1、第三章土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律3.1土的毛細(xì)性3.2土的滲透性3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用3.4土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚3.1土的毛細(xì)性 土的毛細(xì)性是指土能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的性質(zhì)。土的毛細(xì)現(xiàn)象是指土中水在表面張力作用下,沿著細(xì)微孔隙向上及向其他方向移動(dòng)的現(xiàn)象,這種細(xì)微孔隙中的水稱為毛細(xì)水。土的毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)工程的影響有以下幾個(gè)方面: 1)毛細(xì)水的上升是引起路基凍害的因素之一。 2)對(duì)于房屋建筑,毛細(xì)水的上升會(huì)引起地下室過(guò)分潮濕。 3)毛細(xì)水上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化,對(duì)建筑工程及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)都有很大影響。 為了認(rèn)識(shí)土的毛細(xì)現(xiàn)象,下面分別討論土層中的毛細(xì)水帶、毛細(xì)水上升高度和上升速度,以及毛細(xì)壓力。3.1.1土層

2、中的毛細(xì)水帶 土層中由于毛細(xì)現(xiàn)象所潤(rùn)濕的范圍稱為毛細(xì)水帶。毛細(xì)水帶根據(jù)形成條件和分布狀況,可分為三種,即正常毛細(xì)水帶、毛細(xì)網(wǎng)狀水帶和毛細(xì)懸掛水帶,如圖3-2所示。3.1土的毛細(xì)性圖3-2土層中的毛細(xì)水帶 (1)正常毛細(xì)水帶(又稱毛細(xì)飽和帶)位于毛細(xì)水帶的下部,與地下潛水連通。這一部分的毛細(xì)水主要是由潛水面直接上升而形成的,毛細(xì)水幾乎充滿了全部孔隙。正常毛細(xì)水帶會(huì)隨著地下水位的升降而相應(yīng)移動(dòng)。 (2)毛細(xì)網(wǎng)狀水帶位于毛細(xì)水帶的中部,當(dāng)?shù)叵滤患眲∠陆禃r(shí),毛細(xì)水也隨之急速下降,這時(shí)在較細(xì)的毛細(xì)孔隙中有一部分毛細(xì)水來(lái)不及移動(dòng),仍殘留在孔隙中,而在較粗的孔隙中因毛細(xì)水下降,孔隙中3.1土的毛細(xì)性留下空

3、氣泡,這樣使毛細(xì)水呈網(wǎng)狀分布。毛細(xì)網(wǎng)狀水帶中的水,可以在表面張力和重力作用下移動(dòng)。 (3)毛細(xì)懸掛水帶位于毛細(xì)水帶的上部,這一帶毛細(xì)水是由地表水滲入而形成的,水懸掛在土顆粒之間,不與中部或下部的毛細(xì)水相連。當(dāng)?shù)乇碛写髿饨邓a(bǔ)給時(shí),毛細(xì)懸掛水在重力作用下向下移動(dòng)。上述三種毛細(xì)水帶不一定同時(shí)存在,這取決于當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件。如地下水位很高時(shí),可能就只有正常毛細(xì)水帶,而沒(méi)有毛細(xì)懸掛水帶和毛細(xì)網(wǎng)狀水帶;反之,當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí),則可能同時(shí)出現(xiàn)三種毛細(xì)水帶在毛細(xì)水帶內(nèi),土的含水量隨深度而變化,自地下水位向上含水量逐漸減小,但到毛細(xì)懸掛水帶后,含水量可能有所增加,如圖3-2所示。3.1.2毛細(xì)水上升高度及上

4、升速度 為了了解土中毛細(xì)水的上升高度,可以借助于水在毛細(xì)管內(nèi)上升的現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明。將一根毛細(xì)管插入水中,可以看到水會(huì)沿毛細(xì)管上升。毛細(xì)水為什么會(huì)上升呢?3.1土的毛細(xì)性圖3-3毛細(xì)管中水柱的上升 一方面水與空氣的分界面上存在著表面張力,而液體總是力圖縮小自己的表面積,以使表面自由能變得最小,這也就是一滴水珠總是成為球狀的原因。另一方面,毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間有引力作用,這個(gè)引力使與管壁接觸部分的水面呈向上的彎曲狀,這種現(xiàn)象一般稱為濕潤(rùn)現(xiàn)象。當(dāng)毛細(xì)管的直徑較細(xì)時(shí),毛細(xì)管內(nèi)水面的彎曲面互相連接,形成內(nèi)凹的彎液面狀,如圖3-3所示,這種內(nèi)凹的彎液面表明管壁和液體是互相吸引的(即可濕潤(rùn)的),如果管壁

5、與液體之間不互相吸引(稱為不可濕潤(rùn)的),那么毛細(xì)管內(nèi)液體彎液面的形狀是外凸的,如毛細(xì)管內(nèi)的水銀柱面就是這樣。 在毛細(xì)管內(nèi)的水柱,由于濕潤(rùn)現(xiàn)象使彎液面呈內(nèi)凹狀時(shí),水柱的表面積就增加了,這時(shí)由于管壁與水分子之間的引力很大,促使管內(nèi)的水柱3.1土的毛細(xì)性升高,從而改變彎液面形狀,縮小表面積,降低表面自由能。但當(dāng)水柱升高改變了彎液面的形狀時(shí),管壁與水之間的濕潤(rùn)現(xiàn)象又會(huì)使水柱面恢復(fù)為內(nèi)凹的彎液面狀。這樣周而復(fù)始,使毛細(xì)管內(nèi)的水柱上升,直到升高的水柱重力和管壁與水分子間的引力所產(chǎn)生的上舉力平衡為止。若毛細(xì)管內(nèi)水柱上升到最大高度hmax,如圖3-3所示,根據(jù)平衡條件,管壁與彎液面水分子間引力的合力S等于水的

6、表面張力,若S與管壁間的夾角為(稱為濕潤(rùn)角),則作用在毛細(xì)水柱上的上舉力P為 P=S2rcos=2rcos(3-1)式中水的表面張力(N/m),表3-1中給出了不同溫度時(shí),水與空氣間的表面張力值; r 毛細(xì)管的半徑(m); 濕潤(rùn)角,其大小取決于管壁材料及液體性質(zhì),對(duì)于毛細(xì)管內(nèi)的水柱,可以認(rèn)為=0,即認(rèn)為是完全濕潤(rùn)的。表3-1水與空氣間的表面張力溫度/-5051015203040表面張力/(N/m)76.410-375.610-374.910-374.210-373.510-372.810-371.210-369.610-33.1土的毛細(xì)性毛細(xì)管內(nèi)上升水柱的重力G為 G=wr2hmax(3-2)

