土力学第3章土的渗透性及渗流.pptx
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1、 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习要点学习要点第三章:土的渗透性和渗流第三章:土的渗透性和渗流土的渗透性和渗透规律土的渗透性和渗透规律平面渗流及流网平面渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 有严格的理论(水流的一般规律)有严格的理论(水流的一般规律)有经验性规律(散粒多孔介质特性)有经验性规律(散粒多孔介质特性)注意对物理概念和意义的把握注意对物理概念和意义的把握注意把握土是散粒多孔介质这一特点注意把握土是散粒多孔介质这一特点 3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 3.4 渗透
2、破坏与控制渗透破坏与控制第三章:土的渗透性和渗流第三章:土的渗透性和渗流3.1 3.1 概述概述土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n土是一种碎散的多孔介质,土是一种碎散的多孔介质,其孔隙在空间互相连通。当其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差饱和土中的两点存在能量差时,水就在土的孔隙中从能时,水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动量高的点向能量低的点流动F 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性3.1 3.1 概述概述土体中的渗流土体中的渗流对土的
3、渗透问题研究主要包括下述三个方面:对土的渗透问题研究主要包括下述三个方面:渗流量问题渗流量问题 渗透变形(渗透破坏)问题渗透变形(渗透破坏)问题 渗流控制问题渗流控制问题透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗流问题:渗流问题:1.渗流量?渗流量?2.渗透破坏?渗透破坏?3.渗透力?渗透力?工程实例工程实例板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题渗流问题:渗流问题:1.渗流量?渗流量?2.渗透破坏?渗透破坏?3.渗水压力?渗水压力?透水层透水层不透水层不
4、透水层基坑基坑板桩墙板桩墙工程实例工程实例渗流问题:渗流问题:1.渗流量渗流量Q?2.降水深度?降水深度?透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题渗流问题:渗流问题:1.渗流量?渗流量?2.地下水影响地下水影响 范围?范围?渠道、河流渗流渠道、河流渗流3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡渗流问题:渗流问题:1.渗透力?渗透力?2.入渗过程?入渗过程?事故实例事故实例渗流量渗流量
5、扬压力扬压力渗水压力渗水压力渗透破坏渗透破坏渗流速度渗流速度渗水面位置渗水面位置挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性土的渗透特性3.1 3.1 概述概述-土渗流特性土渗流特性3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章:土的渗透性和渗流问题第三章:土的渗透性和渗流问题3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F水头与水力坡降水头
6、与水力坡降F土的渗透试验与土的渗透试验与达西定律达西定律F渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素F层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数n位置水头:到基准面的竖直距离,位置水头:到基准面的竖直距离,代表单位重量的液体从基准面算起代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能所具有的位置势能n压力水头:水压力所能引起的自由压力水头:水压力所能引起的自由水面的升高,表示单位重量液体所水面的升高,表示单位重量液体所具有的压力势能具有的
7、压力势能n测管水头:测管水面到基准面的垂测管水头:测管水面到基准面的垂直距离,等于位置水头和压力水头直距离,等于位置水头和压力水头之和,表示单位重量液体的总势能之和,表示单位重量液体的总势能n在静止液体中各点的测管水头相等在静止液体中各点的测管水头相等3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v v压力压力u u位置:使水流从位置势能位置:使水流从位置势能高处流向
8、位置势能低处高处流向位置势能低处流速:水具有的动能流速:水具有的动能压力:水所具有的压力势能压力:水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动n位置势能:位置势能:mgzn压力势能:压力势能:00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzn动能:动能:n总能量:总能量:称为总水头,是水流动称为总水头,是水流动的驱动力的驱动力n单位重量水流的能量:单位重量水流的能量:3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力-水头水头渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律ABL透水层透水层不
9、透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动,应满渗流为水体的流动,应满足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方程:连续性方程、能量方程:连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律ABLhAzA基准面基准面n 总水头:总水头:单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z:水体的位置势能(任选基准面):水体的位置势能(任选基准面)压力水头压力水头u/u/w w:水体的压力势能(:水体的压力势能(u u孔隙水压力)孔隙水压力)流速水头流速水头V V2 2/(2g)/(2g):水体的动能(对渗流多处于层流:
