土质学与土力学
人防教研室 赵佩胜
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第三章 土中水的运动规律
水以各种形式存在于土中, 这在前面已讲过 。
同时土中水在不断地运动, 如水的渗透, 毛细水运
动等, 这些运动对土的性质影响很大 。
土的毛细性是指土能够产生毛细现象的性质 。
毛细现象是指土中水在表面张力作用下, 沿着孔隙
形成的管道向上运动的现象 。 这部分孔隙中的水称
为毛细水 。
毛细水的危害：引起路基冻害, 地下室过分潮
湿, 土地沼泽化, 盐渍化 。
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第一节 土的毛细性
一, 土层中的毛细水带
1,正常毛细水带 （ 又称毛细饱和带 ）,位于毛细水带
下部, 地下潜水面以上, 几乎充满全部孔隙 。 正常毛细水带
会随着地下水位的升降而作相应的移动 。
2,毛细网状水带：位于毛细水带中部, 正常毛细水带
之上 。 当地下水位急剧下降时, 正常毛细水也随之急速下降,
在较小毛细孔隙中仍残留一部分毛细水来不及移动, 而较大
的孔隙因毛细水下降而留下气泡, 毛细水呈网状分布 。
3,毛细悬挂水带：位于毛细水带上部 。 主要为地表水
渗入而形成, 水悬挂在土颗粒之间, 不与中部或下部毛细水
相连, 当地表有大气降水补给时, 毛细悬挂水在重力作用下
向下移动 （ 图 3-1） 。
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二, 毛细水上升高度及上升速度
毛细水的上升高度, 可根据水的表面张力以及水在毛细
管内弯液面的角度进行计算 （ 图 3-2） 。
毛细水上升的最大高度为,
据理论计算, 当 d=0.00001cm时, h=300m。 实际是不
可能的 。 天然土层中, 毛细水上升高度很少超过数米 。 因为
孔隙很细小, 又有结合水膜的阻碍, 一般砂土和粘性土, 毛
细水上升不高, 粉土和粉质亚粘土较高 。
毛细水上升的速度：粗粒土毛细水上升速度较快, 细粒
土上升速度慢, 饱和土无毛细水 （ 图 3-3） 。
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三, 毛细压力
干燥的砂呈松散状态, 无粘结力, 水下的饱和
砂土也无粘结力 。 但有一定含水量的湿砂 （ 非饱和
砂土 ） 能捏成团, 显示一定的联结力, 这是因为毛
细压力作用的结果 。 也称假内聚力 （ 图 3-4） 。 （ 如
第四次中东战争中的巴列夫防线 ） 。
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第二节 土的渗透性
一, 渗流模型
二, 土的层流渗透定律
土中孔隙水在压力梯度下发生渗流一般符合达西
（ H·Darcy） 定律,
水的渗透速度与水头梯度成正比 。 达西定律适用于 层流
的情况, 一般只适用于中砂, 细砂, 粉砂等 。 对于粗砂, 砾
石, 卵石等粗粒土就不适用了 。 而在粘性土中, 由于结合水
的存在, 渗流受粘滞作用而阻碍, 只有克服结合水的抗剪强
度后才能开始渗流 。 此时 达西定律 可修正为,
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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
试验装置如 图 3-8。 由此可求得渗透系数,
3,现场抽水试验
现场抽水试验见 图 3-9。 从而求得渗透系数为,
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4,成层土的渗透系数
对于有水平分层的沉积土层, 分层对渗透系数影响很大
（ 图 3-11） 。
（ 1） 考虑水平向渗流时 （ 水流方向与土层平行 ）
各层土的水头梯度相同, 总的流量等于各土层流量之和,
总的截面积等于各层土截面之和 。
（ 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 。
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三, 影响土的渗透性的因素
1,土的粒度成分及矿物成分
颗粒大小, 形状及级配, 影响孔隙大小及形状, 也影响
渗透性 。 土颗粒越粗, 越浑圆, 越均匀时, 渗透性就大 。 砂
土含较多粉土及粘土颗粒时, 其渗透系数就大大降低 。
土的矿物成分对卵石, 砂土和粉土等粗粒土的渗透性影
响不大, 但对粘性土的渗透性影响较大, 主要是由于其亲水
性和有机质的含量 。
2,结合水膜厚度
粘性土结合水膜较厚时, 会阻塞土的孔隙, 降低土的渗
透性 。 如在粘土中加入高价离子的电解质, 会使土粒扩散层
厚度减薄, 粘土颗粒会凝聚成粒团, 土的孔隙因而增大, 土
的渗透性也增大 。
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3,土的结构构造
天然土层不是各向同性的, 因此渗透性也一样 。 如黄土
