土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)-第三、四章公開(kāi)課教案課件

2024年1月2日

第3章土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以解決土的施工降水問(wèn)題、滲流破壞問(wèn)題以及土的滲流控制問(wèn)題。3.1土的毛細(xì)性

當(dāng)土體中孔隙細(xì)微，具有毛細(xì)性，會(huì)引起地基土凍脹、路基凍害等，在工程中需加以研究和防治。一、土層中的毛細(xì)水帶毛細(xì)水帶是由于土的毛細(xì)性所濕潤(rùn)的范圍。可分為以下三種：1.正常毛細(xì)水帶是靠毛細(xì)作用自地下潛水面上升的毛細(xì)飽和帶。2.毛細(xì)網(wǎng)狀水帶是地表滲水或毛細(xì)水帶下降過(guò)程中殘留在土中的網(wǎng)狀水帶。3.毛細(xì)懸掛水帶是由地表水滲入而形成的懸掛在土粒之間的水帶。當(dāng)?shù)乇斫邓畷r(shí)，毛細(xì)懸掛水帶在重力作用下向下移動(dòng)。

2024年1月2日

二、毛細(xì)水上升高度及上升速度為了了解毛細(xì)水上升高度，借助于毛細(xì)管中的毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)行研究。設(shè)毛細(xì)管內(nèi)的最大上升高度為，毛細(xì)水柱重：

毛細(xì)水上升達(dá)到時(shí)的上舉力為：

由有：若令，可得：由此式可見(jiàn)，毛細(xì)管直徑越小，毛細(xì)水上升高度越大。由于土體中的孔隙通道錯(cuò)綜復(fù)雜，不能直接套用該式，可引用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：式中為與土有關(guān)的系數(shù)；和分別為土的孔隙比和有效粒徑。土中毛細(xì)水上升速度可由試驗(yàn)測(cè)得。2024年1月2日

三、毛細(xì)壓力當(dāng)砂土中含水份較少時(shí)，在土粒接觸點(diǎn)附近存在彎液面，在表面張力的作用下土粒接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)壓力。這種毛細(xì)壓力能使砂土粒粘聚在一起。所以毛細(xì)壓力也稱為假粘聚力。當(dāng)土中水份蒸發(fā)或水份增加時(shí)，假粘聚力就會(huì)消失。

3.2土的滲透性土的滲透性是指地下水能在土的孔隙中通過(guò)的性能。由于土中運(yùn)動(dòng)的水體對(duì)土骨架產(chǎn)生作用力，土骨架也對(duì)運(yùn)動(dòng)的水產(chǎn)生阻力。利用這種相互作用規(guī)律可以解決許多工程問(wèn)題。例如施工降水問(wèn)題、滲流破壞問(wèn)題、滲流控制問(wèn)題等。一、滲流模型由于土的種類繁多，土中的孔隙錯(cuò)綜復(fù)雜，研究滲流問(wèn)題需做適當(dāng)?shù)姆诸惡秃?jiǎn)化，以便于建立分析模型?？疾鞚B流現(xiàn)象將其分為兩種類型：層流；紊流。層流是流線平行的緩慢滲流；紊流是流線交錯(cuò)的無(wú)序滲流。在層流中將滲流速度(孔隙水流速)簡(jiǎn)化為地下水體的移動(dòng)速度。即平均流速：2024年1月2日

二、達(dá)西定律

地下水自點(diǎn)流向點(diǎn)，是因?yàn)辄c(diǎn)水頭壓力大于點(diǎn)的水頭壓力。其壓力差可以水頭差反映，單位距離上的水頭差叫做水頭梯度。達(dá)西根據(jù)砂土的滲流試驗(yàn)總結(jié)出滲流速度與水頭梯度成正比：或?qū)︷ば酝粒?/p>

式中為滲透系數(shù)，可由試驗(yàn)測(cè)定。三、土的滲透系數(shù)(一)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定法1.常水頭試驗(yàn)：2024年1月2日

2.變水頭試驗(yàn)：設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)段水頭變化為水量變化為。則：

整理得：

積分得：

即(二)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)測(cè)定法2024年1月2日

2.變水頭試驗(yàn)：設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)段水頭變化為水量變化為。則：

