土力学时.pptx

土力学教案课 次：第4次主要内容：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教学方法：精讲启发式 第三章第三章 土中水的运动规律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：中水的运动原因和形式很多，主要有：（1 1）在重力作用下，地下水的渗流）在重力作用下，地下水的渗流-土的渗透性问题。土的渗透性问题。（2 2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出）土在附加应力作用下孔隙水的挤出-土的固结问题。土的固结问题。（3 3）由于表面张力作用产生的水份移动）由于表面张力作用产生的水份移动-土的毛细现象。土的毛细现象。（4 4）在电分子引力作用下，结合水的移动）在电分子引力作用下，结合水的移动-冻结时土中水的冻结时土中水的迁移。迁移。（5 5）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。）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。章重点研究土中水的运动规律及其对土性质的影响。3.1 3.1 土的毛细性土的毛细性一、一、一、一、土的毛细现象土的毛细现象1 1定义定义定义定义：是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或其：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。产生一定的影响。2.2.影响影响影响影响（1 1）毛细水上升引起路基冻害。）毛细水上升引起路基冻害。（2 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）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。防潮问题。下面主要介绍毛细现象中的几个概念。下面主要介绍毛细现象中的几个概念。二、毛细水带二、毛细水带二、毛细水带二、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，可分如下三种下三种 1 1、正常毛细水带（又称毛细饱和带）、正常毛细水带（又称毛细饱和带）、正常毛细水带（又称毛细饱和带）、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。它位于毛细水带的下部，与地下潜水相连通。它位于毛细水带的下部，与地下潜水相连通。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。升降而作相应的移动。2 2、毛细网状水带、毛细网状水带、毛细网状水带、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。呈网状分布。3 3、毛细悬挂水带、毛细悬挂水带、毛细悬挂水带、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。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。如地下水位很高时，可能只有正常毛细文地质条件。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，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，则可能同时出现当地下水位较低时，则可能同时出现3 3个毛细水带。个毛细水带。三、毛细水上升高度三、毛细水上升高度三、毛细水上升高度三、毛细水上升高度1 1、理论计算公式、理论计算公式、理论计算公式、理论计算公式假设一根直径为假设一根直径为d d的毛细管插入水中，可以看到水会沿毛细管的毛细管插入水中，可以看到水会沿毛细管上升。其上升最大高度为：上升。其上升最大高度为：式中：水的表面张力（见式中：水的表面张力（见P32P32表表2121）；）；d d-毛细管直径，毛细管直径，mm；w w-水的重度，取水的重度，取10kN/m310kN/m3。从上式可以看出，毛细水上升高度与毛细管直径成反比，毛从上式可以看出，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。细管直径越细时，毛细水上升高度越大。2 2、经验公式、经验公式、经验公式、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管的情况要复杂得多。例如，假定粘土颗粒直径为d d=0.0005mm=0.0005mm的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直的圆球、那么这种均粒土堆积起来的孔隙直径径 d110d110-5-5cmcm，代入上式可得毛细水上升高度为，代入上式可得毛细水上升高度为d dmaxmax=300m=300m，这是根本不可能的。实际上毛细水上升不过数米而已。，这是根本不可能的。实际上毛细水上升不过数米而已。海森（海森（A.HazenA.Hazen）提出了下面的经验公式：）提出了下面的经验公式：式中：式中：h h0 0-毛细水实际上升高度，毛细水实际上升高度，mm；e e-土的孔隙比；土的孔隙比；d d1010-土的有效粒径；土的有效粒径；C C-系数，一般系数，一般C=C=（1 15 5）1010-5-5mm2 2。