土中水的运动规律ppt课件.ppt

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1、第三章土中水的运动规律,土木工程本科生专业课程,土质学与土力学,粘土颗粒带电特性粘性土的胶体化学性质,土粒间的相互作用力和粘土矿物的物化性质,土粒原子分子间的健力,矿物的结晶结构,土体的强度主要取决于粒间的联结,复 习,粘性土工程性质的利用和改良,基础与主线,先导,具体应用,第一章土的物理性质和工程分类第二章粘性土的物理化学性质,第三章土中水的运动规律,第四章土中应力计算,第五章土的压缩性和地基沉降计算,第六章土的抗剪强度,第七章土压力计算第八章土坡稳定分析第九章地基承载力第十章土的动力性质和压实性第十一章土工试验与原位测试结果的分析与利用,渗透特性变形特性强度特性,绪论,土力学包括哪些内容？

2、,第三章 土中水的运动规律,土中水运动的原因和形式是多方面的： 地下水的流动 -（重力作用自由水的运动 土的渗透性问题）表面现象产生的水分移动 -（毛细现象 毛细水）孔隙水的挤出（土中附加应力作用土的固结问题） 土冻结时土中水分的移动 (分子引力作用下结合水的移动）渗附现象（孔隙水溶液中离子浓度差别）,第一节 土的毛细性,土的毛细性及其工程影响 土层中的毛细水带毛细水上升高度及上升速度毛细水压力,一、土的毛细性及其工程影响,1. 土的毛细性,表面张力：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

3、。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。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。,土的毛细现象：是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。,指土能够产生毛细现象的性质。,2.毛细水 细微孔隙中的水被称为毛细水。3.土的毛细现象对工程的影响：? （1）毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一； ? （2）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿； （3）毛细水

4、的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化。,二、土层中的毛细水带,根据毛细水带的形成条件和分布，分为三种:,土层中的毛细水带,指土层中由于毛细现象所湿润的范围。,正常毛细水带,毛细网状水带,毛细悬挂水带,又称毛细饱和带，直接由地下潜水上升而形成,来源于地下潜水上升，当地下水位急剧下降时而形成,由地表水渗入而形成。不与中部或下部毛细水相连。,注：三者不一定同时存在，主要取决于当地的水文和地质条件。,S,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rScos,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,毛细水上升高度与孔径成反比,粘土粉土砂土砾石,分析对象: 水柱,三

5、、毛细水上升高度和上升速度,毛细水上升高度经验估算 Hazen 经验公式： 上升最大高度：,C,e, d10：分别为与土粒形状及表面洁净度有关的系数（ C=110-5510-5 ）、土的孔隙比、土的有效粒径（m)。,不同粒径土中毛细水上升情况比较,在不同粒径的土中毛细水上升速度与上升高度关系曲线,结论：一般来讲，细颗粒土中毛细水上升高度较大，但上升速度较慢。粘土颗粒由于结合水膜的存在，上升速度减缓，上升高度也受到影响。,在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于土粒表面的湿润作用，会形成如图所示的弯液面，水和空气的分界面上产生的表面张力使颗粒受正压力（毛细

6、压力PK）这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因,四、毛细压力,由毛细压力所产生的土粒间的粘结力,湿沙的土粒间有一些粘结力？,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水等液体透过的性质,渗透特性强度特性变形特性,非饱和土的渗透性复杂，实用性小，不研究,本章主要研究饱和土的渗透性,概述,能量差,3.2 土 的 渗 透 性,重力作用,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,防渗体,坝体,渗流问题：1. 渗流量？2. 渗透破坏？3. 渗透力？,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,渗流问题：1. 渗流量？2. 渗透破坏？3. 渗水压力？,透水层,不透水层,基

7、坑,板桩墙,工程实例,渗流问题： 渗流量Q？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,工程实例,渗流问题：1. 渗流量？2. 水位,渠道、河流渗流,原地下水位,渗流时地下水位,工程实例,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题：1. 渗透力？2. 入渗过程？,事故实例,渗流量,渗透破坏,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,实例总结,一、土的渗流模型,简化： （1）不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析其主要流向； （2）不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所

8、充满。,水在土孔隙中的运动轨迹,理想化的渗流模型,要求： （1）同一过水断面，流量相等； （2）任一界面，压力相等； （3）相同体积内，阻力相等；,渗流模型与真实渗流的流速关系,分质点流速、断面平均流速、时间平均流速,时间流速：指流体在单位时间内流过的距离。 以m/s计。,质点流速：指流体质点在单位时间内流过的距离。 以m/s计。,断面平均流速：指流体在单位时间内流过单位土截面 的水量。以m/s计。,流速的概念：,注意：,v：假想渗流速度，土体试样全断面A的平均渗流速度,vs：实际平均渗流速度，孔隙断面AV的平均渗流速度,A Av,qvA vsAv,渗流模型与真实渗流的流速关系,模型平均渗流速

9、度真实渗流速度,水头与水力坡降土的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,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,二、土的层流渗透定律,位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等,位置、压力和测管水头,压力势能：,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,单位重量水流的能量：,水流动的驱动力 - 水头,A,B,L,

