1、 41 土力学教案 课 次：第 4 次 主要内容：土的毛细性；土的渗透性；土在冻结过程中的水分迁移与集聚 重点内容：土的毛细现象及其危害；达西定律；冻土现象及其对工程的危害 教学方法：精讲启发式 作 业： P45：第 2题、第 3题 第三章 土中水的运动规律 土中水并非处于静止不变的状态，而是在不停的运动着。土中水的运动原因和形式很多，主要有： （ 1）在重力作用下，地下水的渗流 -土的渗透性问题 。 （ 2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出 -土的固结问题 。 （ 3）由于表面张力作用产生的水份移动 -土的毛细现象 。 （ 4）在电分子引力作用下，结合水的移动 -冻结时土中水的迁移 。 （ 5
2、）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的 渗附现象 等。 地下水的运动影响工程的设计方案、施工方法、施工工期、工程投资以及工程长期使用，而且，若对地下水处理不当，还可能产生工程事故。因此，在工程建设中，必须对地下水进行研究。本章重点研究土中水的运动规律及其对土性质的影响。 3.1 土的毛细性 一、 土的毛细现象 1定义 ： 是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或其它方42 向移动的现象 。这种细微孔隙中的水被称为毛细水 ，对工程产生一定的影响。 2. 影响 （ 1）毛细水上升 引起路基冻害 。 （ 2）对于房屋建筑，毛细水上升会引起 地下室过分潮湿 ，需解决防潮问题。 （ 3）毛细水的上
3、升可能引起 土的沼泽化和盐渍化 ，对工程建设及农业生产都产生影响。 下面主要介绍毛细现象中的几个概念。 二、毛细水带 土层是由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带 ，可分如下三种（见P31图 2 1）。 1、正常毛细水带（又称毛细饱和带） 它位于毛细水带的下部，与地下潜水相连通。这部分毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的，毛细水几乎充满了全部孔隙。该水带会随着地下 水位的升降而作相应的移动。 2、毛细网状水带 它位于毛细水带的中部。当地下水位急剧下降时，它也随着急速下降，这时在较细的毛细孔隙中有一部分毛细水来不及移动，仍残留在孔隙中。而在较粗的孔隙中因毛细水下降，孔隙中留下气泡，这样使毛细水呈网
4、状分布。 3、毛细悬挂水带 它位于毛细水带的上部。这一带的毛细水是由地表水渗入而形成的，43 水悬挂在土颗粒之间。 当地表有水补给时，毛细悬挂水在重力作用下向下移动。 上述三个毛细带不一定同时存在，这取决于当地的水文地质条件。如地下水位很高 时，可能只有正常毛细水带，而没有毛细悬挂水带和毛细网状水带；反之，当地下水位较低时，则可能同时出现 3 个毛细水带。 三、毛细水上升高度 1、理论计算公式 假设一根直径为 d 的毛细管插入水中，可以看到水会沿毛细管上升。其上升最大高度为 ： ww dTr Th 42m ax 式中 ： T 水的表面张力（见 P32表 2 1）； d-毛细管直径 ， m； m
5、 -水的 重度 ，取 10kN/m3。 从上式可以看出，毛细水上升高 度与毛细管直径成反比，毛细管直径越细时，毛细水上升高度越大。 2、经验公式 在天然土层中 ， 毛细水的上升高度是不能简单地直接采用上面的公式的。这是因为土中的孔隙是不规则 的 ，与园柱状的毛细管根本不同，使得天然土 层 中的毛细现象比毛细管的情况要复杂得多。例如，假定 粘 土颗粒直径为 d=0.0005mm 的圆球 、那么这种 均 粒土堆积起来的孔隙直径d 5101 cm，代入上式可得毛细水上升高度为 maxh =300m，这是根本不可能44 的 。实际上毛细水上升不过数米而已。 海森（ A.Hazen）提出了下面的经验公式
6、： 100 edch 式中： 0h -毛细水实际上升高度， m； e-土的孔隙比 ； 10d -土的有效粒径 ； C-系数，一般 C=（ 1 5） 510 m2。 无粘性土毛细水上升高度的大致范围见 P32 表 2-2。 由表 2-2 可见，砾类与粗砂，毛细水上升高度 很小；细砂和粉土，不仅毛细水高度大，而且上升速度也快，即毛细现象严重。但对于粘性土，由于结合水膜的存在，将减小土中孔隙的有效直径，使毛细水在上升时受到很大阻力，故上升速度很慢。 四、毛细压力 （自学） 3.2 土的渗透性 土孔隙中的自由水在位势差作用下发生运动的现象，称为土的渗透性 。 渗透性是土的重要工程性质之一。与土的强度、
7、变形问题一样，也是土力学中主要研究课题之一。 一、渗流的基本规律 （一）层流渗透定律（达西定律） 45 1基本概念 （ 1）流线 ： 水点的运动轨迹 称为流线； （ 2）层流 ： 如果流线互不相交 ，则水的运动称为层流 ； （ 3）紊流 ： 如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流 。 一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。 2达西定律 法国学者达西（ H Darcy）于 1856 年通过砂土的渗透试验，发现了地下水的运动规律，称为达西定律。试验装置下图所示。 L-试样 长 （砂土） ； A-截面积 ； h-水位差 ； t-时间
8、（ s） ； Q-试验开始 t 秒钟后盛水容器所接水量（ cm3） 。 则每秒钟渗透量 tQq 达西发现， q 与 A、 h 成正比，与 L 成反比，则写成： 46 kAiLhkAq 则渗透速度 kiAqv （ 单位时间通过单位面积的水量 ） 式中： v 渗透速度， m/s； i-水力 坡降 （水头梯度） ； K-渗透系数（见 P32表 2-3） 。 由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于 中砂 、 细砂 、 粉砂 等。 在粘土中，土颗粒周围存 在着结合水，结合水因受到 电 分子引力的作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的 渗流 受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的 抗
