各种土中水的特征
最新4.2土中水的形态及其对土性的影响
4.2.3 土的冻胀和冻融作用 图4－8 冰的分子结构
水—冰：大约体胀9％。 1928 至 1929 年 冬 季 ， 卡 萨 格 兰 德
（Casagrande）在美国新罕布什尔州的公 路进行了实地量测。当地秋季时地下水位深 2m，冬季当冻层深度为45cm时，地表总冻 胀量达13cm。冻层中冻结前含水量为8％～ 12％，冻结后含水量达到60％～110％。开 挖后发现冻层中分布大量的冰晶、冰透镜体、 冰夹层，平均冰厚度为13cm。
Ts
T0
Ts为 地表面气温
T T0为多年平均气温
冻 结 锋 面 下 降
z
（散热）热流方程：
qt
kt
T z
当水结冻时，释放潜热， 向水下传递，随着冻结锋 面下降，dT/dz减小，最后 锋面达到平衡。
图4－ 地基土的冻结与温度传递
粉
随
土
着
渗
透 系
粉
吸 力
数
砂
增
k/ cm/s
加
渗
透
系
数
粘土
减 少
吸力 /100kPa
可见地基中水分的转移才是地基冻胀的基 本原因。
冻胀
图4－9 冻胀过程中的水分转移
冻胀的机理与过程
土中冰晶与颗粒表面水的结冻温度<0 度：土中水的离子，颗粒的表面力 冰 晶与土颗粒表面存在未冻水，可比0度 低几度。而在冻结锋面存在吸附膜。随 着温度降低，吸附膜水被结冻，离子浓 度增加，产生吸力，它力图保持膜厚度 不变，吸力将下部土中水（毛细水）吸 引上来，再结冻形成冰透镜体，冻胀增 加毛细力又吸引下部的地下水，源源不 断，形成开放体系，使冻胀不断增加。
4.2土中水的形态及其 对土性的影响
土中水的运动规律
hc
C ed10
通过试验可以得出，在较粗
颗粒土中，毛细水上升一开始进
行的很快，以后逐渐缓慢，细颗
粒土毛细水上升高度较大，但上
升速度较慢。
土中水的运动规律
3.2.3 毛细压力
毛细压力可以用图3.3来说明。 图中两个土粒(假想是球体)的接 触面间有一些毛细水，土粒表面 的湿润作用，使毛细水形成弯液 面。在水和空气的分界面上产生 的表面张力是沿着弯液面切线方 向作用的，它促使两个土粒互相 靠拢，在土粒的接触面上就产生 一个压力，称为毛细压力。
土中水的运动规律
3.1 概述
土中水的运动规律
土中水并非处于静止不变的状态，而是处于运动状态。土 中水的运动原因和形式很多，例如，在重力作用下，地下水的 流动(土的渗透性问题)；在土中附加应力作用下孔隙水的挤出 (土的固结问题)；由于表面张力作用产生的水分移动(土的毛 细现象)；在土颗粒分子引力作用下结合水的移动(如冻结时土 中水分的移动)；由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗 附现象等。土中水的运动将对土的性质产生影响，在许多工程 实践中碰到的问题，如流沙、冻胀、渗透固结、渗流时的边坡 稳定等，都与土中水的运动有关。故本章着重研究土中水的运 动规律。
dQadh
dQ k h Fdt l
adhk h Fdt l
k al lnh1 F(t2 t1) h2
土中水的运动规律
2) 现场抽水试验
(1)无压完整井
q ln( R )
k
(H
2
r0
h
2 0
)
(2)无压非完整井
k
qlnrR0
第一章土的物理性质及分类
第⼀章⼟的物理性质及分类第⼀章⼟的物理性质及分类1—1 概述⼟的定义：⼟是连续，坚固的岩⽯在风化作⽤下形成的⼤⼩悬殊的颗粒，经过不同的搬运⽅式，在各种⾃然环境中⽣成的沉积物。
⼟的三相组成：⼟的物质成分包括有作为⼟⾻架的固态矿物颗粒、孔隙中的⽔及其溶解物质以及⽓体。
因此，⼟是由颗粒(固相)、⽔(液相)和⽓(⽓相)所组成的三相体系。
第⼆节⼟的⽣成⼀、地质作⽤的概念地质作⽤--导致地壳成分变化和构造变化的作⽤。
