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§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0?C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》(GB50007—2002)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 人有了知识,就会具备各种分析能力, 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书,广泛阅读, 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍,我们能丰富知识, 培养逻辑思维能力; 通过阅读文学作品,我们能提高文学鉴赏水平, 培养文学情趣; 通过阅读报刊,我们能增长见识,扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操, 给我们巨大的精神力量, 鼓舞我们前进。 * H1 H2 H3 H Δh 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 Σqix=ΣkiiiHi H1 H2 H3 H Δh 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
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