土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1、第三章　土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,土木工程本科生專業(yè)課程,《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》,粘土顆粒帶電特性粘性土的膠體化學(xué)性質(zhì),土粒間的相互作用力和粘土礦物的物化性質(zhì),土粒原子分子間的健力,礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu),,,,,土體的強(qiáng)度主要取決于粒間的聯(lián)結(jié),復(fù) 習(xí),粘性土工程性質(zhì)的利用和改良,基礎(chǔ)與主線,先導(dǎo),具體應(yīng)用,第一章土的物理性質(zhì)和工程分類第二章粘性土的物理化學(xué)性質(zhì),第三章土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,第四章土中應(yīng)力計(jì)算,第五章土的壓縮性和地基沉降計(jì)算,第六

2、章土的抗剪強(qiáng)度,第七章土壓力計(jì)算第八章土坡穩(wěn)定分析第九章地基承載力第十章土的動(dòng)力性質(zhì)和壓實(shí)性第十一章土工試驗(yàn)與原位測(cè)試結(jié)果的分析與利用,滲透特性變形特性強(qiáng)度特性,,,,,,,,緒論,土力學(xué)包括哪些內(nèi)容？,第三章 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,土中水運(yùn)動(dòng)的原因和形式是多方面的： 地下水的流動(dòng) -----（重力作用自由水的運(yùn)動(dòng) 土的滲透性問(wèn)題）　　表面現(xiàn)象產(chǎn)生的水分移動(dòng) -

3、----（毛細(xì)現(xiàn)象 毛細(xì)水）　　孔隙水的擠出（土中附加應(yīng)力作用　土的固結(jié)問(wèn)題） 土凍結(jié)時(shí)土中水分的移動(dòng) (分子引力作用下結(jié)合水的移動(dòng)）　　滲附現(xiàn)象（孔隙水溶液中離子濃度差別）,第一節(jié) 土的毛細(xì)性,土的毛細(xì)性及其工程影響 土層中的毛細(xì)水帶毛細(xì)水上升高度及上升速度毛細(xì)水壓力,一、土的毛細(xì)性及其工程影響,1. 土的毛細(xì)性,,表面張力：液體與氣體相接觸時(shí)，會(huì)形成一個(gè)表面層，在這個(gè)表面層內(nèi)存在著的相互吸引力就是表面張力，

4、它能使液面自動(dòng)收縮。表面張力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的。處于液體表面層中的分子比液體內(nèi)部稀疏，所以它們受到指向液體內(nèi)部的力的作用，使得液體表面層猶如張緊的橡皮膜，有收縮趨勢(shì)，從而使液體盡可能地縮小它的表面面積。球形是一定體積下具有最小的表面積的幾何形體，因此，在表面張力的作用下，液滴總是力圖保持球形，這就是我們常見(jiàn)的樹(shù)葉上的水滴按近球形的原因。,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)的孔隙向上及向其它方向移動(dòng)的現(xiàn)象。,指

5、土能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。,2.毛細(xì)水 細(xì)微孔隙中的水被稱為毛細(xì)水。3.土的毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)工程的影響：? （1）毛細(xì)水的上升是引起路基凍害的因素之一； ? （2）對(duì)于房屋建筑，毛細(xì)水的上升會(huì)引起地下室過(guò)分潮濕； （3）毛細(xì)水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化。,二、土層中的毛細(xì)水帶,根據(jù)毛細(xì)水帶的形成條件和分布，分為三種:,土層中的毛細(xì)水帶,指土層中由于毛細(xì)現(xiàn)象所濕潤(rùn)的范圍。,正常毛細(xì)水帶,毛細(xì)網(wǎng)狀水帶

6、,毛細(xì)懸掛水帶,又稱毛細(xì)飽和帶，直接由地下潛水上升而形成,來(lái)源于地下潛水上升，當(dāng)?shù)叵滤患眲∠陆禃r(shí)而形成,由地表水滲入而形成。不與中部或下部毛細(xì)水相連。,注：三者不一定同時(shí)存在，主要取決于當(dāng)?shù)氐乃暮偷刭|(zhì)條件。,S,土中毛細(xì)現(xiàn)象,上升高度:,πr2hcγw=2πrScosα,毛細(xì)水,分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細(xì)管,,,毛細(xì)水上升高度與孔徑成反比,粘土粉土砂土礫石,分析對(duì)象: 水柱,三、