根据地质作⽤的能量来源的不同，可分为内⼒地质作⽤和外⼒地质作⽤内⼒地质作⽤: 由于地球⾃转产⽣的旋转能和放射性元素蜕变产⽣的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发⽣变化的地质作⽤。
如岩浆作⽤、地壳运动(构造运动)和变质作⽤。
外⼒地质作⽤：由于太阳辐射能和地球重⼒位能所引起的地质作⽤。
它包括⽓温变化、⾬雪、⼭洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、⽣物等的作⽤。
风化作⽤--外⼒(包括⼤⽓、⽔、⽣物)对原岩发⽣机械破碎和化学变化的作⽤。
沉积岩和⼟的⽣成--原岩风化产物（碎屑物质），在⾬雪⽔流、⼭洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外⼒作⽤下，被剥蚀，搬运到⼤陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代⾥，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压⼒和含有碳酸钙、⼆氧化硅、氧化铁等胶结物的作⽤下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱⽔、胶结、硬化⽣成新的岩⽯，称为沉积岩。
未经成岩作⽤所⽣成的所谓沉积物，也就是通常所说的“⼟”。
风化、剥蚀、搬运及沉积--外⼒地质作⽤过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。
⼆、矿物与岩⽯的概念岩⽯--⼀种或多种矿物的集合体。
矿物--地壳中天然⽣成的⾃然元素或化合物，它具有⼀定的物理性质、化学成份和形态．(⼀) 造岩矿物组成岩⽯的矿物称为造岩矿物。
矿物按⽣成条件可分为原⽣矿物和次⽣矿物两⼤类。
区分矿物可以矿物的形状、颜⾊、光泽、硬度、解理、⽐重等特征为依据。
（⼆）岩⽯岩⽯的主要特征包括矿物成分、结构和构造三⽅⾯。
工程地质基础—地下水
孔隙
岩石中的各种空隙 1.分选良好，排列疏松 的砂；2.分选良好，排 列紧密的砂
3.分选不良的，含泥、 砂的砾石；4.经过部分 胶结的砂岩
5.具有结构性孔隙的 粘土
6.经过压密的粘土
7.具有裂隙的岩石
8.具有溶隙及溶穴的可 溶岩
影响孔隙度大小的因素主要有：
颗粒排列方式 分选程度 胶结充填程度 结构及次生孔隙 分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙度愈大； 反之愈小；粘性土的孔隙度还取决于其结构及次生孔隙。
3.地貌条件：在不同的地貌部位对地下水的形成关系密切。 一般在平原、山前区易于储存地下水，形成良好的含水层； 在山区一般很难储存大量的地下水。
4.人为因素：大量抽取地下水，会引起地下水位大幅下降； 修建水库，可促使地下水位上升。
(2)水循环的类型 根据水分循环的路径和规模，可分为两种：
◆大循环——海陆之间的水分交换过程，也称为海 陆间循环。 ◆小循环——水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。
潜水与地表水补给的关系
(a) 潜水补给河流 (b)河流补给潜水
(c)单侧补给
潜水与地表水之间的关系
练习题一
1.某地区潜水等水位线图见下图。试确定
①河水与潜水之间的补排关系；
②A、B两点间的平均水力坡降
（A、B两点距离近似为60m）
③若在C点处凿井，多深可见
潜水面？
承压水
充满两个隔水层之间的含水层中的重力水。 含水层分区：补给区、承压区、排泄区、自流区、隔水顶板、隔水底板
