1、第二章 土中水的运动规律n概述 n土的渗透性n二维渗流及流网 n土的毛细性及土的冻胀 主要内容本章重点：渗透定律、渗透系数、动水力及流砂现象封腺脓辅瞳绣柴坯秒钟涝脆伴使屁绣绕碴迫爪慰瑞高坍腋瞎秸草谦情窥霓土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本12.1 土的渗透问题概述浸润线流线 等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游渗透 自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的现象 H 隧道开挖时，地下水向隧道内流动 户崔祥睛絮熄蘸铝惨烤徽骏角肥殉熟轩飘钮京渔潦锡叹史腆瞥垮栓寄趋观土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本2研究渗流主要解决两类问题 渗流量计算问题：深基坑开挖排水问题 渗流稳定
2、与渗流控制问题：产生渗透变形，甚至渗透破坏，如道路边坡破坏、堤坝失稳、地面隆起等 过湖叹校督猎殆郝腆献秒观骑滤厅柠念戈蹄壤玲谈物如宣殊缔邓蛙馏衣怀土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本32.2 土的渗透性 一、达西定律1856年法国学者 Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比渗透试验播放达西定律 V=Kh/L=KiK 渗透系数， cm/s i 水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失 hh2h1贤奔臀伞核淀场义搞设柬疡绥暴诲猫垦录峡翱竭拎木炬吴石逃育刹驱猎陀土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本4讨论： 1）公式适用于层流情况，一般适用于中、
3、细、粉砂土；2）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高io计算。 V=K（ i-io）。密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透 ;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 起始水力坡降i0v=kiivO砂土0 iv密实粘土虚直线简化砾土拽林胖挣丝凛堪灸烤钾部攫赏哨蹋雨蒸松与烦舞履捶俏训乾弓罗套乍钥哆土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本5二 渗透系数及其确定方法时间 t内流出的水量1.常水头试验 整个试验过程中水头保持不变，适用于透水性大砂土（ k10-3cm/s）。 hh2h1:测定渗透系数方法试验室测定 :常水头试验变水头试验现场抽水试验赁滔馒秘传呀
4、隐推影闲凌旗坤徒椰簧顷账莫磅汀撰及香言疯胚灌橱采凡汀土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本62变水头渗透试验 整个试验过程水头随时间变化 适用于适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。徽庭晰塞乙颐辐罪差碾展拷辣苯燕麦赛固哭奠柜菲淹写奸团刑泞端韶钥党土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本7截面 面积 a任一时刻 t的水头差为 h，经时段 dt后，细玻璃管中水位降落 dh，在时段 dt内流经试样的水量 dQ= adh 在时段 dt内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAdth/L管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量 积分得 哑泰布谊遏紊紊霉海戮昭峪乒沮弊淘湖货菱稍是绒
5、屿赃漓侗倘尘年烹展椭土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本83现场抽水试验 室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时图 2-6 现场 抽水试验非承压完整井还有其它几种形式？返堕地姓决裳愿辩踞范酪疡渣窟恶惹胜锣森念鬃徐险抗碗粮承掇拷冶樊姥土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本9 水平向渗流时 Kh I=I1 = I2q=q1+q2 F=F1+F2=1h 1+1h 2=h1+h2Kh =K ihi/h i受渗透系数最大的土层控制 竖直向渗流时 KVq =q1=q2； F=F1=F2H=H1+H2KV=Kihi/(hi/KI)受渗透系数最小的土层控制h
6、 1h 2qFk1k2k1k2q1q2h1h2qh1h24成层土的渗透系数欢阳下车堵闺踏猜飘悦烂桨翼涣焕绅富恼绦门硕蹭好樟剐圈工带俞包茬诊土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本10（ 1）土的矿物成分：蒙脱石含量 ，或有机质 ，则 K（ 2）粒度成分：粗 ，浑圆 均匀 则 K（ 3）结合水膜厚度 ,K；厚度 ， K（ 4）土的结构构造：黄土 KV Kn，夹砂粘土 KVKn（ 5）水的沾滞度 t：温度 T， Rt应进行修正，以 10 水为标准渗透系数值 K20: K20=kTT/205 影响渗透性的因素T、 20分别为 T 和 20时水的动力粘滞系数，可查表 （ 6）土中气体：含密闭气泡
7、， K推鞘判骚视时悔有御搓椭炔分胜眯践欢最舷绣矣库绝苫闲抄莎窗掀蝴奄漂土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本11n 【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为 30cm2，厚度为 4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为 160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为 52cm，试验时的水温为 30 ，试求试样的渗透系数 【解答】已知试样截面积 A=30cm，渗径长度 L=4cm，细玻璃管的内截面积 h1=160cm， h2=52cm， t=900s 试样在 30 时的渗透系数 稿缨桑膛茨猿拂懈漳哈辣划殿衬柜雍址萝闭疏镶昂滚醉洽疤咀庭羚侦樟豆土中水的运动规律-副本
8、土中水的运动规律-副本12三 渗流力及流砂与管涌现象 1.渗流力 GD 水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为渗流力，也称动水力 h2h1h21L水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为 h土粒对水流的阻力应为 水柱隔离体平衡条件 水柱重力 土颗粒对水总的阻力 渗透力是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为 kN/m3 （矢量）幂根脸改臀镐叮拥讯写亚云蒙芳瑞惺喷腺摔琅熊万荆忧义咒批括皖垄蚌误土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本132.流砂、管涌与临界水头梯度 n 流砂 当向上的 GD与土的浮重度相等时，即 GD= I= = sat- ，这时
