土质学与土力学-第三、四章公开课教案课件

2024年1月2日

第3章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渗流控制问题。3.1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，在工程中需加以研究和防治。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。可分为以下三种：1.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。2.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网状水带。3.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。当地表降水时，毛细悬挂水带在重力作用下向下移动。

2024年1月2日

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。设毛细管内的最大上升高度为，毛细水柱重：

毛细水上升达到时的上举力为：

由有：若令，可得：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复杂，不能直接套用该式，可引用经验公式进行计算：式中为与土有关的系数；和分别为土的孔隙比和有效粒径。土中毛细水上升速度可由试验测得。2024年1月2日

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，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解决许多工程问题。例如施工降水问题、渗流破坏问题、渗流控制问题等。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：层流；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。在层流中将渗流速度(孔隙水流速)简化为地下水体的移动速度。即平均流速：2024年1月2日

二、达西定律

地下水自点流向点，是因为点水头压力大于点的水头压力。其压力差可以水头差反映，单位距离上的水头差叫做水头梯度。达西根据砂土的渗流试验总结出渗流速度与水头梯度成正比：或对黏性土：

式中为渗透系数，可由试验测定。三、土的渗透系数(一)室内试验测定法1.常水头试验：2024年1月2日

2.变水头试验：设经过时段水头变化为水量变化为。则：

整理得：

积分得：

即(二)现场抽水试验测定法2024年1月2日

2.变水头试验：设经过时段水头变化为水量变化为。则：

整理得：

积分得：

即(二)现场抽水试验测定法2024年1月2日

(三)成层土的渗透系数四、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，k愈大；黏土矿物愈多，k愈小。2、结合水膜的厚度结合水膜厚度愈大，土的孔隙阻塞愈严重，

k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差异越大。扰动土的k

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，k

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k

值降低。2024年1月2日２、流砂现象、管涌和临界水力梯度在细砂和粉土中，当动水力的方向向下时，土粒间压力增大；当动水力的方向向上时，土粒间压力减小。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：

其中，临界水力梯度：；在工程中要求：３、流砂防治措施a打钢板桩法；b设置旋喷桩止水帷幕法；c冻结法。五、动水力及渗流破坏１、动水力的计算公式土中水渗流时对土骨架的作用力叫动水力,也叫渗流力。以

表示。

式中

土骨架阻力2024年1月2日

3.3

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。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，另一组是等势线。一、平面渗流基本微分方程以水坝渗流计算为例：取单元体：设X,Z方向的流速为：单位时间流入单元体的水量：单位时间流出单元体的水量：根据渗流连续条件(土体不变形)：得：2024年1月2日

由达西定律：代入上式：

得：

即：对于各向同性土：得：地下水运动的Laplace方程引入势函数：则：2024年1月2日

把(１)式对X微分，(2)式对Z微分，代入Laplace

方程：得：说明势函数也满足Laplace方程

流线方程可表示成：设流线方程为某一流函数的全微分，则：

因此有：

比较前面的推导有：由此得：2024年1月2日

把(１)式对X微分，(2)式对Z微分，代入Laplace

方程：得：说明势函数也满足Laplace方程

流线方程可表示成：设流线方程为某一流函数的全微分，则：

因此有：

比较前面的推导有：由此得：2024年1月2日

则：，即也满足Laplace方程

Laplace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。流网的性质：

(1)流线与等势线互相正交；

(2)每个网格的长宽比为常数,即网格为曲线正方形；

(3)任意两相邻流线间的渗流量相等；

(4)任意两相邻等势线间的水头损失相等相等。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１、水头梯度２、求渗透速度３、渗流量

2024年1月2日一、冻土现象及其对工程的危害二、冻胀的机理与影响因素1、冻胀的要素：1)低温；2)水源(地下水)；3)弱结合水膜转移。地基不均匀冻胀融沉，导致上部结构破坏。3.4土在冻结过程中水分的转移2、地基冻胀性分类

1）分类依据：a土的类别(有否弱结合水膜)；毛细水上升

b冻前天然含水量(弱结合水膜厚度)；

c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)；

d平均冻胀率

2）分类方法：建筑地基规范将土的冻胀性分为5类：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀。三、冻结深度1、季节性冻土地基的设计冻深——标准冻深，地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不

少于10年实测最大冻深的平均值。按规范图查取或实测。

——土的类别对冻深的影响系数，按规范取值；

——土的冻胀性对冻深的影响系数，按规范取值；

——环境对冻深的影响系数，按规范取值；

——基础底面下允许残留冻土层的最大厚度,按规范取值。2、基础最小埋深四、防止冻害的措施1）减少切向冻胀力；2）减水防冻；3）增强房屋的整体刚度；4）减小对冻胀的约束；5）保温；作业：3-22024年1月2日第４章土中应力计算

４.1

概述一、土中应力计算的目的和方法(1)研究和解决土体的变形问题；(2)研究和解决土体的强度问题；(3)研究和解决土体的稳定性问题；(4)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采用空间直角坐标系表示土中应力的位置和方向。Z

轴以向下为正，应力以受压为正。四、土中应力划分土中应力划分为：自重应力；附加应力；有效应力；孔隙水压力等。2024年1月2日

4.2土中自重应力一、基本计算公式(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，土柱侧面无剪应力，由土柱竖向平衡有：竖向自重应力二、土体成层及有地下水时的计算公式1、当土体成层时

２、土层中有地下水时无黏性土和的黏性土中，取计算。对的黏性土取计算。对的黏性土按不利状态考虑。三、水平向自重应力

式中：土的静止侧压力系数，由试验测得。2024年1月2日

4.3基底压力一、基础底面压力分布的概念

二、基底压力的简化计算方法1、中心荷载作用时２、偏心荷载时当时，三、基底附加压力基底附加压力是引起地基土沉降的压力：2024年1月2日

4.3基底压力一、基础底面压力分布的概念

二、基底压力的简化计算方法1、中心荷载作用时２、偏心荷载时当时，三、基底附加压力基底附加压力是引起地基土沉降的压力：2024年1月2日

4.4竖向集中力作用下土中应力计算

1、布辛奈斯克解（P63）２、等代荷载法系数表达式若干力作用时：式中查表4-2。2024年1月2日

4.5竖向分布荷载作用下土中应力计算

1、矩形均布荷载角点下的