土中水的運動規(guī)律ppt

1、土力學與土質(zhì)學土力學與土質(zhì)學( (第第3 3章）章）土中水的運動規(guī)律土中水的運動規(guī)律工程背景工程背景 土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運動著的。土中水的運動原因和形式很多，例如：在重力的作用下，地下水流動（滲透問題滲透問題）；由于表面現(xiàn)象產(chǎn)生的水分移動（毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象）；在土顆粒分子引力作用下結(jié)合水移動（凍結(jié)凍結(jié)）； 由于孔隙離子濃度的差別產(chǎn)生的滲附現(xiàn)象滲附現(xiàn)象。 土中水運動對許多工程實踐問題，如流砂、凍脹、滲透固結(jié)、滲透時邊坡穩(wěn)定等。第第3 3章章 土中水的運動規(guī)律土中水的運動規(guī)律學習要求：學習要求： 掌握土的滲透定律與滲透力計算方法，具備對地掌握土的滲透定律與滲透力計算方法，具備對地基

2、滲透變形進行正確分析的能力?；鶟B透變形進行正確分析的能力。 1 1掌握土的滲透定律、土中滲流量計算；掌握土的滲透定律、土中滲流量計算； 2. 2. 了解二維滲流及流網(wǎng)繪制、掌握土中水的滲了解二維滲流及流網(wǎng)繪制、掌握土中水的滲透力與地基滲透變形分析透力與地基滲透變形分析. .基本內(nèi)容：基本內(nèi)容： 3.1 3.1 土的毛細性土的毛細性 3.2 3.2 土的滲透性土的滲透性 3.3 3.3 動水壓力及流砂現(xiàn)象動水壓力及流砂現(xiàn)象 3.4 3.4 流網(wǎng)及其應用流網(wǎng)及其應用 3.1 3.1 土的毛細性土的毛細性土的毛細性是指能夠產(chǎn)生毛細現(xiàn)象的性質(zhì)。土的毛細現(xiàn)象是指土中水在表面張力作用下，沿著細的孔隙向上及

3、其它方向移動的現(xiàn)象。毛細現(xiàn)象在以下四個方面對工程有影響：（1）毛細水的上升是引起路基凍害因素之一；（2）對建筑毛細水上升引起地下室過分潮濕；（3）毛細水的上升可能引起土地的沼澤化和鹽漬化；（4）當?shù)叵滤薪g性時，毛細水上升對建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)中的混凝土、鋼筋等形成浸蝕作用。土層中毛細水分布土層中毛細水分布土層中由于毛細現(xiàn)象所潤濕的范圍稱為毛細水帶，根據(jù)其形成條件和分布狀況分成3帶：（1）正常毛細水帶（毛細飽和帶）。位于毛細水帶的下部，與地下潛水相通。主要是由潛水面直接上升而形成的。隨水位升降而移動。（2）毛細網(wǎng)狀水帶。位于毛細水帶的中部，可在表面張力和重力作用下移動。（3）毛細懸掛水帶。位

4、于毛細水帶的上部，主要是由地表水滲入而成的。在重力作用下移動。地下水上升原理地下水上升原理由于液體與空氣的分界面上存在著表面張力，因而在液體表面表面任意劃一條線，線兩側(cè)的液體都會和攏；另外，毛細管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個引力使與管壁接觸部分的水面呈向上彎曲狀，這種現(xiàn)象稱為毛細水的上升是由于液體的“表面張力表面張力”和毛細管的“濕潤現(xiàn)象濕潤現(xiàn)象”產(chǎn)生的。 3.2 3.2 土的滲透性土的滲透性存在于地基中的地下水，在一定的壓力差作 用下，將透過土中孔隙發(fā)生流動，這種現(xiàn)象稱為滲流滲流或滲透滲透。下面討論四個問題： 1.滲透模型 ； 2. 層流滲透定律； 3.滲透系數(shù)的確定； 4.動水壓

5、力及流砂現(xiàn)象。滲透模型 (1) 模型的流量流量等于真實的流量； (2) 模型的壓力壓力等于真實的壓力 (3) 模型所受到的阻力阻力與真實滲流所受到的阻力相等。 考慮到實際工程可對滲流作如下簡化：一是不考慮滲流路徑的迂回曲折；二是不考慮土體中顆粒的影響，這種假想的滲流模型滲流模型 對于滲透速度，用單位時間內(nèi)通過土體單位面積的水量這種平均滲透速度來代替真實速度。二二 層流滲透定層流滲透定律律 裝置中是面積為A的直立圓筒，其側(cè)壁裝有兩支相距為L 的側(cè)壓管。濾板填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多余的水從溢水管溢出，使筒內(nèi)的水位維持恒定。滲透過砂層的水從短水管流入量杯中，并以此來計算滲流量Q。 得