7、式中w水的重度。 當(dāng)毛細(xì)水上升到最大高度時(shí),毛細(xì)水柱受到上舉力和水柱重力平衡,由此得 P=G 即2rcos=wr2hmax若令=0,可求得毛細(xì)水上升最大高度的計(jì)算公式為 hmax= = (3-3)式中d 毛細(xì)管的直徑,d=2r。 從式(3-3)可以看出,毛細(xì)水上升高度與毛細(xì)管直徑成反比,毛細(xì)管直徑越細(xì),毛細(xì)水上升高度越大。 在天然土層中毛細(xì)水的上升高度是不能簡(jiǎn)單地直接用式(3-3)計(jì)算,因?yàn)橥林械目紫恫灰?guī)則,與圓柱狀的毛細(xì)管根本不同,特別是土顆粒與水之間積極的物理化學(xué)作用,使得天然土層中的毛細(xì)現(xiàn)象比毛細(xì)管的情況要復(fù)雜得多。例如,假定黏土顆粒是直徑等于0.0005mm的圓球3.1土的毛細(xì)性,那么

8、這種假想土粒堆置起來(lái)的孔隙直徑d0.00001mm,代入式(3-3)中將得到毛細(xì)水上升最大高度hmax=300m,這在實(shí)際土層中是根本不可能發(fā)生的。在天然土層中毛細(xì)水上升的實(shí)際高度很少超過(guò)數(shù)米。 在實(shí)踐中也有一些估算毛細(xì)水上升高度的經(jīng)驗(yàn)公式,如海森(A.Hazen)的經(jīng)驗(yàn)公式為 h0= (3-4)式中 h0毛細(xì)水上升高度(m);e 土的孔隙比;d10 土的有效粒徑(m);C 系數(shù),與土粒形狀及表面潔凈情況有關(guān),C=110-5510-5m2。 在黏性土顆粒周圍吸附著一層結(jié)合水膜,這一層水膜將影響毛細(xì)水彎液面的形成。此外,結(jié)合水膜將減小土中孔隙的有效直徑,使得毛細(xì)水在上升時(shí)受到很大阻力,上升速度很

9、慢,上升的高度也受到影響。當(dāng)土粒間的孔隙被結(jié)合水完全充滿時(shí),毛細(xì)水的上升也就停止了。3.1土的毛細(xì)性圖3-4在不同粒徑的土中毛細(xì)水上升速度與上升高度的關(guān)系曲線 采用人工制備的石英砂,在不同粒徑的土中毛細(xì)水上升速度與上升高度的關(guān)系曲線如圖3-4所示。從圖中可以看到,在較粗顆粒土中,毛細(xì)水上升開(kāi)始很快,以后逐漸緩慢,而且較粗顆粒的曲線為細(xì)顆粒的曲線所穿過(guò),這說(shuō)明細(xì)顆粒土毛細(xì)水上升高度較大,但上升速度較慢。 由圖3-4可見(jiàn),礫類與粗砂,毛細(xì)水上升高度很小;細(xì)砂和粉土,不僅毛細(xì)水上升高度大,而且上升速度也快,即毛細(xì)現(xiàn)象明顯。對(duì)于黏性土,由于結(jié)合水膜的存在,將減小土中孔隙的有效直徑,使毛細(xì)水在上升時(shí)受到

10、很大阻力,故上升速度很慢。3.1.3毛細(xì)壓力 干燥砂土松散,顆粒間沒(méi)有黏結(jié)力,水下的飽和砂土也是這樣。但一3.1土的毛細(xì)性定含水量的濕砂,顆粒間卻表現(xiàn)出一些黏結(jié)力,如濕砂可捏成砂團(tuán)。圖3-5毛細(xì)壓力示意圖 在濕砂中有時(shí)可挖成直立的坑壁,短期內(nèi)不會(huì)坍塌。這說(shuō)明濕砂土粒間有一些黏結(jié)力,這是由于土粒間接觸面上一些水的毛細(xì)壓力所形成的。毛細(xì)壓力如圖3-5所示,圖中兩個(gè)土粒(假想是球體)的接觸面間有一些毛細(xì)水,由于土粒表面的濕潤(rùn)作用,使毛細(xì)水形成彎液面。在水和空氣的分界面上產(chǎn)生的表面張力是沿著彎液面切線方向作用的,它促使兩個(gè)土粒互相靠攏,在土粒的接觸面上就產(chǎn)生一個(gè)壓力,稱為毛細(xì)壓力Pk。由毛細(xì)壓力所產(chǎn)生

11、的土粒間的黏結(jié)力稱為假黏聚力。當(dāng)砂土完全干燥時(shí),或砂土浸沒(méi)在水中,孔隙中完全充滿水時(shí),顆粒間沒(méi)有孔隙水或者孔隙水不存在彎液面,這時(shí)毛細(xì)壓力就會(huì)消失。3.2土的滲透性 土孔隙中自由水在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,稱為水的滲透。在道路及橋梁工程中常需要了解土的滲透性。例如,橋梁墩臺(tái)基坑開(kāi)挖排水時(shí),需要了解土的滲透性,以配置排水設(shè)備;在河灘上修筑滲水路堤時(shí),需要考慮路堤填料的滲透性;在計(jì)算飽和黏土上建筑物的沉降和時(shí)間的關(guān)系時(shí),需要掌握土的滲透性。 本節(jié)研究土中孔隙水(主要是重力水)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,內(nèi)容包括:土中水滲透的基本規(guī)律(層流滲透定律);影響土滲透性的因素;動(dòng)水力及流砂現(xiàn)象。3.2.1土的層流滲透定

12、律 達(dá)西定律(Darcys Law)是達(dá)西(H.Darcy)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的在層流條件下土中水的滲流速度與水力梯度(Hydraulic Gradient)成正比的規(guī)律。 圖3-6水在土中的滲流3.2土的滲透性 如圖3-6所示,若土中孔隙水在壓力梯度下發(fā)生滲流,對(duì)于土中a、b 兩點(diǎn),已測(cè)得a點(diǎn)的水頭為H1,b點(diǎn)的水頭為H2,水從高水頭的a點(diǎn)流向低水頭的b點(diǎn),水流流經(jīng)長(zhǎng)度為l。由于土的孔隙細(xì)小,大多數(shù)情況下水在孔隙中的流速較小,可以認(rèn)為是層流(即水流流線互相平行的流動(dòng))。土中水的滲流規(guī)律符合層流滲透定律,這個(gè)定律是達(dá)西根據(jù)砂土的試驗(yàn)結(jié)果得到的,它是指水在土中的滲透速度與水力梯度成正比,即 v=kI(

