土中水的运动规律.ppt

土力学与地基基础土中水的运动规律第第二二章章土中水的运动规律土力学与地基基础土中水的运动规律§§2 2.1 .1 土的土的毛细性毛细性毛细水毛细水: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．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．毛细现象：途中具有毛细水的现象称为土的毛细现象．土力学与地基基础土中水的运动规律一、一、土层中的毛细水带土层中的毛细水带　　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 土力学与地基基础土中水的运动规律二二、、毛细水压力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σ，若S与管壁间的夹角为θ，则作用在毛细水柱上的上举力P为P=S•2πrcosθ=2πrσcosθ 毛细管内上升水柱的重力毛细管内上升水柱的重力G为：为：G=γwπr2hmax 1、、毛细水上升高度毛细水上升高度土力学与地基基础土中水的运动规律碎石类土，无毛细作用；砂性土，hmax；粉性土，hmax；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 土力学与地基基础土中水的运动规律2、、毛细压力毛细压力 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土力学与地基基础土中水的运动规律§§2 2. .2 2 达西定律达西定律一一、、达西定律的表达式与适用条件达西定律的表达式与适用条件水透过土孔隙流动的水透过土孔隙流动的现象现象,称为称为渗透渗透或或渗流渗流土可以被水透过的性土可以被水透过的性质质,称为土的称为土的渗透性渗透性或或透水性透水性层流层流:地下水在岩土的孔地下水在岩土的孔隙或微裂隙中渗流隙或微裂隙中渗流,流线流线互不相交互不相交.湍流湍流:地下水在岩土的裂隙或洞穴中流动地下水在岩土的裂隙或洞穴中流动,流线有相流线有相互交错的现象互交错的现象.ABLH1H2zAzBΔΔh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线土力学与地基基础土中水的运动规律ABLH1H2zAzBΔΔH H00基准面基准面水力坡降线水力坡降线 土中土中A A、、B B两点两点, ,测测得得A A点的水头为点的水头为H H1 1,B,B点点的水头为的水头为H H2 2, ,水自高水水自高水头的头的A A点流向低水头的点流向低水头的B B点点, ,水流流经长度为水流流经长度为L,L,可得水流的渗透速可得水流的渗透速度为度为水力坡降：水力坡降：土力学与地基基础土中水的运动规律•砂土砂土V-IV-I成线性关系，符合达西定律成线性关系，符合达西定律•粘性土粘性土•砾类土砾类土vI I0—起始水头梯度I0砂土粘性土V-IV-I成非线性关系，土中水的流动状态为紊流，成非线性关系，土中水的流动状态为紊流，不适用达西定律不适用达西定律适用范围适用范围土力学与地基基础土中水的运动规律二二、、渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验土力学与地基基础土中水的运动规律1.1.室内试验测定室内试验测定•常水头试验常水头试验测得：测得：v适用于透水性较大的土适用于透水性较大的土时间时间t t内的流量内的流量Q Qa a、、b b两点水头差两点水头差土样的横截面积土样的横截面积A A则：则：试验过程中水头保持常数试验过程中水头保持常数（一）测定（一）测定土力学与地基基础土中水的运动规律•变水头试验变水头试验v适用于渗透性小的粉土与粘土适用于渗透性小的粉土与粘土优点：设备简单，费用较省优点：设备简单，费用较省缺点：不能反映现场土的实际渗透性缺点：不能反映现场土的实际渗透性v 渗透性与土的结构有关，水平方向性的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渗透性与竖直方向的渗透性不同v 取土过程中易造成扰动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试验过程中渗透水头差随时间而变化土力学与地基基础土中水的运动规律2.2.现场抽水试验现场抽水试验土力学与地基基础土中水的运动规律三、层状地基的等效渗透系数三、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数ü确立各层的确立各层的kiü根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状土力学与地基基础土中水的运动规律h1h2A1A2k1q1k2q2q水平渗流水平渗流土力学与地基基础土中水的运动规律垂直渗流垂直渗流h1h2k1k2qF土力学与地基基础土中水的运动规律 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影响土性质的主要因素的主要因素土力学与地基基础土中水的运动规律粒度成分：颗粒越粗、越浑圆、越均匀，则粒度成分：颗粒越粗、越浑圆、越均匀，则k k四、影响土的渗透性的因素四、影响土的渗透性的因素1.1.土的粒度成分及矿物成分土的粒度成分及矿物成分矿物成分：对粘土影响大。

矿物成分：对粘土影响大 亲水矿物、有机质含量多，则亲水矿物、有机质含量多，则k k砂土中粘粒和粉粒含量多，则砂土中粘粒和粉粒含量多，则k k2.2.结合水膜厚度结合水膜厚度结合水膜越厚，则结合水膜越厚，则k k3.3.土的结构土的结构 黄土：竖向有大孔隙，黄土：竖向有大孔隙， k kz z> k> kX X层状粘土中夹有粉砂层，层状粘土中夹有粉砂层， k kx x> k> kz z土力学与地基基础土中水的运动规律4.4.水的粘滞度水的粘滞度 温度高，水的粘滞度降低，温度高，水的粘滞度降低，k k非非标准温度标准温度测得的渗透系数测得的渗透系数k kt t须经过温度修正须经过温度修正时动力时动力粘滞系数粘滞系数时动力时动力粘滞系数粘滞系数5.5.土中气体土中气体 土中封闭气体多，渗透性低，土中封闭气体多，渗透性低，k k土力学与地基基础土中水的运动规律§§2 2. .3 3 渗透力与渗透变形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水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力渗透力渗透力G GD D：：其反力为土颗粒对水流阻力其反力为土颗粒对水流阻力T T。