10、渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程,渗流中的水头与水力坡降,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流V很小，忽略，V0）,渗流的总水头：,也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处,渗流问题的水头,A点总水头：,水力坡降,B点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流由于水与土颗粒间的粘滞阻力造成的能量损失。,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,达西渗透试验,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问

11、题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,试验前提：层流 相邻水分子的流线互相平行而不混掺的流动,达西定律,达西定律：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。渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度， 单位： cm/s, m/s, m/day,土的层流渗透定律,达西定律的适用范围,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：,Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为

12、过渡区,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,达西定律两种特例,I0粘土的起始水头梯度（克服结合水粘滞阻力所需 要的水头梯度）。,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,对致密的粘性土,ii0时,v=k(i - i0 ),总结,工程实例,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,土的层流渗透定律,达西定律,渗流中的水头与水力坡降,土的渗透性,土的毛细性,土的毛细性及其工程影响 土层中的毛细水带毛细水上升高度及上升速度毛细水压力,土的渗流模型,第一节 土的毛细性第二节 土的渗透性第三节流网及其应用第四节 土在冻结过程中水分的迁移和积聚,ZH3土中水的运动规律,三.

13、土的渗透系数,室内试验测定方法野外试验测定方法,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,(1)室内试验测定方法： 方法1常水头试验法,试验装置：如图,量测变量: t，Q,用于透水性较大的砂性土,i=H/L,Q=qt=vFt,v=ki,重复试验后，取平均值,试验条件: H，F，L=常数,结果整理:,方法2变水头试验法,试验装置：如图,量测变量: t, h1, h2,结果整理:,选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值,用于透水性较小的粘性土,令：在dt时间内水头降低dh，则通过土样的流量dQ为：,试验条件: h变化，F，a，L=常数,常水头试验,变水头试

14、验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，F，L,Q，t,重复试验后，取均值,a，F，L,h1， h2， t,室内试验方法比较,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,(2)野外测定方法抽水试验,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,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：,积分,量测变量: t, Q,r1,r2,h1, h2,2.层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,天然土层多呈层状,

15、确立各层土的ki根据渗流方向确定等效渗流系数,等效渗透系数:,已知条件:,qx=vxH1=kx i H,qix=ki ii Hi1,达西定律:,等效条件:,(1)水平渗流,（2）竖直渗流,vi = ki (hi / Hi ),已知条件:,达西定律:,等效条件:,v = kz (h / H ),等效渗透系数:,算例说明,按层厚加权平均，结果由较大值控制,层厚倒数加权平均，结果由较小值控制,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,饱和度（含气量）水的动力粘滞系数,四、影响土的渗透性的因素,？,粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细

16、颗粒所控制。,1.土的性质的影响,孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。,矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊利石蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。,结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平 k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。,饱和度 sr(%),渗透系数k(10-3cm/s),8765432,80 90 100,饱和度的影响,水粘滞性的影响,温

17、度高,粘滞性低,渗透系数大,封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道,2.水的性质的影响,土粒,渗 流,渗透力,五、渗透力及渗流破坏,1.渗透力概念： 也称动水力。指水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力。,体积力,符号：GD（kN/m3）,大小：与土颗粒的阻力大小相等,方向：与渗流方向一致。,2.渗透力的计算公式,(1) 计算条件 土柱ab截面积为F，长度为L, 水头高度分别为：H1=h1+z1、H2=h2+z2,(2)平衡力分析,渗透力的大小和水力坡降成正比。渗透力是一种体积力，量纲与w相同。,取土柱体ab内的水作为研究对象， 利用各力平衡关系可以得到：,3.渗透力的性

18、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，它是一种体积力大小： GD = wi方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架,渗透力与浮力有何区别？,基本类型,4.渗透变形（渗透破坏）,流土,管涌,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,概念：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏。,渗流,原因：,与土的密实度有关,（1）基本类型一：流土,临界水头梯度,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,概念：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗

19、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,渗流,过程演示,1. 在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2. 孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3. 形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,（1）基本类型二：管涌,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

20、构发生塌陷或溃口,（2）形成条件,K: 安全系数1.52.0, 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,工程设计：,无压重时：,较均匀土（Cu10）,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,粗粒形成的孔隙通道小于细粒径,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

21、,d5,d3,管涌,发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径,（2）形成条件,水力条件：,5 10 15 20 25 30 35 40,2.01.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,Cu 20时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15,苏联,中国：,管涌,渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降icr表示,（3）防治措施,增大i：下游增加透水盖重,防治流土,减小i：上游延长渗径； 上下游减小水压,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,反滤层：反滤层是由2-4层颗粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料做成的，