7、毛細(xì)水上升高度和上升速度,毛細(xì)水上升高度經(jīng)驗(yàn)估算　　 Hazen 經(jīng)驗(yàn)公式： 上升最大高度：,,C,e, d10：分別為與土粒形狀及表面潔凈度有關(guān)的系數(shù)（ C=1×10-5～5×10-5 ）、土的孔隙比、土的有效粒徑（m)。,不同粒徑土中毛細(xì)水上升情況比較,在不同粒徑的土中毛細(xì)水上升速度與上升高度關(guān)系曲線,結(jié)論：　一般來(lái)講，細(xì)顆粒土中毛細(xì)水上升高度較大，但上升速度較慢。粘土顆粒由于結(jié)合水膜的存在，上升速度

8、減緩，上升高度也受到影響。,在非飽和土中，孔隙中含有水和氣，此時(shí)水多集中于顆粒間的縫隙處，稱毛細(xì)角邊水。由于土粒表面的濕潤(rùn)作用，會(huì)形成如圖所示的彎液面，水和空氣的分界面上產(chǎn)生的表面張力使顆粒受正壓力（毛細(xì)壓力PK）這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因,四、毛細(xì)壓力,由毛細(xì)壓力所產(chǎn)生的土粒間的粘結(jié)力,濕沙的土粒間有一些粘結(jié)力？,碎散性,多孔介質(zhì),三相體系,孔隙流體流動(dòng),滲流,水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象,滲透性,土具有被水等液體透過(guò)的性

9、質(zhì),滲透特性強(qiáng)度特性變形特性,非飽和土的滲透性復(fù)雜，實(shí)用性小，不研究,本章主要研究飽和土的滲透性　?,概述,,,能量差,,,,3.2 土 的 滲 透 性,重力作用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,透水層,不透水層,土石壩壩基壩身滲流,防滲體,壩體,,,滲流問(wèn)題：1. 滲流量？2. 滲透破壞？3. 滲透力？,,工程實(shí)例,,板樁圍護(hù)下的基坑滲流,滲流問(wèn)題：1. 滲流量？2. 滲透破壞？3. 滲水壓力？,,

10、,,,,,,,,,,,,,,,透水層,不透水層,基坑,板樁墻,,工程實(shí)例,,滲流問(wèn)題： 滲流量Q？,,,,,,,,,,,,,,,,,,透水層,不透水層,天然水面,水井滲流,漏斗狀潛水面,,Q,工程實(shí)例,,滲流問(wèn)題：1. 滲流量？2. 水位,,渠道、河流滲流,,,,,,,,,,,,,原地下水位,滲流時(shí)地下水位,,工程實(shí)例,,,,,,,,,,,,,,,降雨入滲引起的滑坡,,滲流問(wèn)題：1. 滲透力？2. 入滲過(guò)程？,,事故實(shí)例,滲流

11、量,滲透破壞,滲水壓力,滲流滑坡,土的滲透性及滲透規(guī)律,二維滲流及流網(wǎng),滲透力與滲透變形,,,,土坡穩(wěn)定分析,,擋水建筑物 集水建筑物 引水結(jié)構(gòu)物 基坑等地下施工邊坡滲流,實(shí)例總結(jié),一、土的滲流模型,簡(jiǎn)化： （1）不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析其主要流向； （2）不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。,水在土孔隙中的運(yùn)動(dòng)軌跡,理想化的滲流模型,,,,要求： （1）同一過(guò)水?dāng)嗝?，流?/p>

12、相等； （2）任一界面，壓力相等； （3）相同體積內(nèi)，阻力相等；,,,滲流模型與真實(shí)滲流的流速關(guān)系,分質(zhì)點(diǎn)流速、斷面平均流速、時(shí)間平均流速,時(shí)間流速：指流體在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的距離。 以m/s計(jì)。,質(zhì)點(diǎn)流速：指流體質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的距離。 以m/s計(jì)。,斷面平均流速：指流體在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位土截面 的水量。以m/s計(jì)。,流速的概念：,注意：

13、,v：假想滲流速度，土體試樣全斷面A的平均滲流速度,vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面AV的平均滲流速度,A > Av,q＝vA ＝ vsAv,,,滲流模型與真實(shí)滲流的流速關(guān)系,,模型平均滲流速度<真實(shí)滲流速度,,,,,水頭與水力坡降土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù),滲流的驅(qū)動(dòng)能量,,,,,反映滲流特點(diǎn)的定律,土的滲透性,地基的滲透系數(shù),二、土的層流滲透定律,位置水頭：到基準(zhǔn)面的豎直距