整理得：

積分得：

即(二)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)測(cè)定法2024年1月2日

(三)成層土的滲透系數(shù)四、影響土的滲透性的因素1、土的粒度成分及礦物成分土粒愈粗，愈均勻，k愈大；黏土礦物愈多，k愈小。2、結(jié)合水膜的厚度結(jié)合水膜厚度愈大，土的孔隙阻塞愈嚴(yán)重，

k愈小。3、土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造各向異性越強(qiáng)，土在不同方向上的滲透性差異越大。擾動(dòng)土的k

值小于原狀土，大孔隙黃土。4、水的黏滯度溫度愈高，水的黏滯度愈小，k

值愈大。5、土中氣體當(dāng)土中含有封閉氣體時(shí)，會(huì)阻塞孔隙通道，使k

值降低。2024年1月2日２、流砂現(xiàn)象、管涌和臨界水力梯度在細(xì)砂和粉土中，當(dāng)動(dòng)水力的方向向下時(shí)，土粒間壓力增大；當(dāng)動(dòng)水力的方向向上時(shí)，土粒間壓力減小。當(dāng)動(dòng)水力大于等于土的有效重度，且方向向上時(shí)，土粒間壓力等于零，即出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。管涌是細(xì)小土粒在土孔隙中流走的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)流砂時(shí)：

其中，臨界水力梯度：；在工程中要求：３、流砂防治措施a打鋼板樁法；b設(shè)置旋噴樁止水帷幕法；c凍結(jié)法。五、動(dòng)水力及滲流破壞１、動(dòng)水力的計(jì)算公式土中水滲流時(shí)對(duì)土骨架的作用力叫動(dòng)水力,也叫滲流力。以

表示。

式中

土骨架阻力2024年1月2日

3.3

流網(wǎng)及其應(yīng)用在實(shí)際工程中的滲流情況十分復(fù)雜，其中有一維滲流、二維滲流、三維滲流。例如：大面積堆載加固飽和軟粘土、水壩滲流計(jì)算、基坑開(kāi)挖降水計(jì)算等。其中多數(shù)可簡(jiǎn)化為二維滲流情況。二維滲流流網(wǎng)可由兩組正交曲線表示。一組是流線，另一組是等勢(shì)線。一、平面滲流基本微分方程以水壩滲流計(jì)算為例：取單元體：設(shè)X,Z方向的流速為：?jiǎn)挝粫r(shí)間流入單元體的水量：?jiǎn)挝粫r(shí)間流出單元體的水量：根據(jù)滲流連續(xù)條件(土體不變形)：得：2024年1月2日

由達(dá)西定律：代入上式：

得：

即：對(duì)于各向同性土：得：地下水運(yùn)動(dòng)的Laplace方程引入勢(shì)函數(shù)：則：2024年1月2日

把(１)式對(duì)X微分，(2)式對(duì)Z微分，代入Laplace

方程：得：說(shuō)明勢(shì)函數(shù)也滿足Laplace方程

流線方程可表示成：設(shè)流線方程為某一流函數(shù)的全微分，則：

因此有：

比較前面的推導(dǎo)有：由此得：2024年1月2日

把(１)式對(duì)X微分，(2)式對(duì)Z微分，代入Laplace

方程：得：說(shuō)明勢(shì)函數(shù)也滿足Laplace方程

流線方程可表示成：設(shè)流線方程為某一流函數(shù)的全微分，則：

因此有：

比較前面的推導(dǎo)有：由此得：2024年1月2日

則：，即也滿足Laplace方程

Laplace方程可用解析法或數(shù)值法求解。求解后得到兩組曲線稱為流網(wǎng)。流網(wǎng)的性質(zhì)：

(1)流線與等勢(shì)線互相正交；

(2)每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比為常數(shù),即網(wǎng)格為曲線正方形；

(3)任意兩相鄰流線間的滲流量相等；

(4)任意兩相鄰等勢(shì)線間的水頭損失相等相等。二、流網(wǎng)的應(yīng)用應(yīng)用程序：按要求繪制流網(wǎng)；求各水頭梯度；求滲透系數(shù)；求滲流量１、水頭梯度２、求滲透速度３、滲流量

2024年1月2日一、凍土現(xiàn)象及其對(duì)工程的危害二、凍脹的機(jī)理與影響因素1、凍脹的要素：1)低溫；2)水源(地下水)；3)弱結(jié)合水膜轉(zhuǎn)移。地基不均勻凍脹融沉，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞。3.4土在凍結(jié)過(guò)程中水分的轉(zhuǎn)移2、地基凍脹性分類

