土中水的运动规律课件.ppt
土中水的运动规律,第三章,第三章 土中水的运动规律,3.2 土的渗透性,3.3 流网及其应用,3.4 土的冻结机理,3.1 土的毛细性,表面张力,原来液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。我们知道，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。,3.1 土的毛细性,3 土中水的运动规律,土中毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细小孔隙向上及向其它方向移动的现象，这种细小孔隙中的水称为毛细水。,上升高度:,r2hcw=2rTcos,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,粘土粉土砂土砾石,分析对象:水柱,3 土中水的运动规律,3.1 土的毛细性,毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿；毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对土木工程及农业经济都有很大影响。,土的毛细现象对工程的影响,3 土中水的运动规律,3.1 土的毛细性,毛细水带,3 土中水的运动规律,毛细网状水带，它位于毛细水带的中部,正常毛细水带，又称毛细饱和带，它位于毛细水带的下部，与地下潜水连通。,毛细悬挂水带，又称上层毛细水带，它位于毛细水带的上部。,3.1 土的毛细性,毛细水上升高度、上升速度与土颗粒大小关系,毛细水在土中不是匀速上升的，而是随着高度的增加而减慢，直至接近最大高度时，渐趋近于零。从粒径而言，在较粗颗粒土中，毛细水上升开始进行得很快，以后逐渐缓慢，而且较粗颗粒的曲线为细颗粒的曲线所穿过，这说明细颗粒土毛细水上升高度较大，但上升速度较慢。,3.1 土的毛细性,3 土中水的运动规律,毛细压力,3 土中水的运动规律,图中两个土粒（假想是球体）的接触面间有一些毛细水，由于土粒表面的湿润作用，使毛细水形成弯液面。在水和空气的分界面上产生的表面张力T是沿着弯液面切线方向作用的，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，称为毛细压力pc。由毛细压力所产生的土粒间的粘结力称为假内聚力。当砂土完全干燥时，颗粒间没有孔隙水，当砂土完全浸没在水中，孔隙中完全充满水时，孔隙水不存在弯液面，这两种情况下毛细压力也就消失了。,假凝聚力,3.1 土的毛细性,3 土中水的运动规律,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等液体透过的性质,渗透特性强度特性变形特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,能量差,3 土中水的运动规律,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,3 土中水的运动规律,渗水压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,3 土中水的运动规律,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,3 土中水的运动规律,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,3 土中水的运动规律,渗流滑坡,渗流滑坡,3 土中水的运动规律,渗流量,渗透变形,渗水压力,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,土坡稳定分析,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工边坡渗流,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,一渗流中的水头与水力坡降,二渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,能量方程,渗流速度的规律,渗透特性,四层状地基的等效渗透系数,地基的渗透系数,3.2 土的渗透性,五动水力及渗透破坏,3 土中水的运动规律,一渗流中的水头与水力坡降,A,B,L,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,一渗流中的水头与水力坡降,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,3.2 土的渗透性,总水头单位质量水体所具有的能量,z：位置水头,u/w：压力水头,V2/(2g)：流速水头0,A点总水头：,B点总水头：,总水头：,水力坡降(水头梯度）：,3.2 土的渗透性,二.渗透试验与达西定律,试验前提：层流,h，q A，q L，q,断面平均流速,水力坡降,1.渗透试验,3 土中水的运动规律,试验结果,试验装置：如图,试验条件:h1，A，L=const,量测变量:h2，Q，T,h=h1-h2,q=Q/T,Q,2.达西定律,渗透定律,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,二.渗透试验与达西定律,注意：,A,Av,V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A Av,QVA VsAv,k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day,2.达西定律,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,二.渗透试验与达西定律,粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,适用条件,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土,两种特例,粘性土：致密的粘土 ii0,v=k(i-i0),三.渗透系数的测定及影响因素,室内试验测定方法野外试验测定方法,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,1.