14、離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢(shì)能測(cè)管水頭：測(cè)管水面到基準(zhǔn)面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢(shì)能在靜止液體中各點(diǎn)的測(cè)管水頭相等,位置、壓力和測(cè)管水頭,,,,壓力勢(shì)能：,動(dòng)能：,,總能量：,稱為總水頭，是水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力,單位重量水流的能量：,水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力 - 水頭,,,,,,,,,,,A,B,L,,滲流為水體的流動(dòng)

15、，應(yīng)滿足液體流動(dòng)的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程,,滲流中的水頭與水力坡降,總水頭：?jiǎn)挝恢亓克w所具有的能量,位置水頭Z：水體的位置勢(shì)能（任選基準(zhǔn)面） 壓力水頭u/?w：水體的壓力勢(shì)能（u孔隙水壓力） 流速水頭V2/(2g)：水體的動(dòng)能（對(duì)滲流V很小，忽略，V≈0）,滲流的總水頭：,,也稱測(cè)管水頭，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處,滲流問(wèn)題的水頭,A點(diǎn)總水頭：,水力坡降,B點(diǎn)總水頭：,二點(diǎn)總水頭差：反映

16、了兩點(diǎn)間水流由于水與土顆粒間的粘滯阻力造成的能量損失。,水力坡降 i：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失,達(dá)西滲透試驗(yàn),1856 年達(dá)西(Darcy)在研究城市供水問(wèn)題時(shí)進(jìn)行的滲流試驗(yàn),,或：,其中，A是試樣的斷面積,試驗(yàn)前提：層流 相鄰水分子的流線互相平行而不混摻的流動(dòng),達(dá)西定律,,達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。滲透系數(shù)k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時(shí)的

17、滲流速度， 單位： cm/s, m/s, m/day,土的層流滲透定律,達(dá)西定律的適用范圍,適用條件：層流（線性流動(dòng)）,巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問(wèn)題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。可用雷諾數(shù)進(jìn)行判斷：,Re＜5時(shí)層流Re ＞200時(shí)紊流200＞ Re ＞5時(shí)為過(guò)渡區(qū),,,i,v,o,vcr,,,,i,v,o,i0,,,,,,,,,,達(dá)

18、西定律兩種特例,I0－－粘土的起始水頭梯度（克服結(jié)合水粘滯阻力所需 要的水頭梯度）。,在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時(shí)，達(dá)西定律不再適用，此時(shí)：,對(duì)致密的粘性土,i>i0時(shí),v=k?(i - i0 ),總　結(jié),工程實(shí)例,,滲流問(wèn)題,土的滲透性及滲透規(guī)律,土的層流滲透定律√,達(dá)西定律,滲流中的水頭與水力坡降,,土的滲透性,土的毛細(xì)性,土的毛細(xì)性及其工程影響 土層中的毛細(xì)水帶毛細(xì)水上升高度及

19、上升速度毛細(xì)水壓力,,土的滲流模型√,,第一節(jié) 土的毛細(xì)性√　第二節(jié) 土的滲透性√　第三節(jié)　流網(wǎng)及其應(yīng)用　第四節(jié) 土在凍結(jié)過(guò)程中水分的　　　　　遷移和積聚,ZH3土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,三. 土的滲透系數(shù),室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法,常水頭試驗(yàn)法,變水頭試驗(yàn)法,井孔抽水試驗(yàn),井孔注水試驗(yàn),1.測(cè)定方法,,,(1)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法： 方法1—常水頭試驗(yàn)法,試驗(yàn)裝置：如圖,量測(cè)變量: t，Q,用于透水性較大的砂性土

20、,,i=ΔH/L,Q=qt=vFt,v=ki,,重復(fù)試驗(yàn)后，取平均值,試驗(yàn)條件: ΔH，F(xiàn)，L=常數(shù),結(jié)果整理:,,方法2—變水頭試驗(yàn)法,試驗(yàn)裝置：如圖,量測(cè)變量: t, h1, h2,結(jié)果整理:,選擇幾組h1, h2, t ，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值,,用于透水性較小的粘性土,令：在dt時(shí)間內(nèi)水頭降低dh，則通過(guò)土樣的流量dQ為：,試驗(yàn)條件: Δh變化，F(xiàn)，a，L=常數(shù),常水頭試驗(yàn),變水頭試驗(yàn),條件,已知,測(cè)定,公式,取值,Δ

