工程巖土 課件 模塊三 瞭認(rèn)識巖土水理性質(zhì)

認(rèn)識地表水與地下水

水的循環(huán)——大氣水、地表水和地下水之間不間斷的運動和相互轉(zhuǎn)化的過程。任務(wù)導(dǎo)入：認(rèn)識地表水與地下水任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水一、認(rèn)識地表水廣義的地表水：指地球表面的一切水體，包括海洋、冰川、湖泊、沼澤以及地下一定深度的水體。1.基本概念狹義的地表水：專指地球陸地表面暴露出來的水體，用以和地下水相區(qū)別，基本指河流、湖泊、沼澤和冰川4種水體，不包括海洋。2.形成原因

地表水由經(jīng)年累月自然的降水和下雪累積而成，并且自然地流失到海洋或者是經(jīng)由蒸發(fā)消逝，以及滲流至地下。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水地下水(groundwater)，是指賦存于地面以下巖石空隙中的水，狹義上是指地下水面以下飽和含水層中的水。在國家標(biāo)準(zhǔn)《水文地質(zhì)術(shù)語》(GB/T14157-93)中，地下水是指埋藏在地表以下各種形式的重力水。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水二、認(rèn)識地下水1.基本概念2.地下水存在的形式地下水的存在形式主要為氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)三種。132氣態(tài)水以水蒸氣的形式儲存在地下的水液態(tài)水結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水固態(tài)水指巖石中溫度在0℃以下的重力水。即以冰的形態(tài)出現(xiàn)的重力水，常分布在季節(jié)性和永久性結(jié)冰的地區(qū)。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水即：氣態(tài)水、結(jié)合水、重力水、毛細(xì)水、固態(tài)水。2.地下水存在的形式強結(jié)合水：為緊靠土粒表面的結(jié)合水,不是因重力作用而變化的固態(tài)水。弱結(jié)合水：為緊靠強結(jié)合水的外圍形成的一層水膜。重力水（自由水）：在重力作用下能自由運動的地下水稱為重力水。毛細(xì)水：在巖石毛細(xì)孔隙中或孔道狹窄部分的水。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水強結(jié)合水弱結(jié)合水重力水3.地下水的基本類型

地下水按埋藏條件可分為上層滯水、潛水、承壓水。上層滯水潛水承壓水隔水層任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水（1）上層滯水任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水

埋藏于地表淺層、局部隔水層的上部且具自由水面的地下水。（2）潛水潛水的水面為自由水面，稱為潛水面；潛水面至地面的距離稱為潛水埋藏深度（T）;潛水面到隔水底板的距離為潛水含水層厚度（H0）。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水

埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層之上，具有自由水面的重力水稱為潛水。（3）承壓水

任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間,含水層中具有水頭壓力的地下水。按含水層性質(zhì)分類，可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水。孔隙水：疏松巖石孔隙中的水。裂隙水：賦存于堅硬、半堅硬基巖裂隙中的重力水。巖溶水：賦存于巖溶空隙中的水。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水4.地下水對工程的影響（1）地下水位下降引起軟土地基沉降

對于軟土層，如進行人工降低地下水位時，如降水措施不當(dāng)，會帶來以下后果：周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降；可能造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降建筑物基礎(chǔ)下的土體顆粒流失，甚至掏空，導(dǎo)致建筑物開裂和危及安全使用。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水（2）動水壓力產(chǎn)生流土和管涌（潛蝕）

流土：當(dāng)?shù)叵滤韵露狭鲃訒r產(chǎn)生的動水壓力等于土體的有效重度時，

土顆粒之間的有效應(yīng)力等于零，土粒就處于懸浮狀態(tài)，這種懸浮流動現(xiàn)象稱為流土。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水（2）動水壓力產(chǎn)生流土和管涌（潛蝕）

管涌（機械潛蝕）：在具有一定滲流速度（或梯度）的水流作用下，其細(xì)小顆粒被沖走，土中的空隙逐漸增大，慢慢形成一種能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，從而掏空地基或壩體，使之變形、失穩(wěn)，此現(xiàn)象即為管涌。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水（3）地下水的浮托作用

當(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時，地下水對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。

地下水不僅對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力，同樣對其水位以下的巖石、土體產(chǎn)生浮托力。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水（4）基坑突涌—承壓水對基坑的作用