无粘性土毛细水上升高度的大致范围见表无粘性土毛细水上升高度的大致范围见表2-22-2。土名称土名称 颗粒直径颗粒直径（mmmm）孔隙比孔隙比 毛细水头（毛细水头（cmcm）毛细升高毛细升高 饱和毛细饱和毛细水头水头 粗粗 砾砾砂砂 砾砾细细 砾砾粉粉 砾砾粗粗 砂砂中中 砂砂细细 砂砂粉粉 土土 0.820.820.200.200.300.300.060.060.110.110.030.030.020.020.006 0.006 0.270.270.450.450.290.290.450.450.270.270.360.360.480.660.480.660.950.93 0.950.93 5.45.428.428.419.519.5106.0106.08282165.5165.5239.6239.6359.2 359.2 6 62020202068686060112112120120180 180 土中的毛细水上升高度土中的毛细水上升高度 由上表可见，砾类与粗砂，毛细水上升高度很小；细砂和由上表可见，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。上升速度很慢。四、毛细压力（自学）四、毛细压力（自学）四、毛细压力（自学）四、毛细压力（自学）3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性土的渗透性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。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样，也是土力学中主要研究课题之一。一、渗流的基本规律一、渗流的基本规律一、渗流的基本规律一、渗流的基本规律（一）层流渗透定律（达西定律）（一）层流渗透定律（达西定律）（一）层流渗透定律（达西定律）（一）层流渗透定律（达西定律）1 1基本概念基本概念基本概念基本概念（1 1）流线）流线）流线）流线：水点的运动轨迹称为流线；：水点的运动轨迹称为流线；（2 2）层流）层流）层流）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流；：如果流线互不相交，则水的运动称为层流；（3 3）紊流）紊流）紊流）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中一般土（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。流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。2 2达西定律达西定律达西定律达西定律法国学者达西（法国学者达西（HDarcyHDarcy）于）于18561856年通过砂土的渗透试验，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。所示。L L-试样长（砂土）；试样长（砂土）；A A-截面积；截面积；h h-水位差；水位差；t t-时间（时间（s s）；）；QQ-试验开始试验开始t t秒钟后盛水容器所接水量（秒钟后盛水容器所接水量（cm3cm3）。）。则每秒钟渗透量则每秒钟渗透量达西发现，达西发现，q q与与A A、h h成正比，与成正比，与L L成反比，则写成：成反比，则写成：则渗透速度则渗透速度 （单位时间通过单位面积的水量）（单位时间通过单位面积的水量）式中：渗透速度，式中：渗透速度，m/sm/s；i i-水力坡降（水头梯度）；水力坡降（水头梯度）；K K-渗透系数渗透系数 由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于中砂、由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。细砂、粉砂等。在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到电分子在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到电分子引力的作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到引力的作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗拉结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗拉强度后才能开始渗流。我们将克服此抗拉强度所需要的水头强度后才能开始渗流。我们将克服此抗拉强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度梯度，称为粘土的起始水头梯度i ib b。这样在粘土中，达西定。这样在粘土中，达西定律为：律为：V=k(i-ib)式中式中:i ib b-起始水头梯度（起始水力坡降）。起始水头梯度（起始水力坡降）。砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速度与砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定律不中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如上图（能适用，如上图（c c）所示，需建立紊流情况下的公式关）所示，需建立紊流情况下的公式关系。系。