H2S ： 一般存在于深部地下水中，在微生物作用下由硫 酸盐还原而形成。局部浅层地下水含有较多的H2S，并呈酸 性，对混凝土具有侵蚀性。
CO2 ：主要来源于土壤中有机质氧化产生的CO2，还有大 气中的CO2。深层地下水的CO2含量较高。含CO2较高的地下 水具有侵蚀性，能腐蚀混凝土。
土力学题库
选择题（1）某砂土的最大孔隙比0.2max =e ，最小孔隙比5.0min =e ，天然孔隙比75.0=e ，则其相对密度r D 为（ ）（A ）1.2 （B ）0.83 （C ）0.167 （D ）5.0（2）土粒级配曲线越平缓，说明（ B ）（A ）土粒均匀，级配不好； （B ）土粒不均匀，级配良好；（C ）土粒均匀，级配良好； （D ）土粒不均匀，级配不好。
（3）砂类土的重要特征是（ D ）（A ）灵敏度与活动度 （B ）塑性指数与液性指数（C ）饱和度与含水量 （D ）颗粒级配与密实度（4）在地面上修建一座梯形土坝，则坝基的反力分布形状应为何种形式？（ ）（A ）矩形； （B ）马鞍形； （C ）梯形。
（5）室内侧限压缩试验测得的e-P 曲线愈陡，表明该土样的压缩性（ A ）（A ）愈高； （B ）愈低；（C ）愈均匀； （D ）愈不均匀。
（6）前期固结压力小于现有覆盖土层自重应力的土称为（ A ）（A ）欠固结； （B ）次固结；（C ）正常固结； （D ）超固结。
（7）某饱和粘土层，厚度为h ，在满布荷载P 作用下固结（单面排水），当t=1a 时，固结度U=50%，若同样的饱和粘土层，在满布荷载2P 作用下固结，土层厚度为h/2，固结度U=50%时所需的时间为（ ）（A ）t=1a （B ）t=1/2a （C ）t=1/4a （D ）t=2a（8）土的抗剪强度，下列说法正确的是（ B ）。
（A ）土体中发生剪切破坏的平面，为最大剪应力作用面；（B ）土体中某点作一平面，若该面积元上的σ和τ在应力坐标上位于两条强度线之间，则表示该点处于弹性状态，未达到极限平衡；（C ）土体中发生剪切破坏的平面，其剪应力等于抗剪强度；（D ）总应力强度线的内摩擦角ϕ总是大于有效应力强度线的内摩擦角ϕ'。
（9）提高挡土墙墙后的填土质量，使土的抗剪强度增大，将使作用于墙背的（ ）（A ）主动土压力增加； （B ）主动土压力减小；（C ）静止土压力增加； （D ）被动土压力减小。
土中水的运动规律
•
•
（2）考虑竖直向渗流时（水流方向与土层垂直）
总的流量等于每一土层的流量，总的截面积等于各 土层的截面积，总的水头损失等于每一层的水头损失之和 h h h 。 k q q (h h ) q (h h ) q (h h ) h h h FI F H F (H H ) F q h q h k k k Fk Fk
•
v k (I I 0 )
中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件
• •
三、土的渗透系数 土的渗透系数可由经验参考数值确定，也可通过室 内试验、现场抽水试验测定。 • 1、室内常水头渗透试验 • 试验装置见图3-7。由试验测得的结果计算如下： • • • • 2、变水头渗透试验 Ql k HFt 试验装置如图3-8。由此可求得渗透系数： al h1 3、现场抽水试验 k ln Ft h2 现场抽水试验见图3-9。从而求得渗透系数为：
•
•
多年冻土：冻结状态持续三年或三年以上的土层。
冻土的危害：冻土由冻结及融化两种作用引起。在 冻结时，由于水结成冰体积要膨胀9%，引起土体膨胀， 使地面隆起，称为冻胀现象。冻胀引起路基开裂、路面鼓 包、开裂，建筑物上抬、开裂、倾斜，甚至倒塌。融化时 ，土中冰融化成水使土的含水量增加，强度下降，冰水积 聚，容易引起路面翻浆冒泥，使路面破坏、建筑物也融陷 。
z0 0.28
T
m
7 0.5