10、水体的动能(对渗流多处于层流00)n 渗流的总水头:渗流的总水头:渗流问题的水头渗流问题的水头也称测管水头,是渗流的也称测管水头,是渗流的总驱动能,渗流总是从水总驱动能,渗流总是从水头高处流向水头低处头高处流向水头低处 A A点总水头:点总水头:3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水力坡降水力坡降ABLhAhBzAzBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线 B B点总水头:点总水头:二点总水头差:反映了二点总水头差:反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力坡降水力坡降 i i:单位渗流长度上的水头损失:单位渗流长度上的水头损失达西渗透
11、试验达西渗透试验3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律LAh1h2QQ透水石1856 1856 年达西年达西(Darcy)(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验或:或:其中,其中,A A是试样的断面积是试样的断面积达西定律达西定律3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律n达达西西定定律律:在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中,渗渗透透速速度度v v与与水水力力坡坡降降i i的一次方成正比,并与土的性质有关的一次方成正比,并与土的性质有关n渗渗透透系系数数k:k:反反映映土土的的透透水水性性能能的的比比例例系系数数,其
12、其物物理理意意义义为为水水力力坡坡降降i i1 1时时的的渗渗流流速速度度,单单位位:cm/s,cm/s,m/s,m/s,m/daym/dayn渗渗透透速速度度v v:土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度,也也称称假假想想渗流速度渗流速度其中,其中,V Vs s为实际平均流速,孔隙断面的平均流速为实际平均流速,孔隙断面的平均流速达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律n 适用条件:层流(线性流动)适用条件:层流(线性流动)岩土工程中的绝大多数渗流岩土工程中的绝大多数渗流问题,包括砂土或一般粘问题,包括砂土或一般粘土,均属层
13、流范围土,均属层流范围在粗粒土孔隙中,水流形态在粗粒土孔隙中,水流形态可能会随流速增大呈紊流可能会随流速增大呈紊流状态,渗流不再服从达西状态,渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判定律。可用雷诺数进行判断断 :0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2.01.51.00.50水水力力坡坡降降流速流速(m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂h10dvRe=R Re e5时层流时层流R Re e 200时紊流时紊流200 R Re e 5 5时为过渡区时为过渡区 达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透
14、规律在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中,在水力坡降较大时,达石体中,在水力坡降较大时,达西定律不再适用,此时:西定律不再适用,此时:ivoi0n 两种特例两种特例对致密的粘性土,存在起始水力对致密的粘性土,存在起始水力坡降坡降i i0 0?ivovcrii0,v=k(i-i0)渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法室内试验方法室内试验方法-常水头试验法常水
15、头试验法n 试验条件试验条件:h h,A A,L=constL=constn 量测变量量测变量:体积体积V V,t tn 适用土类:透水性较大的砂性土适用土类:透水性较大的砂性土3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律i=h/LV=Qt=vAtv=kihL土样土样AVQ室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法n 试验条件试验条件:h h变化变化 A,a,L=constn 量测变量量测变量:h,tn 适用土类:透水性较小适用土类:透水性较小的粘性土的粘性土3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开
16、关a土样土样At=t1t=t2h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内:时段内:入流量入流量:dVe=-adh 出流量:出流量:dVo=kiAdt=k(h/L)Adt 连续性条件:连续性条件:dVe=dVo-adh=k(h/L)Adthdhtt+dt3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法选择几组量测结果选择几组量测结果,计算相应的,计算相应的k,取平均值,取平均值室内试验方法室内试验方法小结小结3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测
17、定公式公式取值取值h=consth变化变化h,A,LV,t重复试验后,取均值重复试验后,取均值a,A,Lh,t不同时段试验,取均值不同时段试验,取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层n 试验条件试验条件:Q=constn 量测变量量测变量:r=r1,h1=?r=r2,h2 2=?优点:可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点:可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点:费用较高,耗时较长缺点:费用较高,耗时较长观察井观察井3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律