6、出：滲透速度和水頭（h1-h2）成正比與滲透路徑L成反比，即達西定律達西定律： v=k I 無黏性土 v=k (I-I0) 黏性土達西滲透實驗裝置達西定律的適用范圍達西定律的適用范圍 達西定律是由砂質(zhì)土體實驗得到的，后來推廣應用于其他土體如粘土和具有細裂隙的巖石等。 (a) 細粒土的v-i關(guān)系 (b) 粗粒土的v-i關(guān)系 砂土、一般粘土 ;顆粒極細的粘土 滲透系數(shù)的確定滲透系數(shù)的確定 滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個指標，其數(shù)值的正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。影響滲透系數(shù)大小的因素很多，主要取決于土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的粘滯性等，要建立計算滲透系數(shù)k的精確理論公式比

7、較困難，通?？赏ㄟ^試驗方法(包括實驗室測定法和現(xiàn)場測定法)或經(jīng)驗估算法來確定k值。 實驗室測定法實驗室測定法a常水頭試驗裝置; b.變水頭試驗裝置。 tHAQLK101lg3 . 2HHAtaLKk 10-3 為細砂到中等卵石;透水性較小 (10-7 k10-3) 粘性土.現(xiàn)場測定法現(xiàn)場測定法n有野外注水試驗和抽水試驗等，是在現(xiàn)場鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時，量測地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應的理論公式求出滲透系數(shù)k值。(a) 無壓完整井抽水試驗;(b) 無壓非完整井抽水試驗 經(jīng)驗估算法經(jīng)驗估算法1991年 哈森哈森提出用有效粒徑d10計算較均勻砂土的公式:1955年，太沙基太

8、沙基提出考慮土體孔隙比e的經(jīng)驗公式: 210dK 22102edK表1 土的滲透系數(shù)參考值 n四 影響土的滲透性的因素五五 動水壓力及流砂現(xiàn)象動水壓力及流砂現(xiàn)象1.動水壓力(滲透力）定義： 水在土中流動的過程中將受到土阻力的作用，使水頭逐漸損失。同時，水的滲透將對土骨架產(chǎn)生拖曳力，導致土體中的應力與變形發(fā)生變化。這種滲透水流作用對土骨架產(chǎn)生的拖曳力稱為。用GD表示(kN/m3)。 在許多水工建筑物、土壩及基坑工程中，滲透力的大小是影響工程安全的重要因素之一。實際工程中，也有過不少發(fā)生滲透變形(流砂流砂或管涌管涌)的事例，嚴重的使工程施工中斷，甚至危及鄰近建筑物與設(shè)施的安全。因此，在進行工程設(shè)計

9、與施工時，對滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來的不良后果應該具有足夠的重視。動水壓力及流砂現(xiàn)象動水壓力及流砂現(xiàn)象2.動水壓力(滲透力）計算 滲透力的大小與計算點的位置有關(guān)。根據(jù)對滲流網(wǎng)中的孔隙水壓力和土粒間作用力的分析，得出單位體積內(nèi)土粒受到的單位滲透力為： 式中 i 為水力梯度；w水的容重。 當水力梯度超過一定界限值后，土中的滲流水流會把部分土體或土顆粒沖出、帶走，導致局部土體發(fā)生位移，位移達到一定程度，土體將發(fā)生失穩(wěn)破壞，這種現(xiàn)象稱為滲透變形。主要有兩種形式，即流砂流砂與管涌管涌。滲流水流將整個土體帶走的現(xiàn)象稱為流砂；滲流中土體大顆粒之間的小顆粒被沖出的現(xiàn)象稱為管涌。iTGwD動水壓力及流砂現(xiàn)象

