第三章土土中水水的運動動規律本章要點點Darcy滲流定律律及其應應用；滲透系數數的測定定方法；；影響土的的滲透性性的主要要因素；；動水力（（滲流力力）的概概念和計計算方法法；流砂、、管涌涌的概概念及及發生生的判判別方方法；；土中水的的運動原原因和形形式土的滲透透性問題題：重力作用用下的地地下水的的流動；；土的固結結問題：：在土中附附加應力力作用下下孔隙水水的擠出出；土的毛細細現象：：由于表面面現象產產生的水水分移動動；在土顆粒粒的分子子引力作作用下結結合水的的移動：：如凍結時時土中水水分的移移動；由于孔隙隙水溶液液中離子子濃度的的差別所所產生的的滲透吸吸附現象象。與土中水水的運動動有關的的工程問問題流砂，管管涌凍脹滲透固結結滲流時的的邊坡穩穩定第一節土土的的毛細現現象毛細現象象土中水在在表面張張力作用用下，沿沿著細微微的孔隙隙向上及及向其它它方向移移動的現現象。毛細現象象對工程程的影響響毛細水的的上升是是引起路路基凍害害的因素素之一；；毛細水的的上升會會引起房房屋建筑筑的地下下室過分分潮濕；；毛細水的的上升可可能引起起土地的的沼澤化化和鹽漬漬化。土層中的的毛細水水帶土層中由由于毛細細現象所所濕潤的的范圍稱稱為毛細水帶帶。根據形成成條件和和分布狀狀況，毛毛細水帶帶可分為為三種：：正常毛細細水帶毛細網狀狀水帶毛細懸掛掛水帶正常毛細細水帶又稱毛細飽和和帶。位于毛細細水帶的的下部，，與地下下潛水連連通。主要由潛潛水面直直接上升升而形成成，幾乎乎充滿全全部孔隙隙。隨著地下下水位的的升降而而作相應應的移動動。毛細網狀狀水帶位于毛細細水帶的的中下部部，呈網網狀分布布。可以在表表面張力力和重力力作用下下移動。。毛細懸掛掛水帶位于毛細細水帶的的上部。。由地表水水滲入而而形成，，懸掛在在土顆粒粒之間，，不與中中下部的的毛細水水相連。。當地表有有大氣降降水補給給時，在在重力作作用下向向下移動動。毛細水帶帶的產生生毛細水帶帶的產生生取決于于當地的的水文地地質條件件。當地下水水位很高高時，可可能只有有正常毛毛細水帶帶，而沒沒有毛細細懸掛水水帶和毛毛細網狀狀水帶。。當地下水水位較低低時，可可能同時時產生三三個毛細細水帶。。毛細水帶帶內含水水量的變變化在毛細水水帶內，，土的含含水量隨隨著深度度的減小小而減小小，但到達毛細懸懸掛水帶后，，土的含水量量隨著深度的的減小而增大大。毛細水的上升升高度作用在毛細水水柱上的上舉舉力表面張力第二節土土的滲透性內容提提要滲流模型土中水滲透定定律土滲透性的影影響因素工程應用（動動水力，流砂砂，管涌）土中水的滲流流：在水頭差作用用下，土體中中的自由水通通過土體孔隙隙通道發生流流動的現象。。土的滲透性：：土能讓水等流流體通過的性性質。與滲透性相關關的工程問題題基坑開挖排水水修筑滲水路堤堤飽和粘性土地地基的沉降施工降水地下水開采土石壩及堤岸岸的穩定性滲流模型對滲流的簡化化：不考慮滲流路路徑的迂回曲曲折，只分析析它的主要流流向；不考慮土體中中顆粒的影響響，認為孔隙隙和土顆粒所所占的空間之之總和均為滲滲流所充滿。