21、h=const,Δh變化,Δh，F(xiàn)，L,Q，t,重復(fù)試驗(yàn)后，取均值,a，F(xiàn)，L,h1， h2， t,室內(nèi)試驗(yàn)方法比較,不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值,適用,粗粒土,粘性土,(2)野外測(cè)定方法－抽水試驗(yàn),優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,地下水位≈測(cè)壓管水面,井,,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水層,觀察井,,,A=2πrh,i=dh/dr,缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)

22、,實(shí)驗(yàn)方法：,理論依據(jù)：,積分,,量測(cè)變量: t, Q,r1,r2,h1, h2,2.層狀地基的等效滲透系數(shù),等效滲透系數(shù),多個(gè)土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變,天然土層多呈層狀,,確立各層土的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù),,等效滲透系數(shù):,已知條件:,qx=vxH×1=kx i H,Σqix=Σki ii Hi×1,達(dá)西定律:,等效條件:,,(1)水平滲流,（2）豎直滲流,vi = ki (

23、Δhi / Hi ),已知條件:,達(dá)西定律:,等效條件:,v = kz (Δh / H ),等效滲透系數(shù):,,,算例說(shuō)明,按層厚加權(quán)平均，結(jié)果由較大值控制,層厚倒數(shù)加權(quán)平均，結(jié)果由較小值控制,粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu),,,飽和度（含氣量）水的動(dòng)力粘滯系數(shù),四、影響土的滲透性的因素,？,粒徑大小及級(jí)配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。,1.土的性質(zhì)

24、的影響,孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對(duì)于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。,礦物成分：對(duì)粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石>伊利石>蒙脫石；塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。,結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對(duì)粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得 k水平﹥ k垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)

25、將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。,飽和度 sr(%),滲透系數(shù)k(10-3cm/s),,,,,,,,,,,,8765432,80 90 100,飽和度的影響,水粘滯性的影響,溫度高,粘滯性低,滲透系數(shù)大,,,封閉氣泡對(duì)k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道,2.水的性質(zhì)的影響,,,,,,,,,,,,,,,土粒,滲 流,滲透力,,五、滲透力及滲流破壞,1.滲透

26、力概念： 也稱動(dòng)水力。指水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力。,體積力,符號(hào)：GD（kN/m3）,大?。号c土顆粒的阻力大小相等,方向：與滲流方向一致。,2.滲透力的計(jì)算公式,(1) 計(jì)算條件 土柱ab截面積為F，長(zhǎng)度為L(zhǎng), 水頭高度分別為：　　H1=h1+z1、　　　　　　　H2=h2+z2,(2)平衡力分析,滲透力的大小和水力坡降成正比。滲透力是一種體積力，量綱與?w相同。,取土柱體ab內(nèi)的水作為研究對(duì)象，

27、 利用各力平衡關(guān)系可以得到：,3.滲透力的性質(zhì),物理意義：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大小： GD = ?wi方向：與滲流方向一致作用對(duì)象：土骨架,滲透力與浮力有何區(qū)別？,基本類型,4.滲透變形（滲透破壞）,流土,管涌,土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞,形成條件,防治措施,,,,,,,概念：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降

28、達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞。,滲流,,,,原因：,與土的密實(shí)度有關(guān),（1）基本類型一：流土,臨界水頭梯度,,,原因,內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大,概念：在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道,滲流,,過(guò)程演示,1. 在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失,2. 孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水

29、帶走,3. 形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷,（1）基本類型二：管涌,流土與管涌的比較,流土,土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng),管涌,只發(fā)生在水流滲出的表層,只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中,破壞過(guò)程短,導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等,現(xiàn)象,位置,土類,歷時(shí),后果,土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng),可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處,一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土,破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口,（2）形成條件,K:

30、安全系數(shù)1.5～2.0,[ I ] : 允許坡降,I < Icr :,I= Icr :,I> Icr :,土體處于穩(wěn)定狀態(tài),土體發(fā)生流土破壞,土體處于臨界狀態(tài),流土,工程設(shè)計(jì)：,無(wú)壓重時(shí)：,較均勻土（Cu≤10）,管涌,幾何條件,水力條件,一般發(fā)生在無(wú)粘性土中,級(jí)配,孔隙及細(xì)粒,判定,非管涌土,粗粒形成的孔隙通道小于細(xì)粒徑,不均勻土（Cu>10）,不連續(xù),連續(xù),D0=0.25d20,細(xì)粒含量>35%,細(xì)粒含