基坑開挖減小了含水層上覆隔水層的厚度，當(dāng)上覆土重小于承壓水的頂托力時，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌。任務(wù)實施：認(rèn)識地表水與地下水任務(wù)總結(jié)：認(rèn)識地表水與地下水鞏固提升任務(wù)一：（鞏固）：完成平臺相關(guān)測試任務(wù)二：（拓展）：參與論壇話題討論

潛水和承壓水有何不同？任務(wù)三：（預(yù)習(xí)）：預(yù)習(xí)土的滲流和滲透性

認(rèn)識土的滲透性

任務(wù)導(dǎo)入1998年九江大堤決口1998年8月7日，九江市長江大堤決口，滔滔洪水滾滾而下，轉(zhuǎn)瞬間，美麗的九江城便一片汪洋，駭目驚心。1.滲透的概念碎散性多孔介質(zhì)土三相體系孔隙流體流動任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性

水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流

土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性透水層不透水層防滲體壩體浸潤線土石壩壩基壩身滲流的例子透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑開挖滲流1.滲透的概念滲流問題：滲透破壞1.滲透的概念任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性滲流滑坡降雨入滲引起的滑坡滲透特性強度特性變形特性互相關(guān)聯(lián)互相影響土力學(xué)重要課題2.滲透試驗與達(dá)西定律

水在土孔隙中流動的過程，稱為滲透或滲流，因水流速度不同而分為層流、紊流和混合流三種形式。層流：水在巖土空隙中流動時，水質(zhì)點有秩序地、互不混雜地流動。紊流：水在巖土空隙中流動時，水質(zhì)點無秩序地、互相混雜的流動?；旌狭鳎簩恿骱臀闪魍瑫r出現(xiàn)。任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性地下水在絕大多數(shù)自然條件下，流速較小，故多屬層流運動。任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性1856年法國學(xué)者達(dá)西（Darcy）對砂土的滲透性進行研究。（1）滲透試驗實驗條件等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面為A；上下各置一個穩(wěn)定的溢水裝置——保持穩(wěn)定水流；實驗時上端進水，下端出水；砂筒中安裝了2個測壓管；下端測出水量（outflow）——Q。LAh1h2QQ透水石h任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性試驗結(jié)果：式中：v------滲透速度，m/s；i------水力坡降（水頭梯度）；K-----滲透系數(shù)（permeabilitycoefficient）。發(fā)現(xiàn)土中單位時間滲流量q與土樣斷面積A及試樣兩端面的水頭差i成正比，而與流過的土樣長度L成反比，即任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性

表明：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比。v=ki達(dá)西定律i-水力梯度k-滲透系數(shù)v-滲透速度，非真實流速（2）達(dá)西定律（線性滲透定律）

當(dāng)i=1時，v=k。這表明滲透系數(shù)k是單位水力坡降的滲透速度，它是表示土的滲透性強弱的指標(biāo)，一般由滲透試驗確定。任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性（3）達(dá)西定律適用范圍飽和砂土的滲透速度與水頭梯度呈線性關(guān)系。

飽和密實粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透；同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系。ib計算起始水力坡降直線簡化v=kiivO砂土0iv密實粘土達(dá)西定律任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性

在礫類土和巨粒土中，若水頭梯度較大，水在其中的流動大多是紊流狀態(tài)，呈非線性關(guān)系；只有在較小的水頭梯度時，才可能是線性的。達(dá)西定律適用于飽和砂土、層流，不適用于紊流0iv礫土（3）達(dá)西定律適用范圍3.滲透系數(shù)的測定任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性(1)常水頭試驗-整個試驗過程中水頭保持不變。適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。達(dá)西定律(2)變水頭試驗—整個試驗過程水頭隨時間變化。

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土。

任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性瞬時達(dá)西定律任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性4.影響滲透系數(shù)的因素土粒越粗，越渾園，越均勻時，滲透性就大。砂土中含有較多粉土，或粘土顆粒時，其滲透系數(shù)就大大降低。土的性質(zhì)水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性是單位土體中孔隙體積的直接度量土愈密實，孔隙比愈小，K值愈小。土的性質(zhì)水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造4.影響滲透系數(shù)的因素一般情況下飽和度愈低，K值愈小。因為低飽和土的孔隙中存在較多氣泡會減小過水面積，阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。水的含水量影響土的滲透系數(shù)。土的性質(zhì)水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造4.影響滲透系數(shù)的因素任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性4.影響滲透系數(shù)的因素擾動土樣比原狀土樣K值小黃土：k垂直﹥>k水平；粘性土層中有很薄的砂土夾層：k水平﹥>k垂直土的性質(zhì)水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性水的動力粘滯系數(shù)：溫度，水粘滯性，k土的性質(zhì)

