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1、第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律学习内容：（1）毛细水产生的原因和对工程的影响以及 土的冻结（2）达西定律（3）流沙、管涌现象产生的原因、对工程的 危害以及防治措施第一节第一节 土的毛细性土的毛细性土土的的毛细现象：毛细现象：土中水在表面张力作用下，沿着土中土中水在表面张力作用下，沿着土中毛细毛细孔孔 隙向上及向其它方向移动的现象隙向上及向其它方向移动的现象一一.土层中的毛细水带土层中的毛细水带正常毛细水带正常毛细水带毛细网状水带毛细网状水带毛细悬挂水带毛细悬挂水带hc毛细水毛细水重力水重力水二二.土中水毛细现象对工程的影响土中水毛细现象对工程的影响：1).毛细水的上升是引起路基
2、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).毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化,对建筑工程及农业经济都有很大影响。三三.毛细水上升机理及上升高度与速度毛细水上升机理及上升高度与速度:1）在毛细管内的水柱,由于湿润现象使弯液面呈内凹状时,水柱的表面积就增加了,这时由于管壁与水分子之间的引力很大,促使管内的水柱升高,从而改变弯液面形状,缩小表面积,降低表面自由能。但当水柱升高改变了弯液面的形状时,管壁与水之间的湿润现象又会水柱面恢复为内凹的弯液面状。这样周而复始,使毛细管内的水柱上升,直到升高的水柱重力和管壁与水分子间的引力所产生的上举力平衡为止。2)毛细水上升
3、最大高度：3)在较粗颗粒土中，毛细水上升一开始进行得很快，以后逐渐减慢，而细颗粒土中毛细水上升高度较大，但速度较慢.毛细压力毛细压力：土粒接触面间的毛细水由于湿润作用形成弯液面，在水和空气分界面上产生的表面张力是沿着弯液面切线方向作用的，它促使土粒互相靠拢，在土粒的接触面上就产生一个压力，称为毛细压力。四.土的冻结 冻土根据其冻融情况可以分为：冻土根据其冻融情况可以分为：季节性冻土季节性冻土、隔年冻隔年冻土土和和多年冻土多年冻土 季节性冻土季节性冻土：冬季冻结、夏季全部融化的冻土：冬季冻结、夏季全部融化的冻土 隔年冻土隔年冻土：冬季冻结、一二年不融化的土层：冬季冻结、一二年不融化的土层 多年冻
4、土多年冻土：冻结状态持续：冻结状态持续3年或年或3年以上的土层年以上的土层冻冻土土现现象象：在在冻冻土土地地区区，随随着着冻冻结结和和融融化化会会发发生生特特殊的现象，称为冻土现象。殊的现象，称为冻土现象。冻冻胀胀现现象象：粘粘性性土土层层在在冻冻结结时时，往往往往会会发发生生土土层层体体积膨胀，使地面隆起成丘，称为冻胀现象。积膨胀，使地面隆起成丘，称为冻胀现象。冻冻融融现现象象：土土层层解解冻冻融融化化后后，由由于于土土中中含含水水量量增增加加，且且地地基基细细粒粒土土排排水水能能力力差差，土土层层处处于于饱饱和和状状态态，土层软化，强度大大降低，称为冻融现象。土层软化，强度大大降低，称为冻
5、融现象。冻土现象及其对工程的危害冻土现象及其对工程的危害 冻土现象是由冻结和融化两种作用引起。冻结时，往往发生土层体积膨胀使地面隆起成丘，形成冻胀；土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时其体积要增大9%的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移集聚，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；当冻胀土层融化后，土中含水量大大增加，加之细粒土排水能力差，土层处于饱和状态，强度大大降低，在车辆荷载作用下，极易造成路面的破坏。冻胀机理及影响因素冻胀机理及影响因素1）冻胀机理 当大气温度降到负温时，土层中温度也随之降低，土孔隙中的自由水
6、首先在00c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，水即被冻结，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
7、的水源补给通道（即毛细通道），能够源源不断地补充被吸引的结合水，则未冻结区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。冻胀机理冻胀机理温温度度结合水迁移学说结合水迁移学说自自由由水水结结冰冰弱弱结结合合水水冻冻结结结合水结合水膜变薄膜变薄土粒土粒产生剩余产生剩余分子引力分子引力水膜中离水膜中离子浓度增加子浓度增加产生渗附压力产生渗附压力未未冻结区冻结区水膜厚处水膜厚处的结合水的结合水吸引到冻吸引到冻结区水膜结区水膜较薄处较薄处冰冰晶晶体体增增大大未未冻结冻结区水分区水分不断向不断向冻结区冻
8、结区迁移积迁移积聚聚形形成成冰冰夹夹层层冻冻 胀胀未冻区存在未冻区存在水源水源毛细通道毛细通道2）影响冻胀的因素土的因素水的因素 温度的因素 在持续负温持续负温作用下，地下水位较高水位较高处的粉砂、粉土、亚粉砂、粉土、亚粘土、轻亚粘土粘土、轻亚粘土等土层常发生较大的冻胀危害。浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透渗透 第二节第二节 土的渗透性土的渗透性基准线基准线1 12 2 一一.
