第三章土中水的運動規律§3土中水的運動規律

碎散性多孔介質三相體系孔隙流體流動滲流各種勢能作用下，水在土體孔隙中流動的現象滲透性土具有被水透過的性質滲透特性強度特性變形特性概述能量差毛細現象在表面張力作用下，自由水沿細的孔隙通道移動的現象滲流滑坡滲流滑坡§3土中水的運動規律

3-1土的毛細性3-2土的滲透性與達西定律3-3滲流力及滲流穩定分析（重點）3-4二維滲流與流網3-1土的毛細性一、土層中毛細水的分布毛細水帶：土層中毛細水所浸潤的范圍。分為三類：1、正常毛細水帶(又稱毛細飽和帶)：潛水面直接上升而形成。

2、毛細網狀水帶：由地下水位的變動而引起。3、毛細懸掛水帶：地表水滲入形成

三種毛細水帶不一定同時存在；毛細水帶內土的含水率隨深度變化3-1土的毛細性二、毛細水上升機理、上升高度及上升速度上升機理：

由液體的“表面張力”和毛細管的“濕潤現象”產生。表面張力：在其作用下，液體力圖縮小表面積，從而降低表面自由能；濕潤現象：毛細管管壁的分子和水分子之間的引力使與管壁接觸部分的水面呈內凹的彎液面。結論：上述兩種作用周而復始，使毛細管內水柱上升，直至升高水柱的重力和管壁與水分子之間的引力所產生的上舉力平衡為止。