13、3-5) 或q=kIF(3-6)式中v滲透速度(m/s);I水力梯度,即沿著水流方向單位長(zhǎng)度上的水頭差,如圖3-6所示中a、b兩點(diǎn)的水力梯度為I=H/l=(H1-H2)/l;k滲透系數(shù)(Coefficient of Permeability)(m/s),各種土的滲透系數(shù)參考數(shù)值見(jiàn)表3-2;q滲透流量(m3/s),即單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)土截面積F的流量。3.2土的滲透性表3-2土的滲透系數(shù) 由于孔隙水的滲流不是通過(guò)土的整個(gè)截面,而僅是通過(guò)該截面內(nèi)土粒間的孔隙。因此,土中孔隙水的實(shí)際流速v0比式(3-5)計(jì)算的平均流速v大,它們間的關(guān)系為 v0= (3-7)式中n土的孔隙率。 在工程實(shí)際計(jì)算中,按式(3

14、-5)計(jì)算滲流速度比較方便。由于達(dá)西定律只適用于層流情況,故一般只適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等。對(duì)粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土不適用,因?yàn)檫@時(shí)水的滲流速度較大,已不是層流而是紊流。黏土中的滲流規(guī)律應(yīng)對(duì)達(dá)西定律修正。因?yàn)樵陴ね林?土顆粒周圍存在著結(jié)合水,結(jié)合水因受到分子引力作用而呈現(xiàn)黏滯性。因此,黏土中自由水滲流受到結(jié)合水黏滯作用產(chǎn)生的很大阻力,只有克服結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度后才能開(kāi)始滲流。把克服此抗剪強(qiáng)度所需要土 的 類 別滲透系數(shù)/(m/s)土 的 類 別滲透系數(shù)/(m/s)黏土粉質(zhì)黏土粉土黃土粉砂510-8510-8110-6110-6510-62.510-6510-6510-6110-5細(xì)砂中砂粗砂

15、圓礫卵石110-5510-5510-5210-4210-4510-4510-4110-3110-3510-33.2土的滲透性的水力梯度,稱為黏土的起始水力梯度(Threshold Hydraulic Gradient),用I0表示。在黏土中,應(yīng)按修正后的達(dá)西定律計(jì)算滲流速度。 如圖3-7所示,繪出了砂土與黏土的滲透規(guī)律。直線a表示砂土的v-I關(guān)系,它是通過(guò)原點(diǎn)的一條直線。黏土的v-I關(guān)系是曲線b(圖中虛線所示),d點(diǎn)是黏土的起始水力梯度I0,當(dāng)土中水力梯度超過(guò)起始水力梯度后水才開(kāi)始滲流。一般常用折線c(圖中Oef 線)代替曲線b,即認(rèn)為e點(diǎn)是黏土的起始水力梯度I0,其滲流規(guī)律用式(3-8)表示

16、。 v=k(I-I0)(3-8)3.2.2土的滲透系數(shù) 表3-2中給出了部分土的滲透系數(shù)參考數(shù)值,滲透系數(shù)也可以在實(shí)驗(yàn)室或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定。1.室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn) 常水頭滲透試驗(yàn)裝置如圖3-8所示。在圓柱形試驗(yàn)筒內(nèi)裝置土樣,土樣的截面積為F(即試驗(yàn)筒截面積),在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中土樣上的壓力水頭維持不變。在土樣中選擇兩點(diǎn)a、b,兩點(diǎn)的距離為l,分別在兩點(diǎn)3.2土的滲透性設(shè)置測(cè)壓管。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),水自上而下流經(jīng)土樣,待滲流穩(wěn)定后,測(cè)得在時(shí)間t內(nèi)流過(guò)土樣的流量為Q,同時(shí)讀得a、b兩點(diǎn)測(cè)壓管的水頭差為H,則 Q=qt=kIFt=k Ft由此求得土樣的滲透系數(shù)k為 k= (3-9)2.變水頭滲透試驗(yàn) 變水頭

17、滲透試驗(yàn)裝置如圖3-9所示。在試驗(yàn)筒內(nèi)裝置土樣,土樣的截面積為F,高度為l。試驗(yàn)筒上設(shè)置儲(chǔ)水管,儲(chǔ)水管截面積為a,在試驗(yàn)過(guò)程中儲(chǔ)水管的水頭不斷減小。若試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),儲(chǔ)水管水頭為h1,經(jīng)過(guò)時(shí)間t后水頭降為h2。令在時(shí)間dt內(nèi)水頭降低了-dh,則在dt時(shí)間內(nèi)通過(guò)土樣的流量為 dQ=-adh由式(3-6)知 dQ=qdt=kIFdt=k Fdt 故-adh=k Fdt3.2土的滲透性圖3-8常水頭滲透試驗(yàn)裝置 圖3-9變水頭滲透試驗(yàn)裝置積分后得 - = dt ln = t 由此求得滲透系數(shù)為 k= ln (3-10)3.現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn) 滲透系數(shù)也可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)測(cè)定。對(duì)于粗顆粒土或成層土,室內(nèi)試驗(yàn)

18、時(shí)不易取得原狀土樣,或者土樣不能反映天然土層的層次3.2土的滲透性或土顆粒排列情況。圖3-10現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn) 這時(shí),從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)比從室內(nèi)試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)準(zhǔn)確。 在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)沉入一根抽水井管,如圖3-10所示,井管下端進(jìn)入不透水土層,在時(shí)間t內(nèi)從抽水井內(nèi)抽出的水量為Q,同時(shí)在距抽水井中心半徑為r1及r2處布置觀測(cè)孔,測(cè)得其水頭分別為h1及h2。假定土中任一半徑處的水力梯度為常數(shù),即I=dh/dr,則由式(3-6)得 q= =kIF=k (2rh) = hdh積分后得 ln =求得滲透系數(shù)為k= (3-11)3.2土的滲透性【例3-1】如圖3-11所示,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)測(cè)定砂土層的滲透

19、系數(shù)。抽水井管穿過(guò)10m 厚的砂土層進(jìn)入不透水黏土層,在距井管中心15m及60m處設(shè)置觀測(cè)孔。已知抽水前土中靜止地下水位在地面下2.35m處,抽水后待滲流穩(wěn)定時(shí),從抽水井測(cè)得流量q=5.4710-3m3/s,同時(shí)從兩個(gè)觀測(cè)孔測(cè)得水位分別下降了1.93m及0.52m,求砂土層的滲透系數(shù)。圖3-11例3-1圖解:兩個(gè)觀測(cè)孔的水頭分別為: r1=15m處,h1=10m-2.35m-1.93m=5.72m。 r2=60m處,h2=10m-2.35m-0.52m=7.13m。 由式(3-11)求得滲透系數(shù)為 k= = =1.3310-4m/s3.2土的滲透性4.成層土的滲透系數(shù) 黏性土沉積有水平分層時(shí),