10、動水壓力及流砂現(xiàn)象3.流砂現(xiàn)象、管涌和臨界水力梯度 在粘性土中，滲透力的作用往往使?jié)B流逸出處某一范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)表面隆起變形；而在粉砂、細砂及粉土等粘聚性差的細粒土中，水力梯度達到一定值后，滲流逸出處出現(xiàn)表面隆起變形的同時，還可能出現(xiàn)滲流水流夾帶泥土向外涌出的砂沸現(xiàn)象，致使地基破壞，工程上將這種流土現(xiàn)象稱為流砂流砂。 管涌管涌是在滲流過程中，土體中的化合物不斷溶解、細小顆粒在大顆粒間的孔隙中移動，形成一條管狀通道，最后土粒在滲流逸出處沖出的一種現(xiàn)象。 流砂的臨界狀態(tài)對應的水力梯度icr（臨界水力梯度臨界水力梯度）可用下式表示： eededisw11111) 1(sswwcr2.4 2.4 流網(wǎng)

11、及其應用流網(wǎng)及其應用1. 滲流問題的求解方法簡介 ；2. 流網(wǎng)及其性質(zhì) ；3. 流網(wǎng)的繪制 ；4. 流網(wǎng)的工程應用。 滲流問題的求解方法簡介滲流問題的求解方法簡介在實際工程中，經(jīng)常遇到邊界條件較為復雜的二維或三維問題，在這類滲流問題中，滲流場中各點的滲流速度v與水力梯度i等均是位置坐標的二維或三維函數(shù)。對此必須首先建立它們的滲流微分方程，然后結(jié)合滲流邊界條件與初始條件求解。在實際工程中，滲流問題的邊界條件往往比較復雜，其嚴密的解析解一般都很難求得。因此對滲流問題的求解除采用解析解法外，還有數(shù)值解法、圖解法和模型試驗法等，其中最常用的是圖解法圖解法即流網(wǎng)解法流網(wǎng)解法。流網(wǎng)及其性質(zhì)流網(wǎng)及其性質(zhì) 各

12、向同性土的流網(wǎng)具有如下性質(zhì)： 1、 流網(wǎng)是相互正交的網(wǎng)格； 2、 流網(wǎng)為曲邊正方形； 3、 任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等； 4、 任意兩相鄰流線間的單位滲流量相等。閘基的滲流流網(wǎng) 流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制 大致有三種：解析法、實驗法（有水電比擬法）、近似作圖法近似作圖法（手描法）。其步驟大致為： 先按流動趨勢畫出流線，然后根據(jù)流網(wǎng)正交性畫出等勢線，形成流網(wǎng)。如發(fā)現(xiàn)所畫的流網(wǎng)不成曲邊正方形時，需反復修改等勢線和流線直至滿足要求。 1）首先將建筑物及土層剖面按一定的比例繪出，并根據(jù)滲流區(qū)的邊界，確定邊界線及邊界等勢線； 2）根據(jù)流網(wǎng)特性，初步繪出流網(wǎng)形態(tài)； 3）逐步修改流網(wǎng)。流網(wǎng)的工程應用流網(wǎng)的工

13、程應用 正確地繪制出流網(wǎng)后，可以用它來求解滲流量、滲流速度。 1）水力梯度計算： 2）滲流速度計算： 3）滲流量計算：) 1( nahahiiii) 1( nahKKiViii) 1() 1() 1() 1() 1(nmKhqanbmKhqmqii當ai=bi第四節(jié) 土在凍結(jié)過程中水分的遷移和積聚一 凍土現(xiàn)象及其對工程的危害季節(jié)性凍土隔年凍土多年凍土凍土現(xiàn)象：凍結(jié)凍脹 融化危害嚴重第四節(jié) 土在凍結(jié)過程中水分的遷移和積聚二 凍脹的機理和影響因素1凍脹的原因2影響凍脹的因素土的因素：粉土粉質(zhì)粘土 粗顆粒土水的因素：開敞型凍脹（危害大） 封閉型凍脹溫度的因素：氣溫驟降，無明顯凍脹 緩慢下降，凍脹明顯3凍結(jié)深度本章小結(jié)本章小結(jié) 介紹了地基土滲透理論滲透理論的建立與平面穩(wěn)定滲流問題的流網(wǎng)解法、滲透系數(shù)的確定方法以及滲透力與滲透變形等內(nèi)容。存在于地基中的重力水將在水力梯度的作用下發(fā)生流動而形成滲流。不同的土具有不同的透水能力，主要由土的顆粒組成和孔隙比等決定。土的透水性定量指標是滲透系數(shù)，滲透系數(shù)值愈大，表示土的透水能力愈強。滲透系數(shù)通?？赏ㄟ^試驗方法或經(jīng)驗估算法來確定。研究滲流問題的基本定律是達達西定律