K12学习土力学教案.docx

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K12学习土力学教案

土力学教案

　　《土力学》教案

　　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

　　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：

　　在重力作用下，地下水的渗流-----土的渗透性问题。

土在附加应力作用下孔隙水的挤出-----土的固结问题。

于表面张力作用产生的水份移动-----土的毛细现象。

在电分子引力作用下，结合水的移动-----冻结时土中水的迁移。

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。

　　§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

　　41

　　毛细水上升引起路基冻害。

　　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。

　　毛细水的上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、毛细水带土层是于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，可分如下三种。

　　1、正常毛细水带

　　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。

这一带的毛细水是地表水渗入而形成的，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。

　　42

　　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：

　　hmax2T4Trwdw式中：

T水的表面张力；

　　d----毛细管直径，m；

　　m-----水的重度，取10kN/m。

　　3

　　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=的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径d1105cm，代入上式可得毛细水上升高度为hmax=300m，这是根本不可能的。

实际上毛细水上升不过数米而已。

　　海森提出了下面的经验公式：

　　h0

　　ced1043

　　式中：

h0----毛细水实际上升高度，m；

　　e----土的孔隙比；

　　d10-----土的有效粒径；

　　C----系数，一般C=105m2。

　　无粘性土毛细水上升高度的大致范围见P32表2-2。

　　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，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

　　§土的渗透性

　　土孔隙中的自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、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

　　层流渗透定律

　　1．基本概念

　　流线：

水点的运动轨迹称为流线；

　　层流：

如果流线互不相交，则水的运动称为层流；紊流：

如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。

　　44

　　一般土的孔隙较小，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；A----截面积；h----水位差；t-----时间；

　　Q----试验开始t秒钟后盛水容器所接水量。

　　则每秒钟渗透量

　　qQt达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成：

　　qkAhLkAi则渗透速度vqAki式中：

v渗透速度，m/s；

　　i------水力坡降；

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　　K-----渗透系数。

　　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：

　　vk（iib）

　　式中:

ib---起始水头梯度。

　　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，如上图所示，需建立紊流情况下的公式关系。

　　3．渗透系数4．影响水渗透性的因素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

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　　透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。

　　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或有机质时，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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

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　　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。

　　GDiw

　　*总结：

动水力是一个渗透力，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：

　　GD

　　或

　　iw令icr,称为临界水力坡降，只要实际水力坡降iicr，w则会产生流砂。

　　容许水力坡降[i]icr，设计时渗流逸出处K48

　　的水力坡降应满足如下要求：

　　i[i]icrK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，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。

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，土洞小逐渐扩大，可导致地表塌陷，如美国的伯明翰市。

　　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

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　　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。

　　§流网及其应用

　　§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

　　季节性冻土：

是指冬季冻结，夏季全部融化的冻土；隔年冻土：

若冬季冻结，一两年不融化的土层；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。

　　冻胀现象：

某些细粒土层随着土中水的冻结，土体产生体积膨胀，这种现象称为冻胀现象。

　　土层发生冻胀的原因，不仅是于水分冻结成水时其体积要增大9％的缘故，而主要是于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结

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　　《土力学》教案

　　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

　　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：

　　在重力作用下，地下水的渗流-----土的渗透性问题。

土在附加应力作用下孔隙水的挤出-----土的固结问题。

于表面张力作用产生的水份移动-----土的毛细现象。

在电分子引力作用下，结合水的移动-----冻结时土中水的迁移。

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。

　　§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

　　41

　　毛细水上升引起路基冻害。

　　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。

　　毛细水的上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、毛细水带土层是于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，可分如下三种。

　　1、正常毛细水带

　　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。

这一带的毛细水是地表水渗入而形成的，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。

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　　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：

　　hmax2T4Trwdw式中：

T水的表面张力；

　　d----毛细管直径，m；

　　m-----水的重度，取10kN/m。

　　3

　　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=的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径d1105cm，代入上式可得毛细水上升高度为hmax=300m，这是根本不可能的。

实际上毛细水上升不过数米而已。

　　海森提出了下面的经验公式：

　　h0

　　ced1043

　　式中：

h0----毛细水实际上升高度，m；

　　e----土的孔隙比；

　　d10-----土的有效粒径；

　　C----系数，一般C=105m2。

　　无粘性土毛细水上升高度的大致范围见P32表2-2。

　　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，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

　　§土的渗透性

　　土孔隙中的自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、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

　　层流渗透定律

　　1．基本概念

　　流线：

水点的运动轨迹称为流线；

　　层流：

如果流线互不相交，则水的运动称为层流；紊流：

如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。

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　　一般土的孔隙较小，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；A----截面积；h----水位差；t-----时间；

　　Q----试验开始t秒钟后盛水容器所接水量。

　　则每秒钟渗透量

　　qQt达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成：

　　qkAhLkAi则渗透速度vqAki式中：

v渗透速度，m/s；

　　i------水力坡降；

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