20、對(duì)于土層的滲透系數(shù)有很大影響。如圖3-12所示土層由兩層組成,各層土的滲透系數(shù)分別為k1、k2,厚度分別為hl、h2。 考慮水平向滲流時(shí)(水流方向與土層平行),如圖3-12a所示,因?yàn)楦魍翆拥乃μ荻认嗤?總的流量等于各土層流量之和,總的截面積等于各土層截面積之和,即I=I1=I2q=q1+q2F=F1+F2 因此,土層水平向的平均滲透系數(shù)kh為 kh= (3-12) 考慮豎直向滲流時(shí)(水流方向與土層垂直),如圖3-12b所示,則已知總的流量等于每一土層的流量,總的截面積等于各土層的截面積,總的水頭損失等于每一層的水頭損失之和,即3.2土的滲透性圖3-12成層土的滲透系數(shù)q=q1=q2F=F1

21、=F2H=H1+H2 由此得土層豎向平均滲透系數(shù)kv為 kv= 得kv= (3-13)3.2.3影響土的滲透性的因素 影響土滲透性的因素主要有: (1)土的粒度成分及礦物成分土的顆粒大小、形狀及級(jí)配,影響土中孔隙大小及其形狀,因而影響土的滲透性。土顆粒越粗、越渾圓、3.2土的滲透性越均勻時(shí),滲透性大。當(dāng)砂土中含有較多粉土及黏土顆粒時(shí),其滲透系數(shù)降低。土的礦物成分對(duì)于卵石、砂土和粉土的滲透性影響不大,但對(duì)于黏性土滲透性影響較大。黏性土中含有親水性較大的黏土礦物(如蒙脫石)或有機(jī)質(zhì)時(shí),由于它們具有很大的膨脹性,土的滲透性較低。含有大量有機(jī)質(zhì)的淤泥幾乎不透水。 (2)結(jié)合水膜厚度黏性土中,若土粒的結(jié)

22、合水膜厚度較厚,會(huì)阻塞土的孔隙,降低土的滲透性。如鈉黏土,由于鈉離子的存在,使黏土顆粒的擴(kuò)散層厚度增加,所以滲透性很低。又如,在黏土中加入高價(jià)離子的電解質(zhì)(如Al、Fe離子等),會(huì)使土粒擴(kuò)散層厚度減薄,黏土顆粒會(huì)凝聚成粒團(tuán),土的孔隙增大,土的滲透性增大。 (3)土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造天然土層通常不是各向同性,其滲透性也是如此。如,黃土具有豎直方向的大孔隙,所以豎直方向的滲透系數(shù)要比水平方向大。層狀黏土常夾有薄的粉砂層,在水平方向的滲透系數(shù)要比豎直方向大。 (4)水的黏滯度水在土中的滲流速度與水的重度及黏滯度有關(guān),這兩個(gè)數(shù)值又與溫度有關(guān)。一般水的重度隨溫度變化很小,可略去3.2土的滲透性不計(jì),但水的動(dòng)力黏

23、滯系數(shù)隨溫度變化而變化。室內(nèi)滲透試驗(yàn)時(shí),同一種土在不同溫度下會(huì)得到不同的滲透系數(shù)。在天然土層中,除了靠近地表的土層外,一般土中溫度變化很小,可忽略溫度的影響。但是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室溫度變化較大,應(yīng)考慮溫度對(duì)滲透系數(shù)的影響。目前常以水溫為20時(shí)的滲透系數(shù)k20作為標(biāo)準(zhǔn)值,在其他溫度下測(cè)定的滲透系數(shù)kt可按式(3-14)修正,即 k20=kt (3-14)式中t、20t時(shí)及20時(shí)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)(Ns/m2),動(dòng)力黏滯系數(shù)t、t/20與溫度的關(guān)系參見(jiàn)表3-3。表3-3水的動(dòng)力黏滯系數(shù)t、t/20與溫度的關(guān)系溫度t/動(dòng)力黏滯系數(shù)t/(10-6kPas)溫度t/動(dòng)力黏滯系數(shù)t/(10-6kPas)101.31

24、01.297210.9860.976111.2741.261220.9630.953121.2391.227230.9410.932131.2061.194240.9200.910141.1751.163250.8990.890151.1441.133260.8790.870161.1151.104270.8600.851171.0881.077280.8410.833181.0611.050290.8230.815191.0351.025300.8060.798201.0101.000320.7730.7653.2土的滲透性 (5)土中氣體當(dāng)土孔隙中存在密閉氣泡時(shí),會(huì)阻塞水的滲流,從而降低土

25、的滲透性。密閉氣泡有時(shí)是由溶解于水中的氣體分離出來(lái)而形成的,故室內(nèi)滲透試驗(yàn)有時(shí)規(guī)定要用不含溶解空氣的蒸餾水。3.2.4動(dòng)水力及流砂現(xiàn)象 水在土中滲流時(shí),受到土顆粒阻力T的作用,阻力作用方向與水流方向相反。根據(jù)作用力與反作用力相等原理,水流也必然有一個(gè)相等的力作用在土顆粒上,把水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力稱為動(dòng)水力GD(kN/m3),也稱滲流力。動(dòng)水力作用方向與水流方向一致。GD與T大小相等方向相反,都是用體積力表示的。 動(dòng)水力的計(jì)算在工程實(shí)踐中具有重要意義,例如,研究土體在水滲流時(shí)穩(wěn)定性問(wèn)題,就要考慮動(dòng)水力的影響。1.動(dòng)水力的計(jì)算公式 在土中沿水流的滲流方向,取一個(gè)土柱體ab,如圖3-

26、13所示,土柱體長(zhǎng)度為l,橫截面積為F。已知a、b兩點(diǎn)距離基準(zhǔn)面的高度分別為z1和z2,兩點(diǎn)的測(cè)壓管水柱高度分別為h1和h2,則兩點(diǎn)的水頭分別為H1=h1+z1和H2=h2+z2。將土柱體ab內(nèi)的水作為脫離體,考慮作用3.2土的滲透性在水上的力系。因?yàn)樗鞯牧魉僮兓苄?其慣性力可以略去不計(jì)。 根據(jù)作用在土柱體ab內(nèi)水上的各力平衡條件得 wh1F-wh2F+wnlFcos+w(1-n)lFcos-lFT=0或wh1-wh2+wlcos-lT=0(3-15)式中wh1F作用在土柱體截面a處的水壓力,其方向與水流方向一致;wh2F作用在土柱體截面b處的水壓力,其方向與水流方向相反;wnlFcos土

