1、第三講,第2章 土中水的運動規(guī)律,主要內(nèi)容 2.1 土中毛細(xì)水及其對工程的影響 2.2 土的滲透性 2.3 動水壓力及流砂現(xiàn)象 2.4 流網(wǎng)及其作用,2.1 土中毛細(xì)水及其對工程的影響,土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)，水在重力作用下可以穿過土的孔隙而發(fā)生流動。下面討論毛細(xì)作用和土中水的滲流問題。,2.1.1 土層中的毛細(xì)水分布 土層中的毛細(xì)水所浸潤的范圍稱為毛細(xì)水帶，毛細(xì)水帶分成3種。 1. 正常毛細(xì)水帶。位于毛細(xì)帶下部。2. 毛細(xì)網(wǎng)狀水帶。位于毛細(xì)帶中部。3. 毛細(xì)懸掛水帶。位于毛細(xì)帶上部。,地下水位,毛細(xì)上升高度 (hc),毛細(xì)帶,2.1.2 毛細(xì)水上升原理 毛細(xì)水的上升是由于液體的“表面張力”和

2、毛細(xì)管的“濕潤現(xiàn)象”產(chǎn)生的。,2.1. 3 土的毛細(xì)現(xiàn)象對工程的影響 1. 引起建筑物地基凍害. 2. 使建筑物的防潮要求更高. 3. 浸蝕混凝土及鋼筋. 4. 使土層沼澤化.,土壩蓄水后水透過壩身流向下游,隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動,在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透,2.2 土的滲透性 2.2.1 土的層流滲透定律,一、達(dá)西定律,1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究,結(jié)論： 水在土中的滲流量與過水?dāng)嗝婧退^成正比，與滲流路徑成正反比。速度與試樣的水力梯度成正比,水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失,Q=（kAh）/L,二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力坡降,達(dá)西

3、定律,討論：,砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系,密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系,起始水力坡降,虛直線簡化,v=ki,2.2.2 滲透系數(shù)及其確定方法,一、實驗室測定法,時間t內(nèi)流出的水量,1.常水頭試驗整個試驗過程中水頭保持不變 適用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。,2.變水頭試驗整個試驗過程水頭隨時間變化,截面面積a,任一時刻t的水頭差為h，經(jīng)時段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量,dV=adh,在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量,dV=kiAdt=kAh/Ldt,管內(nèi)減少水量流經(jīng)

4、試樣水量,adh=kAh/Ldt,分離變量 積分,適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土,二、現(xiàn)場測定法 現(xiàn)場測定法滲透系數(shù)的方法有野外注水試驗和野外抽水試驗 1.抽水試驗井點布置 根據(jù)實驗地的水文地質(zhì)特征,在典型地點布置一抽水井及若干個觀測井,組成實驗網(wǎng). 2.滲透系數(shù)計算 三、經(jīng)驗估算法 1.哈森有效粒徑公式: 2.太沙基公式:,四、影響滲透系數(shù)的因數(shù),1.土粒大小與級配,細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。,2.土的密實度,3.水的動力粘滯系數(shù),同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。,動

5、力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。,4.土中封閉氣體含量,土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。,T、20分別為T和20時水的動力粘滯系數(shù)，可查表,四、例題分析,【例】 設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為160cm，經(jīng)時段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為30，試求試樣的滲透系數(shù),【解答】,已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積,h1=160cm，h2=52cm，t=900s,

6、試樣在30時的滲透系數(shù),2.3 動水壓力和流沙現(xiàn)象,2.3.1 動水力的計算公式,1.滲透力滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力,沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差h,水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h,土粒對水流的阻力應(yīng)為,土樣面積,根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反,作用于單位土體的動水壓力,說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3,滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩(wěn)定,滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利

7、,滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出,2.3.2 流砂、管涌和臨界水利梯度,滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形滲透變形問題（流砂和管涌）,1.流砂在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土 粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象,流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。,2.管涌在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象,土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生

8、在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞,3.流土與管涌的判別滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān),粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu10的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞,對Cu10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:,1.當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌,2.如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細(xì)料含量約為30%35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象,.臨界水力坡度使土體開始發(fā)生滲透變形

9、的水力坡度,當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為臨界水力坡降,或,在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(23)，作為允許水力坡降i。設(shè)計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降i內(nèi), 流網(wǎng)及其應(yīng)用 對單維滲流，只要知道土體兩端的水頭或水頭差及滲透系數(shù)，則土體內(nèi)的水力梯度、滲流速度及滲透力就可由達(dá)西定律求出。但實際工程中的滲流問題，如土坡、壩基、閘基等，經(jīng)常是邊界條件比較復(fù)雜的二維滲流，有時是三維滲流問題。下面對二維滲流問題進(jìn)行討論。,2.二維滲流的基本微分方程 如果取壩基中任一點A作為微元體，由于壩體的長度

10、很長，所以其滲流是二維的，即滲流屬于平面問題。 對于平面滲流問題?？捎孟旅娴睦绽刮⒎址匠糖蠼猓?2.流網(wǎng)及其性質(zhì) 可用解析法、數(shù)值法等，求解拉普拉斯方程，并將其結(jié)果可繪成流網(wǎng)。 流網(wǎng)由流線等勢線組成的網(wǎng)格。 流網(wǎng)的性質(zhì)： 流線與等勢線互相正交； 每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)，即li/bi=C，當(dāng)C= 1.0時，網(wǎng)格為曲線正方形； 任意兩相鄰流線間的滲流量相等； 任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等。,2.流網(wǎng)的繪制,2.流網(wǎng)的應(yīng)用 按流網(wǎng)繪制的要求繪出流網(wǎng)圖，然后即可求出流網(wǎng)中各點的水力梯度、滲透速度、滲流量。,1水力梯度計算 如上圖，上、下游的水位差為h，根據(jù)流網(wǎng)的性質(zhì)，每相鄰兩等勢線間的水頭差為 式中n等勢線的間隔數(shù)。 在流網(wǎng)中任取一網(wǎng)格i，其流線長為li ，等勢線長為bi，則該網(wǎng)格上的水力梯度為