31、量<25%,細(xì)粒含量=25-35%,D0 < d3,D0 > d5,D0 = d3-d5,管涌土,過(guò)渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,過(guò)渡型土,,,,,,,,,,,,,,,,,幾何條件,,,,,,,,,,,,,,骨架,充填料,P,5,3,d5,d3,管涌,發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑,（2）形成條件,水力條件：,,,,,,,,5 10 15 20 25

32、30 35 40,2.01.51.00.50,icr,Cu,流土,過(guò)渡,管涌,,Cu > 20時(shí), icr =0.25-0.30 [i]=0.10-0.15,蘇聯(lián),中國(guó)：,管涌,滲透力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)?？捎霉苡颗R界水力坡降icr表示,（3）防治措施,增大[i]：下游增加透水蓋重,防治流土,減小i：上游延長(zhǎng)滲徑； 上下游減小水壓,防治管涌,改善幾何條件：設(shè)反濾層等,改

33、善水力條件： 減小滲透坡降,反濾層：反濾層是由2-4層顆粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料做成的，順著水流的方向顆粒逐漸增大，任一層的顆粒都不允許穿過(guò)相鄰較粗一層的孔隙。同一層的顆粒也不能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。設(shè)置反濾層后滲透水流出時(shí)就帶不走堤壩體或地基中的土壤，從而可防止管涌和流土的發(fā)生。反濾層常設(shè)于土石等材料修筑的堤壩或透水地基上，也常用于防汛中處理管涌、流土等險(xiǎn)情。,總 結(jié)：,工程實(shí)例,,滲流問(wèn)題

34、,土的滲透性及滲透規(guī)律,滲透力：概念與計(jì)算,滲透變形：類型，條件，防治,,,滲流中的水頭與水力坡降,達(dá)西定律,影響土的滲透系數(shù)的因素√,滲透力及滲流破壞√,土的滲流模型,滲透系數(shù)的測(cè)定√,第三章　土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,土木工程本科生專業(yè)課程,《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》,第一節(jié) 土的毛細(xì)性?　第二節(jié) 土的滲透性?　第三節(jié)　流網(wǎng)及其應(yīng)用　　第四節(jié) 土在凍結(jié)過(guò)程中　　　 水分的遷移和積聚,ZH3土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,平面滲流的基本方程及求解

35、 流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用,,3.3 土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚,凍土現(xiàn)象及工程危害,凍脹的機(jī)理與影響因素,凍結(jié)深度,我國(guó)的凍土——世界第三凍土大國(guó)，多年凍土占國(guó)土面積的23% ，季節(jié)性凍土占國(guó)土面積的50%以上。,凍土——在冰凍季節(jié)因大氣負(fù)溫影響，土中水分凍結(jié)形成凍土,§3.4 土在凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移和積聚,一 凍土現(xiàn)象,季節(jié)性凍土——冬季凍結(jié)，夏季全部融化的凍土。,多年凍土——凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年或三年以上的土層。,凍土現(xiàn)象—

36、—由凍結(jié)和融化兩種作用所引起的一些獨(dú)特的現(xiàn)象,—— 凍土中水,凍脹現(xiàn)象——土體凍結(jié)后形成凍土，水凍結(jié)后成冰；由于水結(jié)成凍的過(guò)程中體積要增大9%，所以當(dāng)土體中參與凍結(jié)的水份過(guò)多時(shí)，土體便發(fā)生體積膨脹，使地面隆起成丘，即凍脹現(xiàn)象,§3.4凍土中水,一 凍土現(xiàn)象,凍脹危害——路基隆起，柔性路面鼓包、開(kāi)裂；剛性路面折斷、裂縫；建筑物抬起、開(kāi)裂、傾斜、倒塌,凍融現(xiàn)象—-在季節(jié)性凍土地區(qū)，春暖土層解凍融化后，土層上部積聚的冰晶體融化，使土