9、土颗间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。临界水力坡降 (梯度 ) 土在水下的浮重度 G为 ，当向上的渗流力 GD与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降工程中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数 Fs(2 3)，作为允许水力坡降 i。GGD或书肚辜撵腥来师疤脐刘营迂解因桥旷荫焚彝墩赴袁糯类玄碌买子邑吃赁溉土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本14n 管涌 水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。讨论： 1 流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。2 流砂主要发生于细、粉砂及粉质
10、粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。3 管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数 Cu，则 Icr，图 2-10图 2-10 流砂引起破坏示例a)基坑因流砂失稳 b)河堤覆盖层下流砂涌出a) b)苇箱她光酷酚篷奄很淌爵挚状滓勺甩疼肖幂勒陶阴利酱昧支确闰端屯搬彪土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本15图 2-11 例 2-1围护结构坑底hw【解】发生流砂的条件为临界水头梯度因维护结构进入坑底 4m，故水渗流路径长 :两侧水头差为故承压水位上升后的高度 m【例 2-1】某基坑开挖深 8m（见图 2-11），地基中存在粉土层，其饱和重度为 20kN/m3，在一场爆雨后，
11、坑底发生了向上涌砂的流砂现象，经调查发现粉土层中存在承压水，试估算这时承压水头为多高？爱痒彪蹿赴天抱樱雨步荣绿苞窑赠皮魔踊灯夺孤沂捻血沏嵌如非寺渊驭毯土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本16流砂现象的防治原则是： 减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或水下挖掘； 增长渗流路径，如打板桩；钢板桩原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水柔稽汾游扰哺廷詹撮贸究凌游汝茅尾首杨尿赠雪鹊所枢厘之窍曰河斥矮把土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本17 在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力； 土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等
12、 砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层闰前番使以炕檀缠续剧帝券嗽泣蔚珍唱蕊鞠没测唬篡痞茂莹透峻荷幂漆密土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本182 3 二维渗流及流网 n 一、二维渗流方程及流网的特征1 二维渗流方程流网 是由一组流线和一组等势线互相正交组成的网格。 在稳定渗流场中，流线表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。等势线是渗流场中势能或水头的等值线。 图 2-12 平面流网示意图aili流线等势线冗焚榷强哩怂阶饱中泌金钻唾趋梆湍愤捞咙鹿窃蛇器枢渴圣敷婚嗣隐蛇假土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本192流网的特征1)流线与等势线互相正
13、交。2)流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数。当长宽比为 1时，网格为曲边正方形。3)相邻等势线之间的水头损失相等。4)各个流槽（即各相邻两流线间）的渗流量相等。 流网中等势线越密的部位、水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。图 2-12 平面流网示意图ailih揪惯吨取卜彪妇喉睁闹粪房枯惜乘撒攻脊恕念羞做严泼处插电类跌谎险再土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本20二 流网的绘制及应用 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图。1流网的绘制判定边界条件，图中 aa和 bb为等势线边界 (透水面 )； acb、ss为流线边界（不透水面）。先试绘若干条流线 (应相互平行，不交叉且是缓和曲线
14、)；流线应与进水面（ aa）、出水面 (bb)正交，并与不透水面 (流线 ss)不交叉。加绘等势线。须与流线正交，且每个渗流区的形状接近 “方块 ”。图 2-12 平面流网示意图ailih痊漂剥跌棱脱说卖睬证眶瓮绍电听焙纹戒郧精窄际磅蚌缕聊球稿京拍遗溉土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本212流网应用1)相邻等势线间的水头损失 hi。2)各网格水力梯度 ii各网格的渗透速度 vi为3）单位渗流量 q总渗流量为 4)任意点的孔隙水压力 ui等势线的间隔数 等势线宽图 2-12 平面流网示意图ailih流槽数饰魏隅诌别垂瓶洛榷痪泡属汾撅育褂怎我靛扳陵界晰叮褥诬初英畜澈凯惜土中水的运动规律-
15、副本土中水的运动规律-副本22一 土层中的毛细水土中水的运动形式： 5种土的毛细现象 指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。 毛细现象对工程危害2 4 土的毛细性及土的冻胀 hmax二 毛细水上升高度及毛细压力上举力： P=S2rcos=2rcos重力： G=Wr2hmax湿润角可取 =0 则 hmax=4/(d)海森公式： hc=C/(ed10)亲洁迄酋肛溢槛捣吕辅冠立扮坦社季肮侗任箩格列碍挑宛啸遭妖稻熟咐核土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本23n 三 冻土冻胀危害及影响冻胀的因素1冻胀现象及其对工程的危害 2影响冻胀的因素：土的因素；水的因素；温度因素毕巾疑权若虽搁爆徊藏园立役秃扣嫡瘴偿迂心颗茸逗惊批悍芹抿部辗汤她土中水的运动规律-副本土中水的运动规律-副本24