3 3渗透系数（自学）渗透系数（自学）渗透系数（自学）渗透系数（自学）4 4影响水渗透性的因素影响水渗透性的因素影响水渗透性的因素影响水渗透性的因素（1 1）土的粒度成份及矿物成份）土的粒度成份及矿物成份）土的粒度成份及矿物成份）土的粒度成份及矿物成份土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性越大。土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性越大。反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘土颗反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。粒时，其渗透系数就大大降低。（2 2）土的矿物成份）土的矿物成份）土的矿物成份）土的矿物成份关于土的矿物成份对无粘性土的渗透性影响不大，但对于关于土的矿物成份对无粘性土的渗透性影响不大，但对于粘性土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性较大的粘粘性土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性较大的粘土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低了土的渗透性，含有大量有机质的淤泥胀性，就大大降低了土的渗透性，含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。几乎是不透水的。（3 3）结合水膜厚度）结合水膜厚度）结合水膜厚度）结合水膜厚度粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。低土的渗透性。（4 4）土的结构构造）土的结构构造）土的结构构造）土的结构构造天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。如天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。渗透系数要比竖直方向大得多。（5 5）水的粘滞度）水的粘滞度）水的粘滞度）水的粘滞度水在土中的渗透速度与水的重度及粘滞度有关，而这两个数值水在土中的渗透速度与水的重度及粘滞度有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的重度随温度变化很小，可略去不计，又与温度有关。一般水的重度随温度变化很小，可略去不计，但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。（6 6）土中气体）土中气体）土中气体）土中气体当土中存在封闭气泡时，会阻塞水的渗透，从而降低了土的当土中存在封闭气泡时，会阻塞水的渗透，从而降低了土的渗透性。渗透性。二、动水力及渗流破坏二、动水力及渗流破坏二、动水力及渗流破坏二、动水力及渗流破坏1 1动水力动水力动水力动水力水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力T T的作用，这个力的作用的作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上，我们把水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上，我们把水在水在水在水在土中渗流时，对单位体积土骨架所产生的作用力称为动水力土中渗流时，对单位体积土骨架所产生的作用力称为动水力土中渗流时，对单位体积土骨架所产生的作用力称为动水力土中渗流时，对单位体积土骨架所产生的作用力称为动水力GGD D（KN/m3KN/m3）。GD=iw*总结总结总结总结：动水力是一个渗透力，也是一个体积力，是地下：动水力是一个渗透力，也是一个体积力，是地下水在渗流过程中对单位体积土骨架所产生的作用力，其大水在渗流过程中对单位体积土骨架所产生的作用力，其大小与水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。小与水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。2 2流砂流砂流砂流砂当水流向下流动时，动水力方向与重力方向一致，使土颗当水流向下流动时，动水力方向与重力方向一致，使土颗粒压得更加紧密，对工程有利。反之，当水流向上渗流时，粒压得更加紧密，对工程有利。反之，当水流向上渗流时，动水力的方向与重力方向相反。当动水力动水力的方向与重力方向相反。当动水力GDGD的数值等于的数值等于或大于土的浮重度或大于土的浮重度r r时，土体颗粒间的压力就等于零，土时，土体颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象称为流砂。即流砂产生的条件为这种现象称为流砂。即流砂产生的条件为 GD或：或：i/w令令,i,icrcr=/=/w w 称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实际水力坡降，则会产生流砂。际水力坡降，则会产生流砂。容许水力坡降容许水力坡降容许水力坡降容许水力坡降（取安全系数（取安全系数K K2.02.02.52.5），设计时渗流逸出），设计时渗流逸出处的水力坡降应满足如下要求：处的水力坡降应满足如下要求：流砂现象主要发生在细砂、粉砂及粉土等土层中。对于流砂现象主要发生在细砂、粉砂及粉土等土层中。