测定方法,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,室内试验方法1常水头试验法,三.渗透系数的测定及影响因素,1.测定方法,结果整理,试验装置：如图,试验条件:h，A，L=const,量测变量:Q，t,i=h/L,Q=qt=vAt,v=ki,适用土类：透水性较大的砂性土,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,三.渗透系数的测定及影响因素,1.测定方法,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,试验条件:h变化，A，L=const,量测变量:h，t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,三.渗透系数的测定及影响因素,1.测定方法,室内试验方法2变水头试验法,结果整理:,理论依据:,t时刻：h,t,dh,dVe=-adh,dVo=kiAdt=k(h/L)Adt,dVe=dVo,流入量：,流出量：,连续性条件：,-adh=k(h/L)Adt,选择几组h1,h2,t，计算相应的k，取平均值,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算定,取值,h=const,h变化,h，A，L,Q，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,室内试验方法,1.测定方法,三.渗透系数的测定及影响因素,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,野外测定方法抽水试验和注水试验法,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,1.测定方法,三.渗透系数的测定及影响因素,地下水位测压管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水层,观察井,A=2rh,i=dh/dr,缺点：费用较高，耗时较长,实验方法：,理论依据：,2.影响因素,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,三.渗透系数的测定及影响因素,水的动力粘滞系数饱和度（含气量）对k影响很大，封闭气泡,四.层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数(平均渗透系数）,确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,天然土层多呈层状,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,四.层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,1,1,2,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qix=kiiiHi,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,四.层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,vi=ki(hi/Hi),水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,四.层状地基的等效渗透系数,算例说明,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,按层厚加权平均，由较大值控制,倒数层厚加权平均，由较小值控制,四.层状地基的等效渗透系数,一.渗透力,试验观察,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳(ye)力。渗透力 j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。,3 土中水的运动规律,渗透变形,渗透力,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,3.2 土的渗透性,五.动水力（渗透力）及渗透破坏（渗透变形）,（一）渗透力,3 土中水的运动规律,土粒,渗 流,j,3.2 土的渗透性,3 土中水的运动规律,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W=LsatL(+w),P1=whw,P2=wh2,R=?,R+P2=W+P1,R+wh2=L(+w)+whw,R=L,土水整体分析,3.2 土的渗透性,（一）渗透力,2 土中水的运动规律,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W=LsatL(+w),P1=whw,P2=wh1,R=?,R+P2=W+P1,R+wh1=L(+w)+whw,R=L wh,R=L,渗流中的土体,3.2 土的渗透性,（一）渗透力,3 土中水的运动规律,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,R=L wh,R=L,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,减少的部分由谁承担？,水与土之间的作用力渗流的拖曳力,总渗透力,J=wh,渗透力,j=J/V=wh/L=wi,j=wi,3.2 土的渗透性,（一）渗透力,3 土中水的运动规律,P2,W,P1,R,A=1,R=L wh,渗流中的土体所受滤网支持力,向上渗流存在时，滤网支持力减少,临界水力坡降,i=h/L=/w,icr=/w,L wh=0,3.2 土的渗透性,（一）渗透力,3 土中水的运动规律,P1+Ww+J=P2,水体的平衡条件,j=wi,whw+wL+jL=wh1,W,J,Ww,J,=,R,+,P2,P1,P1=whw,P2=wh1,Ww=Lw,土水隔离分析,3.2 土的渗透性,（一）渗透力,2 土中水的运动规律,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j=wi,大小：,方向：与渗流方向一致,作用对象：土骨架,3.2 土的渗透性,（一）渗透力,基本类型,流土,管涌,3 土中水的运动规律,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏,形成条件,防治措施,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形（渗透破坏）,1.