具有竖向大孔隙, 因此它竖直方向的渗透系数比水平方向大
得多 。 层状粘土常夹有薄层粉砂层, 它在水平方向的渗透系
数比竖直方向要大 。
4,水的粘滞度
水在土中的流速与水的容重和粘滞度有关, 而它们又与
温度有关 。 水的容重随温度变化可以忽略, 水的粘滞系数随
温度的变化对渗透系数的影响可用下式修正,
5,土中气体
土孔隙中的密闭气泡, 会阻塞水的渗流, 从而降低土的
渗透性 。
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四, 动水力及渗流破坏
水在土中渗流时受到土颗粒的阻力 T,同样水流也有一
个力作用于土颗粒上, 我们把水流作用在单位体积土体上的
力称为动水力 GD,也称渗流力, 动水力的作用方向与水流方
向一致 。
1,动水力的计算公式,
2,流砂现象, 管涌和临界水头坡度
如果渗流的方向自下而上时, 动水力方向与重力方向相
反, 这将减少颗粒间的压力 。 当动水压力等于土的浮容重时,
土粒间压力为零, 土处于悬浮状态, 这种现象称为流砂 。 即,
产生流砂时的水力梯度称为临界水力梯度,
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流砂现象主要发生在细砂, 粉砂, 粉土等土层
中, 粗砂, 粘土等不易产生流砂 。
处理流砂的方法主要有,
（ 1） 人工降低地下水位, 减小水头梯度；
（ 2） 打板桩, 增加排水路径, 间接降低水头
梯度；
（ 3） 水下施工法 。
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第三节 流网及其应用
本节内容自习 。
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第四节 土在冻结过程中水分的迁移和积聚
一, 冻土现象及其对工程的危害
在严寒地区或当气温下降至零度以下时, 土中水分冻结
成冰而成为冻土 。 根据其冻融情况可分为,
季节性冻土：冬季冻结, 夏季全部融化的冻土；
隔年冻土：一, 两年不融化的土层称为隔年冻土；
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 。
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二, 冻胀的机理与影响因素
1,冻胀的原因
土发生冻胀是因为冻结时水分向冻结区迁移和积聚 。 一
般情况下水在 0℃ 时结冰, 但结合水的冰点小于零度, 弱结
合水的冰点为 -0.5~-30℃, 强结合水的冰点则达 -78℃ 。
外界气温降至负温时, 自由水先开始冻结成冰晶体, 然
后弱结合水外层开始冻结, 随着冰晶体的扩大, 冰晶体周围
土粒的结合水膜减薄, 土粒产生剩余分子引力 。 另外水膜中
的离子浓度也增加, 产生渗附压力 。 在这两种引力的作用下,
附近未冻结区水膜较厚的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄
处 。 如此不断进行, 如有适当的水源, 则使冰晶体扩大, 在
土层中形成冰夹层, 土体积发生隆胀, 即冻胀 。
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2,影响冻胀的因素
（ 1） 土的因素：冻胀现象在细粒土中易发生 。 因为这
类土有毛细现象, 毛细水上升高度大, 速度快, 有通畅的水
源补给通道 。 粘土虽有较厚的结合水膜, 但毛细孔隙很小,
阻止了水分的迁移 。 砂砾等粗颗粒土没有结合水, 也无毛细
现象, 不会发生水分迁移积聚 。
（ 2） 水的因素：冻结区补给的水源是否充分 。 地下水
位较高, 毛细水上升的高度能达到或接近冻结线, 冻胀现象
强烈 。
（ 3） 温度的因素：冻胀现象与温度下降速度和冷冻强
度有关 。 气温骤降且冷却强度很大时, 土的冻结面迅速下移,
冻结速度很快, 土中结合水及毛细水不向冻结区迁移, 冻土
无明显的冻胀 。 气温缓慢下降, 冷却强度小, 负温持续时间
长, 有利于未冻结区水分向冻结区迁移, 出现冻胀 。
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三, 冻结深度
为了克服冻融对建筑物的危害, 设计中应将基础底面置
于当地冻结深度以下 。 土的冻结深度与当地的气候, 土的类
别, 湿度, 地面覆盖等有关, 在工程实践中用标准冻结深度
表示 （ 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 ） 。, 公路桥涵地基与基础
设计规范, （ JTJ024-85） 给出了我国东北和华北地区的标
准冻深图, 也可根据当地气象观测资料按下式计算,
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The End
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图3-
1
土
