土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

土力學(xué)與土質(zhì)學(xué)

(第2章）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(wèn)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(duì)許多工程實(shí)踐問(wèn)題，如流砂、凍脹、滲透固結(jié)、滲透時(shí)邊坡穩(wěn)定等。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(duì)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

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(duì)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(duì)建筑毛細(xì)水上升引起地下室過(guò)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(duì)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(xì)水分布土層中由于毛細(xì)現(xiàn)象所潤(rùn)濕的范圍稱(chēng)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)。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(xiàn)，線(xiàn)兩側(cè)的液體都會(huì)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(chēng)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(rùn)現(xiàn)象”產(chǎn)生的。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(guò)土中孔隙發(fā)生流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲流或滲透?！旅嬗懻撍膫€(gè)問(wèn)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。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(duì)滲流作如下簡(jiǎn)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(duì)于滲透速度，用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)土體單位面積的水量這種平均滲透速度來(lái)代替真實(shí)速度。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(zhǎng)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(guò)砂層的水從短水管④流入量杯⑤中，并以此來(lái)計(jì)算滲流量Q。

得出：流量Q與過(guò)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(lái)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

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(duì)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?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)方法(包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法)或經(jīng)驗(yàn)估算法來(lái)確定k值。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)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.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法有野外注水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)等，是在現(xiàn)場(chǎng)鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時(shí)，量測(cè)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(wú)壓完整井抽水試驗(yàn);(b)無(wú)壓非完整井抽水試驗(yàn)

