土质学与土力学配套教学课件杨红霞 第3章.ppt

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1、第三章　土中水的运动规律□3.1土的毛细性□3.2土的渗透性□3.3流网及其应用□3.4土在冻结过程中水分的迁移和积聚3.1土的毛细性土的毛细性是指土能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下,沿着细微孔隙向上及向其他方向移动的现象,这种细微孔隙中的水称为毛细水。土的毛细现象对工程的影响有以下几个方面:1)毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一。2)对于房屋建筑,毛细水的上升会引起地下室过分潮湿。3)毛细水上升可能引起土的沼泽化和盐渍化,对建筑工程及农业经济都有很大影响。为了认识土的毛细现象,下面分别讨论土层中的毛细水带、毛细水上升高度和上升速度,以及毛细压力。3.1.1土层

2、中的毛细水带土层中由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带。毛细水带根据形成条件和分布状况,可分为三种,即正常毛细水带、毛细网状水带和毛细悬挂水带,如图3-2所示。3.1土的毛细性图3-2土层中的毛细水带(1)正常毛细水带(又称毛细饱和带)位于毛细水带的下部,与地下潜水连通。这一部分的毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的,毛细水几乎充满了全部孔隙。正常毛细水带会随着地下水位的升降而相应移动。(2)毛细网状水带位于毛细水带的中部,当地下水位急剧下降时,毛细水也随之急速下降,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3.1土的毛细性留下空气泡,

3、这样使毛细水呈网状分布。毛细网状水带中的水,可以在表面张力和重力作用下移动。(3)毛细悬挂水带位于毛细水带的上部,这一带毛细水是由地表水渗入而形成的,水悬挂在土颗粒之间,不与中部或下部的毛细水相连。当地表有大气降水补给时,毛细悬挂水在重力作用下向下移动。上述三种毛细水带不一定同时存在,这取决于当地的水文地质条件。如地下水位很高时,可能就只有正常毛细水带,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,则可能同时出现三种毛细水带在毛细水带内,土的含水量随深度而变化,自地下水位向上含水量逐渐减小,但到毛细悬挂水带后,含水量可能有所增加,如图3-2所示。3.1.2毛细水上升高度及上升速度为

4、了了解土中毛细水的上升高度,可以借助于水在毛细管内上升的现象来说明。将一根毛细管插入水中,可以看到水会沿毛细管上升。毛细水为什么会上升呢?3.1土的毛细性图3-3毛细管中水柱的上升一方面水与空气的分界面上存在着表面张力,而液体总是力图缩小自己的表面积,以使表面自由能变得最小,这也就是一滴水珠总是成为球状的原因。另一方面,毛细管管壁的分子和水分子之间有引力作用,这个引力使与管壁接触部分的水面呈向上的弯曲状,这种现象一般称为湿润现象。当毛细管的直径较细时,毛细管内水面的弯曲面互相连接,形成内凹的弯液面状,如图3-3所示,这种内凹的弯液面表明管壁和液体是互相吸引的(即可湿润的),如果管壁与液体之间不

5、互相吸引(称为不可湿润的),那么毛细管内液体弯液面的形状是外凸的,如毛细管内的水银柱面就是这样。在毛细管内的水柱,由于湿润现象使弯液面呈内凹状时,水柱的表面积就增加了,这时由于管壁与水分子之间的引力很大,促使管内的水柱3.1土的毛细性升高,从而改变弯液面形状,缩小表面积,降低表面自由能。但当水柱升高改变了弯液面的形状时,管壁与水之间的湿润现象又会使水柱面恢复为内凹的弯液面状。这样周而复始,使毛细管内的水柱上升,直到升高的水柱重力和管壁与水分子间的引力所产生的上举力平衡为止。若毛细管内水柱上升到最大高度hmax,如图3-3所示,根据平衡条件,管壁与弯液面水分子间引力的合力S等于水的表面张力σ,若

6、S与管壁间的夹角为θ(称为湿润角),则作用在毛细水柱上的上举力P为P=S·2πrcosθ=2πrσcosθ(3-1)式中σ——水的表面张力(N/m),表3-1中给出了不同温度时,水与空气间的表面张力值;r——毛细管的半径(m);θ——湿润角,其大小取决于管壁材料及液体性质,对于毛细管内的水柱,可以认为θ=0°,即认为是完全湿润的。表3-1水与空气间的表面张力σ温度/℃-5051015203040表面张力σ/(N/m)76.4×10-375.6×10-374.9×10-374.2×10-373.5×10-372.8×10-371.2×10-369.6×10-33.1土的毛细性毛细管内上升水柱的重

7、力G为G=γwπr2hmax(3-2)式中γw——水的重度。当毛细水上升到最大高度时,毛细水柱受到上举力和水柱重力平衡,由此得P=G即2πrσcosθ=γwπr2hmax若令θ=0°,可求得毛细水上升最大高度的计算公式为hmax==(3-3)式中d——毛细管的直径,d=2r。从式(3-3)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,毛细水上升高度越大。在天然土层中毛细水的上升高度是