中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件
The End
中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 多 媒 体 教 学 课 件
土中水的运动规律
土中水的运动规律土壤中的水分是一种重要的自然资源，它对植物生长和生态系统的维持起着至关重要的作用。
土壤中的水分运动规律是指水分在土壤中的流动和分布特征，了解土中水的运动规律对于合理地利用和管理水资源具有重要意义。
水分在土壤中的运动主要有三种形式：下渗、上升和水分的水平运动。
下面将对这三种形式进行详细解释。
首先，下渗是指在降雨或灌溉等外界输入水分的作用下，水分由土壤表面逐渐向下渗透的过程。
下渗的速率与土壤的性质密切相关，包括土壤的渗透性、含水量和坡度等。
渗透性较强的土壤能够较快地将水分吸收并向下渗透，而具有较低渗透性的土壤则会形成水分渗透的阻碍。
其次，上升是指土壤中的水分由根系吸力和毛细作用等因素的作用下，逆向运动向土壤表面移动的过程。
植物根系的吸力和土壤毛细作用是上升的主要驱动力，它们能够克服重力和土壤水分的阻力，使水分从较深层次向上运动，满足植物对水分的需求。
最后，水分的水平运动是指水分在土壤中沿着水势梯度从高水势区向低水势区移动的过程。
土壤水分的水势梯度是由土壤的物理结构和含水量分布所决定的，水分会沿着水势梯度向低水势移动。
水分的水平运动在土壤湿润和干燥的交界处较为明显，能够调节土壤中的水分分布，维持土壤的湿润程度。
影响土中水的运动规律的因素有很多，包括土壤类型、土壤质地、地形坡度、降雨量和植被状况等。
土壤类型和质地决定了土壤的渗透性和蓄水能力，影响了水分的下渗和水平运动；地形坡度对水分的下渗和水平运动有很大的影响，陡坡地的水分会迅速流失；降雨量的大小和分布影响了土壤中的水分储备和水分的下渗速率；植被状况能够通过根系吸力的作用促进水分的上升运动。
在实际生产和生活中，我们可以根据土中水的运动规律进行水资源的合理利用和管理。
例如，在农业生产中，我们可以根据土壤类型和质地选择合适的灌溉方式和灌溉量，以确保水分能够充分渗透到作物根区并被利用；在城市建设中，可以合理规划排水系统，避免水分的积聚和滞留，防止城市内涝的发生。
工程地质学第五章-地下水
• • •
• Darcy定律适合于层流（砂土）。
5.2 地下水类型及其主要特性
地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带
水、潜水、承压水；
根据含水层的空隙性质地下水可分为孔隙水、 裂隙水、岩溶水。 通过这两种分类的组合，可得九类不同特点 的地下水。见教材p124。
裂隙水
孔隙水
含水层
承压水井 自流水井 潜水井 承压水位 潜 水 位
6、 地下水的循环：补给、排泄
上层滞水循环：大气降水补给，垂直蒸发、下渗排泄。 潜水补给： 大气降水，地表水的补给，含水层之间的补给①越流 补给②直接补给，凝结水，人工补给。 潜水排泄：蒸发，泉的排泄，地表水排泄，人为排泄。 承压水补给：大气降水，地表水，潜水。 承压水排泄：潜水排泄，泉的排泄，地表水排泄。
承压水面上高程相等点的连线图
用途：流向，水力坡度，初见水位，水位埋深，水头
5.3 地下水的性质
一、地下水的物理性质
1、温度：主要受气候条件和地热控制
由于地下水形成的环境不同，其温度变化范围很大； 常随埋藏深度不同而异，埋藏越深、水温越高。 纯净的地下水是无色的，当含有某些化学成分或悬浮物质时， 2、颜色： 会带有一定颜色。 纯净的地下水是透明的，但含有有机质、矿物质及胶体时， 3、透明度： 地下水将变得浑浊不清。 地下水一般是无嗅无味的，当含有气体或有机质时，会具有特殊 4、气味：
