巖土力學(xué)教案第3章

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1、第三章土中水的運動規(guī)律土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是在不停的運動著。土中水的運動原因和形式很多，主要有：（1）在重力作用下，地下水的滲流-----土的滲透性問題。（2）土在附加應(yīng)力作用下孔隙水的擠出-----土的固結(jié)問題。（3）由于表面張力作用產(chǎn)生的水份移動-----土的毛細(xì)現(xiàn)象。（4）在電分子引力作用下，結(jié)合水的移動-----凍結(jié)時土中水的遷移。（5）由于孔隙水溶液中離子濃度的差別產(chǎn)生的滲附現(xiàn)象等。地下水的運動影響工程的設(shè)計方案、施工方法、施工工期、工程投資以及工程長期使用，而且，若對地下水處理不當(dāng)，還可能產(chǎn)生工程事故。因此

2、，在工程建設(shè)中，必須對地下水進行研究。本章重點研究土中水的運動規(guī)律及其對土性質(zhì)的影響?！?.1土的毛細(xì)性一、土的毛細(xì)現(xiàn)象1．定義：是指土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的孔隙向上或其它方向移動的現(xiàn)象。這種細(xì)微孔隙中的水被稱為毛細(xì)水，對工程產(chǎn)生一定的影響。2.影響（1）毛細(xì)水上升引起路基凍害。（2）對于房屋建筑，毛細(xì)水上升會引起地下室過分潮濕，需解決防潮問題。（3）毛細(xì)水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化54，對工程建設(shè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都產(chǎn)生影響。下面主要介紹毛細(xì)現(xiàn)象中的幾個概念。二、毛細(xì)水帶土層是由于毛細(xì)現(xiàn)象所潤濕的范圍稱為毛細(xì)水帶，可分如下

3、三種（見P31圖2－1）。1、正常毛細(xì)水帶（又稱毛細(xì)飽和帶）它位于毛細(xì)水帶的下部，與地下潛水相連通。這部分毛細(xì)水主要是由潛水面直接上升而形成的，毛細(xì)水幾乎充滿了全部孔隙。該水帶會隨著地下水位的升降而作相應(yīng)的移動。2、毛細(xì)網(wǎng)狀水帶它位于毛細(xì)水帶的中部。當(dāng)?shù)叵滤患眲∠陆禃r，它也隨著急速下降，這時在較細(xì)的毛細(xì)孔隙中有一部分毛細(xì)水來不及移動，仍殘留在孔隙中。而在較粗的孔隙中因毛細(xì)水下降，孔隙中留下氣泡，這樣使毛細(xì)水呈網(wǎng)狀分布。3、毛細(xì)懸掛水帶它位于毛細(xì)水帶的上部。這一帶的毛細(xì)水是由地表水滲入而形成的，水懸掛在土顆粒之間。當(dāng)?shù)乇碛兴a給時

4、，毛細(xì)懸掛水在重力作用下向下移動。上述三個毛細(xì)帶不一定同時存在，這取決于當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件。如地下水位很高時，可能只有正常毛細(xì)水帶，而沒有毛細(xì)懸掛水帶和毛細(xì)網(wǎng)狀水帶；反之，當(dāng)?shù)叵滤惠^低時，則可能同時出現(xiàn)3個毛細(xì)水帶。三、毛細(xì)水上升高度541、理論計算公式假設(shè)一根直徑為d的毛細(xì)管插入水中，可以看到水會沿毛細(xì)管上升。其上升最大高度為：式中：水的表面張力（見P32表2—1）；d----毛細(xì)管直徑，m；-----水的重度，取10kN/m3。從上式可以看出，毛細(xì)水上升高度與毛細(xì)管直徑成反比，毛細(xì)管直徑越細(xì)時，毛細(xì)水上升高度越大。2、經(jīng)驗公

5、式在天然土層中，毛細(xì)水的上升高度是不能簡單地直接采用上面的公式的。這是因為土中的孔隙是不規(guī)則的，與園柱狀的毛細(xì)管根本不同，使得天然土層中的毛細(xì)現(xiàn)象比毛細(xì)管的情況要復(fù)雜得多。例如，假定粘土顆粒直徑為d=0.0005mm的圓球、那么這種均粒土堆積起來的孔隙直徑dcm，代入上式可得毛細(xì)水上升高度為=300m，這是根本不可能的。實際上毛細(xì)水上升不過數(shù)米而已。海森（A.Hazen）提出了下面的經(jīng)驗公式：式中：----毛細(xì)水實際上升高度，m；e----土的孔隙比；-----土的有效粒徑；C----系數(shù)，一般C=（1～5）m2。54無粘性土毛細(xì)

6、水上升高度的大致范圍見P32表2-2。由表2-2可見，礫類與粗砂，毛細(xì)水上升高度很小；細(xì)砂和粉土，不僅毛細(xì)水高度大，而且上升速度也快，即毛細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重。但對于粘性土，由于結(jié)合水膜的存在，將減小土中孔隙的有效直徑，使毛細(xì)水在上升時受到很大阻力，故上升速度很慢。四、毛細(xì)壓力（自學(xué)）§3.2土的滲透性土孔隙中的自由水在位勢差作用下發(fā)生運動的現(xiàn)象，稱為土的滲透性。滲透性是土的重要工程性質(zhì)之一。與土的強度、變形問題一樣，也是土力學(xué)中主要研究課題之一。一、滲流的基本規(guī)律（一）層流滲透定律（達(dá)西定律）1．基本概念（1）流線：水點的運動軌跡稱為流線

7、；（2）層流：如果流線互不相交，則水的運動稱為層流；（3）紊流：如果流線相交，水中發(fā)生局部旋渦，則稱為紊流。一般土（粘性土及砂土等）的孔隙較小，水在土體流動過程中流速十分緩慢，因此多數(shù)情況下其流動狀態(tài)屬于層流。2．達(dá)西定律法國學(xué)者達(dá)西（H·Darcy）于1856年通過砂土的滲透試驗，發(fā)現(xiàn)了地下水的運動規(guī)律，稱為達(dá)西定律。試驗裝置下圖所示。54L----試樣長（砂土）；A----截面積；h----水位差；t-----時間（s）；Q----試驗開始t秒鐘后盛水容器所接水量（cm3）。則每秒鐘滲透量達(dá)西發(fā)現(xiàn)，q與A、h成正比，與L成反比

8、，則寫成：則滲透速度（單位時間通過單位面積的水量）式中：滲透速度，m/s；i------水力坡降（水頭梯度）；K-----滲透系數(shù)（見P32表2-3）。由于達(dá)西定律只適用于層流的情況，故一般只適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等。在粘土中，土顆粒周圍存在著結(jié)合