对于饱和饱和饱和饱和的低塑性粘性土的低塑性粘性土的低塑性粘性土的低塑性粘性土，当受到扰动时，也流砂现象一般会发生流，当受到扰动时，也流砂现象一般会发生流砂现象，而在粗颗粒及粘土中则不易发生。砂现象，而在粗颗粒及粘土中则不易发生。发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。基坑开挖发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。基坑开挖排水时，常采用排水时，常采用排水沟排水沟排水沟排水沟明排地下水的方法。此时地下水流动明排地下水的方法。此时地下水流动的方向向着基槽，由于基槽中土体已挖除，形成临空面，在的方向向着基槽，由于基槽中土体已挖除，形成临空面，在动水力的作用下可能产生流砂现象。这时，坑底土一面挖一动水力的作用下可能产生流砂现象。这时，坑底土一面挖一面会随水涌出，无法清除，站在坑底的人和放置的施工设备面会随水涌出，无法清除，站在坑底的人和放置的施工设备也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑，使坑底土的结构破也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑，使坑底土的结构破坏，强度降低，将来会使建筑物产生附加沉降。坏，强度降低，将来会使建筑物产生附加沉降。一般情况下，施工前应做好周密地勘测工作，当基坑底面的一般情况下，施工前应做好周密地勘测工作，当基坑底面的土层属于容易引起流砂现象的土质时，应避免采用土层属于容易引起流砂现象的土质时，应避免采用排水沟排水沟排水沟排水沟明明排地下水，而应采用人工降低地下水位（井点降水）的方法排地下水，而应采用人工降低地下水位（井点降水）的方法进行施工。进行施工。3 3管涌：管涌：管涌：管涌：当水力坡降当水力坡降i i很大时，引起紊流，水流会将土体中很大时，引起紊流，水流会将土体中细颗粒土带走，破坏土的结构，这种现象称为管涌。细颗粒土带走，破坏土的结构，这种现象称为管涌。长期管涌的结果会形成地下水洞，土洞由小逐渐扩大，可导长期管涌的结果会形成地下水洞，土洞由小逐渐扩大，可导致地表塌陷，如美国的伯明翰市。致地表塌陷，如美国的伯明翰市。河滩路堤两侧有水位差时，在路堤内或基底土内发生渗流，河滩路堤两侧有水位差时，在路堤内或基底土内发生渗流，当水头梯度较大时，可能产生管涌现象，导致路堤坍塌破坏。当水头梯度较大时，可能产生管涌现象，导致路堤坍塌破坏。为了防止管涌现象发生，一般可在渗流逸出部位铺设反滤层，为了防止管涌现象发生，一般可在渗流逸出部位铺设反滤层，或做防渗铺盖或施工防渗墙等。或做防渗铺盖或施工防渗墙等。流砂和管涌的区别是流砂和管涌的区别是流砂和管涌的区别是流砂和管涌的区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部。于土体内部。3.3 3.3 流网及其应用（自学）流网及其应用（自学）流网及其应用（自学）流网及其应用（自学）3.4 3.4 土在冻结过程中的水分迁移与集聚土在冻结过程中的水分迁移与集聚土在冻结过程中的水分迁移与集聚土在冻结过程中的水分迁移与集聚一、冻土现象及其危害一、冻土现象及其危害一、冻土现象及其危害一、冻土现象及其危害在寒冷季节因大气负温影响，土中水冻结成冰，此时土称为在寒冷季节因大气负温影响，土中水冻结成冰，此时土称为冻土冻土冻土冻土。1 1冻土分类冻土分类（1 1）季节性冻土：是指冬季冻结，夏季全部融化的冻土；）季节性冻土：是指冬季冻结，夏季全部融化的冻土；（2 2）隔年冻土：若冬季冻结，一两年不融化的土层；）隔年冻土：若冬季冻结，一两年不融化的土层；（3 3）多年冻土：凡冻结状态持续三年或三年以上的土层。）多年冻土：凡冻结状态持续三年或三年以上的土层。多年冻土的表层常覆盖有季节性冻土，故又称多年冻土的表层常覆盖有季节性冻土，故又称融冻层融冻层融冻层融冻层。我国的多年冻土分布，基本上集中在纬度较高和海拔较高的我国的多年冻土分布，基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区，如东北的大兴安岭北部的小兴安岭北部，青藏高严寒地区，如东北的大兴安岭北部的小兴安岭北部，青藏高原以及西部天山，阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的原以及西部天山，阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的2020左右，而季节性冻土分布范围更广。左右，而季节性冻土分布范围更广。2 2冻土现象冻土现象冻土现象冻土现象在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，会发生一些独特的在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，会发生一些独特的现象，称为冻土现象。冻土现象包括冻胀现象和融陷现象。现象，称为冻土现象。冻土现象包括冻胀现象和融陷现象。（1 1）冻胀现象）冻胀现象）冻胀现象）冻胀现象：某些细粒土层随着土中水的冻结，土体产生体：某些细粒土层随着土中水的冻结，土体产生体积膨胀，这种现象称为冻胀现象。积膨胀，这种现象称为冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成水时其体积要土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成水时其体积要增大增大9 9的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中的水分中的水分会向表层冻结区迁移集聚，使冻结区土层中的水分增加，冻结的水分逐渐增多，土体积也随之发生膨胀隆起。