1泥沙特性

Dm
D P D P
i 1 n i i
n
n
Pi
i 1

i 1
i
i
100
⑶均方差σ：表示泥沙组成的非均匀程度，＝0均匀，越大越不均匀
ln D84.1 D15.9
2 Dm D50 exp 2


⑷分选系数(非均匀系数)S0：＝1均匀，越大越不均匀 。 S 0 Dm与 D50的关系：
泥
沙
石
1.1.2 第一章 1.1 泥沙的几何特性
示其组成特性？
泥沙特性
(二)沙样组成与粒配曲线
※河流泥沙具有群体性，颗粒大小不一、含量不等，如何表
※粒配曲线(颗粒级配)：粒径-含量关系曲线(图1-1)
1.1.2 第一章 1.1 泥沙的几何特性
泥沙特性
(二)沙样组成与粒配曲线
㈠粒配曲线的绘制方法和过程
反映泥沙颗粒的物理化学作用与重力作用的相对大小，比表面积越 大(亲水性越强)，物理化学作用越大。
1.3.1 第一章 1.3 泥沙的重力特性
泥沙特性
一、泥沙的容重和密度
㈠泥沙密度：单位密实体积的质量
mS rs VS
rs= 2.55~2.75t/m3，平均2.65t/m3
㈡ 泥沙容重：单位密实体积的重量
①初始，γs>γW ，重力>阻力， 绕流阻力 加速下沉 ②沉速增加→阻力逐渐增大， 而重力恒定，加速度减小 D 2 r um 2 FDm CD 4 2 ③当重力＝阻力，加速度＝ 0，泥沙匀速下沉，沉速趋 于稳定
初始阶段
加速阶段 重力 匀速阶段 (沉速)
玻璃容器
1.4.1 第一章 1.4 泥沙的水力特性
粘结水的引力可达到1万个大气 压，密度可达1.2~2.4g/cm3， 等同于固体，具有很大的粘滞 性、弹性和抗剪强度，不能传 递静水压力 粘 滞 水 的 密 度 可 达 1.3~1.7/cm3 ，具 有较大的 粘 滞性和抗剪强度，不能传递静 水压力 束缚水的厚度一般0.1mm，最 厚可达2mm
• 粘滞水：扩散层内的水分子所受引
㈡粒配曲线反映的特性
泥沙特性
(二)沙样组成与粒配曲线
⑴可反映沙样颗粒的总体大小(粒径范围)
⑵可反映沙样组成的均匀程度(级配状况)
1.1.2 第一章 1.1 泥沙的几何特性
泥沙特性
(二)沙样组成与粒配曲线
a、b较陡，粒径变化范围窄， 组成较均匀，但a 较粗，b较细
d很陡，粒径变 化范围小，组成 均匀
第一章 泥沙特性
前言： 水流挟带的泥沙沉积于河床->河床淤积 水流从床面上攫取泥沙带走->河床冲刷 河床演变
泥沙是水流与河床相互作用的中介 泥沙运动规律是河流动力学研究的重要内容之一 要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，包括： 1.几何特性：形状、大小及群体泥沙的组合特性 2.重力特性：容重、干容重 3.水力特性：沉速 4.细颗粒泥沙的物理化学特性 (粘性沙)
⑴取样筛分，获取各粒径组 Di 泥沙的重量 ⑵统计出小于和等于各粒径Di 的沙重，并算出其占总重的百分比pi
⑶准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格，纵坐标是普通分格) ⑷以粒径Di 为横坐标(对数坐标，从大到小)，小于和等于粒径Di 的 沙重百分比pi为纵坐标(普通坐标)绘制D~p粒配曲线
1.1.2 第一章 1.1 泥沙的几何特性
abc / 6 D 3 / 6
1/ 3
㈣筛分粒径(>0.075mm)或水析粒径(<0.075mm)
定义：通过筛分法(标准筛)或水析法(静水沉速)获得的粒径近似值
比重计法
第一章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
㈤泥沙粒径分级法
公式：
(一)泥沙的粒径
1.1.1
常用：Φ-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；
r ' r ' K lg T ⑶淤积历时：影响排水固结充分程度→影响孔隙率n
sT s1
沉积越短， gs’越小；沉积越长， gs’越大，然后趋于稳定值；大颗粒 稳定历时短，细颗粒稳定历时长
⑷级配：影响孔隙率n
组成越均匀，孔隙率越大，gs’越小；组成越不均匀，孔隙率越小，gs’越大
1.3.3 第一章 1.3 泥沙的重力特性
泥沙特性
(一)泥沙的粒径
※泥沙颗粒的大小通常用粒径D来表示
㈠等容粒径
定义：容积与泥沙颗粒体积相等的球体的直径
㈡算术平均粒径
