1 A2 k1 q1 k2 q2 q 水平渗流 垂直渗流 h1 h2 k1 k2 q F 粒径级配 颗粒大小 各粒径成分在土中占的比例 狭义的粒径级配 影响土性质的主要因素 粒度成分 颗粒越粗 越浑圆 越均匀 则k 四 影响土的渗透性的因素 1 土的粒度成分及矿物成分 矿物成分 对粘土影响大 亲水矿物 有机质含量多 则k 砂土中粘粒和粉粒含量多 则k 2 结合水膜厚度 结合水膜越厚 则k 3 土的结构 黄土 竖向有大孔隙 kz kX 层状粘土中夹有粉砂层 kx kz 4 水的粘滞度 温度高 水的粘滞度降低 k 非标准温度 测得的渗透系数kt须经过温度修正 时动力粘滞系数 时动力粘滞系数 5 土中气体 土中封闭气体多 渗透性低 k 2 3渗透力与渗透变形 水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力 渗透力GD 其反力为土颗粒对水流阻力T 一 渗透力 取土柱体ab 以土柱体内的水作为隔离体 分析受力 重力 a点水压力 b点水压力 土粒对流水的阻力 方向与水流方向相反 土体上下两面与流动方向垂直的水压力 1 渗透力计算 应用于深基坑支护结构设计 防洪堤坝的抢险等 沿水流方向建立平衡方程 以水流方向为正 力T的反力即为所求的动水力 方向 与渗流方向一致 单位体积的动水力为 1 流砂 在上图3点处取单位体积土体为对象分析受力 土体所受有效重力 土体所受渗透力 方向向下 方向向上 当 此时 流砂 当渗流方向自下而上且渗透力大于或等于土的有效重力时 土粒间压力为零 土颗粒群处于悬浮状态随水流动的现象 土粒的有效粒间压力为零 土粒处于悬浮状态而失稳 发生部位 渗流逸出处 发生土层 细砂 粉砂 粉土及饱和低塑性粘土 2 渗透变形形式及临界水力梯度 流砂时的临界水头梯度 即 流砂时 临界水头梯度Icr 土体开始发生渗流破坏时的水头梯度 2 管涌 发生土层 砂砾石 颗粒大小差别较大 往往缺少某种粒径 孔隙直径大且相互连通 发生部位 土体内部或渗流逸出处 二 渗透变形的判别方法及防治措施 流砂可能性判定 安全系数可取2 2 5 土体处于稳定状态 土体处于临界状态 土体发生流砂破坏 要求 渗流逸出处 1 流砂 1 减小或消除水头差如采取基坑外的井点降水法降低地下水位 或采取水下挖掘 2 增长渗流路径如打板桩 3 在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力 4 土层加固处理如冻结法 注浆法等 流砂防治原则 发生条件 1 几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大