第二章 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 土力學(xué)與基礎(chǔ)工程

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1、第二章土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律學(xué)習(xí)內(nèi)容：（1）毛細(xì)水產(chǎn)生的原因和對(duì)工程的影響以及土的凍結(jié)（2）達(dá)西定律（3）流沙、管涌現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、對(duì)工程的危害以及防治措施第一節(jié)土的毛細(xì)性土的毛細(xì)現(xiàn)象：土中水在表面張力作用下，沿著土中毛細(xì)孔隙向上及向其它方向移動(dòng)的現(xiàn)象一.土層中的毛細(xì)水帶正常毛細(xì)水帶毛細(xì)網(wǎng)狀水帶毛細(xì)懸掛水帶hc毛細(xì)水重力水二.土中水毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)工程的影響：1).毛細(xì)水的上升是引起路基凍害的因素之一；2).對(duì)于房屋建筑,毛細(xì)水的上升會(huì)引起地下室過分潮濕；3).毛細(xì)水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化,對(duì)建筑工程及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)都有很大影響。三.毛細(xì)水上升機(jī)理及上

2、升高度與速度:1）在毛細(xì)管內(nèi)的水柱,由于濕潤現(xiàn)象使彎液面呈內(nèi)凹狀時(shí),水柱的表面積就增加了,這時(shí)由于管壁與水分子之間的引力很大,促使管內(nèi)的水柱升高,從而改變彎液面形狀,縮小表面積,降低表面自由能。但當(dāng)水柱升高改變了彎液面的形狀時(shí),管壁與水之間的濕潤現(xiàn)象又會(huì)水柱面恢復(fù)為內(nèi)凹的彎液面狀。這樣周而復(fù)始,使毛細(xì)管內(nèi)的水柱上升,直到升高的水柱重力和管壁與水分子間的引力所產(chǎn)生的上舉力平衡為止。2)毛細(xì)水上升最大高度：3)在較粗顆粒土中，毛細(xì)水上升一開始進(jìn)行得很快，以后逐漸減慢，而細(xì)顆粒土中毛細(xì)水上升高度較大，但速度較慢.毛細(xì)壓力：土粒接觸面間的毛細(xì)水由于濕潤

3、作用形成彎液面，在水和空氣分界面上產(chǎn)生的表面張力是沿著彎液面切線方向作用的，它促使土粒互相靠攏，在土粒的接觸面上就產(chǎn)生一個(gè)壓力，稱為毛細(xì)壓力。四.土的凍結(jié)凍土根據(jù)其凍融情況可以分為：季節(jié)性凍土、隔年凍土和多年凍土季節(jié)性凍土：冬季凍結(jié)、夏季全部融化的凍土隔年凍土：冬季凍結(jié)、一二年不融化的土層多年凍土：凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)3年或3年以上的土層凍土現(xiàn)象：在凍土地區(qū)，隨著凍結(jié)和融化會(huì)發(fā)生特殊的現(xiàn)象，稱為凍土現(xiàn)象。凍脹現(xiàn)象：粘性土層在凍結(jié)時(shí)，往往會(huì)發(fā)生土層體積膨脹，使地面隆起成丘，稱為凍脹現(xiàn)象。凍融現(xiàn)象：土層解凍融化后，由于土中含水量增加，且地基細(xì)粒土排水能力差

4、，土層處于飽和狀態(tài)，土層軟化，強(qiáng)度大大降低，稱為凍融現(xiàn)象。凍土現(xiàn)象及其對(duì)工程的危害凍土現(xiàn)象是由凍結(jié)和融化兩種作用引起。凍結(jié)時(shí)，往往發(fā)生土層體積膨脹使地面隆起成丘，形成凍脹；土層發(fā)生凍脹的原因，不僅是由于水分凍結(jié)成冰時(shí)其體積要增大9%的緣故，而主要是由于土層凍結(jié)時(shí)，周圍未凍結(jié)區(qū)土中的水分會(huì)向表層凍結(jié)區(qū)遷移集聚，使凍結(jié)區(qū)土層中水分增加，凍結(jié)后的冰晶體不斷增大，土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起；當(dāng)凍脹土層融化后，土中含水量大大增加，加之細(xì)粒土排水能力差，土層處于飽和狀態(tài)，強(qiáng)度大大降低，在車輛荷載作用下，極易造成路面的破壞。凍脹機(jī)理及影響因素1）凍脹機(jī)理當(dāng)大氣