增加，冻结的水分逐渐增多，土体积也随之发生膨胀隆起。（2 2）融陷现象）融陷现象）融陷现象）融陷现象：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体：当土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷，这种现象称为融陷现象。随之下陷，这种现象称为融陷现象。3 3冻土现象对工程的危害冻土现象对工程的危害冻土现象对工程的危害冻土现象对工程的危害（1 1）冻胀时，路基被隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错）冻胀时，路基被隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝或折断；缝或折断；（2 2）修建在冻土上的建筑物，冻胀引起建筑物的开裂、倾斜甚）修建在冻土上的建筑物，冻胀引起建筑物的开裂、倾斜甚至轻型构筑物倒塌；至轻型构筑物倒塌；（3 3）发生融陷后，路基土在车辆反复碾压下，轻者路面变得松）发生融陷后，路基土在车辆反复碾压下，轻者路面变得松软，重者路面翻浆。软，重者路面翻浆。（4 4）季节性冻土地区，当土层解冻融化后，土层软化，强度大）季节性冻土地区，当土层解冻融化后，土层软化，强度大大降低，使得房屋、桥梁和涵管等发生过量沉降和不均匀沉大降低，使得房屋、桥梁和涵管等发生过量沉降和不均匀沉降，引起建筑物的开裂破坏。降，引起建筑物的开裂破坏。因此，冻土现象必须引起注意，并采取必要的防治措施。因此，冻土现象必须引起注意，并采取必要的防治措施。二、冻胀机理与影响因素二、冻胀机理与影响因素二、冻胀机理与影响因素二、冻胀机理与影响因素1 1冻胀的原因冻胀的原因冻胀的原因冻胀的原因其主要原因是其主要原因是其主要原因是其主要原因是：冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果。解释水分迁移的学说很多，其中以解释水分迁移的学说很多，其中以“结合水迁移学说结合水迁移学说”较为普较为普遍。遍。大家知道，土中水区分为结合水和自由水两大类，结合水又根大家知道，土中水区分为结合水和自由水两大类，结合水又根据其所受电分子引力的大小分为强结合水与弱结合水；自由水据其所受电分子引力的大小分为强结合水与弱结合水；自由水分为重力水和毛细水。其中重力水在分为重力水和毛细水。其中重力水在00C00C时冻结，毛细水的冰时冻结，毛细水的冰点稍低于点稍低于00C00C；结合水的冰点则随着其受到的引力增加而降低，；结合水的冰点则随着其受到的引力增加而降低，弱结合水的外层在弱结合水的外层在-0.50C-0.50C时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，弱结合水要在弱结合水要在-200C-200C300C300C时才全部冻结，而强结合水在时才全部冻结，而强结合水在-780C780C仍不冻结。所以，在冬季气温下，参与冻结的是重力水、仍不冻结。所以，在冬季气温下，参与冻结的是重力水、毛细水和部分弱结合水。毛细水和部分弱结合水。当大气温度降至负温时，土层中的温度也随之降低，土孔隙当大气温度降至负温时，土层中的温度也随之降低，土孔隙中的自由水首先在中的自由水首先在00C00C时冻结成水晶体。随着气温的继续下时冻结成水晶体。随着气温的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这样，冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒产生剩余的分子样，冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加。这样便产生渗附压力（即当两种溶液的浓度不同时，增加。这样便产生渗附压力（即当两种溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中有水向浓会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中有水向浓度较大的溶液渗流。）在两种引力作用下，附近未冻结区水度较大的溶液渗流。）在两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分膜较厚处的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即结冰，使水晶体增被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即结冰，使水晶体增大，而不平衡引力继续存在，则未冻结区的水分就会不断地大，而不平衡引力继续存在，则未冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移集聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹向冻结区迁移集聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生急剧膨胀。这种冰晶体的不断扩大，一直到层，土体积发生急剧膨胀。这种冰晶体的不断扩大，一直到水源的补给断绝后才停止。水源的补给断绝后才停止。2.2.