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图3-
2
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细
管
中
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柱
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上
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图 3-3在不同粒径的土中毛细水
上升速度与上升高度关系曲线
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图 3- 4毛细压力示意图
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图 3-5水在土中的渗流
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图 3-6砂土和粘土的渗透规律
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图3-
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常
水
头
渗
透
试
验
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图3-
8
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水
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图 3-9现场抽水试验
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图 3-10例题 3-1
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图 3-11成层土的渗透系数
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图 3-12动水力的计算
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图 3-13不同渗流方向对土的影响
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图 3-14河滩路堤下的渗流
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图 3-15临界水头梯度与土颗粒组成关系
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第三章 土中水的运动规律
水以各种形式存在于土中, 这在前面已讲过 。
同时土中水在不断地运动, 如水的渗透, 毛细水运
动等, 这些运动对土的性质影响很大 。
土的毛细性是指土能够产生毛细现象的性质 。
毛细现象是指土中水在表面张力作用下, 沿着孔隙
形成的管道向上运动的现象 。 这部分孔隙中的水称
为毛细水 。
毛细水的危害：引起路基冻害, 地下室过分潮
湿, 土地沼泽化, 盐渍化 。
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第一节 土的毛细性
一, 土层中的毛细水带
1,正常毛细水带 （ 又称毛细饱和带 ）,位于毛细水带
下部, 地下潜水面以上, 几乎充满全部孔隙 。 正常毛细水带
会随着地下水位的升降而作相应的移动 。
2,毛细网状水带：位于毛细水带中部, 正常毛细水带
之上 。 当地下水位急剧下降时, 正常毛细水也随之急速下降,
在较小毛细孔隙中仍残留一部分毛细水来不及移动, 而较大
的孔隙因毛细水下降而留下气泡, 毛细水呈网状分布 。
3,毛细悬挂水带：位于毛细水带上部 。 主要为地表水
渗入而形成, 水悬挂在土颗粒之间, 不与中部或下部毛细水
相连, 当地表有大气降水补给时, 毛细悬挂水在重力作用下
向下移动 （ 图 3-1） 。
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二, 毛细水上升高度及上升速度
毛细水的上升高度, 可根据水的表面张力以及水在毛细
管内弯液面的角度进行计算 （ 图 3-2） 。
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据理论计算, 当 d=0.00001cm时, h=300m。 实际是不
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孔隙很细小, 又有结合水膜的阻碍, 一般砂土和粘性土, 毛
细水上升不高, 粉土和粉质亚粘土较高 。
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三, 毛细压力
