土力學(xué)與土質(zhì)學(xué)之土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

土力學(xué)與土質(zhì)學(xué)課件之土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——工程背景土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的。土中水的運(yùn)動(dòng)原因和形式很多，例如：●在重力的作用下，地下水流動(dòng)（滲透問題）；●由于表面現(xiàn)象產(chǎn)生的水分移動(dòng)（毛細(xì)現(xiàn)象）；●在土顆粒分子引力作用下結(jié)合水移動(dòng)（凍結(jié)）；●由于孔隙離子濃度的差別產(chǎn)生的滲附現(xiàn)象。土中水運(yùn)動(dòng)對許多工程實(shí)踐問題，如流砂、凍脹、滲透固結(jié)、滲透時(shí)邊坡穩(wěn)定等。第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六第2章土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律學(xué)習(xí)要求：

掌握土的滲透定律與滲透力計(jì)算方法，具備對地基滲透變形進(jìn)行正確分析的能力。

1．掌握土的滲透定律、土中滲流量計(jì)算；

2.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.基本內(nèi)容：

2.1土的毛細(xì)性

2.2土的滲透性

2.3動(dòng)水壓力及流砂現(xiàn)象

2.4流網(wǎng)及其應(yīng)用第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六

2.1土的毛細(xì)性土的毛細(xì)性是指能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。土的毛細(xì)現(xiàn)象是指土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的孔隙向上及其它方向移動(dòng)的現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象在以下四個(gè)方面對工程有影響：（1）毛細(xì)水的上升是引起路基凍害因素之一；（2）對建筑毛細(xì)水上升引起地下室過分潮濕；（3）毛細(xì)水的上升可能引起土地的沼澤化和鹽漬化；（4）當(dāng)?shù)叵滤薪g性時(shí)，毛細(xì)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。第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六土層中毛細(xì)水分布土層中由于毛細(xì)現(xiàn)象所潤濕的范圍稱為毛細(xì)水帶，根據(jù)其形成條件和分布狀況分成3帶：（1）正常毛細(xì)水帶（毛細(xì)飽和帶）。位于毛細(xì)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(dòng)。（2）毛細(xì)網(wǎng)狀水帶。位于毛細(xì)水帶的中部，可在表面張力和重力作用下移動(dòng)。（3）毛細(xì)懸掛水帶。位于毛細(xì)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(dòng)。第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六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(xì)管管壁的分子和水分子之間有引力作用，這個(gè)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(xì)水的上升是由于液體的“表面張力”和毛細(xì)管的“濕潤現(xiàn)象”產(chǎn)生的。第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六

2.2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(dòng)，這種現(xiàn)象稱為滲流或滲透。※下面討論四個(gè)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(dòng)水壓力及流砂現(xiàn)象。第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六滲透模型

(1)模型的流量等于真實(shí)的流量；

(2)模型的壓力等于真實(shí)的壓力

(3)模型所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力相等。

考慮到實(shí)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

對于滲透速度，用單位時(shí)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(shí)速度。第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六層流滲透定律裝置中①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②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③溢出，使筒內(nèi)的水位維持恒定。滲透過砂層的水從短水管④流入量杯⑤中，并以此來計(jì)算滲流量Q。

得出：流量Q與過水面積A和水頭（h1-h2）成正比與滲透路徑L成反比，即達(dá)西定律：

Q=KA(h1-h2)/L達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)裝置第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六達(dá)西定律的適用范圍

達(dá)西定律是由砂質(zhì)土體實(shí)驗(yàn)得到的，后來推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細(xì)裂隙的巖石等。

(a)細(xì)粒土的v-i關(guān)系(b)粗粒土的v-i關(guān)系

①砂土、一般粘土;②顆粒極細(xì)的粘土

第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六滲透系數(shù)的確定滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個(gè)指標(biāo)，其數(shù)值的正確確定對滲透計(jì)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(jì)算滲透系數(shù)k的精確理論公式比較困難，通常可通過試驗(yàn)方法(包括實(shí)驗(yàn)室測定法和現(xiàn)場測定法)或經(jīng)驗(yàn)估算法來確定k值。

