《土力学》教案
主要内容：土的毛细性；土的渗透性；土在冻结过程中的水分迁移与集聚 重点内容：土的毛细现象及其危害；达西定律；冻土现象及其对工程的危害
土中水的运动规律
土中水并非处于静止不变的状态，而是在不停的运动着。土中水的运动原因和形式很多，主要有：
（1）在重力作用下，地下水的渗流-----土的渗透性问题。 （2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出-----土的固结问题。 （3）由于表面张力作用产生的水份移动-----土的毛细现象。 （4）在电分子引力作用下，结合水的移动-----冻结时土中水的迁移。 （5）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。 地下水的运动影响工程的设计方案、施工方法、施工工期、工程投资以及工程长期使用，而且，若对地下水处理不当，还可能产生工程事故。因此，在工程建设中，必须对地下水进行研究。本章重点研究土中水的运动规律及其对土性质的影响。
§3.1 土的毛细性
一、土的毛细现象
1．定义：是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或其它方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水，对工程产生一定的影响。
2. 影响
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（1）毛细水上升引起路基冻害。
（2）对于房屋建筑，毛细水上升会引起地下室过分潮湿，需解决防潮问题。
（3）毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程建设及农业生产都产生影响。
下面主要介绍毛细现象中的几个概念。
二、毛细水带 土层是由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带，可分如下三种（见P31图2－1）。
1、正常毛细水带（又称毛细饱和带）
它位于毛细水带的下部，与地下潜水相连通。这部分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。该水带会随着地下水位的升降而作相应的移动。
2、毛细网状水带
它位于毛细水带的中部。当地下水位急剧下降时，它也随着急速下降，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，孔隙中留下气泡，这样使毛细水呈网状分布。
3、毛细悬挂水带
它位于毛细水带的上部。这一带的毛细水是由地表水渗入而形成的，水悬挂在土颗粒之间。当地表有水补给时，毛细悬挂水在重力作用下向下移动。
上述三个毛细带不一定同时存在，这取决于当地的水文地质条件。
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如地下水位很高时，可能只有正常毛细水带，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3个毛细水带。
三、毛细水上升高度 1、理论计算公式
假设一根直径为d的毛细管插入水中，可以看到水会沿毛细管上升。其上升最大高度为：
hmax?2T4T ?r?wd?w式中：T???水的表面张力（见P32表2—1）；
d----毛细管直径，m；
?m-----水的重度，取10kN/m。
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从上式可以看出，毛细水上升高度与毛细管直径成反比，毛细管直径越细时，毛细水上升高度越大。
2、经验公式
在天然土层中，毛细水的上升高度是不能简单地直接采用上面的公式的。这是因为土中的孔隙是不规则的，与园柱状的毛细管根本不同，使得天然土层中的毛细现象比毛细管的情况要复杂得多。例如，假定粘土颗粒直径为d=0.0005mm的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径d?1?10?5cm，代入上式可得毛细水上升高度为hmax=300m，这是根本不可能的。实际上毛细水上升不过数米而已。
海森（A.Hazen）提出了下面的经验公式：
h0?
c ed1043
式中：h0----毛细水实际上升高度，m；
e----土的孔隙比；
d10-----土的有效粒径；
C----系数，一般C=（1～5）?10?5m2。
无粘性土毛细水上升高度的大致范围见P32表2-2。
由表2-2可见，砾类与粗砂，毛细水上升高度很小；细砂和粉土，不仅毛细水高度大，而且上升速度也快，即毛细现象严重。但对于粘性土，由于结合水膜的存在，将减小土中孔隙的有效直径，使毛细水在上升时受到很大阻力，故上升速度很慢。
四、毛细压力（自学）
§3.2 土的渗透性
土孔隙中的自由水在位势差作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。
渗透性是土的重要工程性质之一。与土的强度、变形问题一样，也是土力学中主要研究课题之一。
一、渗流的基本规律
（一）层流渗透定律（达西定律）
1．基本概念
（1）流线：水点的运动轨迹称为流线；
（2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流； （3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。
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一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。
2．达西定律
法国学者达西（H·Darcy）于1856年通过砂土的渗透试验，发现了地下水的运动规律，称为达西定律。试验装置下图所示。
L----试样长（砂土）； A----截面积； h----水位差； t-----时间（s）；
Q----试验开始t秒钟后盛水容器所接水量（cm3）。
则每秒钟渗透量
q?Qt 达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成：
q?kAhL?kAi 则渗透速度v?qA?ki（单位时间通过单位面积的水量） 式中：v???渗透速度，m/s；
i------水力坡降（水头梯度）；
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