土力学第3章.pptx
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1、第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-1 3-1 概概 述述渗流量问题渗流量问题渗透破坏问题渗透破坏问题渗流控制问题渗流控制问题第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性3.2.1 渗流基本概念渗流基本概念水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的。水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的。根据根据D.伯努利定理,水头的定义为:伯努利定理,水头的定义为:当水在土中渗流时,其速度很慢,可忽略速度当水在土中渗流时,其速度很慢,可忽略速度引起的水头项,得出:引起的水头项,得出:第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土
2、的渗透性3.2.1 渗流基本概念渗流基本概念A,B两点的水头差为:两点的水头差为:则水力梯度为则水力梯度为 水力梯度水力梯度:单位流单位流程总水头的变化程总水头的变化水头的大小随选取的基准面不同而不同;水头的大小随选取的基准面不同而不同;注意:最关心的不是水头而是水头差;最关心的不是水头而是水头差;水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性3.2.1 渗流基本概念渗流基本概念第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流例例3-1 求:(求:(1 1)截面的位置水头、压力水头和总
3、水头)截面的位置水头、压力水头和总水头 (2 2)截面之间的水头损失和水力梯度)截面之间的水头损失和水力梯度解:解:5255abcabc总水头变化:总水头变化:水力梯度:水力梯度:5255abcabc由于土体中的孔隙一般非常微小,水在土体中流由于土体中的孔隙一般非常微小,水在土体中流由于土体中的孔隙一般非常微小,水在土体中流由于土体中的孔隙一般非常微小,水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢,因此,其流动动时的粘滞阻力很大、流速缓慢,因此,其流动动时的粘滞阻力很大、流速缓慢,因此,其流动动时的粘滞阻力很大、流速缓慢,因此,其流动状态大多属于层流。状态大多属于层流。状态大多属于层流。状态大多属
4、于层流。著名的达西著名的达西著名的达西著名的达西(Darcy)Darcy)Darcy)Darcy)渗透定律:渗透定律:渗透定律:渗透定律:渗透速度:渗透速度:渗透速度:渗透速度:或渗流量为:或渗流量为:或渗流量为:或渗流量为:第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律讨论:讨论:砂土的渗透速度与水力梯砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系度呈线性关系 密实的粘土,需要克服结合密实的粘土,需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗水的粘滞阻力后才能发生渗透透;同时渗透系数与水力坡同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而
5、降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系呈非线性关系 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流,不适用于紊流流,不适用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律必须指出,求出的渗透速度是一种必须指出,求出的渗透速度是一种必须指出,求出的渗透速度是一种必须指出,求出的渗透速度是一种假想的平均流速假想的平均流速假想的平均流速假想的平均流速,因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面
6、来因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的,而实际上,渗透水仅仅通过土体中的孔隙进行的,而实际上,渗透水仅仅通过土体中的孔隙进行的,而实际上,渗透水仅仅通过土体中的孔隙进行的,而实际上,渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动,实际平均流速要比假想的平均流速大很多。流动,实际平均流速要比假想的平均流速大很多。流动,实际平均流速要比假想的平均流速大很多。流动,实际平均流速要比假想的平均流速大很多。它们之间的关系为:它们之间的关系为:它们之间的关系为:它们之间的关系为:第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透
7、定律适用于中砂、细砂、粉砂等适用于中砂、细砂、粉砂等粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。2024/9/21 周六例例题题3-23-2 两两种种土土,土土样样1 1位位于于土土样样2 2的的上上部部,长长度度都都是是20cm20cm,总总水水头头损损失失40cm40cm,土土样样1 1渗渗透透系系数数为为0.03cm/s0.03cm/s,土土样样2 2水水力力坡降为坡降为0.50.5。求土样。求土样2 2的渗透系数和土样的渗透系数和土样1 1的水力坡降。的水力坡降。解解 水头损失之和等于总水头损失:水头损失之和等于总水头损失:h1+h2=h=40cm 根据水力坡降
8、的概念,有根据水力坡降的概念,有 i2=h2/L2=0.5,而而L2=20cm得得 h2=10cm h1=h h2=40 10=30cm第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律 土样土样1的水力坡降的水力坡降 i1=h1/L1=1.5水在土样水在土样1和土样和土样2中渗流时的速度相同中渗流时的速度相同:v=k1i1=k2i2 得得 k2=0.09cm/s。渗透系数渗透系数的大小是直接的大小是直接衡量土的透水性强弱衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。的一个重要的力学性质指标。渗透系数测定方法可分为渗透系数测定方法可分为室内渗透试验室内渗透
