土中水与土的渗透及其计算

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1、第4章土中水与土的渗透及其计算Chapter4Waterinsoils,seepageanditscalculation概述Introduction岩土中的水及其运动Waterinsoilsanditsmovement地下水地下水位以上的水图4-1渗流的工程意义Engineeringsignificanceofseepage渗漏渗透破坏水利工程石油和采矿工程、环境工程土中水和渗流问题的研究历史Researchhistoryofwaterinsoilsandseepage土中水的研究1901年Low给出了粘土颗粒表面结合水形成的机理；1960年Martin得出了

2、不同厚度结合水的密度分布，1959年给出了物理模型以说明土的冻胀机理；1975年Mitchell在出版的FundamentalsofSoilBehavior一书中，对于土中水的形态及其对土性的影响作了较全面的总结和阐述。渗流的研究1856年，法国工程师Darcy提出了线性渗流的达西定律1889年，俄国的茹可夫斯基（H.E.ЖукоЬскцú）首先推导了渗流的微分方程1922年，巴甫洛夫斯基（H.H.Павловскцú）提出了求解渗流场的电模拟法1910年理查森（L.F.Richardson）首先提出了有限差分法土中水的形态及其对土性的影响Configurationofw

3、aterinsoilsanditsinfluenceonsoilproperty土与水间的物理化学作用，粘土颗粒表面的双电层水分子结构及其相互作用粘土颗粒表面的电荷粘土颗粒表面的双电层与结合水Doubleelectriclayersonsurfaceofparticle图4-2毛细水与土中吸力Capillarywaterandsuctioninsoil毛细水和毛细水上升高度22Tcosπrhγ=2πrTcosαcwh(4-4)cr毛细管空气l固体hc水图4-4毛细水上升毛细压力2πrTcosα+uπr2=0cuh(4-5)cwc非饱和土中毛细张力影响土中

4、吸力Suctioninsoil图4-5图4-7图4-6基质吸力Matricsuction主要是指土中毛细作用渗透吸力Osmoticsuction由于土中水溶液中盐分浓度不同引起的非饱和土中基质吸力可表示为：s=u−u(4-6)aw吸力也可用毛细管折算的上升高度表示s=hγww为了方便，有时也用吸力指数pF表示：pF=logh10w(4-7)土的冻胀和冻融作用Frostheaveandthawofsoil冰分子结构图4-8冻胀原因：地基中水分的转移冻结时冰晶表面的未冻水膜变薄而产生吸力孔隙中水冻结而使离子浓度提高产生的渗透吸力细粒土表面未冻水的吸力图4-9强烈冻胀的条

5、件低于水的冻结温度地下水位与冻结锋面较接近，或土壤含水量较高，可供给冻结锋面足够的水份土的颗粒及级配有利于产生冻胀融化作用图4-10土的渗透性Permeabilityofsoil土中水的势能Potentialenergyinsoil重力势ΨgΨ=γz(4-8)gw压力势ΨpΨ=γh(4-9)pw超静水压力势Ψ=γΔh(4-10)gw图4-11基质势Ψm又称广义毛细势，由收缩膜即表面张力引起A点Ψ=Ψ+Ψ=γh+Ψ=0AgmwAmΨ=-γhmwAB点Ψ=Ψ+Ψ=γh+Ψ=0BgmwBmΨ=-γhmwB图4-12基质势Ψ与压力势(图4-13)mA点Ψ=Ψ+Ψ=γz-γh=

6、γhAgmwAwAww(A)B点Ψ=Ψ+Ψ=γz+γh=γhBgmwBwBww(B)Ψ=-s=-(u−u)(4-12)maw当孔隙与大气相通时Ψ=-γh=u=-s(4-13)mww图4-13土—水特征曲线Soil-watercharacteristiccurveVSewr体积含水率Sn(4-14)rV1eFredlund给出的水土特征曲线拟合公式ln(1s/s)rs16m(4-15)ln(110/s)lne(sa)nr溶质势Ψ0有离子的溶液中Ψ0<0土中水的总势能Ψ=Ψ+Ψ+Ψ+Ψ(4-16)gBm0图4-14达西定律的物理意义Ph

7、ysicalmeaningofDarcy’slaw水力坡降ih/L渗透力jh/Lw22总渗透力Jh/LrLrhwwdv边壁阻力F2rL2rL()drdv2总渗透力=阻力2rL()rwhdr2dvirdrw由边界条件r=R,v=0积分，得半径r处的流速wi22v(Rr)(4-17)4圆环的流量dqv2rdr0积分得毛细管的流量2Rwqai082aR图4-15若单位