37、中含水量增加，加之細(xì)顆粒土排水能力差，土層處于飽和狀態(tài)，強(qiáng)度大大降低的現(xiàn)象，即凍融。,凍融危害——路基凍融，車輛反復(fù)碾壓下，輕者路面變松軟，限制行車 速度，重者路面開(kāi)裂、冒泥，即翻漿，使路面完全破壞；——房屋、橋梁、管涵發(fā)生大量下沉或不均勻下沉，建筑物開(kāi) 裂破壞。,§3.4 凍土中水,二 凍脹機(jī)理,,,大氣降至負(fù)溫,土層溫度降低,自由水凍結(jié),外層弱結(jié)合水凍結(jié),冰晶體擴(kuò)大,結(jié)合水膜減薄,土粒剩余分子引力,

38、吸引附近水膜較厚處結(jié)合水,水源,毛細(xì)通道,水被吸引，遷移，附近水膜變薄,,,,,,,,,補(bǔ)給,,凍脹！,凍脹！,凍脹拔斷,路面翻漿、冒泥,§3.4 凍土中水,支架凍拔破壞,§3.4 凍土中水,二、影響凍脹的因素及凍結(jié)深度,1.影響凍脹的因素,a.土的因素,粗粒土只凍而不脹，只有細(xì)粒土，凍結(jié)時(shí)有水份遷移（凍結(jié)鋒面離地下水較近），凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重。,粗粒土中含有過(guò)多的細(xì)粒土?xí)r，凍脹現(xiàn)象仍會(huì)發(fā)生。,b.水的因素,c.溫度因素,

39、低溫下才凍結(jié)，氣溫驟冷、凍結(jié)速度快、土中弱結(jié)合水及毛細(xì)水來(lái)不及向凍結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)移，就在原位凍結(jié)成冰，毛細(xì)通道也會(huì)被冰晶體堵塞，沒(méi)有外來(lái)水份參與凍結(jié)，在土中看不見(jiàn)凍夾層，只有散布于土孔隙中的冰晶體，此時(shí)，凍脹現(xiàn)象就較輕。,§3.4 土在凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移和積聚,2.凍結(jié)深度及標(biāo)準(zhǔn)凍深,各地區(qū)降溫幅度不同，因而，凍深也不一樣。,在地表無(wú)積雪、草皮覆蓋條件下、空曠場(chǎng)地連續(xù)多年（不少于10年）實(shí)測(cè)最大凍深平均值稱為標(biāo)準(zhǔn)凍深，一般用“Zo”

40、表示，其值由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供，可查表或圖。,即使是同一地區(qū)，由于環(huán)境條件不同，如城市中心地區(qū)存在較強(qiáng)的“熱島效應(yīng)”，因而凍深就小，郊區(qū)就不存在，凍深就大。,§3.4 土在凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移和積聚,1.凍土現(xiàn)象凍土分為：季節(jié)性凍土、隔年凍土和多年凍土。 凍土現(xiàn)象：與凍土的凍結(jié)與融化過(guò)程中有關(guān)的土體的物理化學(xué)性質(zhì)或工程力學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為凍土現(xiàn)象。 凍脹現(xiàn)象：某些土體在凍結(jié)時(shí)體積膨脹。2. 工程危害 （1）凍

41、脹作用 如道路、隧道 （2）凍融 道路翻漿、基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)損傷,一、凍土現(xiàn)象及工程危害,二、凍脹的機(jī)理與影響因素,1.凍脹的原因 水的相變而體積增大和水分向凍結(jié)土體表層凍結(jié)臨界帶遷移而持續(xù)發(fā)生的凍脹作用。2.影響凍脹的因素 土 土體的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成 水 地下水位與凍結(jié)深度的相對(duì)位置及補(bǔ)給情況溫度 溫度及降溫梯度,,,,三、凍結(jié)深度,1.地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度及其確定方法

42、 2.規(guī)范法 3.氣象資料法（連續(xù)10年以上）,工程實(shí)踐中，指地表無(wú)積雪和草皮等覆蓋條件下，多年實(shí)測(cè)最大凍結(jié)深度的平均值,總結(jié),滲流問(wèn)題,土的滲透性及滲透規(guī)律,流網(wǎng)及其應(yīng)用,滲流中的水頭與水力坡降,達(dá)西定律,平面滲流的基本方程及求解,流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用,滲透力：概念與計(jì)算,滲透變形：類型，條件，防治,,,,土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,土的毛細(xì)性,土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移積聚,,,,影響土的滲透系數(shù)的因素,滲透力及滲流破壞,滲透系數(shù)的測(cè)定,