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第三章土中水的运动规律土木工程本科生专业课程《土质学与土力学》粘土颗粒带电特性粘性土的胶体化学性质土粒间的相互作用力和粘土矿物的物化性质土粒原子分子间的健力矿物的结晶结构土体的强度主要取决于粒间的联结复习粘性土工程性质的利用和改良基础与主线先导具体应用第一章土的物理性质和工程分类第二章粘性土的物理化学性质第三章土中水的运动规律第四章土中应力计算第五章土的压缩性和地基沉降计算第六章土的抗剪强度第七章土压力计算第八章土坡稳定分析第九章地基承载力第十章土的动力性质和压实性第十一章土工试验与原位测试结果的分析与利用渗透特性变形特性强度特性绪论土力学包括哪些内容？第三章土中水的运动规律土中水运动的原因和形式是多方面的：地下水的流动-----（重力作用自由水的运动土的渗透性问题）表面现象产生的水分移动-----（毛细现象毛细水）孔隙水的挤出（土中附加应力作用土的固结问题）土冻结时土中水分的移动(分子引力作用下结合水的移动）渗附现象（孔隙水溶液中离子浓度差别）第一节土的毛细性土的毛细性及其工程影响土层中的毛细水带毛细水上升高度及上升速度毛细水压力一、土的毛细性及其工程影响1.土的毛细性表面张力：液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体，因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。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向其它方向移动的现象。指土能够产生毛细现象的性质。2.毛细水细微孔隙中的水被称为毛细水。3.土的毛细现象对工程的影响：?（1）毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；?（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。二、土层中的毛细水带根据毛细水带的形成条件和分布，分为三种:土层中的毛细水带指土层中由于毛细现象所湿润的范围。正常毛细水带毛细网状水带毛细悬挂水带又称毛细饱和带，直接由地下潜水上升而形成来源于地下潜水上升，当地下水位急剧下降时而形成由地表水渗入而形成。不与中部或下部毛细水相连。注：三者不一定同时存在，主要取决于当地的水文和地质条件。S土中毛细现象•上升高度:πr2hcγw=2πrScosα毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细水上升高度与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象:水柱三、毛细水上升高度和上升速度•毛细水上升高度经验估算Hazen经验公式：上升最大高度：C,e,d10：分别为与土粒形状及表面洁净度有关的系数（C=1×10-5～5×10-5）、土的孔隙比、土的有效粒径（m)。不同粒径土中毛细水上升情况比较在不同粒径的土中毛细水上升速度与上升高度关系曲线结论：一般来讲，细颗粒土中毛细水上升高度较大，但上升速度较慢。粘土颗粒由于结合水膜的存在，上升速度减缓，上升高度也受到影响。在非饱和土中，孔隙中含有水和气，此时水多集中于颗粒间的缝隙处，称毛细角边水。由于土粒表面的湿润作用，会形成如图所示的弯液面，水和空气的分界面上产生的表面张力使颗粒受正压力（毛细压力PK）这是稍湿的砂土颗粒间存在假凝聚力的原因四、毛细压力由毛细压力所产生的土粒间的粘结力r空气水固体颗粒弯液面PK湿沙的土粒间有一些粘结力？碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性复杂，实用性小，不研究本章主要研究饱和土的渗透性∆概述能量差土颗粒土中水渗流3.2土的渗透性重力作用透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例渗流问题：渗流量Q？透水层不透水层天然水面水井渗流Q工程实例渗流问题：1.渗流量？2.水位渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位工程实例降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例渗流量渗透破坏渗水压力渗流滑坡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土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工边坡渗流实例总结一、土的渗流模型简化：（1）不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析其主要流向；（2）不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。水在土孔隙中的运动轨迹理想化的渗流模型要求：（1）同一过水断面，流量相等；（2）任一界面，压力相等；（3）相同体积内，阻力相等；渗流模型与真实渗流的流速关系分质点流速、断面平均流速、时间平均流速时间流速：指流体在单位时间内流过的距离。以m/s计。质点流速：指流体质点在单位时间内流过的距离。以m/s计。断面平均流速：指流体在单位时间内流过单位土截面的水量。以m/s计。流速的概念：AAv注意：v：假想渗流速度，土体试样全断面A的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面AV的平均渗流速度AAvq＝vA＝vsAv渗流模型与真实渗流的流速关系模型平均渗流速度真实渗流速度水头与水力坡降土的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渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性地基的渗透系数二、土的层流渗透定律位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面静水位置势能：mgz压力势能：00基准面质量m压力u流速vz动能：总能量：称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：水流动的驱动力-水头ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程渗流中的水头与水力坡降ABLhAzA基准面总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流V很小，忽略，V≈0）渗流的总水头：也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处渗流问题的水头•A点总水头：水力坡降ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线•B点总水头：•二点总水头差：反映了两点间水流由于水与土颗粒间的粘滞阻力造成的能量损失。•水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失达西渗透试验LAh1h2qq透水石1856年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验或：其中，A是试样的断面积试验前提：层流相邻水分子的流线互相平行而不混掺的流动达西定律达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day土的层流渗透定律达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：00.51.01.52.02.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)h10dvRe=Re＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区ivovcrivoi0达西定律两种特例I0－－粘土的起始水头梯度（克服结合水粘滞阻力所需要的水头梯度）。在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：对致密的粘性土ii0时v=k(i-i0)总结工程实例渗流问题土的渗透性及渗透规律土的层流渗透定律√达西定律渗流中的水头与水力坡降土的渗透性土的毛细性•土的毛细性及其工程影响•土层中的毛细水带•毛细水上升高度及上升速度•毛细水压力土的渗流模型√第一节土的毛细性√第二节土的渗透性√第三节流网及其应用第四节土在冻结过程中水分的迁移和积聚ZH3土中水的运动规律三.土的渗透系数室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法(1)室内试验测定方法：方法1—常水头试验法试验装置：如图量测变量:t，Q用于透水性较大的砂性土i=ΔH/LQ=qt=vFtv=ki重复试验后，取平均值试验条件:ΔH，F，L=常数结果整理:方法2—变水头试验法试验装置：如图量测变量:t,h1,h2结果整理:选择几组h1,h2,t，计算相应的k，取平均值用于透水性较小的粘性土令：在dt时间内水头降低dh，则通过土样的流量dQ为：试验条件:Δh变化，F，a，L=常数常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，F，LQ，t重复试验后，取均值a，F，Lh1，h2，t•室内试验方法比较不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土(2)野外测定方法－抽水试验优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：积分量测变量:t,Q,r1,r2,h1,h22.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变天然土层多呈层状确立各层土的ki根据渗流方向确定等效渗流系数hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:kx已知条件:qx=vxH×1=kxiHΣqix=ΣkiiiHi×1达西定律:等效条件:(1)水平渗流（2）竖直渗流H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvi=ki(Δhi/Hi)已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh/H)等效渗透系数:算例说明按层厚加权平均，结果由较大值控制层厚倒数加权平均，结果由较小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度（含气量）水的动力粘滞系数四、影响土的渗透性的因素？粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。1.土的性质的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊利石蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得k水平﹥k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100饱和度的影响水粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道2.水的性质的影响土粒渗流渗透力五、渗透力及渗流破坏1.渗透力概念：也称动水力。指水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力。体积力符号：GD（kN/m3）大小：与土颗粒的阻力大小相等方向：与渗流方向一致。2.渗透力的计算公式(1)计算条件土柱ab截面积为F，长度为L,水头高度分别为：H1=h1+z1、H2=h2+z2(2)平衡力分析渗透力的大小和水力坡降成正比。渗透力是一种体积力，量纲与w