水在孔隙中的的真實運動軌軌跡理想化的滲流流模型對滲流模型的的要求在同一過水斷斷面，滲流模模型的流量等等于真實滲流流的流量；在任一界面上上，滲流模型型的壓力與真真實滲流的壓壓力相等；在相同體積內內，滲流模型型所受到的阻阻力與真實滲滲流所受到的的阻力相等。。平均流速與真真實流速滲流模型的平平均流速F—過水斷面面積積（m2）q—滲流流量（m3/s）真實流速ΔF—過水斷斷面F中所包包含的的孔隙隙的面面積。。真實滲滲流僅僅發生生在孔孔隙面面積△F內平均流流速與與真實實流速速n<1.0v<v0滲流模模型的的平均均流速速小于于真實實的滲滲流流流速土的層層流滲滲透定定律土體中中孔隙隙一般般較小小，水水在孔孔隙中中滲流流時的的粘滯滯阻力力很大大，流流速緩緩慢。。層流：：水流流流線線互相相平行行的流流動。。層流滲滲透定定律層流流達西（（Darcy）定律層流的滲透速速度與水頭梯梯度成正比達西定律v—滲透速度（m/s）k—滲透系數（m/s）q—滲透流量（m3/s）I—水頭梯度達西定律水頭梯度I：沿著水流方向向單位長度上上的水頭差。。a、b兩點的水頭梯梯度:滲透流量q：單位時間內內流過土截面面積F的流量。土的滲透系數參考考值土的類別滲透系數（m/s）粘土<5×10-8粉質粘土5×10-8～1×10-6粉土1×10-6～5×10-6黃土2.5×10-6～5×10-6粉砂5×10-6～1×10-5土的類別滲透系數（m/s）細砂1×10-5～5×10-5中砂5×10-5～2×10-4粗砂2×10-4～5×10-4圓礫5×10-4～1×10-3卵石1×10-3～5×10-3土的滲透系數參考考值達西定律的適適用范圍達西定律只適適用于層流的情況，一般般只適用于中中砂、細砂、、粉砂等土類類中水的滲流流。對于粗砂、礫礫石、卵石等等粗顆粒土，，水的滲流速速度較大，不不再是層流而而是紊流，達西定律不不再適用。對于粘土中水水的滲流，達達西定律需進進行修正。粘土的滲透規規律粘土中自由水水的滲流受到到結合水的粘粘滯作用所產產生的很大阻阻力，只有克克服結合水的的粘滯作用才才能開始滲流流。克服結合水的的粘滯作用所所需要的初始始水頭梯度，，稱為粘土的的起始水頭梯度度I0。粘土中的達西西定律：砂土粘土土的滲透系數數土的滲透系數數的測定方法法：室內試驗測定定常水頭試驗變水頭試驗現場抽水試驗驗常水頭滲透試試驗在整個試驗過過程中，土樣樣的壓力水頭頭ΔH保持不變。適用于透水性性強的無粘性性土。滲透系數：常水頭滲透試試驗變水頭滲透試試驗試驗過程中儲儲水管中的水水位不斷下降降，水頭不斷斷減小。適用于透水性性弱的粘性土土。變水頭滲透試試驗現場抽水試驗驗用于粗顆粒土土或成層土抽水井類型無壓完整井無壓非完整井井無壓完整井：現場抽水試驗驗無壓非完整井井：現場抽水試驗驗成層土的滲透透系數水平滲流：水平向的平均均滲透系數：：豎向滲流：豎向平均滲透透系數：成層土的滲透透系數影響土的滲透透性的因素土的粒度成分分及礦物成分分結合水膜的厚厚度土的結構構造造水的粘滯度土中氣體動水力及滲流流破壞水在土中滲流流時，受到土土顆粒的阻力力T的作用，這個個力的作用方方向是與水流流方向相反的的，水流必然然有一個相等等的力作用在在土顆粒上。。把水流作用在在單位體積土土體中土顆粒粒上的力稱為為動水力GD（kN/m3），也稱為滲流力。