干燥的砂呈松散状态, 无粘结力, 水下的饱和
砂土也无粘结力 。 但有一定含水量的湿砂 （ 非饱和
砂土 ） 能捏成团, 显示一定的联结力, 这是因为毛
细压力作用的结果 。 也称假内聚力 （ 图 3-4） 。 （ 如
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第二节 土的渗透性
一, 渗流模型
二, 土的层流渗透定律
土中孔隙水在压力梯度下发生渗流一般符合达西
（ H·Darcy） 定律,
水的渗透速度与水头梯度成正比 。 达西定律适用于 层流
的情况, 一般只适用于中砂, 细砂, 粉砂等 。 对于粗砂, 砾
石, 卵石等粗粒土就不适用了 。 而在粘性土中, 由于结合水
的存在, 渗流受粘滞作用而阻碍, 只有克服结合水的抗剪强
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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
试验装置如 图 3-8。 由此可求得渗透系数,
3,现场抽水试验
现场抽水试验见 图 3-9。 从而求得渗透系数为,
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4,成层土的渗透系数
对于有水平分层的沉积土层, 分层对渗透系数影响很大
（ 图 3-11） 。
（ 1） 考虑水平向渗流时 （ 水流方向与土层平行 ）
各层土的水头梯度相同, 总的流量等于各土层流量之和,
总的截面积等于各层土截面之和 。
（ 2） 考虑竖直向渗流时 （ 水流方向与土层垂直 ）
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三, 影响土的渗透性的因素
1,土的粒度成分及矿物成分
颗粒大小, 形状及级配, 影响孔隙大小及形状, 也影响
渗透性 。 土颗粒越粗, 越浑圆, 越均匀时, 渗透性就大 。 砂
土含较多粉土及粘土颗粒时, 其渗透系数就大大降低 。
土的矿物成分对卵石, 砂土和粉土等粗粒土的渗透性影
响不大, 但对粘性土的渗透性影响较大, 主要是由于其亲水
性和有机质的含量 。
2,结合水膜厚度
粘性土结合水膜较厚时, 会阻塞土的孔隙, 降低土的渗
透性 。 如在粘土中加入高价离子的电解质, 会使土粒扩散层
厚度减薄, 粘土颗粒会凝聚成粒团, 土的孔隙因而增大, 土
的渗透性也增大 。
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3,土的结构构造
天然土层不是各向同性的, 因此渗透性也一样 。 如黄土
具有竖向大孔隙, 因此它竖直方向的渗透系数比水平方向大
得多 。 层状粘土常夹有薄层粉砂层, 它在水平方向的渗透系
数比竖直方向要大 。
4,水的粘滞度
水在土中的流速与水的容重和粘滞度有关, 而它们又与
温度有关 。 水的容重随温度变化可以忽略, 水的粘滞系数随
温度的变化对渗透系数的影响可用下式修正,
5,土中气体
土孔隙中的密闭气泡, 会阻塞水的渗流, 从而降低土的
渗透性 。
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四, 动水力及渗流破坏
水在土中渗流时受到土颗粒的阻力 T,同样水流也有一
个力作用于土颗粒上, 我们把水流作用在单位体积土体上的
力称为动水力 GD,也称渗流力, 动水力的作用方向与水流方
向一致 。
1,动水力的计算公式,
2,流砂现象, 管涌和临界水头坡度
如果渗流的方向自下而上时, 动水力方向与重力方向相
反, 这将减少颗粒间的压力 。 当动水压力等于土的浮容重时,
土粒间压力为零, 土处于悬浮状态, 这种现象称为流砂 。 即,
产生流砂时的水力梯度称为临界水力梯度,
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流砂现象主要发生在细砂, 粉砂, 粉土等土层
中, 粗砂, 粘土等不易产生流砂 。
处理流砂的方法主要有,
（ 1） 人工降低地下水位, 减小水头梯度；
（ 2） 打板桩, 增加排水路径, 间接降低水头
梯度；
（ 3） 水下施工法 。
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第三节 流网及其应用
本节内容自习 。
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第四节 土在冻结过程中水分的迁移和积聚
一, 冻土现象及其对工程的危害
在严寒地区或当气温下降至零度以下时, 土中水分冻结
成冰而成为冻土 。 根据其冻融情况可分为,
季节性冻土：冬季冻结, 夏季全部融化的冻土；
隔年冻土：一, 两年不融化的土层称为隔年冻土；
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 。
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二, 冻胀的机理与影响因素
1,冻胀的原因
土发生冻胀是因为冻结时水分向冻结区迁移和积聚 。 一