定义：长、中、短轴的算术平均值
6V D
1/ 3
D a b c 3
D abc
㈢几何平均粒径
定义：将泥沙视为椭球体，求其等容粒径(球体)
第一章 泥沙特性
本章介绍泥沙的主要特性及其计算方法。 本章内容框架 1.泥沙的几何特性 2.细颗粒泥沙特性
1
3.泥沙的重力特性
4.泥沙的水力特性
第一章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
几何特性：形状、大小、群体性
粒径 级配 孔隙率
第一眼看到快男超女，你首先观察什么？
1.1.1 第一章 1.1 泥沙的几何特性
㈢影响干容重的主要因素：
⑴粒径：影响孔隙率n
泥沙特性
二、泥沙的干容重和干密度
g s g s 1 n
不变
粒径↑，n↓，gs’ ↑，变化范围↓；粒径↓ ， n ↑ ， gs’ ↓，变化范围↑ 如：D=0.005mm，s’ ＝0.56~1.35t/m3； D=0.08mm，s’ ＝1.4~1.7 t/ m3 ⑵淤积厚度：影响土的自重应力，自身固结压缩→影响孔隙率n 淤积越深，gs’越大，变化范围越小；淤积越浅，gs’越小，变化范围越大 官厅水库淤厚10m，gs’ ＝14.4~15.2KN/ m3；1m，gs’ ＝7.15~12.7 KN/ m3
⑴粒配 ⑵形状 ……
1.2.1 第一章 泥沙特性 1.2 细颗粒泥沙的物理化学特性
㈠颗粒吸附结构
⑴细颗粒泥沙在含有电解质的水中，周 围会形成双电层 • 吸附层：细颗粒主要成分为粘土矿物， 其表面常带有负离子，吸引不纯净水 中的正离子，这种牢固吸附在颗粒表 面周围的反离子层，称为～ • 扩散层：吸附层离子电荷不足以平衡 颗粒表面的全部电荷，因此在吸附层 外还有一层正离子层，即～ •双电层=吸附层＋扩散层 • 水中正离子浓度越大，双电层厚度 越小
gs= rs g
平均2.65*9.8=26kN/m3
WS gs VS
㈢有效容重(密度)系数：水下相对有效重量(质量)
g s g rs r a , 泥沙常取1.65 g r
1.3.2 第一章 1.3 泥沙的重力特性
泥沙特性
二、泥沙的干容重和干密度
㈠概念 干容重：单位松散体积的重量， gs’ ＝2.94~16.66kN/m3
絮团：分散细颗粒相互吸引，聚合成结构松散、类似棉花 团的较大团粒或团块，称为～，絮团形成的过程即称絮凝
1.2.2 第一章 泥沙特性 1.2 细颗粒泥沙的物理化学特性 (二)絮团的压密特性
沙、砾石、卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底，不再压密 细颗粒泥沙，特别是粘土颗粒在沉积时会连结成絮团， 在
自重或其他外力的作用下，沉积固结过程如下： s' lg t r
1.1.3 第一章 1.1 泥沙的几何特性
泥沙特性
(三)泥沙的孔隙率
㈡天然沙孔隙率的一般规律(影响因素)
⑴粒径：沙样越粗，孔隙率越小(细沙表面积大，颗粒间摩擦、 吸附及搭成构架的作用强) • 粗砂：39～40％；中沙：41～48％；细沙：44-49％；粘 土絮凝后可达90％
⑵均匀程度：
• 均匀沙的孔隙率最大 • 因非均匀沙粗颗粒间孔隙由细颗粒填充 ⑶形状：圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小 ⑷沉积时间：越长，孔隙率越小 • 铁板沙(天津的海滩)、晃滩沙
㈡沉速的定义
泥沙特性
一、泥沙沉降的不同形式
单颗粒泥沙在静止的无限大的清水中匀速下沉的速度，(cm/s) 沉速反映泥沙在与水流相对运动时对机械运动(水流携带)的抵抗能力 (沉速越大，泥沙沉淀的倾向越强)
㈢沙粒雷诺数
定义： ReD
D 反映泥沙沉降形式的无量纲参数
物理意义：沙粒惯性力(↓)与水流粘滞力(↑)的对比 • 沙粒雷诺数小，表明粘滞力影响大，泥沙沉降时周围绕流表现为层流 • 沙粒雷诺数大，表明惯性力影响大，泥沙沉降时周围绕流表现为紊流
第一章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
㈥泥沙分类 我国水利工程界分类：
泥沙颗粒分类标准(表1-2)
粘粒 粉沙 沙粒 砾石 卵石 漂石
(一)泥沙的粒径
1.1.1
分类方式：依据颗粒大小
粒径(mm) 0.005 || 1/200
0.05 || 1/20
2 || 2
20 || 20
200 || 200