動水力的作用用方向與水流流方向一致。。動水力與阻力力T大小相等，方方向相反，都都用體積力表表示。動水力的計算算水流的流速變變化很小，慣慣性力可以忽忽略不計土柱隔離體內內水的受力—作用在土柱隔隔離體截面a處的水壓力，，其方向與水水流方向一致致；—作用在土柱隔隔離體截面b處的水壓力，，其方向與水水流方向相反反；—土柱隔離體內內水的重力，，其方向為豎豎直向下；動水力的計算算動水力的計算算—土柱隔離體內內土顆粒作用用于水的力（（水對土顆粒粒作用的浮力力的反作用力力），其方向向為豎直向下下；—水滲流時，土土柱隔離體中中的土顆粒對對水的阻力，，其方向與水水流方向相反反。土柱隔離體內內水的受力土柱隔離體內內水的力平衡衡方程動水力的計算算動水力的計算算公式動水力的計算算動水力表示的的是水流對單單位體積土體體顆粒的作用用力，是由水水流的外力轉轉化為均勻分分布的體積力力，普遍作用用于滲流場中中所有的土顆顆粒骨架上。。動水力的大小小與水頭梯度度成正比，方方向與滲流的的方向一致。。滲流方向對土土顆粒間作用用力的影響當水的滲流由由上向下時，，動水力的方方向與土體重重力方向一致致，使土顆粒之間間的接觸壓力力增大；當水的滲流由由下向上時，，動水力的方方向與土體重重力方向相反反，使土顆粒之間間的接觸壓力力減小。當向上的動水力力GD與土的有效重重度相等時，，即土顆粒間的壓壓力就等于零零，土顆粒處處于懸浮狀態態而失去穩定定。臨界水頭梯度度Icr：容許水頭梯度度：安全系數土的滲透破壞壞與防治措施施土的滲透破壞壞：由于水的滲流流作用引起的的土工建筑物物和地基的破破壞。土的滲透破壞壞的主要形式式：流砂管涌土的滲滲透破破壞與與防治治措施施流砂砂流砂：：在向向上的的滲透透水流流作用用下，，表層層土局局部范范圍內內的土土體或或顆粒粒群同同時發發生懸懸浮和和流動動的現現象。。主要發發生在在地基基或土土壩下下游的的滲流流溢出出處。。土的滲滲透破破壞與與防治治措施施發生流流砂現現象的的土質質條件件流砂現現象主主要發發生在在細砂、粉砂及粉土等土層層中。。對于飽飽和的的低塑塑性粘粘性土土，當當受到到擾動動，也也會發發生流流砂。。在粗顆粒粒土及粘土中不易易產生生流砂砂現象象。土的滲滲透破破壞與與防治治措施施流砂砂現現象象的的危危害害土的的滲滲透透破破壞壞與與防防治治措措施施流砂現象的危危害土的滲透破壞壞與防治措施施流砂現象的危危害土的滲透破壞壞與防治措施施流砂現象的判判別I<Icr，土體處于穩定定狀態，不發發生流砂；I=Icr，土體處于臨界界狀態；I>Icr，在土體發生流流砂破壞。流砂的安全性性評價安全系數K一般取2.0～2.5土的滲透破壞壞與防治措施施防治流砂現象象的工程措施施關鍵：控制滲滲流溢出處的的水頭梯度。。切斷地基的透透水層（防滲滲墻等）；延長滲流路徑徑，降低溢出出處的水頭梯梯度；減小滲流壓力力，防止土體體被滲透力懸懸浮（減壓井井等）。土的滲透破壞壞與防治措施施管涌管涌：：水在在砂性性土中中滲流流時，，土中中的一一些細細小顆顆粒在在動水水力的的作用用下，，通過過粗顆顆粒的的孔隙隙被水水流帶帶走的的現象象。