基本类型,流土,在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象,3 土中水的运动规律,渗流,原因：,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,1.基本类型,管涌,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,3 土中水的运动规律,管涌,管涌破坏,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,1.基本类型,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,土中水的运动规律,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,Fs:安全系数2.02.5,3 土中水的运动规律,i:允许坡降,i icr:,i=icr:,i icr:,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,流土,经验判断：,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,2.形成条件,较均匀土（Cu10）,3 土中水的运动规律,2.形成条件,管涌,几何条件,水力条件,一般发生在无粘性土中,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒,不均匀土（Cu10）,不连续,连续,d0=0.25d20,细粒含量35%,细粒含量25%,细粒含量=25-35%,d0 d3,d0 d5,d0=d3-d5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,几何条件,骨架,充填料,P,5,3,d5,d3,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,水力条件：i icr,5 10 15 20 25 30 35 40,2.01.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,3 土中水的运动规律,2.形成条件,Cu 20时,icr=0.25-0.30 i=0.10-0.15,苏联：,中国：,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,增大i：下游增加透水盖重,3 土中水的运动规律,防治流土,减小i：上游延长渗径；下游减小水压,防治管涌,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,3.2 土的渗透性,（二）渗透变形,3.防治措施,3.2 平面渗流与流网,Laplace方程,一.平面渗流的基本方程及求解,连续性条件,假定：,3 土中水的运动规律,h恒定,稳定渗流,h=h(x,z),v=v(x,z),取单宽：dy=1,与时间无关,达西定律,平面渗流的基本方程,1.基本方程,3.3 流网及其应用,一.平面渗流的基本方程及求解,3 土中水的运动规律,连续性条件,达西定律,假定,Laplace方程,1.基本方程,3.3 流网及其应用,一.平面渗流的基本方程及求解,2.求解方法,解析方法,3 土中水的运动规律,试验比拟方法（电比拟方法）,数值方法,图解法 流网近似求解方法,适用于边界条件简单的情况,通解：两个共轭调和函数,势函数(x,z),流函数(x,z),等势线,流线,相互正交,边界条件,特定解,差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛,利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。,理论基础：,解析法的结果,3.3 流网及其应用,二.流网的绘制及应用,流 网渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流 线水质点运动的轨迹线。等势线测管水头相同的点之连线。流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,3 土中水的运动规律,3.3 流网及其应用,基本要求,1.正交性：流线与等势线必须正交,二.流网的绘制及应用,3 土中水的运动规律,2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形,3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。,3.3 流网及其应用,A,B,C,D,l,s,H,h,0,0,l,s,二.流网的绘制及应用,3 土中水的运动规律,绘制方法,一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。,根据渗流场的边界条件,确定边界流线和首尾等势线,正交性,曲边正方形,初步绘制流网,流线等势线反复修改，调整,精度较高的流网图,3.3 流网及其应用,流网特点,与上下游水位变化无关 h=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等。,二.流网的绘制及应用,3 土中水的运动规律,3.3 流网及其应用,3 土中水的运动规律,一.渗透力,利用流网求渗透力,复杂条件,总渗透力大 小：jx网格面积 方 向：与流线一致作用点：形心,流网较密处i较大，该处渗透力也大,不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同,3.3 流网及其应用,测管水头 h,实际应用,确定孔压,确定流速,确定流量,二.流网的绘制及应用,3 土中水的运动规律,水力坡降,3.3 流网及其应用,3.4 土的冻结机理,3 土中水的运动规律,一.冻土现象及其对工程的危害,在冰冻季节因大气负温影响，使土中水分冻结成为冻土。冻土根据其冻融情况分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。