9、试验和和现现场试验场试验两大类。两大类。第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性3.2.3 渗透试验与渗透系数渗透试验与渗透系数第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性3.2.3 渗透试验与渗透系数渗透试验与渗透系数第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数常水头法常水头法 截面积为截面积为A A,流径,流径L L;压力水头维持不变;压力水头维持不变;试验开始时,水自上而下流经土样;试验开始时,水自上而下流经土样;待渗流稳走后,测得水量待渗流稳走后,测得水量Q
10、 Q;同时读得同时读得a a、b b两点水头差两点水头差 h h。则得则得故渗透系数为故渗透系数为2024/9/21 周六常水头渗透试验装置土样的截面积土样的截面积A A,高度为,高度为L L储水管截面积为储水管截面积为a a试验开始储水管水头为试验开始储水管水头为h h1 1经过时间经过时间t t后降为后降为h h时间时间dtdt内水头降低内水头降低dhdh,水量为:,水量为:dQ=-adh 另外另外 dQ=kiAdt=k(h/L)Adt第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数变水头法变水头法在整个试验过程中,水头是随着时间而变化的。在整
11、个试验过程中,水头是随着时间而变化的。流入和流出相等:流入和流出相等:adh=k(h/L)Adt 由此求得渗透系数:由此求得渗透系数:整理并积分得整理并积分得即即第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数变水头法变水头法2024/9/21 周六变水头渗透试验装置第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流现场测定渗透系数现场测定渗透系数 粗粗颗颗粒粒土土或或成成层层的的土土,室室内内试试验验时时不不易易取取得得原状土样;原状土样;小土样不能反映天然土层的结构性。小土样不能反映天然土层的结构性。现场方法:野外注水试验和野外抽水试验等现场方法:
12、野外注水试验和野外抽水试验等图3-9抽水试验抽水量为抽水量为Q观测孔距离分别为观测孔距离分别为rl和和r2,水位高度,水位高度h1和和h2r处水面高度处水面高度h,过水断面,过水断面A2 rh 图3-9抽水试验第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流现场测定渗透系数现场测定渗透系数图3-9抽水试验即即:第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流现场测定渗透系数现场测定渗透系数两边积分:两边积分:故渗透系数为故渗透系数为 第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流现场测定渗透系数现场测定渗透系数例 3-3 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为
13、30cm2,厚度为厚度为4cm,渗透仪细玻璃管的内径为渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm,试验开始时的水位差为试验开始时的水位差为160cm,经时段经时段15分钟后,分钟后,观察得水位差为观察得水位差为52cm,试验时的水温为试验时的水温为30,试求,试求试样的渗透系数。试样的渗透系数。【解答】解答】已知试样截面积已知试样截面积A=30cm,渗径长度渗径长度L=4cm,细玻璃管的内截面积细玻璃管的内截面积 h1=160cm,h2=52cm,t=900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3-2 3
14、-2 土的渗透性土的渗透性土的粒度成分土的粒度成分:土的颗粒大小,形状及级配,:土的颗粒大小,形状及级配,影响土中孔隙大小及形状,因而影响渗透性。影响土中孔隙大小及形状,因而影响渗透性。土粒越粗,越浑圆,越均匀时,渗透性就大。土粒越粗,越浑圆,越均匀时,渗透性就大。砂土中含有较多粉土,或粘土颗粒时,其渗透系砂土中含有较多粉土,或粘土颗粒时,其渗透系数就大大降低。土中含有亲水性较大的粘土矿物数就大大降低。土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质时,也大大降低土的渗透性。或有机质时,也大大降低土的渗透性。影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素3.2.3 渗透试验与渗透系数渗透试验与渗透系数第三章
15、第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流土的密实度土的密实度:土愈密实,孔隙比降低,渗透系数:土愈密实,孔隙比降低,渗透系数k值愈小。值愈小。土的饱和度土的饱和度:一般情况下饱和度愈低,渗透系数:一般情况下饱和度愈低,渗透系数k值愈小。值愈小。土的结构土的结构:扰动土样与击实土样的:扰动土样与击实土样的k值比同一密度原状土样值比同一密度原状土样的的k值小。值小。水的温度水的温度:k与渗透液体的容重与渗透液体的容重rw及粘滞系数有关;水温不及粘滞系数有关;水温不同,同,rw相差不大,但粘滞系数变化较大,水温升高,粘滞系相差不大,但粘滞系数变化较大,水温升高,粘滞系数降低,数降低,k增大增大土的构
16、造土的构造:湿陷性黄土竖直方向的渗透系数要比水平方向:湿陷性黄土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,它在水平方向的渗透大得多。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。系数要比竖直方向大得多。3-2 3-2 土的渗透性土的渗透性影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素3.2.3 渗透试验与渗透系数渗透试验与渗透系数天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况,对于与土层层面平行和垂直的
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