土中毛細現象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα二、毛細水上升機理、上升高度及上升速度

毛細升高與孔徑成反比粘土粉土砂土分析對象:水柱毛細水實際上升高度與理論計算結果不同；毛細管越細，管壁阻力大，毛細水上升速度慢對砂土強度的影響:毛細角邊水受拉,土顆粒受壓，即假凝聚力：稍濕砂粒存在粘結作用假定α=0,毛細壓力2πrTcosα+ucπr2=0三、毛細壓力（表面張力效應）非飽和土中毛細壓力的影響分析對象:水膜四、土的毛細現象對工程的影響1、毛細水的上升引起建筑物或構筑物地基凍害；2、毛細水的上升會引起房屋建筑地下室、地下鐵道側壁過分潮濕，對防潮、防濕帶來更高的要求；3、當地下水有侵蝕性時，毛細水的上升，可能對建構筑物基礎中的混凝土、鋼筋等形成侵蝕作用，縮短使用年限。4、毛細水的上升還可能引起土的沼澤化、鹽漬化，對道路、橋梁、水利工程等可能造成影響。3-2土的滲透性與達西定律滲流——各種勢能作用下，水在土體孔隙中流動的現象滲透性——土具有被水透過的性質3-2土的滲透性與達達西定律一、滲流模型圖3-3滲流模型a）水在土孔隙中中的運動軌跡；；b）理想化的滲流流模型層流：水在土的的細微孔隙中的的緩慢流動稱為為層流。二．滲流中的水水頭與水力坡降降ABL3-2土的滲透性與達西定律透水層不透水層基坑板樁墻ABL二．滲流中的水水頭與水力坡降降h1h2zAzBΔh00基準面水力坡降線總水頭－單位質量水體所所具有的能量z：位置水頭u/γw：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭≈0A點總水頭：B點總水頭：總水頭：水力坡降：三、滲透試驗與與達西定律層流狀態下土中中水的滲流速度度與能量損失之之間服從線性滲滲流規律滲透系數的物理理意義——單位水力梯度時時孔隙流體的滲滲流速度。反映土體滲透性性的大小，是土土的重要指標之之一。可通過試試驗測定。達西定律達西定律的基本假定：（1）采用了以整個斷斷面計算的假想想平均流速，而而不是孔隙流體體的實際流速。。實際流速要比比平均流速大。。（2）采用了以土樣長長度為滲徑的平平均水力梯度，，而不是滲透水水流的真正水力力梯度。無粘性土中砂、細砂、粉砂粘土適用條件：大部分砂土，粉粉土；疏松的粘土及砂砂性較重的粘性性土起始水力梯度四、滲透系數（一）測定方法法1、常水頭滲透試試驗適用范圍：透水性強的無粘粘性土。試驗裝置：如圖圖示試驗特點：水在常水頭差h的作用下流過試試樣。試驗方法：測量對應于某一一時段t，流經試樣的水量量Qi=h/LQ=vAtv=ki2、變水頭滲透試試驗適用范圍：滲透性很小的粘粘性土。試驗裝置：如圖圖示試驗特點：試樣頂部水頭隨隨時間變化，作作用于試樣兩端端的水頭差h在試驗過程中是是變化的。自學推導過程室內試驗方法對對比常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值h=consth變化h，A，LQ，t重復試試驗后后，取取均值值a，A，Lh，t不同時時段試試驗，，取均均值適用粗粒土土粘性土土3、野外外測定定方法法－抽水試試驗和和注水水試驗驗法優點：：可獲獲得現現場較較為可可靠的的平均均滲透透系數數地下水水位≈測壓管管水面面井抽水量量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水水層（完整整井））觀察井井A=2πrhi=dh/dr缺點：：費用用較高高，耗耗時較較長試驗方法法：理論依依據：：（二））影響因因素粒徑大大小及及級配配孔隙比比礦物成成分結構和和構造造水的動動力粘粘滯系系數飽和度度（含含氣量量）—對k影響很很大，，封閉閉氣泡泡（三））各種種土的的滲透透系數數影響土土的滲滲透性性的因因素比比較復復雜，，土的的滲透透系數數的變變化范范圍很很大。。表3-2（第78頁）分分別給給出了了各種種土滲滲透系系數值值參考考值。。自學例例題3-1。（四））層狀狀地基基的等等效滲滲透系系數等效滲滲透系系數確立各各層的的ki根據滲滲流方方向確確定等等效滲滲透系系數天然土土層多多呈層層狀H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL（四））層狀狀地基基的等效滲滲透系系數1122不透水水層水平滲滲流條件:等效滲滲透系系數:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi閘板H1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲滲流:v承壓水水條件:等效滲滲透系系數:vi=ki(Δhi/Hi)（四））層狀狀地基基的等效滲滲透系系數算例說說明按層厚厚加權權平均均，由由較大大值控控制倒數層層厚加加權平平均，，由較較小值值控制制（四））層狀狀地基基的等效滲滲透系系數3-3滲流力力及滲滲流穩穩定分分析滲流力力：當當土中中發生生向下下或向向上的的滲流流時，，滲透透水流流作用用在土土顆粒粒上的的與滲滲流方方向相相同的的體積積力，，使土土骨架架應力力相應應地增增加或或減小小，此此體積積力稱稱為滲滲流力力。滲流變變形滲流力力一、滲滲流力力1.