水的溫度粒徑大小及級配孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造4.影響滲透系數(shù)的因素任務(wù)實施：認(rèn)識土的滲透性任務(wù)小結(jié)：認(rèn)識土的滲透性鞏固提升任務(wù)一：（鞏固）：完成平臺測試題任務(wù)二：（拓展）：參與論壇話題討論：

影響砂性土滲透性的主要因素有哪些？任務(wù)三：（預(yù)習(xí)）：預(yù)習(xí)土的毛細(xì)性

認(rèn)識土的毛細(xì)性

任務(wù)引入：認(rèn)識土的毛細(xì)性在上細(xì)下粗的土層中滴水，在不飽水情況下，水將停留在何處？思考：

滴水

下雨

砂土

黃土

礫石

在土層中挖個洞，在洞內(nèi)放個接滲皿，能否接到水？1.土的概念任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性

土是具有孔隙的多相介質(zhì)。土是由固體相的顆粒、孔隙中的液體和氣體三相組成的，而土中的孔隙具有連續(xù)的性質(zhì)，因此土中水在某些條件下在孔隙通道中發(fā)生運動。一、土的毛細(xì)現(xiàn)象與毛細(xì)性質(zhì)2.毛細(xì)管作用任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性

土中的孔隙是很復(fù)雜的，形成了無數(shù)的毛細(xì)管。把毛細(xì)管用圖所示的下部浸水的半徑為r的圓管代替，在這個簡化的毛細(xì)管圓管中，水可以上升到某一高度，這叫做毛細(xì)管作用。毛細(xì)管作用是因為水的表面張力作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。3.土的毛細(xì)現(xiàn)象、毛細(xì)性質(zhì)hc毛細(xì)水重力水毛細(xì)水：這種細(xì)微孔隙中的水（既受重力又受毛細(xì)力作用的水）即為毛細(xì)水。土的毛細(xì)現(xiàn)象：當(dāng)土顆粒中的水在表面張力作用（毛細(xì)管作用）下，沿著細(xì)小的毛細(xì)孔隙（孔徑為0.002～0.5mm）向上或向其它方向移動的現(xiàn)象。土的毛細(xì)性質(zhì)：土能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性二、土的毛細(xì)水類型任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性支持毛細(xì)水(a)觸點（孔角）毛細(xì)水

根據(jù)毛細(xì)水在包氣帶巖土空隙與地下水面的關(guān)系和充水程度分：

懸掛毛細(xì)水（b）baa二、土的毛細(xì)水類型任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性思考：細(xì)砂樣、礫石樣水中浸泡后，快速提出水面：（1）細(xì)砂樣孔隙中會保留什么形式的毛細(xì)水？（2）礫石樣孔隙中會保留什么形式的毛細(xì)水？a.支持毛細(xì)水c.觸點毛細(xì)水b.懸掛毛細(xì)水答案：（1）b細(xì)砂樣孔隙中會保留懸掛毛細(xì)水。（2）c礫石樣孔隙中會保留觸點（孔角）毛細(xì)水。三、土的毛細(xì)現(xiàn)象對工程的危害任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性危害引起路基凍害；引起房屋建筑地下室過分潮濕，墻體受潮；可能引起土的沼澤化和鹽堿化，從而影響到工程和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟。四、表征毛細(xì)水特征的指標(biāo)任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性1.毛細(xì)水上升高度：海森經(jīng)驗公式：毛細(xì)水上升高度(m)土的孔隙比土的有效粒徑（m)與土粒形狀及表面潔凈情況有關(guān)的系數(shù)

土層中毛細(xì)水在水膜表面張力的作用下上升到自由水面以上的高度值。其值大小可通過實地調(diào)查、觀測得到。對于非粘性土，也可根據(jù)規(guī)范或文獻中推薦的經(jīng)驗公式估算或經(jīng)驗表格查得。任務(wù)實施：認(rèn)識土的毛細(xì)性

毛細(xì)水上升高度主要取決于巖土孔隙大小,孔隙愈大,毛細(xì)水上升高度愈小。松散沉積物粒徑（mm）毛細(xì)上升高度（cm）細(xì)礫石很粗的砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂粉砂5～22～11～0.55～0.