土力学1第二章.pptx
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1、第一节第一节 土的渗透定律土的渗透定律 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防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线工程实例工程实例板桩围护下的基坑渗流板
2、桩围护下的基坑渗流透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙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Q渠道、河流渗流渠道、河流渗流原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡n位置水头:位置水头:到基准面的竖直距离,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:压力水头:水压力所能引起的自由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压力势能n测管水头:测管水头:测管水面到
3、基准面的垂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一、位置、压力和测管水头一、位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水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:二、总水头二、总水头ABLhAzA基准面基准面n 总水头:总水
4、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/w:水体的压力势能(:水体的压力势能(u孔隙水压力)孔隙水压力)流速水头流速水头V2/(2g):水体的动能(对渗流多处于层流:水体的动能(对渗流多处于层流0)n 渗流的总水头:渗流的总水头:也称也称测管水头测管水头,是渗流的,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:三、水力坡降三、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:
5、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:单位渗流长度上的水头损失:单位渗流长度上的水头损失四、达西渗透定律四、达西渗透定律LAh1h2QQ透水石1856 年达西年达西(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是试样的断面积是试样的断面积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与与水水力力坡坡降降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:反反映映土土的的
6、透透水水性性能能的的比比例例系系数数,其其物物理理意意义义为为水力坡降水力坡降i1时的渗流速度,单位:时的渗流速度,单位:cm/s,m/s,m/dayn渗渗透透速速度度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,包括砂土或一般粘土,问题,包括砂土或一般粘土,均属层流范围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
7、紊流状可能会随流速增大呈紊流状态,渗流不再服从达西定律。态,渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断可用雷诺数进行判断 :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=Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 2.1 2.1 土的渗透定律土的渗透定律 2.2 2.2 渗透系数及其测定渗透系数及其测定 2.3 2.3 渗透力及临界水力梯度渗透力及临界水力梯度2.4 2.4 二维稳定渗流问题(自学)二维稳定渗流问题
8、(自学)第二章:土的渗透性及水的渗流第二章:土的渗透性及水的渗流2.3 2.3 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一、室内试验方法一、室内试验方法-常水头试验法常水头试验法n 试验条件试验条件:h,A,L=constn 量测变量量测变量:体积体积V,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i=h/LV=Qt=vAtv=kihL土样土样AVQ二、室内试验方法二、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
9、条件: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 的粘性土的粘性土土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关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+dt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,取平均值三、现场测定法抽水试验三、现场测定法抽水试验抽水量抽水量Q Qr1
10、r2h1h2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=?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n是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小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
11、粒所控制。因此,小一般由细颗粒所控制。因此,土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10来表示,如哈臣公式:来表示,如哈臣公式:土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构四、渗透系数的影响因素四、渗透系数的影响因素 n是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n对于砂性土,常建立孔隙比对于砂性土,常建立孔隙比e与渗透系数与渗透系数k之间的关系,如:之间的关系,如:土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构n对粘性土,影响颗粒的表面力对粘性土,影响颗粒的表面
12、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Ip综合反映土的颗粒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 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构n影响孔隙系统的构成和方向性,影响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,天然沉积层状在宏观构造上
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