D75 D25
均匀沙s =0，Dm＝D50；非均匀沙s >0，Dm>D50 (天然沙的常态)
1.1.3 第一章 1.1 泥沙的几何特性
㈠孔隙率与孔隙比
泥沙特性
(三)泥沙的孔隙率
⑴孔隙率n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。 n=V孔/V总
⑵孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。e=V孔/(V总- V孔)
D 2 log 2 D
原因：泥沙粒径分布大致呈现对数正态分布的特性 特点：可用小的Φ值范围(-3~7)表示相当大的粒径范围(8~0.008mm)
Φ值与粒径D的关系(表1-1)
Φ -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
D(mm) 8.00 4.00 2.00 1.00 0.50 0.25 0.125 0.063 0.032 0.016 0.008
1.1.4 第一章 1.1 泥沙的几何特性
㈠比表面积的定义
泥沙特性
(四)泥沙的比表面积
泥沙颗粒的表面积与其体积之比

㈡比表面积的意义
4 D / 2
2
D3 / 6
6 D
颗粒越小，比表面积越大:粒径分别为1微米(10-6)、1厘米(10-2)的球
体，前者比表面积为后者的10000倍
力较小，水分子排列较稀松，仅有 轻微的定向，这层水叫～
• 束缚水=粘结水＋粘滞水
1.2.1 第一章 泥沙特性 1.2 细颗粒泥沙的物理化学特性
㈡絮团、絮凝
(一)电化学性质
两粘土颗粒相互接近时，会形成公共的双电层
颗粒间受力
• 均带同号负电荷→相斥 • 分子引力(范德华力)→相吸 • 一般情况：扩散层薄，粒间力=净引力；扩散层厚，粒间力=净斥力
a. 絮团集合成 蜂窝结构， 含水量高， 密度低 b. 絮 团 聚 合 体 连结破坏， 逐渐压实
c. 絮团间连结 破裂，絮团 排列成层
d. 絮 团 间 孔 隙 消失，颗粒 密集排列→ 均匀结构
1.4.1 第一章 1.4 泥沙的水力特性
㈠沉降的过程
泥沙特性
一、泥沙沉降的不同形式
※水力特性主要指沉速，用于悬沙输移及沉积计算(沉沙池设计等)
泥沙沉降形式主要与什么参数有关？
ReD
D
WS WS g 's VS V孔 V总
干密度：单位松散体积的质量，rs’ ＝0.3~1.7t/m3 ㈡干容重与容重、孔隙率n的关系
g s g s 1 n g s
g s
(1 n)
Ws
干容重主要用于计算冲淤体积(含孔隙)： V冲淤
g s'
1.3.2 第一章 1.3 泥沙的重力特性
c很缓，粒径变 化范围大，各组 粒径含量接近， 组成不均匀，级 配良好
请想想:砼搅拌中要求组成沙级配良好，对应均匀沙或非均匀沙？
1.1.2 第一章 1.1 泥沙的几何特性
泥沙特性
(二)沙样组成与粒配曲线 ㈢粒配曲线反映的定量特征值-代表粒径
⑴中值粒径D50：表示大于和小于该粒径的泥沙重量各占一半 ⑵平均粒径Dm：按粒径组所占重量百分比的加权平均值粒径
㈠概念
泥沙特性
三、泥沙的水下休止角
水下休止角：泥沙在静水下自然堆积而不塌落的坡面倾角，° 水下摩擦系数：f＝tg
㈡水下休止角Φ与粒径D的关系
天津大学，试验范围：Ｄ=0.2~4.37mm 32.5 1.27 D 说明:粒径越大，水下休止角越大，摩擦系数越大，坡度越陡
㈢水下休止角的其它影响因素：
(一)电化学性质
1.2.1 第一章 泥沙特性 1.2 细颗粒泥沙的物理化学特性
㈠颗粒吸附结构
⑵细颗粒泥沙表面负电荷吸引水分子， 周围会形成束缚水
H 2 O
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(一)电化学性质
• 粘结水：水分子具有极性，因静电
引力作用，吸附层内水分子失去自
由活动的能力而整齐、紧密地排列 在一起，这层水称为～