第三章土中水的运动规律

不透水层 （完整井）
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点：费用较高，耗时较长
（二） 影响因素
k ? f (土粒特性、流体特性）
?粒径大小及级配 ?孔隙比 ?矿物成分 ?结构和构造
?水的动力粘滞系数 ?饱和度（含气量）
—对k影响很大，封闭气泡
二、毛细水上升机理、上升高度及上升速度
上升机理：
由液体的“表面张力”和毛细管的“湿润现象”产生。
?表面张力：在其作用下，液体力图缩小表面积，从而降低表 面自由能；
?湿润现象：毛细管管壁的分子和水分子之间的引力使与管壁 接触部分的水面呈内凹的弯液面。
结论：上述两种作用周而复始，使毛细管内水柱上升，直至升 高水柱的重力和管壁与水分子之间的引力所产生的上举力平衡 为止。
二、毛细水 上升机理、上升高度及上升速度 分析对象: 水柱
πr2hcγw=2πrTcosα
? 上升高度:
2T cos? hc ? r??
土中毛细现象
毛细升高与孔径成反比
毛细水实际上升高度与理论计算结果不同；
粘土 粉土
毛细管越细，管壁阻力大，毛细水上升速度慢
砂土
三、毛细压力（表面张力效应） 2πrTcosα+ucπr2 = 0 ? 假定α= 0, 毛细压力
第三章 土中水的运动规律
§3 土中水的运动规律
碎散性 多孔介质
概述
渗透特性 强度特性 变形特性
三相体系
孔隙流体流动
能量差
在表面张力作用下，自由水沿细 的孔隙通道移动的现象
各种势能作用下，水在土体孔隙中 流动的现象
毛细现象 渗流
土具有被水透过的性质
渗透性
渗流滑坡
渗流滑坡
§3 土中水的运动规律
3-1 土的毛细性 3-2 土的渗透性与达西定律 3-3 渗流力及渗流稳定分析（重点） 3-4 二维渗流与流网
或
v ? Q ? ki ? k ? h
At
L
达西(定2 -律1)
式中 v ? 断面平均渗透速度
cm/s
Q ? 渗出水量
cm 3
A ? 过水断面
cm 2
k ? 渗透系数 mm/s, cm/s, m/s, m/d
i ? 水力坡降 ?水力梯度 ? ? h ? 水头损失 ?水头差 ?
L ? 渗流途径 cm
渗透系数的物理意义——单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。 反映土体渗透性的大小，是土的重要指标之一。可通过试验测定 。
渗透性很小的粘性土。
试验装置：如图示
试验特点：
Leabharlann Baidu
试样顶部水头随时间变化，作用于试 样两端的水头差h在试验过程中是变化的。
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
管内减少水量＝流经试样水量
－adh=kAh/Ldt
在时段dt内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt
总水头： h ? z ? u
?w
A点总水头：
uA ?w
h1 zA
0
A
B L
基准面
B点总水头：
水力坡降： i ? ? h
L
h1
?
zA
?
uA ?w
h2
?
zB
?
uB ?w
h1 ? h2 ? ? h
Δh
uB
? w h2 zB
0
三、渗透试验与达西定律
层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律
Q ? kAti
uc ? ? ?? hc
? 非饱和土中毛细压力的影响
分析对象: 水膜
对砂土强度的影响:毛细角边水受拉, 土颗粒受压，即假凝聚力：稍湿砂 粒存在粘结作用
四、土的毛细现象对工程的影响
1、毛细水的上升引起建筑物或构筑物地基冻害； 2、毛细水的上升会引起房屋建筑地下室、地下铁道
侧壁过分潮湿，对防潮、防湿带来更高的要求； 3、当地下水有侵蚀性时，毛细水的上升，可能对建
分离变量 积分
k?
aL ln h1 At h2
室内试验方法对比
条件 已知 测定 算定 取值 适用
常水头试验
h=const h，A，L
Q，t QL
k? Aht
重复试验后，取均值
粗粒土
变水头试验
h变化
a，A，L
h，t
k?
aL ln
h1
At h2
不同时段试验，取均值
粘性土
3、野外测定方法 －抽水试验和注水试验法
构筑物基础中的混凝土、钢筋等形成侵蚀作用， 缩短使用年限。 4、毛细水的上升还可能引起土的沼泽化、盐渍化， 对道路、桥梁、水利工程等可能造成影响。
3-2 土的渗透性与达西定律
渗流——各种势能作用下，水在土体孔隙中流动的现象 渗透性 ——土具有被水透过的性质
3-2 土的渗透性与达西定律 一、渗流模型
（一）测定方法
1、常水头渗透试验
适用范围：
透水性强的无粘性土。
试验装置：如图示
试验特点：
水在常水头差h的作用下流过试样。
试验方法： 测量对应于某一时段t， 流经试样的水量Q
Q=vAt
v=ki i=h/L
QL k?
Aht
k ? aL ln h1
2、变水头渗透试验 A(t2 ? t1) h2
适用范围：
试验方法：
理论依据：
A=2πrh i=dh/dr
q ? Aki ? 2?rh?k dh
dr
dr
q ? 2?khdh
r
q ln r2 r1
? ? k(h22 ?
h12 )
k ? q ln(r2 / r1 )
? h22 ? h12
抽水量Q 井
观察井
r2 r r1
dr dh
地下水位≈测压管水面
h1 h
h2
层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。
a）水在土孔隙中的运动轨迹； b）理想化的渗流模型
图3-3 渗流模型
3-2 土的渗透性与达西定律 二．渗流中的水头与水力坡降
板桩墙 基坑
透水层 不透水层
A
B L
二．渗流中的水头与水力坡降
总水头－单位质量水体所具有的能量
u v2 h? z? ?
?w 2g z：位置水头 u/γw：压力水头 V2/(2g)：流速水头≈0
达西定律的基本假定： （1）采用了以整个断面计算的假想平
均流速，而不是孔隙流体的实际流 速。实际流速要比平均流速大。
（2）采用了以土样长度为渗径的平 均水力梯度，而不是渗透水流的真 正水力梯度。
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
适用条件：大部分砂土，粉土； 疏松的粘土及砂性较重的粘性土
粘土 起始水力梯度
四、渗透系数
3-1 土的毛细性
一、土层中毛细水的分布 毛细水带：
土层中毛细水所浸润的范围。 分为三类： 1、正常毛细水带(又称毛细饱和带)：
潜水面直接上升而形成。 2、毛细网状水带：
由地下水位的变动而引起 。 3、毛细悬挂水带：地表水渗入形成
三种毛细水带不一定同时存在； 毛细水带内土的含水率随深度变化
3-1 土的毛细性