27、柱體內(nèi)水的重力在ab方向的分力,其方向與水流方向一致;w(1-n)lFcos土柱體內(nèi)土顆粒作用于水的力在ab方向的分力(土顆粒作用于水的力,也是水對(duì)于土顆粒作用的浮力的反作用力),其方向與水流方向一致;lFT水滲流時(shí),土柱中的土顆粒對(duì)水的阻力,其方向與水流方向相反;w水的重度;3.2土的滲透性n土的孔隙率;其他符號(hào)意義見(jiàn)圖3-13。 圖3-13動(dòng)水力計(jì)算 將cos= 代入式(3-15),可得T=w =w =wI得動(dòng)水力的計(jì)算公式為 GD=T=wI(3-16) 從式(3-16)知,動(dòng)水力的方向與水流方向一致,其大小與水力梯度I成正比。2.流砂現(xiàn)象、管涌和臨界水力梯度3.2土的滲透性 由于動(dòng)水力的

28、方向與水流方向一致,因此當(dāng)水的滲流自上向下時(shí),如圖3-14a所示不同滲流方向?qū)ν恋挠绊懟蛉鐖D3-15所示河灘路堤基底土層中的d點(diǎn),動(dòng)水力方向與土體重力方向一致,這樣將增加土顆粒間的壓力;若水的滲流方向自下而上,如圖3-14b所示容器內(nèi)的土樣或圖3-15中的e點(diǎn),動(dòng)水力的方向與土體重力方向相反,這樣將減小土顆粒間的壓力。圖3-14不同滲流方向?qū)ν恋挠绊?a)向下滲流b)向上滲流 圖3-15河灘路堤下的滲流若水的滲流方向自下而上,在土體表面,如圖3-14b所示的a點(diǎn) 或圖3-15路堤下的e點(diǎn),取一單位體積土體分析,已知土在水下的有效重度為,當(dāng)向上的動(dòng)水力GD與土的有效重度相等時(shí),即3.2土的滲透性

29、 GD=wI=sat-w(3-17)式中sat土的飽和重度(kN/m3);w水的重度(kN/m3)。 這時(shí)土顆粒間的壓力就等于零,土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定,這種現(xiàn)象就稱為流砂現(xiàn)象。這時(shí)的水力梯度稱為臨界水力梯度Icr,可由下式得到 Icr= -1(3-18) 工程中將臨界水力梯度Icr除以安全系數(shù)K作為允許水力梯度I,設(shè)計(jì)時(shí)滲流逸出處的水力梯度應(yīng)滿足 II= (3-19) 對(duì)流砂的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),K一般可取2.02.5。 水在砂性土中滲流時(shí),土中的一些細(xì)小顆粒在動(dòng)水力作用下,可能通過(guò)粗顆粒的孔隙被水流帶走,這種現(xiàn)象稱為管涌。管涌可能發(fā)生于局部范圍,但也可能逐步擴(kuò)大,最后導(dǎo)致土體失穩(wěn)破壞

30、。發(fā)生管涌時(shí)的臨界水力梯度與土的顆粒大小及其級(jí)配情況有關(guān)。如圖3-16所示為臨界水力梯度Icr與土體不均勻系數(shù)Cu之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出3.2土的滲透性圖3-16臨界水力梯度與土體不均勻系數(shù)的關(guān)系土的不均勻系數(shù)Cu越大,管涌現(xiàn)象越容易發(fā)生。 流砂現(xiàn)象是發(fā)生在土體表面滲流逸出處,不發(fā)生于土體內(nèi)部;而管涌現(xiàn)象可能發(fā)生在滲流逸出處,也可能發(fā)生于土體內(nèi)部。 流砂現(xiàn)象主要發(fā)生在細(xì)砂、粉砂及粉土等土層中,而在粗顆粒土及黏土中則不易發(fā)生。 基坑開(kāi)挖排水時(shí),若采用表面直接排水,坑底土將受到向上的動(dòng)水力作用,可能發(fā)生流砂現(xiàn)象。這時(shí)坑底土一面被挖一面會(huì)隨水涌出,無(wú)法清除,站在坑底的人和放置的機(jī)具也會(huì)陷下去

31、。由于坑底土隨水涌入基坑,使坑底土的結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度降低,將來(lái)會(huì)使建筑物產(chǎn)生附加下沉。水下深基坑或沉井排水挖土?xí)r,若發(fā)生流砂現(xiàn)象將危及施工安全。3.2土的滲透性施工前應(yīng)做好周密的勘測(cè)工作,當(dāng)基坑底面的土層是容易引起流砂現(xiàn)象的土質(zhì)時(shí),應(yīng)避免采用表面直接排水,可采用人工降低地下水位或其他措施施工。 河灘路堤兩側(cè)有水位差時(shí),會(huì)在路堤內(nèi)或基底土內(nèi)發(fā)生滲流,當(dāng)水力梯度較大時(shí),可能產(chǎn)生管涌現(xiàn)象,導(dǎo)致路堤坍塌破壞。為了防止管涌現(xiàn)象發(fā)生,一般可在路基下游邊坡的水下部分設(shè)置反濾層,防止路堤中的細(xì)小顆粒被滲透水流帶走。3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用 為防止?jié)B流破壞,應(yīng)使?jié)B流逸出處的水力梯度小于允許水力梯度。因此,確定滲流逸出處

32、的水力梯度就成為解決此類問(wèn)題的關(guān)鍵。在實(shí)際工程中,經(jīng)常遇到邊界條件較為復(fù)雜的二維或三維問(wèn)題,如圖3-17所示的帶板樁閘基的滲流。在這類滲流問(wèn)題中,滲流場(chǎng)中各點(diǎn)的滲流速度v與水力梯度I等均是該點(diǎn)位置坐標(biāo)的二維或三維函數(shù)。對(duì)此需建立圖3-17閘基的滲流滲流微分方程,然后結(jié)合滲流邊界條件與初始條件求解。 工程中涉及滲流問(wèn)題的常見(jiàn)構(gòu)筑物有壩基、閘基、河灘路堤及帶擋墻(或板樁)的基坑等。這類構(gòu)筑物的共同特點(diǎn)是軸線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其橫向尺寸,可以近似認(rèn)為滲流僅發(fā)生在橫斷面內(nèi),即在軸向方向上的任意一個(gè)斷面上,其滲流特性相同。這種滲流稱為二維滲流或平面滲流。3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用3.3.1平面滲流基本微分方程 如圖3-