季节性冻土是指冬季冻结夏季全部融化的冻土；若冬季冻结，一两年不融化的土层称为隔年冻土；凡冻结状态持续三年或三年以上的土层称为多年冻土。多年冻土地区的表土层，有时夏季融化，冬季冻结，所以也是属于季节性冻土。,3.4 土的冻结机理,3 土中水的运动规律,一.冻土现象及其对工程的危害,随着土中水的冻结和融化，会发生冻土现象。某些细粒土层在冻结时，往往会发生土层体积膨胀，使地面隆起成丘，即所谓冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时体积要增大9%的缘故，还主要是由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区集聚，使冻结区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大，土体积也随之发生膨胀隆起。冻土的冻胀会使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂，使刚性路面错缝或折断；冻胀还使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。,3.4 土的冻结机理,3 土中水的运动规律,一.冻土现象及其对工程的危害,对工程危害更大的是在季节性冻土地区，一到春暖土层解冻融化后，由于土层上部积累的冰晶融化，使土中含水率大大增加，加之细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，土层软化，强度大大降低。路基土冻融后，在车辆反复碾压下，轻者路面会变得松软，限制行车速度，重者路面开裂、冒泥，即出现翻浆现象，使路面完全破坏。冻融也会使房屋、桥梁、涵管发生大量下沉或不均匀下沉，引起建筑物开裂破坏。因此，冻土的冻胀及冻融都会对工程带来危害，必须引起注意，采取必要的防治措施。,3.4 土的冻结机理,3 土中水的运动规律,二.冻土的机理与影响因素,1.冻胀的原因 大气温度降至负温时，土体孔隙中的自由水首先在0C时冻结成冰晶体。随着气温的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这样使冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒就产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加（因为结合水中的水分子结成冰晶体，使离子浓度相应增加），这样，就产生渗附压力（即当两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中的水向浓度较大的溶液渗流）。在这两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水，被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即冻结，使冰晶体增大，而不平衡引力继续存在。若未冻结区存在着水源（如地下水距冻结区很近）及适当的水源补给通道（即毛细通道），就能够源源不断地补充被吸收的结合水，则未冻结的水分就会不断地向冻结区迁移积聚，使冰晶体扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生隆胀，即冻胀现象。这种冰晶体的不断增大，一直要到水源的补给断绝后才停止。,3.4 土的冻结机理,3 土中水的运动规律,二.冻土的机理与影响因素,2.影响冻胀的因素（1）土的因素。冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是在粉土、粉质黏土中，冻结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道，同时，这类土的颗粒较细，表面能大，土粒矿物成分亲水性强，能持有较多的结合水，从而能使大量结合水迁移和积聚。砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，孔隙中自由水冻结后，不会发生水分的迁移积聚，同时由于砂砾的毛细现象不显著，因而不会发生冻胀。（2）水的因素。前面已经指出，土层发生冻胀的原因是水分的迁移和积聚。因此，当冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到或接近冻结线，使冻结区能得到水源的补给时，将发生比较强烈的冻胀现象。这样，可以区分两种类型的冻胀：一种是冻结过程中有外来水源补给的，叫开敞型冻胀；另一种是冻胀冻结过程中没有外来水分补给的，叫做封闭型冻胀。开敞型冻胀往往在土层中形成很厚的冰夹层，产生强烈冻胀，而封闭性冻胀，土中冰夹层薄，冻胀量也小。（3）温度的因素。如气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结迅速向下推移，即冻结速度很快。土中弱结合水及毛细水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所堵塞。这样，水分的迁移和积聚不会发生，冻土一般无明显的冻胀。如气温缓慢下降，冷却强度小，但负温持续的时间较长，则就能促使未冻结区水分不断地向冻结区迁移积聚，在土中形成冰夹层，出现明显的冻胀现象。,3.4 土的冻结机理,3 土中水的运动规律,三.冻结深度,土的冻胀和冻融将危害建筑物的正常和安全使用，因此一般设计中，均要求将基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。土的冻结深度不仅和当地气候有关，而且也和土的类别、温度以及地面覆盖情况（如植被、积雪、覆盖土层等）有关，在工程实践中，把在地表平坦、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称为标准冻结深度z0。我国建筑地基基础设计规范（GB500072002）等规范根据实测资料编绘了中国季节性冻土标准冻深线图，当无实测资料时，可参照标准冻深线图，并结合实地调查确定。,小结,3 土中水的运动规律,工程实例,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,渗流中的水头与水力坡降,渗透试验与达西定律,渗透系数的测定及影响因素,层状地基的等效渗透系数,平面渗流的基本方程及求解,流网的绘制及应用,渗透力：概念与计算,渗透变形：类型，条件，防治,冻胀机理冻土危害,冻土现象,冻土危害,