9、 拉强度后才能 开始渗流 。我们将克服此抗 拉 强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度 ib。 这样在粘土中，达西定律为： )( biikv 式中 : ib-起始水头梯度 （起始水力坡降）。 在 砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定律不能 适用，如上图（ c）所示， 需建立紊流情况下的公式关系。 47 3 渗透系数（自学） 4 影响水渗透性的因素 （ 1） 土的粒度成份及矿物成份 土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性越大 。反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘
10、土颗粒时，其渗透系数就大大降低 。 （ 2） 土的矿物成份 关于土的矿物成份对无粘性土的渗透性影响不大，但对于粘性土的渗透性影响较大。 粘性土中含有亲水性较大的粘土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低了土的渗透性 ， 含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的 。 （ 3） 结合水 膜厚度 粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。 （ 4） 土的结构构造 天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。 （
11、 5） 水的粘滞度 水在土中的渗透速度与水的 重度 及粘滞度有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的 重度 随温度变化很小，可略去不计，但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。 48 （ 6） 土中气体 当土中存在封闭气泡时， 会阻塞水的渗透，从而降低了土的渗透性。 二、动水力及渗流破坏 1动水力 水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力 T 的作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上，我们把 水 在土中渗 流时，对单位体积土骨架所产生的 作用力称为动水力 GD（ KN/m3） 。 wD iG *总结 ： 动水力是一
12、个渗透力， 也 是一个体积力 ， 是地下水在渗流过程中对单位体积土骨架所产生的作用力，其大小 与水力坡降成正比 ，其方向与渗流方向一致。 2 流砂 当水流向 下 流动时，动水力方向与重力方向一致，使土颗粒压得更加紧密 ，对 工程有利 。反之，当水流向上 渗 流时，动水力的方向与重力方向相反 。 当动水力 GD的数值等于或大于土的浮重度 r时，土体颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象称为流砂 。即流砂产生的条件为： DG 或 wi 49 令wcri ,称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实际水力坡降 crii ，则会产生流砂。 容许水力坡降Kii cr（取 安全系数
13、K 2.0 2.5），设计时渗流逸出处的水力坡降应满足如下要求： Kiii cr 流砂现象主要发生在 细砂 、 粉砂 及 粉土 等土层中。对于 饱和的低塑性粘性土 ，当受到扰动时，也会发生流砂现象，而在 粗颗粒及粘土 中则不易发生。 流砂现象一般发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。 基坑开挖排水时，常采用 排水沟 明排地下水 的方法。此时地下水流动的方向向着基槽，由于基槽中土体已挖除，形成临空面 ，在动水力的作用下可能产生流砂现象。 这时 ， 坑底土一面挖一面会随水涌出，无法清除，站在坑底的人和放置的施工设备也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑，使坑底土的结构破坏，强度降低，将来会使建筑
14、物产生附加沉降。 一般情况下，施工前应做好周密地勘测工作，当基坑底面的土层属于容易引起流砂现象的土质时，应避免采用 排水沟 明排地下水 ，而应采用 人工降低地下水位（井点降水） 的方法进行施工。 3 管涌： 当水力坡降 i 很大时，引起紊流 ， 水流会将土体中细颗粒土带走， 破坏土的结构， 这种现象称 为 管涌 。 长期管涌的结果会形成地下水洞，土洞由小 逐渐扩大，可导致地表塌陷，如美国的伯明翰市。 50 河滩路堤两侧有水位差时，在路堤内或基底土内发生渗流，当水头梯度较大时，可能产生管涌现象，导致路堤坍塌破坏。为了防止管涌现象发生，一般可在渗流逸出部位 铺设反滤层， 或 做防渗铺盖 或 施工防
15、渗墙 等。 流砂和管涌的区别是 ： 流砂发生在土体表面渗流逸出处 ，不发生于土体内部，而 管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部 。 3.3 流网及其应用（自学） 3.4 土在冻结过程中的水分迁移与集聚 一、冻土现象及其危害 在寒冷季节因大气负温影响，土中 水冻结成冰，此时土称为 冻土 。 1冻土分类 （ 1）季节性冻土 ：是指冬季冻结，夏季全部融化的冻土； （ 2）隔年冻土 ：若冬季冻结，一两年不融化的土层； （ 3）多年冻土 ：凡冻结状态持续三年或三年以上的土层。 多年冻土的表层常覆盖有季节性冻土，故又称 融冻层 。 我国的多年冻土分布，基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区，如东北的大兴安岭北部的小兴安岭北部，青藏高原以及西部天山，阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的 20左右，而季节性冻土分布范围更广。 2冻土现象 在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，会发生一些独特 的现象，称为冻土现象。冻土现象包括冻胀现象和融陷现象。