33、18所示,在滲流場(chǎng)中任取一點(diǎn)(x,z)的微單元體,分析其在dt時(shí)段內(nèi)沿x、z方向流入和流出水量的關(guān)系。圖3-18滲流場(chǎng)的單元體 假設(shè)x、z方向流入微單元體的滲流速度分別為vx、vz,則相應(yīng)的流出微單元體的滲流速度為vx+ dx, vz+ dz,而流出與流入微單元體的水量差為 dQ= dt= dxdzdt(3-20) 通常可以假定滲流為穩(wěn)定流,且可以認(rèn)為土體骨架不產(chǎn)生變形,并且假定流體不可壓縮,則在同一時(shí)段內(nèi)微單元體的流出水量與流入水量相等,即dQ=03.3流網(wǎng)及其應(yīng)用故 + =0(3-21) 式(3-21)稱為平面滲流連續(xù)條件微分方程。 對(duì)于kxkz的各向異性土,達(dá)西定律可表示為 (3-22)

34、 將式(3-22)代入式(3-21)可得 kx +kz =0(3-23)式中kx,kzx,z方向的滲透系數(shù);Ix,Izx,z方向的水力梯度;h水頭高度。 式(3-23)即為平面穩(wěn)定滲流問(wèn)題的基本微分方程。 為求解方便,對(duì)式(3-23)做適當(dāng)變換,令x=x ,得 + =0(3-24) 對(duì)各向同性土,kx=kz,平面穩(wěn)定滲流問(wèn)題基本微分方程成為3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用 + =0(3-25) 求解滲流問(wèn)題可歸結(jié)為式(3-24)或式(3-25)的拉普拉斯(Laplace)方程求解問(wèn)題。當(dāng)已知滲流問(wèn)題的具體邊界條件時(shí),結(jié)合這些邊界條件求解上述微分方程,便可得到滲流問(wèn)題的唯一解答。3.3.2平面穩(wěn)定滲流問(wèn)題的流

35、網(wǎng)解法 在實(shí)際工程中,滲流問(wèn)題的邊界條件往往比較復(fù)雜,一般很難求得其嚴(yán)密的解析解。因此,對(duì)滲流問(wèn)題的求解除采用解析法外,還有數(shù)值解法、圖解法和模型試驗(yàn)法等。其中最常用的是圖解法即流網(wǎng)解法。1.流網(wǎng)(Flow Net)及其性質(zhì) 平面穩(wěn)定滲流基本微分方程的解可以用滲流區(qū)平面內(nèi)兩簇相互正交的曲線來(lái)表示。其中一簇為流線,它代表水流的流動(dòng)路徑;圖3-19閘基礎(chǔ)的滲流流網(wǎng) 3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用 另一簇為等勢(shì)線,在任一條等勢(shì)線上,各點(diǎn)的測(cè)壓水位或總水頭都在同一水平線上。工程上把這種等勢(shì)線簇和流線簇交織成的網(wǎng)格圖形稱為流網(wǎng),如圖3-19所示。 各向同性土的流網(wǎng)具有如下特性: 1)流網(wǎng)是相互正交的網(wǎng)格。由于流線與

36、等勢(shì)線具有相互正交的性質(zhì),故流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。 2)流網(wǎng)為曲邊正方形。在流網(wǎng)網(wǎng)格中,網(wǎng)格的長(zhǎng)度與寬度之比通常取為定值,一般取1.0,使網(wǎng)格成為曲邊正方形。 3)任意兩相鄰等勢(shì)線間的水頭損失相等。滲流區(qū)內(nèi)水頭依等勢(shì)線等量變化,相鄰等勢(shì)線的水頭差相同。 4)任意兩相鄰流線間的單位滲流量相等。相鄰流線間的滲流區(qū)域稱為流槽,每一流槽的單位流量與總水頭h、滲流系數(shù)k及等勢(shì)線間隔數(shù)有關(guān),與流槽位置無(wú)關(guān)。2.流網(wǎng)的繪制 流網(wǎng)的繪制方法一般有三種。第一種是解析法,即用解析的方法求出流速勢(shì)函數(shù)及流函數(shù),再令其函數(shù)等于一系列的常數(shù),這樣就可以3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用描繪出一簇流線和等勢(shì)線。第二種方法是實(shí)驗(yàn)法,常用的有水電

37、比擬法。此方法利用水流與電流在數(shù)學(xué)和物理上的相似性,通過(guò)測(cè)繪相似幾何邊界電場(chǎng)中的等電位線,獲取滲流的等勢(shì)線和流線,再根據(jù)流網(wǎng)性質(zhì)補(bǔ)繪出流網(wǎng)。第三種方法是近似作圖法也稱為手描法,根據(jù)流網(wǎng)性質(zhì)和確定的邊界條件,用作圖方法逐步近似畫出流線和等勢(shì)線。在上述方法中,解析法雖然嚴(yán)密,但數(shù)學(xué)求解存在較大困難;實(shí)驗(yàn)方法操作比較復(fù)雜,不易在工程中推廣應(yīng)用。故目前常用的方法是近似作圖法。 近似作圖法的步驟為先按流動(dòng)趨勢(shì)畫出流線,然后根據(jù)流網(wǎng)正交性畫出等勢(shì)線,如發(fā)現(xiàn)所畫的流網(wǎng)網(wǎng)格不呈曲邊正方形時(shí),需反復(fù)修改等勢(shì)線和流線直至滿足要求。 如圖3-20所示為一帶板樁的溢流壩,其流網(wǎng)按如下步驟繪制:圖3-20溢流壩的滲流流

38、網(wǎng)3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用 1)按一定比例繪出建筑物及土層剖面圖,根據(jù)滲流區(qū)的邊界,確定邊界線及邊界等勢(shì)線。 如圖3-20中的上游透水邊界AB是一條等勢(shì)線,其上各點(diǎn)的水頭高度均為h1,下游透水邊界CD也是一條等勢(shì)線,其上各點(diǎn)的水頭高度均為h2。壩基的地下輪廓B-1-2-3-4-5-6-7-8-C為一流線,滲流區(qū)邊界FG為另一條邊界流線。 2)根據(jù)流網(wǎng)特性初步繪出流網(wǎng)形態(tài)。按上下邊界流線形態(tài)大致描繪幾條流線,繪制時(shí)注意中間流線的形狀由壩基輪廓線形狀逐步變?yōu)榕c不透水層面FG相接近。中間流線數(shù)量越多,流網(wǎng)越準(zhǔn)確,但繪制與修改工作量也越大,中間流線的數(shù)量應(yīng)視工程的重要性而定,一般可繪24條。流線繪好后,根據(jù)