22、顺着水流的方向颗粒逐渐增大，任一层的颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙。同一层的颗粒也不能产生相对移动。设置反滤层后渗透水流出时就带不走堤坝体或地基中的土壤，从而可防止管涌和流土的发生。反滤层常设于土石等材料修筑的堤坝或透水地基上，也常用于防汛中处理管涌、流土等险情。,总 结：,工程实例,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,渗透力：概念与计算,渗透变形：类型，条件，防治,渗流中的水头与水力坡降,达西定律,影响土的渗透系数的因素,渗透力及渗流破坏,土的渗流模型,渗透系数的测定,第三章土中水的运动规律,土木工程本科生专业课程,土质学与土力学,第一节 土的毛细性第二节 土的渗透性第三节流网及其应用第四节

23、 土在冻结过程中 水分的迁移和积聚,ZH3土中水的运动规律,平面渗流的基本方程及求解 流网的绘制及应用,3.3 土在冻结过程中水分的迁移和积聚,冻土现象及工程危害,冻胀的机理与影响因素,冻结深度,我国的冻土世界第三冻土大国，多年冻土占国土面积的23% ，季节性冻土占国土面积的50%以上。,冻土在冰冻季节因大气负温影响，土中水分冻结形成冻土,3.4 土在冻结过程中的水分迁移和积聚,一 冻土现象,季节性冻土冬季冻结，夏季全部融化的冻土。,多年冻土冻结状态持续三年或三年以上的土层。,冻土现象由冻结和融化两种作用所引起的一些独特的现象, 冻土中水,冻胀现象土体冻结后形成冻土，水冻结后成冰；由于水结成冻

24、的过程中体积要增大9%，所以当土体中参与冻结的水份过多时，土体便发生体积膨胀，使地面隆起成丘，即冻胀现象,3.4冻土中水,一 冻土现象,冻胀危害路基隆起，柔性路面鼓包、开裂；刚性路面折断、裂缝；建筑物抬起、开裂、倾斜、倒塌,冻融现象-在季节性冻土地区，春暖土层解冻融化后，土层上部积聚的冰晶体融化，使土中含水量增加，加之细颗粒土排水能力差，土层处于饱和状态，强度大大降低的现象，即冻融。,冻融危害路基冻融，车辆反复碾压下，轻者路面变松软，限制行车 速度，重者路面开裂、冒泥，即翻浆，使路面完全破坏；房屋、桥梁、管涵发生大量下沉或不均匀下沉，建筑物开 裂破坏。,3.4 冻土中水,二 冻胀机理,大气降至

25、负温,土层温度降低,自由水冻结,外层弱结合水冻结,冰晶体扩大,结合水膜减薄,土粒剩余分子引力,吸引附近水膜较厚处结合水,水源,毛细通道,水被吸引，迁移，附近水膜变薄,补给,冻胀！,冻胀！,冻胀拔断,路面翻浆、冒泥,3.4 冻土中水,支架冻拔破坏,3.4 冻土中水,二、影响冻胀的因素及冻结深度,1.影响冻胀的因素,a.土的因素,粗粒土只冻而不胀，只有细粒土，冻结时有水份迁移（冻结锋面离地下水较近），冻胀现象严重。,粗粒土中含有过多的细粒土时，冻胀现象仍会发生。,b.水的因素,c.温度因素,低温下才冻结，气温骤冷、冻结速度快、土中弱结合水及毛细水来不及向冻结区转移，就在原位冻结成冰，毛细通道也会被

26、冰晶体堵塞，没有外来水份参与冻结，在土中看不见冻夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，此时，冻胀现象就较轻。,3.4 土在冻结过程中的水分迁移和积聚,2.冻结深度及标准冻深,各地区降温幅度不同，因而，冻深也不一样。,在地表无积雪、草皮覆盖条件下、空旷场地连续多年（不少于10年）实测最大冻深平均值称为标准冻深，一般用“Zo”表示，其值由当地气象部门提供，可查表或图。,即使是同一地区，由于环境条件不同，如城市中心地区存在较强的“热岛效应”，因而冻深就小，郊区就不存在，冻深就大。,3.4 土在冻结过程中的水分迁移和积聚,1.冻土现象冻土分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。 冻土现象：与冻土的冻结与融化

27、过程中有关的土体的物理化学性质或工程力学性质变化的现象称为冻土现象。 冻胀现象：某些土体在冻结时体积膨胀。2. 工程危害 （1）冻胀作用 如道路、隧道 （2）冻融 道路翻浆、基础沉降、结构损伤,一、冻土现象及工程危害,二、冻胀的机理与影响因素,1.冻胀的原因 水的相变而体积增大和水分向冻结土体表层冻结临界带迁移而持续发生的冻胀作用。2.影响冻胀的因素 土 土体的结构与物质组成 水 地下水位与冻结深度的相对位置及补给情况温度 温度及降温梯度,三、冻结深度,1.地区标准冻结深度及其确定方法 2.规范法 3.气象资料法（连续10年以上）,工程实践中，指地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实测最大冻结深度的平均值,总结,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,流网及其应用,渗流中的水头与水力坡降,达西定律,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,土中水的运动规律,土的毛细性,土在冻结过程中水分的迁移积聚,影响土的渗透系数的因素,渗透力及渗流破坏,渗透系数的测定,本章作业：3-1 3-23-3,请注意对第一、二、三章的复习！,作业,