般情况下水在 0℃ 时结冰, 但结合水的冰点小于零度, 弱结
合水的冰点为 -0.5~-30℃, 强结合水的冰点则达 -78℃ 。
外界气温降至负温时, 自由水先开始冻结成冰晶体, 然
后弱结合水外层开始冻结, 随着冰晶体的扩大, 冰晶体周围
土粒的结合水膜减薄, 土粒产生剩余分子引力 。 另外水膜中
的离子浓度也增加, 产生渗附压力 。 在这两种引力的作用下,
附近未冻结区水膜较厚的结合水被吸引到冻结区的水膜较薄
处 。 如此不断进行, 如有适当的水源, 则使冰晶体扩大, 在
土层中形成冰夹层, 土体积发生隆胀, 即冻胀 。
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2,影响冻胀的因素
（ 1） 土的因素：冻胀现象在细粒土中易发生 。 因为这
类土有毛细现象, 毛细水上升高度大, 速度快, 有通畅的水
源补给通道 。 粘土虽有较厚的结合水膜, 但毛细孔隙很小,
阻止了水分的迁移 。 砂砾等粗颗粒土没有结合水, 也无毛细
现象, 不会发生水分迁移积聚 。
（ 2） 水的因素：冻结区补给的水源是否充分 。 地下水
位较高, 毛细水上升的高度能达到或接近冻结线, 冻胀现象
强烈 。
（ 3） 温度的因素：冻胀现象与温度下降速度和冷冻强
度有关 。 气温骤降且冷却强度很大时, 土的冻结面迅速下移,
冻结速度很快, 土中结合水及毛细水不向冻结区迁移, 冻土
无明显的冻胀 。 气温缓慢下降, 冷却强度小, 负温持续时间
长, 有利于未冻结区水分向冻结区迁移, 出现冻胀 。
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三, 冻结深度
为了克服冻融对建筑物的危害, 设计中应将基础底面置
于当地冻结深度以下 。 土的冻结深度与当地的气候, 土的类
别, 湿度, 地面覆盖等有关, 在工程实践中用标准冻结深度
表示 （ 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 ） 。, 公路桥涵地基与基础
设计规范, （ JTJ024-85） 给出了我国东北和华北地区的标
准冻深图, 也可根据当地气象观测资料按下式计算,
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The End
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图3-
1
土
层
中
的
毛
细
水
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图3-
2
毛
细
管
中
水
柱
的
上
升
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图 3-3在不同粒径的土中毛细水
上升速度与上升高度关系曲线
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图 3- 4毛细压力示意图
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图 3-5水在土中的渗流
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图 3-6砂土和粘土的渗透规律
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图3-
7
常
水
头
渗
透
试
验
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图3-
8
变
水
头
渗
透
试
验
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图 3-9现场抽水试验
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图 3-10例题 3-1
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图 3-11成层土的渗透系数
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图 3-12动水力的计算
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图 3-13不同渗流方向对土的影响
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图 3-14河滩路堤下的渗流
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图 3-15临界水头梯度与土颗粒组成关系
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图3-
16
习
题3-
1
图
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图3-
17
习
题3-
2
图