39、曲邊正方形的要求描繪等勢(shì)線。描繪時(shí)應(yīng)注意等勢(shì)線與上、下邊界流線保持垂直,并且等勢(shì)線與流線都應(yīng)是光滑的曲線。 3)逐步修改流網(wǎng)。初繪的流網(wǎng),可以加繪網(wǎng)格的對(duì)角線來(lái)檢驗(yàn)其正確性。如果每一網(wǎng)格的對(duì)角線都正交,且呈正方形,表明流網(wǎng)是正確的,否則應(yīng)做進(jìn)一步修改。但是,由于邊界通常是不規(guī)則的,在形狀突變處,3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用很難保證網(wǎng)格為正方形,有時(shí)甚至成為三角形。對(duì)此,應(yīng)從整個(gè)流網(wǎng)來(lái)分析,只要大多數(shù)網(wǎng)格滿足流網(wǎng)特征,個(gè)別網(wǎng)格不符合要求,對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。 流網(wǎng)的修改過(guò)程是一項(xiàng)細(xì)致的工作,常常是改變一個(gè)網(wǎng)格便帶來(lái)整個(gè)流網(wǎng)圖的變化。因此只有通過(guò)反復(fù)實(shí)踐演練,才能做到快速正確地繪制流網(wǎng)。3.3.3流網(wǎng)的工程

40、應(yīng)用 正確地繪制出流網(wǎng)后,可以用它來(lái)求解滲流、滲流速度及滲流區(qū)的孔隙水壓力。1.滲流速度計(jì)算 如圖3-20所示,計(jì)算滲流區(qū)中某一網(wǎng)格內(nèi)的滲流速度,可先從流網(wǎng)圖中量出該網(wǎng)格的流線長(zhǎng)度l。根據(jù)流網(wǎng)的特性,任意兩條等勢(shì)線之間的水頭損失是相等的,設(shè)流網(wǎng)中的等勢(shì)線的數(shù)量為n(包括邊界等勢(shì)線),上下游總水頭差為h,則任意兩等勢(shì)線間的水頭差為h= (3-26) 網(wǎng)格內(nèi)的滲透速度為 v=kI=k = (3-27)3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用2.滲流量計(jì)算 由于任意兩相鄰流線間的單位滲流量相等,設(shè)整個(gè)流網(wǎng)的流線數(shù)量為m(包括邊界流線),則單位寬度內(nèi)總的滲流量q為 q=m-1q(3-28)式中q任意兩相鄰流線間的單位滲流量

41、,q,q的單位均為m3/dm。其值可根據(jù)某一網(wǎng)格的滲透速度及網(wǎng)格的過(guò)水?dāng)嗝鎸挾惹蟮?設(shè)網(wǎng)格的過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?即相鄰兩條流線的間距)為b,網(wǎng)格的滲流速度為v,則 q=vb= (3-29) 而單位寬度內(nèi)的總流量q為 q= (3-30)3.孔隙水壓力計(jì)算 一點(diǎn)的孔隙水壓力u等于該點(diǎn)測(cè)壓管水柱高度H與水的重度w的乘積,即u=wH。任意點(diǎn)的測(cè)壓管水柱高度Hi可根據(jù)該點(diǎn)所在的等勢(shì)線的水頭確定。 如圖3-20所示,設(shè)E點(diǎn)處于上游開(kāi)始起算的第i條等勢(shì)線上,若從上3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用游入水流達(dá)到E點(diǎn)所損失的水頭為hf,則E點(diǎn)的總水頭hE(以不透水層面FG為Z坐標(biāo)起始點(diǎn))應(yīng)為入滲邊界上總水頭高度減去這段流程的水頭損失

42、高度,即hE=(Z1+h1)-hf(3-31)hf可由等勢(shì)線間的水頭差h求得,即hf=(i-1)h(3-32) E點(diǎn)測(cè)壓管水柱高度HE為E點(diǎn)總水頭與其位置坐標(biāo)ZE之差,即HE=hE-ZZ=h1+(Z1+ZE)-(i-1) h(3-33)【例3-2】某板樁支擋結(jié)構(gòu)如圖3-21所示,由于基坑內(nèi)外土層存在水位差而發(fā)生滲流,滲流流網(wǎng)如圖3-21所示。已知土層滲透系數(shù)k=3.210-3cm/s,A點(diǎn)、B點(diǎn)分別位于基坑底面以下1.2m和2.6m處,試求:(1)整個(gè)滲流區(qū)的單寬流量q。(2)AB段的平均流速vAB。(3)圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)的孔隙水壓力uA與uB。圖3-21例3-2圖3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用解:(1)基

43、坑內(nèi)外的總水頭差為h=(10.0-1.5)m-(10.0-5.0+1.0)m=2.5m流網(wǎng)圖中共有4條流線,9條等勢(shì)線,即n=9,m=4。在流網(wǎng)中選取一網(wǎng)格,如,A、B點(diǎn)所在的網(wǎng)格,其長(zhǎng)度與寬度l=b=1.5m,則整個(gè)滲流區(qū)的單寬流量q為 q= =3.010-5m3/sm=2.60m3/dm(2)任意兩等勢(shì)線間的水頭差為h= =0.31mAB段的平均滲流速度vAB=kIAB=k=0.6610-3cm/s(3)A點(diǎn)和B點(diǎn)的測(cè)壓水柱高度分別為HA=(Z1+h1)-ZA-(8-1)h= ( 10.0-1.5)m -(10.0-5.0-1.2)m-70.31m3.3流網(wǎng)及其應(yīng)用=2.53m HB=(Z

44、1+h1)-ZB-(7-1)h=(10.0-1.5) m -(10.0-5.0-2.6)m-60.31m=4.24mA點(diǎn)和B點(diǎn)的孔隙水壓力分別為uA=HAw=2.53m10.0kN/m3=25.3kPauB=HBw=4.24m10.0kN/m3=42.4kPa3.4土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚3.4.1凍土現(xiàn)象及其對(duì)工程的危害 在冰凍季節(jié)因大氣負(fù)溫影響,土中水分凍結(jié)成為凍土。凍土根據(jù)其凍融情況分為季節(jié)性凍土、隔年凍土和多年凍土。季節(jié)性凍土是指冬季凍結(jié),夏季全部融化的凍土;冬季凍結(jié), 一兩年內(nèi)不融化的土層稱為隔年凍土;凡凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年或三年以上的土層稱為多年凍土。多年凍土地區(qū)的表土層,有時(shí)夏