18、土的渗透性与渗透规律A=2 rhi=dh/drn 计算公式:计算公式:r抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层dhdrh地下水位地下水位测压管水面测压管水面现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验n影响影响孔隙系统的构成和方向性孔隙系统的构成和方向性,对粘性土影响更大对粘性土影响更大n在宏观构造上,天然沉积层状粘在宏观构造上,天然沉积层状粘性土层,扁平状粘土颗粒常呈水性土层,扁平状粘土颗粒常呈水平排列,常使得平排列,常使得k水平水平kk垂直垂直n在微观结构上,当孔隙比相同时,在微观结构上,当孔隙比相同时,凝聚结构将比分散结构具有更大凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性的透水性n水的
19、动力粘滞系数:水的动力粘滞系数:温度温度,水粘滞性,水粘滞性,k n饱和度(含气量):封闭气泡对饱和度(含气量):封闭气泡对k影响很大,可减少有效渗透面影响很大,可减少有效渗透面积,还可以堵塞孔隙的通道积,还可以堵塞孔隙的通道n是土中是土中孔隙直径大小孔隙直径大小的主要影的主要影响因素响因素n因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填,故土体孔隙的大细颗粒充填,故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此,小一般由细颗粒所控制。因此,土的渗透系数常用土的渗透系数常用有效粒径有效粒径d10来表示,如哈臣公式:来表示,如哈臣公式:n是单位土体中是单位土体中孔隙体积孔隙体积的直接的直
20、接度量度量n对于砂性土,常建立孔隙比对于砂性土,常建立孔隙比e与与渗透系数渗透系数k之间的关系,如:之间的关系,如:饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k絮状结构絮状结构 分散结构分散结构n对粘性土,影响对粘性土,影响颗粒的表面力颗粒的表面力n不同粘土矿物之间渗透系数相差不同粘土矿物之间渗透系数相差极大,其渗透性大小的次序为高极大,其渗透性大小的次序为高岭石岭石 伊里石伊里石 蒙脱石蒙脱石 ;当粘土;当粘土中含有可交换的钠离子越多时,中含有可交换的钠离子越多时,其渗透性将越低其渗透性将越低n塑性指数塑性指数IpIp综合反映土的颗粒
21、大综合反映土的颗粒大小和矿物成份,常是渗透系数的小和矿物成份,常是渗透系数的参数参数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 土的性质土的性质水的性质水的性质土的构造土的构造粒径大小粒径大小及级配及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素 n土的构造因素对土的构造因素对k值影响很大,如值影响很大,如粘土层最后那个夹薄层砂土,则水粘土层最后那个夹薄层砂土,则水平向平向K值比垂直向值比垂直向K值大很多。值大很多。3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律渗透系数经验确定方法渗透系数经验确定方法n洁净的不含细粒土的洁净的不含细粒土的松砂松砂n对于对于粘
22、土粘土的渗透系数的渗透系数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的k ki i 根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换,多个土层用假想单一土层置换,使得其总体的透水性不变使得其总体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律等效渗透系数等效渗透系数:kxn 已知条件已知条件:qx=vxH=kx i Hqix=ki
23、ii Hin 达西定律达西定律:n 等效条件等效条件:层状地基的水平等效渗透系数层状地基的水平等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvi=ki(hi/Hi)n 已知条件已知条件:n 达西定律达西定律:n 等效条件等效条件:v=kz(h/H)等效渗透系数等效渗透系数:n 算例说明算例说明 按层厚加权平均,由较大值控制按层厚加权平均,由较大值控制层厚倒数加权平均,由较小值控制层厚倒数加权平均,由较小值控制层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的
24、渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律H1H2H3Hk1k2k3xz层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效公式公式3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律小小 结结n水头与水力坡降水头与水力坡降n渗透试验与达西渗透试验与达西定律定律n渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素n层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数 总水头总水头=位置水头位置水头+压力水头压力水头 水头是渗流的驱动力水头是渗流的驱动力达西定律达西定律渗透系数、渗透速度渗
25、透系数、渗透速度达西定律的适用条件达西定律的适用条件 常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 抽水试验抽水试验 渗透系数影响因素渗透系数影响因素 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 二维渗流与流网二维渗流与流网3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章:土的渗透性和渗流问题第三章:土的渗透性和渗流问题平面渗流的基平面渗流的基本方程及求解本方程及求解 流网的绘制及流网的绘制及应用应用n平面问题:渗流剖面和产生平面问题:渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不
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