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

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(guò)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(duì)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(duì)土骨架產(chǎn)生的拖曳力稱(chēng)為~。用GD表示(kN/m3)?！谠S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(guò)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(duì)滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來(lái)的不良后果應(yīng)該具有足夠的重視。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(duì)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(guò)一定界限值后，土中的滲流水流會(huì)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為管涌。動(dòng)水溪壓力起及流葵砂現(xiàn)過(guò)象3.嘴流砂驚現(xiàn)象淘、管破涌和災(zāi)臨界牽水力菌梯度※在夠粘性通土中梢，滲矩透力詞的作堂用往蝦往使蠶滲流盛逸出艇處某且一范禍圍內(nèi)笛的土蠶體出尸現(xiàn)表缺面隆它起變儀形；輔而在溝粉砂塊、細(xì)炕砂及垮粉土盞等粘秧聚性私差的析細(xì)粒副土中風(fēng)，水圍力梯這度達(dá)菊到一講定值樓后，女滲流慕逸出慮處出贈(zèng)現(xiàn)表店面隆斜起變輸形的宇同時(shí)波，還砌可能肆出現(xiàn)招滲流帝水流啦夾帶請(qǐng)泥土弄向外眨涌出濃的砂酬沸現(xiàn)修象，請(qǐng)致使招地基辰破壞機(jī)，工跨程上化將這物種流敬土現(xiàn)亭象稱(chēng)柄為流砂?！苡渴窃谶t滲流團(tuán)過(guò)程浙中，紙土體侮中的妥化合謎物不返斷溶詞解、馳細(xì)小行顆粒示在大呈顆粒妥間的狀孔隙云中移帳動(dòng)，煎形成倘一條你管狀目通道俘，最虧后土鋼粒在聞滲流初逸出才處沖辨出的圖一種琴現(xiàn)象腐。※流砂挎的臨逼界狀柴態(tài)對(duì)北應(yīng)的卸水力涉梯度icr（臨界墳水力會(huì)梯度）可用代下式彩表示擱：2.舒4坐流倘網(wǎng)及峽其應(yīng)賞用1.滲流憤問(wèn)題抄的求術(shù)解方厲法簡(jiǎn)膀介；2.流網(wǎng)舒及其短性質(zhì)；3.流網(wǎng)優(yōu)的繪離制；4.流網(wǎng)前的工組程應(yīng)兼用。滲流司問(wèn)題垃的求逗解方迅法簡(jiǎn)嗓介※在實(shí)尖際工固程中齡，經(jīng)野常遇膛到邊案界條醉件較醒為復(fù)罪雜的軟二維宰或三銀維問(wèn)營(yíng)題，企在這煮類(lèi)滲侄流問(wèn)塞題中觀，滲欄流場(chǎng)踏中各鳴點(diǎn)的榮滲流戒速度v與水則力梯牧度i等均礙是位委置坐掏標(biāo)的考二維糖或三鼠維函加數(shù)。遍對(duì)此忘必須甚首先嚇建立陜它們旱的滲張流微書(shū)分方當(dāng)程，瓶然后岸結(jié)合努滲流嶺邊界侍條件邁與初匪始條仿件求院解。※在實(shí)胞際工匯程中仗，滲攜流問(wèn)勞題的唐邊界騙條件綿往往畫(huà)比較極復(fù)雜棕，其示嚴(yán)密為的解氏析解飄一般訪(fǎng)都很允難求納得。斬因此勾對(duì)滲慌流問(wèn)槽題的酸求解檔除采律用解析盈解法外，薦還有數(shù)值屢解法、圖解榆法和模型擔(dān)試驗(yàn)際法等，符其中斜最常胡用的凳是圖解優(yōu)法即流網(wǎng)確解法。流網(wǎng)擱及其好性質(zhì)各向保同性翠土的累流網(wǎng)肌具有穩(wěn)如下紅性質(zhì)襲：1、流網(wǎng)歉是相粥互正耀交的石網(wǎng)格粉；2、流網(wǎng)賊為曲是邊正羞方形脹；3、任意惠兩相抖鄰等友勢(shì)線(xiàn)暖間的墨水頭勞損失圖相等損；4、任意鹽兩相意鄰流揮線(xiàn)間椅的單層位滲兼流量岸相等撒。閘基乎的滲各流流受網(wǎng)流網(wǎng)舌的繪稻制大致膨有三偉種：解析樸法、實(shí)驗(yàn)哄法（有竿水電才比擬椅法）浴、近似輝作圖遺法（手群描法逃）。盲其步驟檔大致靈為：先按皮流動(dòng)機(jī)趨勢(shì)斯畫(huà)出恩流線(xiàn)仗，然年后根立據(jù)流穴網(wǎng)正元交性腹畫(huà)出等巨勢(shì)線(xiàn)腰，形虜成流網(wǎng)。如買(mǎi)發(fā)現(xiàn)診所畫(huà)階的流仗網(wǎng)不小成曲脹邊正方形拆時(shí)，每需反轉(zhuǎn)復(fù)修惹改等蠢勢(shì)線(xiàn)化和流遞線(xiàn)直顛至滿(mǎn)斬足要垃求。1）首錯(cuò)先將什建筑緩物及紙土層山剖面歐按一鞠定的扇比例劈燕繪出艘，并度根據(jù)客滲流復(fù)區(qū)的柏邊界良，確趣定邊蘇界線(xiàn)皮及邊到界等混勢(shì)線(xiàn)抓；2）根晝據(jù)流良網(wǎng)特湯性，瞞初步攪?yán)L出匪流網(wǎng)墓形態(tài)蛙；3）逐梁步修邀改流蒸網(wǎng)。流網(wǎng)龜?shù)墓べF程應(yīng)柜用正確摔地繪紀(jì)制出云流網(wǎng)戴后，際可以促用它努來(lái)求個(gè)解滲宇流量斑、滲欄流速沉度。1）弓水力合梯度勿計(jì)算艱：2）攔滲流卵速度顫計(jì)算結(jié)：3）節(jié)滲流散量計(jì)脂算：當(dāng)ai=bi本章熱小結(jié)介紹肢了地堆基土滲透押理論的建朋立與慰平面具穩(wěn)定粥滲流叮問(wèn)題薄的流席網(wǎng)解宏法、輪滲透意系數(shù)汗的確農(nóng)定方法以及滲透怕力與滲透華變形等內(nèi)復(fù)容。涉存在濾于地虧基中競(jìng)的重績(jī)力水邊將在豆水力司梯度房誠(chéng)的作薦用下臺(tái)發(fā)生寶流動(dòng)題而形丈成滲流。不騙同的引土具微有不脖同的坑透水唉能力鳥(niǎo)，主晴要由伍土的姿顆粒辨組成催和孔稀隙比掌等決焦定。塵土的稈透水促性定嘆量指勝標(biāo)是蜘滲透種系數(shù)素，滲豈透系姨數(shù)值街愈大止，表擺示土滔的透功水能員力愈匆強(qiáng)。膚滲透演系數(shù)密通常耗可通砌過(guò)試賀驗(yàn)方闖法或紙經(jīng)驗(yàn)午估算幣法來(lái)砍確定帆。研辨究滲嘴流問(wèn)筋題的懷基本粗定律摧是達(dá)西謎定律，求趕解平烈面穩(wěn)夜定滲裝流問(wèn)過(guò)題的慎常用逐方法氣是流網(wǎng)平解法。滲染流的橫作用志將在第地基去土中籍