45、季融化,冬季凍結(jié),所以也屬于季節(jié)性凍土。我國(guó)的多年凍土,基本上集中分布在緯度較高和海拔較高的嚴(yán)寒地區(qū),如,東北的大興安嶺北部和小興安嶺北部,青藏高原以及西部天山、阿爾泰山等地區(qū),總面積約占我國(guó)領(lǐng)土的20%,而季節(jié)性凍土分布范圍則更廣。 在凍土地區(qū),隨著土中水的凍結(jié)和融化,會(huì)發(fā)生一些獨(dú)特的現(xiàn)象,稱為凍土現(xiàn)象。凍土現(xiàn)象嚴(yán)重地威脅著建筑物的穩(wěn)定和安全。 凍土現(xiàn)象是由凍結(jié)及融化兩種作用引起的。某些細(xì)粒土層在凍結(jié)時(shí),往往會(huì)發(fā)生土層體積膨脹,使地面隆起成丘,即所謂凍脹現(xiàn)象。土層發(fā)生凍脹的原因,不僅是由于水分凍結(jié)成冰體積增大9% 的緣故,主要是由于土層凍結(jié)時(shí),周圍未凍結(jié)區(qū)土中的水分會(huì)向表層凍結(jié)區(qū)遷移3.4土

46、在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚積聚,使凍結(jié)區(qū)土層中水分增加,凍結(jié)后的冰晶體不斷增大,土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起。凍土的凍脹會(huì)使路基隆起,使柔性路面鼓包、開(kāi)裂,使剛性路面錯(cuò)縫或折斷;凍脹還會(huì)使修建在其上的建筑物抬起,引起建筑物開(kāi)裂、傾斜,甚至倒塌。 對(duì)工程危害更大的是季節(jié)性凍土的凍融。春暖土層解凍融化后,由于土層上部積聚的冰晶體融化,使土中含水量增加,加之細(xì)粒土排水能力差,土層處于飽和狀態(tài),土層軟化,強(qiáng)度降低。路基土凍融后,在車輛反復(fù)碾壓下,輕者路面變得松軟,限制行車速度; 重者路面開(kāi)裂、冒泥,即翻漿現(xiàn)象,使路面完全破壞。凍融也會(huì)使房屋、橋梁、涵管發(fā)生大量下沉或不均勻下沉,引起建筑物開(kāi)裂破壞。因此,

47、凍土的凍脹及凍融都會(huì)對(duì)工程帶來(lái)危害,必須引起注意,采取必要的防治措施。3.4.2凍脹的機(jī)理與影響因素1.凍脹的原因 土發(fā)生凍脹是凍結(jié)時(shí)土中水分向凍結(jié)區(qū)遷移和積聚的結(jié)果。解釋水分遷移的學(xué)說(shuō)很多,其中以“結(jié)合水遷移學(xué)說(shuō)”較為普遍。 土中水分為結(jié)合水和自由水兩大類。結(jié)合水又根據(jù)其所受分子引力3.4土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚的大小分為強(qiáng)結(jié)合水與弱結(jié)合水;自由水分為重力水與毛細(xì)水。重力水在0時(shí)凍結(jié),毛細(xì)水因受表面張力的作用其冰點(diǎn)稍低于0;結(jié)合水的冰點(diǎn)則隨著其受到的引力增加而降低,外層弱結(jié)合水在-0.5時(shí)凍結(jié),越靠近土粒表面其冰點(diǎn)越低,弱結(jié)合水要在-20-30時(shí)才能全部?jī)鼋Y(jié),而強(qiáng)結(jié)合水在-78仍不凍結(jié)

48、。 當(dāng)大氣溫度降至負(fù)溫時(shí),土層中溫度隨之降低,土孔隙中的自由水首先在0時(shí)凍結(jié)成冰晶體。隨著氣溫的繼續(xù)下降,弱結(jié)合水的最外層也開(kāi)始凍結(jié),使冰晶體體積逐漸擴(kuò)大。這會(huì)使冰晶體周圍土粒的結(jié)合水膜減薄,土粒就產(chǎn)生剩余的分子引力。另外,由于結(jié)合水膜的減薄,使得水膜中的離子濃度增加(因?yàn)榻Y(jié)合水中的水分子結(jié)成冰晶體,使離子濃度相應(yīng)增加),產(chǎn)生滲透壓力(即當(dāng)兩種水溶液的濃度不同時(shí),會(huì)在它們之間產(chǎn)生一種壓力差,使?jié)舛容^小溶液中的水向濃度較大的溶液滲流)。在這兩種引力作用下,附近未凍結(jié)區(qū)水膜較厚處的結(jié)合水,被吸引到凍結(jié)區(qū)的水膜較薄處。一旦水分被吸引到凍結(jié)區(qū)后,因?yàn)樨?fù)溫作用,水即凍結(jié),使冰晶體體積增大,而不平衡引力繼

49、續(xù)存在。若未凍結(jié)區(qū)存在著水源(如地下水距凍結(jié)區(qū)很近)及適當(dāng)?shù)乃囱a(bǔ)給通道(即毛細(xì)通道),3.4土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移和積聚能夠源源不斷地補(bǔ)充被吸引的結(jié)合水,則未凍結(jié)區(qū)的水分就會(huì)不斷地向凍結(jié)區(qū)遷移積聚使冰晶體體積擴(kuò)大,在土層中形成冰夾層,使土體積發(fā)生膨脹,即凍脹現(xiàn)象。這種冰晶體體積的不斷增大,一直要到水源的補(bǔ)給斷絕后才停止。2.影響凍脹的因素 從土凍脹機(jī)理分析中可以看到,土的凍脹現(xiàn)象是在一定條件下形成的。影響凍脹的因素有三個(gè)方面: (1)土的因素凍脹現(xiàn)象通常發(fā)生在細(xì)粒土中,特別是粉土、粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)砂土等,凍結(jié)時(shí)水分遷移積聚最為強(qiáng)烈,凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重。這是因?yàn)檫@類土具有較顯著的毛細(xì)現(xiàn)象,毛細(xì)上升高度大,上升速度快,具有較通暢的水源補(bǔ)給通道,同時(shí),這類土的顆粒較細(xì),表面能大,土粒礦物成分親水性強(qiáng),能持有較多結(jié)合水,從而能使大量結(jié)合水遷移和積聚