土力学-3.土中水的运动规律

学
2不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的
资 空间之总和均为渗流所充满。
环
这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，
安 称之为渗流模型，而为了使渗流模型在渗流特性上与
学 院
真实的渗流相一致，还应符合以下三个要求： 1在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的
流量；
2在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力
资 有名的是海森经验公式：
环
安 学
h0

C ed10
系数，与土粒形 状及表面洁净情 况有关
院
C 1105 ~ 5105(m2)
为毛细水的上
土 升高度（m） 力 学
为土的 孔隙比
为土的有效 粒径（m）
南 三、毛细压力
华
大 学 资 环
当砂土中有一定的含水量时，就表现为砂颗粒间 存在一些粘结力，如在装满砂子的杯子中埋一根筷子， 之后在砂中洒上一定量的水，就可以用筷子将杯子连 同砂子一并提起。但是，干燥的砂子却不存在这样的 现象。这就是所谓的毛细压力。
资 这就造成了力的不平衡，由此管内的水柱就会升
环 高，直到水柱达到平衡状态为止。
安 参看图:
学
P P
院
P 合力S
合力S
合力S
h1
h2 G
G
土
力
I
II
III
学
P > G=0
P>G
P=G
南 华
若毛细管内水柱上升到最大高度hmax，其管
大 壁与弯液面水分子间各种作用的合力S表现为水
学 的表面张力σ ，合力S与管壁间的夹角为θ ―称
为取0度，即认为是完 全湿润的。
南 毛细管内液面以上水柱的重力G为：
华 大
G


w
r
h2 max
rw 为水的重度
学
可见，此时的水柱为平衡状态，因此：
资即
PG
环 安
2 r
cos


w
r
h2 max
学 若令 00 上式即为毛细水上升最大高度的计算公式：
院
hmax

2 r w

4 d w
院 在土中的渗透规律及其与工程的关系进行研究，以便为
土工建筑设计与施工提供资料。
土
需要讨论的有四个问题：(1)渗流模型；(2)土中水
力 学
渗透的基本规律（层流渗透定律）；(3)影响土渗透性 的一此因素；(4)动水力及流砂现象。
南 一、渗流模型
华
大
首先，对渗流作出一些简化：
1不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；
d为毛细管的直
径，d=2r
土
由此可以看出，毛细水上升高度与毛细管的直径成反
力 比，直径越细时，毛细水上升越高。但此公式只适用于圆
学 柱状的毛细现象。
南
上述公式只适用于圆柱状的毛细现象，而在天然土层
华 中的毛细现象是要复杂地多的，这是由于土颗粒与水之间
大 所存在着的物理化学作用等等因素。
学
土层中实际的毛细水上升高度有一些估算公式，最为
华 土中孔隙水(主要是指重力水)的运动规律
大
土是具有连续孔隙的介质，因此水能在其中流动。
学 水在水头差作用下透过土体孔隙的现象称为渗透。土这
资 种具有使水渗透的性质，即土孔隙中的自由水在重力作
环 用下发生运动的现象，称为土的渗透性。
安
水在土体中渗透，使土体内部产生渗透力，将改变
学 土体的稳定条件，因此，我们必须对土的渗透性质，水
资 沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。而这
环 种细微孔隙中的水被称为毛细水。土的毛细现象对
安 工程的影响有：
学
院
1、毛细水的上升是路基冻害的因素之一；
2、对于房屋建筑，导致地下室过分潮湿；
土
3、引起土的沼泽化和盐渍化。
力
学
南 一、土层中的毛细水带
华
土层中由于毛细现象所湿润的范围称为毛细水带。据其形成
资 为湿润角，那么作用在毛细水柱上向上的力P为：
环 (沿管壁一周的张力的向上的合力)
P
S
S
安 学
θθ
P S 2 r cos 2 r cos
院
毛细管的半
径（m）
G
湿润角，取决于管壁材
土 力
水的表面张力 （N/m）,与温度和
料与液体性质。对于毛 细管内的水柱，可以认
学
水的密度有关
院 用下移动。
3.毛细悬挂水带：位于毛细水带的上部。是由地表水渗入而
土 成的，不与中部或下部的毛细水相连。
力
这三种毛细水带不一定同时存在，要取决于当地的水文地质
学 条件。
南 二、毛细水上升高度及上升速度
华
大 学
毛细现象的产生，是由两方面合作用而形
资 成的。一是，毛细水管壁的分子和水分子之间
环 有引力作用，使得与管壁接触部分的水面呈向
安
两个土粒的接触面间有一些毛细水，由于土粒表
学 面的湿润作用，使毛细水形成弯面。在水和空气的分
院 界面上产生的表面张力是沿着弯液面切线方向作用的，
它促使两个土粒互相靠拢，在土粒的接触面上就产生
土 一个压力，称为毛细压力。它是一种假的内聚力。当
力 砂土完全干燥时，毛细压力也就消失了。
学
南 §3.2 土的渗透性
土 相等；
大 条件和分布状况分为三种：
学ห้องสมุดไป่ตู้
1.正常毛细水带（以称毛细饱和带）：它位于毛细水带的下
资 部，与地下替水连通。这类似于体温计的水银泡。
环
2.毛细网状水带：位于毛细水带的中部。类似于水银计的上
安 部水银，当温度下降时，其与底部的水银泡相隔断，呈悬空状
学
态。在较粗的孔隙中因毛细水下降，孔隙中留下空气泡，这样 使毛细水呈网状分布。这种毛细水可以在表面张力和重力的作
环 2、在土中附加应力作用下孔隙水的挤出―土的固结问题； 安 3、水的毛细现象； 学 院 4、在土颗粒的分子引力作用下结合水的移动；
5、水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。
土 许多工程事故、工程实践都是由于土中水的运动 力 对土的性质产生了影响而来的。 学
南 §3.1 土的毛细性
华
大 学
土的毛细现象是指土中水在表面张力的作用下，
安 上的弯曲状，这种现象一般称为湿润现象；二
学 是水与空气的分界面上存在表面张力，而液体 院
总是要尽力缩小自己的表面积，以使表面自由
土 能变得最小，即一滴水珠总是成为球状的原因。 力 学
南
华
然而，由于湿润现象促使管内液面形状弯曲，
大 而表面张力又要使得液面表面积变小，但是，前
学 者，即管壁与水分子之间的引力要比后者大的多，
南 第三章 土中水的运动规律
华
大
学
主要内容
资
环 安
§3.1 土的毛细性
学 §3.2 土的渗透性
院 §3.3 流网及其应用
土 §3.4 土在冻结过程中水
力
分的迁移和积聚
学
南 华
土中水
大 土中的水是运动着的，并非静止不动。其运动
学 原因和形式很多：
资 1、水在重力作用下的流动―土的渗透性问题；