5、溫度降到負(fù)溫時(shí)，土層中溫度也隨之降低，土孔隙中的自由水首先在00c時(shí)凍結(jié)成冰晶體。隨著氣溫的繼續(xù)下降，弱結(jié)合水的最外層也開始凍結(jié)，使冰晶體逐漸擴(kuò)大，這樣使冰晶體周圍土結(jié)合水膜減薄，土粒就產(chǎn)生剩余的分子引力。另外，由于結(jié)合水膜的減薄，使得水膜中的離子濃度增加（因?yàn)榻Y(jié)合水中的水分子結(jié)成冰晶體，使離子濃度相應(yīng)增加），這樣，就產(chǎn)生滲附壓力（即當(dāng)兩種水溶液的濃度不同時(shí)，會(huì)在它們之間產(chǎn)生一種壓力差，使?jié)舛容^小溶液中的水向濃度較大的溶液滲流）。在這兩種引力作用下，附近未凍結(jié)區(qū)水膜較厚處的結(jié)合水，被吸引到凍結(jié)區(qū)的水膜較薄處。一旦水分被吸引到凍結(jié)區(qū)后，因?yàn)樨?fù)溫作

6、用，水即被凍結(jié)，使冰晶體增大，而不平衡引力繼續(xù)存在。若未凍結(jié)區(qū)存在著水源（如地下水距凍結(jié)區(qū)很近）及適當(dāng)?shù)乃囱a(bǔ)給通道（即毛細(xì)通道），能夠源源不斷地補(bǔ)充被吸引的結(jié)合水，則未凍結(jié)區(qū)的水分就會(huì)不斷地向凍結(jié)區(qū)遷移積聚，使冰晶體擴(kuò)大，在土層中形成冰夾層，土體積發(fā)生隆脹，即凍脹現(xiàn)象。這種冰晶體的不斷增大，一直要到水源的補(bǔ)給斷絕后才停止。凍脹機(jī)理溫度結(jié)合水遷移學(xué)說自由水結(jié)冰弱結(jié)合水凍結(jié)結(jié)合水膜變薄土粒產(chǎn)生剩余分子引力水膜中離子濃度增加產(chǎn)生滲附壓力未凍結(jié)區(qū)水膜厚處的結(jié)合水吸引到凍結(jié)區(qū)水膜較薄處冰晶體增大未凍結(jié)區(qū)水分不斷向凍結(jié)區(qū)遷移積聚形成冰夾層凍脹未凍區(qū)存在水

7、源毛細(xì)通道2）影響凍脹的因素土的因素水的因素溫度的因素在持續(xù)負(fù)溫作用下，地下水位較高處的粉砂、粉土、亞粘土、輕亞粘土等土層常發(fā)生較大的凍脹危害。浸潤線流線等勢(shì)線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動(dòng)在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透第二節(jié)土的滲透性基準(zhǔn)線12一.土的層流滲透定律（達(dá)西定律）大多數(shù)情況下，土中水的滲流屬于層流，符合達(dá)西定律v——滲流速度（m/s)；k——滲透系數(shù)，（m/s)；I——水頭梯度，為水頭損失?h與滲透路徑長度L之比q——滲透流量（m3/s)或上式只適用于層流的情況,故一般只適用于中

8、砂、細(xì)砂、粉砂等，對(duì)粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土就不適用對(duì)于密實(shí)的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值后，克服了吸著水的