9、土的层流渗透定律（土的层流渗透定律（达西定律达西定律）大多数情况下，土中水的渗流属于层流，符合达西定律大多数情况下，土中水的渗流属于层流，符合达西定律nvv渗流速度（渗流速度（m/s)m/s)；nkk渗透系数，渗透系数，（m/s)m/s)；nII水头梯度水头梯度，为水头损失为水头损失 h h 与渗透路径长度与渗透路径长度L L之比之比nq q 渗透流量（渗透流量（m m3 3/s)/s)或或上式只适用于层流的情况上式只适用于层流的情况,故一般故一般只适用于中砂、细砂、粉砂等，只适用于中砂、细砂、粉砂等，对粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土对粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土就不适用就不适用对对于于密密实实的的
10、粘粘土土，由由于于吸吸着着水水具具有有较较大大的的粘粘滞滞阻阻力力，因因此此，只只有有当当水水力力梯梯度度达达到到某某一一数数值值后后，克克服服了了吸吸着着水水的的粘粘滞滞阻阻力力以以后后，才才能能发发生生渗渗透透。这这一一开开始始发发生生渗渗透透时时的的水水力力梯梯度度成成为为粘粘性性土土的的起始水力梯度起始水力梯度i i0 0ivoi0在在粗粗粒粒土土中中（砾砾、卵卵石石等等），只只有有在在小小的的水水力力梯梯度度下下，渗渗透透速速度度与与水水力力梯梯度度才才呈呈非非线线性性关关系系，而而在在较较大大的的水水力力梯梯度度下下，水水在在土土中中流流动动进进入入紊紊流流状状态态，渗渗透透速速度
11、度与与水水力力梯梯度度呈呈非非线线性性关关系系，此此时时达达西西定定律律同同样样不不能能适适用。用。ivovcr 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验现场试验和和室内试验室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。行现场测定。常水头试验：常水头试验：适用于透水性强的无粘性土。适用于透水性强的无粘性土。变水头试验：变水头试验：适用于透水
12、性弱的粘性土。适用于透水性弱的粘性土。二.渗透系数 常常水水头头法法就就是是在在整整个个试试验验过程中，水头保持不变。过程中，水头保持不变。用用量量筒筒和和秒秒表表测测出出某某一一时时刻刻t t内内流流经经试试样样的的水水量量Q Q，即即可可求求出出流流过过土土体体的的流流量量，再根据达西定律求解再根据达西定律求解k k（1 1）土的渗透系数常水头法）土的渗透系数常水头法 设设玻玻璃璃管管的的内内截截面面积积为为a a，试试验验开开始始以以后后任任一一时时刻刻t t的的水水位位差差为为h h，经经时时段段dtdt，细细玻玻璃璃管管中中水水位位下下落落dhdh，则则在在时时段段dtdt内流经试样
13、的水量内流经试样的水量（2 2）土的渗透系数变水头法）土的渗透系数变水头法 三、三、影响土渗透性的因素影响土渗透性的因素1）土的粒度成分及矿物成分土的粒度成分及矿物成分：土颗粒越粗，越浑圆，越均匀，渗透性越大；粘土中含亲水性较大的粘土矿物或有机质时，渗透性大为降低。2）结合水膜厚度结合水膜厚度：水膜越厚，渗透性越小。3）土的结构构造土的结构构造：黃土竖向渗透系数要比水平向大得多；夹有粉砂层的层状粘土，水平向渗透系数比竖向大得多。4）水的粘滞度水的粘滞度：不同温度下，水的粘滞度不同，室内试验 中一般将测定 的kt值修正为100c水温时的k10值：k10=kt 5）土中气体土中气体：土中有密闭气泡
14、时，将降低土的渗透性，因此室内试验应用不含溶解空气的蒸馏水。四、四、动水力及渗流破坏动水力及渗流破坏 我们把水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为动水力，也称为渗流力。动水力的作用方向与渗流方向一致。1）动水力的计算公式：h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h考虑作用在考虑作用在1-21-2土柱内水上土柱内水上的力系：的力系：作用在作用在1 1处的水压力（与水流处的水压力（与水流方向一致）方向一致）+作用在作用在2 2处的水压力处的水压力（与水流方向相反）（与水流方向相反）-土柱体内水的重力沿轴线方向的土柱体内水的重力沿轴线方向的分