影响膨胀的因素影响膨胀的因素影响膨胀的因素影响膨胀的因素（1 1）土的因素）土的因素）土的因素）土的因素冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质亚冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是粉砂、粉土、粉质亚粘土和粉质粘土等。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，粘土和粉质粘土等。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，毛细上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道。毛细上升高度大，上升速度快，具有较通畅的水源补给通道。同时，这类土颗粒较细，能持有较多的结合水，从而能使大同时，这类土颗粒较细，能持有较多的结合水，从而能使大量的结合水迁移和积聚。量的结合水迁移和积聚。粘土的冻胀性较上述粉质土为小，这是因为粘土虽有较厚的粘土的冻胀性较上述粉质土为小，这是因为粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，水分在迁移过程中受到的阻力结合水膜，但毛细孔隙很小，水分在迁移过程中受到的阻力很大，没有畅通的水源补给通道，所以其冻胀性反而小。很大，没有畅通的水源补给通道，所以其冻胀性反而小。对于砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，其毛细对于砂砾等粗颗粒土，没有或具有很少量的结合水，其毛细现象也不显著，不会发生水分的迁移和积聚，因而不会发生现象也不显著，不会发生水分的迁移和积聚，因而不会发生冻胀。所以，在工程实践中常在地基或路基中换填砂土，以冻胀。所以，在工程实践中常在地基或路基中换填砂土，以防治冻胀。防治冻胀。（2 2）水的因素）水的因素）水的因素）水的因素从前面的分析可以看出，土层发生冻胀的原因是水分的迁移从前面的分析可以看出，土层发生冻胀的原因是水分的迁移和集聚，因此，当冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高和集聚，因此，当冻结区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到冻结线，使冻结区能得到外部水源充分补给时将度能够达到冻结线，使冻结区能得到外部水源充分补给时将发生较强烈的冻胀现象。反之，冻胀将轻微。发生较强烈的冻胀现象。反之，冻胀将轻微。（3 3）温度的因素）温度的因素）温度的因素）温度的因素如气温骤降，冻结速度较快时，土中弱结合水及毛细水来不如气温骤降，冻结速度较快时，土中弱结合水及毛细水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所堵塞。这样，水分迁移和集聚不会发生，在土层中看不到冰堵塞。这样，水分迁移和集聚不会发生，在土层中看不到冰夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般无明显的冻胀。如气温缓慢下降，负温持续时间又较长，就无明显的冻胀。如气温缓慢下降，负温持续时间又较长，就能促使未冻区水分不断地向冻结区迁移集聚，在土层中形成能促使未冻区水分不断地向冻结区迁移集聚，在土层中形成冰夹层，出现明显的冻胀现象。冰夹层，出现明显的冻胀现象。上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。通常在上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。通常在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层才具有较大的冻胀危害。因此，我们可以根据影响冻等土层才具有较大的冻胀危害。因此，我们可以根据影响冻胀的三个因素，采取相应的防治冻胀的工程措施，如可将构胀的三个因素，采取相应的防治冻胀的工程措施，如可将构筑物基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。筑物基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。三、标准冻结深度三、标准冻结深度三、标准冻结深度三、标准冻结深度由于土的冻胀和冻融将危害建筑物的安全和正常使用，因此由于土的冻胀和冻融将危害建筑物的安全和正常使用，因此一般设计中均要求将基础底面置于当地冻结深度以下，以防一般设计中均要求将基础底面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。止冻害的影响。土的冻结深度与许多因素有关，如当地气候、土的类别、湿土的冻结深度与许多因素有关，如当地气候、土的类别、湿度以及地面覆盖情况等。度以及地面覆盖情况等。下面介绍一个概念，即：下面介绍一个概念，即：标准冻结深度标准冻结深度标准冻结深度标准冻结深度Z Z0 0：在地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实：在地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实测最大冻结深度的平均值称为标准冻结深度，在测最大冻结深度的平均值称为标准冻结深度，在公路与桥涵公路与桥涵地基与基础设计规范地基与基础设计规范和和建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范中，绘制中，绘制了东北和华北地区标准冻深线图。了东北和华北地区标准冻深线图。作 业：P45：第2题、第3题