土的滲滲透破破壞與與防治治措施施土的滲滲透破破壞與與防治治措施施土的滲滲透破破壞與與防治治措施施管涌現現象的的危害害土的滲滲透破破壞與與防治治措施施管涌涌與與土土顆顆粒粒組組成成的的關關系系發生生管管涌涌的的臨臨界界水水頭頭梯梯度度與與土土顆顆粒粒的的大大小小及及其其級級配配情情況況有有關關。。土的不均均勻系數數越大，，管涌現現象越容容易發生生。土的滲透透破壞與與防治措措施管涌現象象的判別別不均勻系系數：Cu<10，為非管涌涌土；10<Cu<20，為管涌涌土或非非管涌土土，還需需結合其其它條件件進行判判別；Cu>20，為管涌涌土。土的滲透透破壞與與防治措措施防治管涌現象象的工程措施施在滲流溢出處處鋪設反濾層，使土顆粒不不被滲透水流流帶走。反濾層：粒徑徑沿水流方向向由細到粗的的級配砂礫層層。反濾層由2-4層顆粒大小不不同的砂、碎碎石或卵石等等材料組成，，順著水流的的方向顆粒逐逐漸增大。土的滲透破壞壞與防治措施施土的滲透破壞壞與防治措施施第四節土在在凍結過程中中水分的遷移移和積聚凍土現象及其其對工程的危危害凍土的形成在冰凍季節因因大氣負溫影影響，使土中中水分凍結成成為凍土。凍土的分類季節性凍土：：冬季凍結，，夏季全部融融化；隔年凍土：冬冬季凍結，一一兩年不融化化；多年凍土：凍凍結狀態持續續三年或三年年以上。凍土現象及其其對工程的危危害我國凍土的分分布地區基本上集中在在緯度較高和和海拔較高的的嚴寒地區，，如東北大興興安嶺和小興興安嶺北部，，青藏高原以以及新疆的天天山、阿爾泰泰山等地區。。凍土現象：在凍土地區，，隨著土中水水的凍結和融融化，所發生生的一些獨特特的現象。凍土現象是由由凍結和融化兩種作用所引引起。凍脹現象：土土層在凍結時時體積膨脹，，使地面隆起起成丘的現象象。凍脹現象對工工程的危害：：使路基隆起，，柔性路面鼓鼓包、開裂，，使剛性路面面錯縫或折斷斷；使建筑物抬起起，引起建筑筑物開裂、傾傾斜，甚至倒倒塌。凍土現象及其其對工程的危危害凍融現象對工工程的危害：：使路基土含水水量增大，使使土層軟化，，強度大大降降低。在行車車荷載反復作作用下，路面面出現翻漿現現象（開裂、、冒泥），使使路面破壞；；使建筑物發生生很大沉降或或不均勻沉降降，引起建筑筑物開裂破壞壞。預防凍融現象象危害的核心心：控制凍脹融沉沉變形。凍土現象及其其對工程的危危害青藏鐵路沿線線的凍土帶青藏鐵路沿線線的凍土帶青藏鐵路凍土土路基穩定性性措施—熱棒青藏鐵路凍土土路基穩定性性措施—遮陽棚凍脹的原因及及影響因素土發生凍脹的的原因是因為為凍結時土中中的水分向凍凍結區遷移和和積聚。凍結區具有引引力作用，吸吸引未凍結區區水分向凍結結區遷移。影響凍脹的因因素：土的因素水的因素溫度的因素凍脹的影響因因素土的因素凍脹現象通常常發生在細粒粒土中，特別別是粉土、粉粉質粘土中。。（具有較顯著著的毛細現象象，毛細水上上升高度大；；表面能大，，吸附結合水水能力強）水的因素凍結區地下水水位高，凍脹脹現象明顯。。溫度的因素氣溫緩慢下降降，負溫持續續時間長，凍凍脹現象明顯顯。凍結深度研究凍結深度度的目的：確定建筑物基基礎的埋置深深度。（在設計中要要求將基礎底底面置于當地地凍結深度以以下，以防止止凍害的影響響。）土的凍結深