一、渗透力一、渗透力取土柱体取土柱体abab，以土柱体内的水作为隔离体，分析受力，以土柱体内的水作为隔离体，分析受力•重力：重力：•a a点水压力点水压力•b b点水压力点水压力•土粒土粒对流水的阻力，方向与水对流水的阻力，方向与水流方向相反流方向相反•土体土体上下两面与流动方向垂直上下两面与流动方向垂直的水压力的水压力H H1 1h h1 1z z1 1h h2 2z z2 2H H2 2基准面基准面a ab bl lW=WW=W1 1+ W+ W2 2T TP P1 1P P2 2水流方向水流方向1、渗透力计算、渗透力计算应用于深基坑支护结构设计、防洪堤坝的抢险等应用于深基坑支护结构设计、防洪堤坝的抢险等土力学与地基基础土中水的运动规律沿水流方向建立平衡方程（以水流方向为正）沿水流方向建立平衡方程（以水流方向为正）力力T的反力即为所求的动水力的反力即为所求的动水力 方向：与渗流方向一致方向：与渗流方向一致 H H1 1h h1 1z z1 1h h2 2z z2 2H H2 2基准面基准面a ab bl lW=WW=W1 1+ W+ W2 2T TP P1 1P P2 2水流方向水流方向单位体积单位体积的动水力为的动水力为 土力学与地基基础土中水的运动规律（（1）流砂）流砂 在上图在上图3点处取点处取单位体积单位体积土体为对象分析受力：土体为对象分析受力：土体所受有效重力：土体所受有效重力：土体所受渗透力：土体所受渗透力：（方向向下）（方向向下）（方向向上）（方向向上）当当此时此时流砂：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。

流动的现象土粒的有效粒间压力为零，土粒的有效粒间压力为零，土粒处于悬浮状态而失稳土粒处于悬浮状态而失稳发生部位：渗流逸出处发生部位：渗流逸出处发生土层：细砂、粉砂、粉土及饱和低塑性粘土发生土层：细砂、粉砂、粉土及饱和低塑性粘土上游下游123WGDWWGDGD上游下游123WGDWWGDGD2、渗透变形形式及临界水力梯度、渗透变形形式及临界水力梯度土力学与地基基础土中水的运动规律•流砂时的临界水头梯度流砂时的临界水头梯度即：即：流砂时流砂时临界水头梯度临界水头梯度I Icrcr：： 土体开始发生渗流破坏时的水头梯度土体开始发生渗流破坏时的水头梯度土力学与地基基础土中水的运动规律（（2）管涌）管涌 发生土层发生土层：：砂砾石砂砾石（（颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒 径孔隙直径大且相互连通孔隙直径大且相互连通发生部位发生部位：：土体内部或渗流逸出处土体内部或渗流逸出处 在渗透水流作用下，土中的颗粒在粗颗粒形成的孔隙中在渗透水流作用下，土中的颗粒在粗颗粒形成的孔隙中 移动移动,最终在土体内形成贯通的渗流管道。

最终在土体内形成贯通的渗流管道管涌：管涌： 上游上游下游下游12土力学与地基基础土中水的运动规律二、渗透变形的判别方法及防治措施二、渗透变形的判别方法及防治措施•流砂可能性判定流砂可能性判定渗流逸出处水力梯度渗流逸出处水力梯度安全系数安全系数可取可取土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体处于临界状态土体处于临界状态土体发生流砂破坏土体发生流砂破坏容许水力梯度容许水力梯度要求：渗流逸出处要求：渗流逸出处（（1）流砂）流砂 土力学与地基基础土中水的运动规律•1.1.减小或消除水头差减小或消除水头差 如采取基坑外的井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；点降水法降低地下水位，或采取水下挖掘；•2.2.增长渗流路径增长渗流路径 如打板桩；如打板桩；•3.3.在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖 压重以平衡渗流力压重以平衡渗流力；；•4.4.土层加固处理土层加固处理 如冻结法、注浆法等如冻结法、注浆法等 •流砂防治原则流砂防治原则土力学与地基基础土中水的运动规律 发生条件发生条件：： （（1 1）） 几何条件：几何条件：土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径颗粒的直径 （（2 2）水力条件：）水力条件：渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力梯度来表示动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力梯度来表示 防治措施防治措施：： （（1 1）） 改变几何条件：改变几何条件：在渗流逸出部位铺设反滤层在渗流逸出部位铺设反滤层 （（2 2）） 改变水力条件，降低水力梯度：改变水力条件，降低水力梯度：如打板桩如打板桩反滤围井反滤围井（（2）管涌）管涌。