1）分類依據(jù)：a土的類別(有否弱結(jié)合水膜)；毛細(xì)水上升

b凍前天然含水量(弱結(jié)合水膜厚度)；

c凍結(jié)期間地下水位距離凍結(jié)面的最小距離(毛細(xì)水上升路徑的長(zhǎng)短)；

d平均凍脹率

2）分類方法：建筑地基規(guī)范將土的凍脹性分為5類：不凍脹、弱凍脹、凍脹、強(qiáng)凍脹、特強(qiáng)凍脹。三、凍結(jié)深度1、季節(jié)性凍土地基的設(shè)計(jì)凍深——標(biāo)準(zhǔn)凍深，地表平坦、裸露、城市之外的空曠場(chǎng)地中不

少于10年實(shí)測(cè)最大凍深的平均值。按規(guī)范圖查取或?qū)崪y(cè)。

——土的類別對(duì)凍深的影響系數(shù)，按規(guī)范取值；

——土的凍脹性對(duì)凍深的影響系數(shù)，按規(guī)范取值；

——環(huán)境對(duì)凍深的影響系數(shù)，按規(guī)范取值；

——基礎(chǔ)底面下允許殘留凍土層的最大厚度,按規(guī)范取值。2、基礎(chǔ)最小埋深四、防止凍害的措施1）減少切向凍脹力；2）減水防凍；3）增強(qiáng)房屋的整體剛度；4）減小對(duì)凍脹的約束；5）保溫；作業(yè)：3-22024年1月2日第４章土中應(yīng)力計(jì)算

４.1

概述一、土中應(yīng)力計(jì)算的目的和方法(1)研究和解決土體的變形問(wèn)題；(2)研究和解決土體的強(qiáng)度問(wèn)題；(3)研究和解決土體的穩(wěn)定性問(wèn)題；(4)關(guān)于土體作為力學(xué)介質(zhì)的假定。在計(jì)算土中應(yīng)力時(shí)，假定土體是均勻連續(xù)、各向同性的半無(wú)限線性變形體。三、應(yīng)力坐標(biāo)和符號(hào)的規(guī)定采用空間直角坐標(biāo)系表示土中應(yīng)力的位置和方向。Z

軸以向下為正，應(yīng)力以受壓為正。四、土中應(yīng)力劃分土中應(yīng)力劃分為：自重應(yīng)力；附加應(yīng)力；有效應(yīng)力；孔隙水壓力等。2024年1月2日

4.2土中自重應(yīng)力一、基本計(jì)算公式(均質(zhì)土中豎向自重應(yīng)力)在土體內(nèi)豎向取單位面積土柱，由于對(duì)稱性，土柱側(cè)面無(wú)剪應(yīng)力，由土柱豎向平衡有：豎向自重應(yīng)力二、土體成層及有地下水時(shí)的計(jì)算公式1、當(dāng)土體成層時(shí)

２、土層中有地下水時(shí)無(wú)黏性土和的黏性土中，取計(jì)算。對(duì)的黏性土取計(jì)算。對(duì)的黏性土按不利狀態(tài)考慮。三、水平向自重應(yīng)力

式中：土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)得。2024年1月2日

4.3基底壓力一、基礎(chǔ)底面壓力分布的概念

二、基底壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法1、中心荷載作用時(shí)２、偏心荷載時(shí)當(dāng)時(shí)，三、基底附加壓力基底附加壓力是引起地基土沉降的壓力：2024年1月2日

4.3基底壓力一、基礎(chǔ)底面壓力分布的概念

二、基底壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法1、中心荷載作用時(shí)２、偏心荷載時(shí)當(dāng)時(shí)，三、基底附加壓力基底附加壓力是引起地基土沉降的壓力：2024年1月2日

4.4豎向集中力作用下土中應(yīng)力計(jì)算

1、布辛奈斯克解（P63）２、等代荷載法系數(shù)表達(dá)式若干力作用時(shí)：式中查表4-2。2024年1月2日

4.5豎向分布荷載作用下土中應(yīng)力計(jì)算

1、矩形均布荷載角點(diǎn)下的