15、力（与水流方向一致）分力（与水流方向一致）+水对土颗粒作用的浮力的反力水对土颗粒作用的浮力的反力（与水流方向一致）（与水流方向一致）+渗流时，土柱中的土颗粒对水的渗流时，土柱中的土颗粒对水的阻力（与水流方向相反）阻力（与水流方向相反）-2）流砂现象、管涌和临界水头梯度 若水的渗流方向自下而上，在土体表面取一单位体积土体进行分析，已知土在水下的浮容重为 ，当向上的动水力与土的浮容重相等时，即 ，这时土颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象就称为流沙流沙现象。这时的水头梯度称为临界水头梯度 工程中：水在砂性土中渗流时，土中的一些小颗粒在动水力作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水
16、流带走，这种现象称为管涌管涌。流砂流砂土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成的土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的无一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致
17、结构发生塌陷或溃口流砂与管涌的比较流砂与管涌的比较 一一.平面渗流的基本微分方程平面渗流的基本微分方程连续性条件连续性条件假定：假定：hh h恒定恒定稳定渗流稳定渗流(与时间无关与时间无关)h=h=h(x,zh(x,z),v=),v=v(x,zv(x,z)平面应变问题取单宽平面应变问题取单宽 d dy y=1=1，则，则达西定律达西定律 基本假定基本假定第三节第三节 流网及其应用流网及其应用介质不可压缩介质不可压缩 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律假定假定 Laplace方程方程通解：两个共轭调和函数通解：两个共轭调和函数势函数势函数j j(x,z(x,z)流函数流函数y y(x,z(x
18、,z)等势线等势线流线流线流函数流函数y y(x,z(x,z)势函数势函数j j(x,z(x,z)流线流线BA等势线和流线相互正交相互正交单宽流量二二.平面稳定渗流问题的流网解法平面稳定渗流问题的流网解法（一）流网及其性质（一）流网及其性质平面稳定渗流基本微分方程的解可以用渗流区平面内两簇相互正交的曲线来表示。其中一簇为流线其中一簇为流线，它代表水流的流动路径，另一簇为等势线另一簇为等势线，在任一条等势线上，各点的测压水位或总水头都在同一水平线上。工程上把这种等势线簇和流线簇交织成的网格图形称为流网流网，如下图。各向同性土的流网性质各向同性土的流网性质流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格:
19、由于流线与等势线具有相互正交由于流线与等势线具有相互正交的性质，故流网为正交网格；的性质，故流网为正交网格；流网为曲边正方形流网为曲边正方形:在流网网格中，网格的长度网格的长度l l与宽度与宽度b b之比通常取为定值，一般取之比通常取为定值，一般取1.01.0，使之成为曲边正方形；曲边正方形；任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻流线间的单位渗流量相等。任意两相邻流线间的单位渗流量相等。（二）流网的近似绘制方法（二）流网的近似绘制方法 绘制方法绘制方法根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整ABCDbsH1h h00lbH2测管水头差测管水头差 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 确定流量确定流量（三）（三）流网的工程应用流网的工程应用 水力坡降水力坡降H1h0lblbH2