試驗裝裝置：：可產產生垂垂直滲滲流的的試驗驗裝置置，如如圖所所示。。2.試驗假假設土是均均勻的的，土土中的的滲流流不論論向上上還是是向下下，土土中的的水頭頭損失失沿滲滲流方方向都都是均均勻變變化的的，即即假設設滲流流引起起的應力改改變量量沿滲滲流方方向是是直線線變化化的。在穩定定滲流流情況況下，，飽和和土體體中的的土骨骨架應應力和和孔隙隙水應應力與與靜水水條件件中的的不同同當h2=h1時，即即h=0，即靜水水狀態態當h2<h1時，h2=h1-h，即向下下滲流流當h2>h1時，h2=h1+h，即向上滲流流結論：土中發生向向上的滲流流時，由于于孔隙水向向上滲流，，并且作用用在土顆粒粒上一個向向上的體積積力，使得得土骨架應應力降低，，而該體積積力反作用用于孔隙水水上，使孔孔隙水應力力增加，增增加和減小小的數值相相等，均為為γwh。3、單位滲流流力：每單單位土體內內土顆粒所所受的滲流流作用力用j表示，單位位為kN/m3當h1=h2時，無滲流流發生當h1>h2時，向上滲滲流當h1<h2時，向下滲滲流滲流力是一一種體積力力，單位為為kN/m3，其大小和水水力坡降成成正比，方方向與滲流流方向一致致。滲流力方向向與重力方方向一致時時，滲流力力對土骨架架起滲流壓壓密作用，，對穩定有有利。滲流力方向向與重力方方向相反時時，滲流力力對土骨架架起浮托作作用，對穩穩定不利。。當滲流力力大到某一一數值時，，會使該處處土體發生生浮起和破破壞，因此此要研究滲滲流逸出區區的滲流力力和逸出坡坡降。自學教材上上的計算方方法——以水作為脫脫離體基本類型二.滲流穩定分分析（滲透透變形）流土管涌3-3滲流力與滲滲流穩定分分析土工建筑物物及地基由由于滲流作作用而出現現的變形或或破壞形成條件防治措施粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型流土在向上的滲滲透作用下下，表層局局部土體顆顆粒同時發發生懸浮移移動的現象象滲流原因：二.滲流穩定分分析（滲透透變形）管涌原因：內因——有足夠多的的粗顆粒形形成大于細細粒直徑的的孔隙外因——滲流力足夠夠大在滲流作用用下，一定定級配的無無粘性土中中的細小顆顆粒，通過過較大顆粒粒所形成的的孔隙發生生移動，最最終在土中中形成與地地表貫通的的管道。管涌管涌破壞二.滲流穩定分分析（滲透透變形）流土與管涌涌的比較流土土體局部范范圍的顆粒粒同時發生生移動管涌只發生在水水流滲出的的表層只要滲透力力足夠大，，可發生在在任何土中中破壞過程短短導致下游坡坡面產生局局部滑動等等現象位置土類歷時后果土體內細顆顆粒通過粗粗粒形成的的孔隙通道道移動可發生于土土體內部和和滲流溢出出處一般發生在在特定級配配的無粘性性土或分散散性粘土破壞過程相相對較長導致結構發發生塌陷或或潰口二.滲流穩定分分析（滲透透變形）2.形成條件Fs:安全系數2.0～2.5[i]:允許坡降i<icr:i=icr:i>icr:土體處于穩穩定狀態土體發生流流土破壞土體處于臨臨界狀態流土經驗判斷：：二.滲流穩定分分析（滲透透變形）無粘性土發發生生管涌的判判別標準為為（內因——顆粒幾何條條件）：d20——小于該粒徑徑的土質量量占總質量量的20%發生管涌的的水力條件件——外因試驗測定方方法：改變試樣底底部的水頭頭高度。現象:試樣中細小小土粒移動動。b圖中：從C點開始，水水力梯度稍稍有增加，，滲流速度度就會急劇劇加大，說說明試樣中中發生了管管涌。水力坡降級配連續土級配不連續土破壞坡降icr0.2—0.40.1—0.3允許坡降[i]0.15—0.250.1—0.23.防治措施增大[i]：下游增加透透水蓋重防治流土土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層減小i：上游延長滲滲徑；下游減小水水壓防治管涌改善幾何條條件：設反濾層等等，反濾層為級級配較均勻勻的砂子和和礫石層，，能保護細細顆粒不被被帶走，同同時也具有有較大的透透水性改善水力條條件：減小滲透坡坡降二.滲流穩定分分析（滲透透變形）3-4二維滲流與流網網Laplace方程一.平面滲流的的基本方程程及求解連續性條件件假定：ΔhΔh恒定穩定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)取單寬：dy=1與時間無關關達西定律平面滲流的的基本方程程1.基本方程一.平面滲流的的基本方程程及求解①與kx,kz無關②滿足它的的是兩個共共軛調合函函數——勢函數和流流函數連續性條件件達西定律假定Laplace方程特點描述滲流場場內部的測測管水頭的的分布，是是平面穩定定滲流的基基本方程式式1.基本方程一.平面滲流的的基本方程程及求解2.求解方法確定滲流場場內各點的的測管水頭頭h的分布基本方程邊界條件定解條件一.平面滲流的的基本方程程及求解2.求解方法（1）解析方法法（3）試驗比擬擬方法（電比擬方方法）（2）數值方法法（4）圖解法流網——近似求解方方法適用于邊界界條件簡單單的情況通解：兩個個共軛調和和函數勢函數Φ(x,z)流函數Ψ(x,z)等勢線流線相互正交邊界條件特定解差分法、有有限元方法法，精度高高，應用愈愈來愈廣泛泛利用滲流場場和電場均均服從Laplace方程這一特特點，按一一定比例