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土力学和土质学(第2章） 土中水的运动规律——工程背景 第2章 土中水的运动规律 学习要求： 掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地 基渗透变形进行正确分析的能力。 1．掌握土的渗透定律、土中渗流量计算； 2. 了解二维渗流及流网绘制、掌握土中水的渗 透力与地基渗透变形分析. 基本内容： 2.1 土的毛细性 2.2 土的渗透性 2.3 动水压力及流砂现象 2.4 流网及其应用 2.1 土的毛细性 土的毛细性是指能够产生毛细现象的性质。 土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细的 孔隙向上及其它方向移动的现象。 毛细现象在以下四个方面对工程有影响： （1）毛细水的上升是引起路基冻害因素之一； （2）对建筑毛细水上升引起地下室过分潮湿； （3）毛细水的上升可能引起土地的沼泽化和盐渍化； （4）当地下水有浸蚀性时，毛细水上升对建筑物和构筑物的基础中的混凝土、钢筋等形成浸蚀作用。 土层中毛细水分布 土层中由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带， 根据其形成条件和分布状况分成3带： （1）正常毛细水带（毛细饱和带）。位于毛细水带的下部，与地下潜水相通。主要是由潜水面直接上升而形成的。随水位升降而移动。 （2）毛细网状水带。位于毛细水带的中部，可在表面张力和重力作用下移动。 （3）毛细悬挂水带。位于毛细水带的上部，主要是由地表水渗入而成的。在重力作用下移动。 地下水上升原理 由于液体与空气的分界面上存在 着表面张力，因而在液体表面表 面任意划一条线，线两侧的液体 都会和拢；另外，毛细管管壁的 分子和水分子之间有引力作用， 这个引力使与管壁接触部分的水 面呈向上弯曲状，这种现象称为~ 2.2 土的渗透性 ※存在于地基中的地下水，在一定的压力差作 用下，将透过土中孔隙发生流动，这种现象称为渗流或渗透。 ※下面讨论四个问题： 1.渗透模型 ； 2. 层流渗透定律； 3.渗透系数的确定； 4.动水压力及流砂现象。 渗透模型 (1) 模型的流量等于真实的流量； (2) 模型的压力等于真实的压力 (3) 模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。 层流渗透定律 装置中①是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为L 的侧压管。滤板②填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量Q。 得出：流量Q与过水面积A和水头（h1-h2）成正比与渗透路径L成反比，即达西定律： Q=KA (h1-h2)/L 达西定律的适用范围 达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。 渗透系数的确定 渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法(包括实验室测定法和现场测定法)或经验估算法来确定k值。 实验室测定法 现场测定法 经验估算法 ●1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:???????? ? ●1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式: 2.3 动水压力及流砂现象 1.动水压力(渗透力）定义： 水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为~。用GD表示(kN/m3)。 ※在许多水工建筑物、土坝及基坑工程中，渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。实际工程中，也有过不少发生渗透变形(流砂或管涌)的事例，严重的使工程施工中断，甚至危及邻近建筑物与设施的安全。因此，在进行工程设计与施工时，对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该具有足够的重视。 动水压力及流砂现象 2.动水压力(渗透力）计算 渗透力的大小与计算点的位置有关。根据对渗流网中的孔隙水压力和土粒间作用力的分析，得出单位体积内土粒受到的单位渗透力为： 式中 i 为水力梯度；γw—水的容重。 ※当水力梯度超过一定界限值后，土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒冲出、带走，导致局部土体发生位移，位移达到一定程度，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透变形。 ※主要有两种形式，即流砂与管涌。渗流水流将整个土体带走的现象称为流砂；渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象称为管涌。 动水压力及流砂现象 3.流砂现象、管涌和临界水力梯度 ※在粘性土