第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)室測定法a常水頭試驗(yàn)裝置;b.變水頭試驗(yàn)裝置。

k>10-3

為細(xì)砂到中等卵石;透水性較小

(10-7<k<10-3)粘性土.第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六現(xiàn)場測定法有野外注水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)等，是在現(xiàn)場鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時(shí)，量測地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應(yīng)的理論公式求出滲透系數(shù)k值。(a)無壓完整井抽水試驗(yàn);(b)無壓非完整井抽水試驗(yàn)

第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六經(jīng)驗(yàn)估算法●1991年

哈森提出用有效粒徑d10計(jì)算較均勻砂土的公式:

●1955年，太沙基提出考慮土體孔隙比e的經(jīng)驗(yàn)公式:

表1土的滲透系數(shù)參考值

第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六

2.3動(dòng)水壓力及流砂現(xiàn)象1.動(dòng)水壓力(滲透力）定義：水在土中流動(dòng)的過程中將受到土阻力的作用，使水頭逐漸損失。同時(shí)，水的滲透將對土骨架產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致土體中的應(yīng)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(shí)際工程中，也有過不少發(fā)生滲透變形(流砂或管涌)的事例，嚴(yán)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(jìn)行工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)，對滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來的不良后果應(yīng)該具有足夠的重視。第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六動(dòng)水壓力及流砂現(xiàn)象2.動(dòng)水壓力(滲透力）計(jì)算

滲透力的大小與計(jì)算點(diǎn)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；γw—水的容重。

※當(dāng)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(dǎo)致局部土體發(fā)生位移，位移達(dá)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?！饕袃煞N形式，即流砂與管涌。滲流水流將整個(gè)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。第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六動(dòng)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(xì)砂及粉土等粘聚性差的細(xì)粒土中，水力梯度達(dá)到一定值后，滲流逸出處出現(xiàn)表面隆起變形的同時(shí)，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。

※管涌是在滲流過程中，土體中的化合物不斷溶解、細(xì)小顆粒在大顆粒間的孔隙中移動(dòng)，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(yīng)的水力梯度icr（臨界水力梯度）可用下式表示：

第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六2.4流網(wǎng)及其應(yīng)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(yīng)用。

第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六滲流問題的求解方法簡介※在實(shí)際工程中，經(jīng)常遇到邊界條件較為復(fù)雜的二維或三維問題，在這類滲流問題中，滲流場中各點(diǎn)的滲流速度v與水力梯度i等均是位置坐標(biāo)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?！趯?shí)際工程中，滲流問題的邊界條件往往比較復(fù)雜，其嚴(yán)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(yàn)法等，其中最常用的是圖解法即流網(wǎng)解法。第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六流網(wǎng)及其性質(zhì)

各向同性土的流網(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)

第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六流網(wǎng)的繪制

大致有三種：解析法、實(shí)驗(yàn)法（有水電比擬法）、近似作圖法（手描法）。其步驟大致為：先按流動(dòng)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(shí)，需反復(fù)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)。第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六流網(wǎng)的工程應(yīng)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(jì)算：

2）滲流速度計(jì)算：

3）滲流量計(jì)算：當(dāng)ai=bi第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六本章小結(jié)介紹了地基土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(dòng)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(biāo)是滲透系數(shù)，滲透系數(shù)值愈大，表示土的透水能力愈強(qiáng)。滲透系數(shù)通?？赏ㄟ^試驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)估算法來確定。研究滲流問題的基本定律是達(dá)西定律，求解平面穩(wěn)定滲流問題的常用方法是流網(wǎng)解法。滲流的作用將在地基土中產(chǎn)生滲透力，而滲透力的增大將可能導(dǎo)致土體發(fā)生流砂與管涌二種滲透變形。

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