特点：空间分布极不均匀，动态变化强 烈，流动迅速，排泄集中。
在土木工程建筑地基内有岩溶水活 动，不但在施工中会有突然涌水的事故 发生，而且对建筑物的稳定性也有很大 影响。因此，在建筑场地和地基选择时 应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情 况，用排除、截源、改道等方法处理， 如挖排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输 水隧洞改道等等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
液态水：土中液态水指存在于土体孔隙中的水，可分为自由水
土中水的存在形式固态水：根据对土工程性质的影响，固态水可作为土矿物颗粒的一部分。
气态水：气态水作为土中气体的一部分。
（一）结合水
1 、定义：粘土颗粒表面通常带负电荷，在土粒电场范围内，极性分子的水和水溶液中的阳离子，在静电引力作用下，被牢牢吸附在土颗粒周围，形成一层不能自由移动的水膜，这种水称为结合水，如图1-4所示。
（见武工大编P9，图2-8）
2、分类
在土粒形成的电场范围内，随着距离土颗粒表面的远近不同，水分子和水化离子的活动状态及表现性质也不相同。
根据水分子受到静电引力作用的大小，结合水分为强结合水
定义：指紧靠粘土颗粒表面的水，颗粒表面的静电引力最强，把水化离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面，形成固定层。
性质：近于固体，不能传递静水压力，具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度，熔点：105℃左右时。
当粘土中只含强结合水时，粘土呈固体状态，磨碎后呈粉末状态。
2）.弱结合水
定义：弱结合水位于强结合水的外围，仍受到一定程度的静电引力作用，占有结合水膜的大部分。
性质：呈粘滞体状态。
不能传递静水压力，但当相邻土颗粒水膜厚度不等时，水能从水膜较厚的颗粒移向水膜较薄的颗粒。
当土中含有较多的弱结合水时，即表现为高塑性、易膨胀收缩性、低强度和高压缩性。
结合水在土中的含量主要取决于土的比表面的大小。
要理解水的相互作用关系，才能掌握土的工程性质。
例1：粘土矿物的颗粒细，比表面大，能大量吸附结合水。
结合水使粒间透水的孔隙大为缩小，甚至充满，导致粘性土透水性差。
另外，存在的结合水使颗粒互不接触，便具有滑移的可能；同时相邻土粒间的结合水因受颗粒引力的吸附，使粒间具有一定的联结强度，所以粘性土又具有粘性和可塑性。
例2：砂粒、砾石等，颗粒粗，比表面小，孔隙大，孔隙水中结合水的数量可忽
略不计。
故粗粒土的性质主要取决于土粒的形状、级配和排列方式（结构）。
(二)自由水：
1．定义：指存在于土粒形成的电场范围以外能自由移动的水。
2．性质：和普通水相同，有溶解能力，能传递静水压力。
3．分类：按自由水移动时所受作用力的不同，自由水可分为
1）重力水
定义：指在重力或压力差作用下，能在土中自由流动。
性质：一般指地下水位以下的透水土层中的地下水，它对土粒有浮力作用。
重力水直接影响土的应力状态，并应注意建筑物的防渗要求和基坑（槽）开挖时采取降（排）水措施。
2.毛细水
定义：指受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
性质：存在于地下水位以上的透水层中，毛细水上升高度对建筑物底层的防潮有重要影响。
当土孔隙中局部存在毛细水时，，使土粒之间由于毛细压力互相靠近而压紧（图1-5），土因此会表现出微弱的凝聚力，称为毛细凝聚力。
如这种凝聚力的存在，使潮湿砂土能开挖成一定的高度，但干燥以后，就会松散坍塌。