土力学 教学课件 张春梅 第4章土的渗透性

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1、在线教务辅导网:http:/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址:http:/ 第 四 章 土 的 渗 透 性 及 渗 流 问 题 4.1 土 的 渗 透 性 和 渗 透 定 律 4.2 渗 流 力 与 渗 流 稳 定 分 析 4.3 二 维 渗 流 与 流 网 土 颗 粒 土 中 水渗 流 水 在 土 体 孔 隙 中 流 动 的 现 象 称 为 渗 流 土 具 有 被 水 等 液 体 透 过 的 性 质 称 为 土 的 渗 透 性 透水层不透水层土 石 坝 工 程 中 的 渗 流 问 题防 渗 体 坝 体 浸 润 线 渗 流 量 ?渗 透

2、破 坏 ?渗 流 破 坏 类 型 ?渗 透 力 ? 基 坑 工 程 中 的 渗 流 问 题 渗 流 量 ?渗 透 破 坏 ?渗 水 压 力 ?透 水 层不 透 水 层围 护 墙 渗 流 中 的 水 头 与 水 力 坡 降 渗 流 试 验 与 达 西 定 律 渗 透 系 数 的 测 定 及 影 响 因 素 层 状 地 基 的 等 效 渗 透 系 数第 一 节 土 的 渗 透 性 和 渗 透 定 律 n 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 所 具 有 的 位 置 势 能n 压 力 水 头 : 水 压 力 所 能 引

3、起 的 自 由 水 面 的 升 高 , 表 示 单 位 重 量 液体 所 具 有 的 压 力 势 能n 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 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 等渗 流 中 的 水 头 与 水 力 坡 降 B点 总 水 头 : 二 点 总 水 头 差 : 代 表 单 位 重量 液 体 从 A点 向 B点 流 动 时 ,为 克 服 阻 力 而 损 失 的 能 量 水 力 梯 度 i: 单 位 渗 流 长 度 上 的 水

4、 头 损 失 A点 总 水 头 : A Bh h h AA A wuh Z BB B wuh Z hi L 总 水 头 : 代 表 A点 和 B点 单 位 重 量 水 体 所 具 有 的 能 量渗 流 中 的 水 头 与 水 力 坡 降 1856 年 法 国 工 程 师 达 西(Darcy) 进 行 了 渗 流 试 验LhAQ 或 :其 中 , A是 试 样 的 断 面 积渗 流 试 验 与 达 西 定 律kAiQ Qv k iA n 达 西 定 律 : 在 层 流 状 态 的 渗 流 中 , 渗 透 速 度 v与 水 力 坡 降 i的 一 次 方 成正 比 , 并 与 土 的 性 质 有 关

5、 。n 描 述 层 流 状 态 下 渗 透 流 速 与 水 头 损 失 关 系 的 规 律 , 即 渗 流 速 度 与 水力 坡 降 成 线 性 关 系 只 适 用 于 层 流 范 围 。 n 渗 透 系 数 k: 反 映 土 的 透 水 性 能 的 比 例 系 数 , 其 物 理 意 义 为 水 力 坡 降 i 1时 的 渗 流 速 度 , 单 位 : cm/s, m/s, m/dayn 渗 透 速 度 v: 土 体 试 样 全 断 面 的 平 均 渗 流 速 度 , 也 称 假 想 渗 流 速 度 。其 中 , V s为 实 际 平 均 流 速 , 孔 隙 断 面 的 平 均 流 速s v

6、v v n v 渗 流 试 验 与 达 西 定 律 n 适 用 条 件 : 达 西 定 律 是 描 述 层 流 状 态 下 渗 透 流 速 与 水 头 损 失 关 系 的 规 律 ,即 渗 流 速 度 与 水 力 坡 降 成 线 性 关 系 只 适 用 于 层 流 范 围 。 在 水 利 工 程 中 , 绝 大 多 数 渗 流 , 无 论 是 发 生 于 砂 土 中 或 一 般的 粘 性 土 中 , 均 属 于 层 流 范 围 , 故 达 西 定 律 均 可 适 用 。 渗 流 试 验 与 达 西 定 律 在 纯 砾 以 上 的 很 粗 的 土 中 渗 流 ,如 堆 石 体 中 的 渗 流 ,

7、 且 水 力 坡 降较 大 时 , 流 态 为 紊 流 , 达 西 定 律不 再 适 用 , 此 时 :n 两 种 特 例 对 黏 性 很 强 的 致 密 的 粘 性 土 , 存在 起 始 水 力 坡 降 i0 )1( mkiv m )( 0iikv 常 水 头 试 验 法 变 水 头 试 验 法 井 孔 抽 水 试 验 井 孔 注 水 试 验 室 内 试 验 方 法 野 外 试 验 方 法 经 验 估 算 法渗 流 系 数 的 测 定 与 影 响 因 素 ( 1) 常 水 头 试 验试 验 条 件 : h, L, A量 测 变 量 : 体 积 v, tV=Qt=vAtV=kihi L VLk

8、 A ht 适 用 土 类 : 透 水 性 较 大 的 砂 性 土 1. 室 内 实 验 法A Q A Qa t=t1t=t2( 2) 变 水 头 试 验试 验 条 件 : h的 变 化 , A, a, L量 测 变 量 : h, t适 用 土 类 : 透 水 性 较 小 的 粘 性 土 在tt+dt时 段 内 : 入 流 量: dVe= - adh 出 流 量 : dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连 续 性 条 件 : dVe=dVo -adh =k (h/L)Adt hdhkAaLdt 21hht0 hdhkAaLdt 21hhkAaLt ln选择几组量测结果 ,计算相应的k,取

9、平均值12lnaL hk At h h 1h2h 1t t 2t tA Q 2. 现 场 测 定 法 抽 水 试 验n 试 验 条 件 : Q=constn 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 缺 点 : 费 用 较 高 , 耗 时 较 长 建议者建议公式符号说明适用条件泰勒(Tayler, D.W)d50:土颗粒平均粒径,mm;:水的粘滞系数,g.s/cm2;e:土的孔隙比;C:颗粒形状系数。砂性土哈臣(Hazen)CH:哈臣常数,50150;T:水温, ;d 10:土的有效粒径,mm。

10、上式适用于中等密实砂,下式适于土的有效粒径0.13mm,Cu伊 里 石 蒙 脱 石 ; 当 粘 土中 含 有 可 交 换 的 钠 离 子 越 多 时 ,其 渗 透 性 将 越 低n 塑 性 指 数 Ip综 合 反 映 土 的 颗 粒 大小 和 矿 物 成 份 , 常 是 渗 透 系 数 的参 数粒 径 大 小 及 级 配 孔 隙 比矿 物 成 分结 构土的性质 n 影 响 孔 隙 系 统 的 构 成 和 方 向 性 ,对 粘 性 土 影 响 更 大n 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 平 排 列 , 常 使 得 k水 平

11、 k垂 直n 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 的 透 水 性粒 径 大 小 及 级 配 孔 隙 比矿 物 成 分结 构土的性质 饱和曲线含水量 wWop干容重 dmax1 含水量 w渗透系数 k絮状结构 分散结构 n 水 的 动 力 粘 滞 系 数 : 温 度 , 水 粘 滞 性 ,kn 饱 和 度 ( 含 气 量 ) :封 闭 气 泡 对 k影 响 很大 , 可 减 少 有 效 渗透 面 积 , 还 可 以 堵塞 孔 隙 的 通 道水的性质 等 效 渗 透 系 数 确 立 各 层 土 的 ki 根 据 渗 流 方

12、 向 确 定 等 效 渗 流 系 数天 然 土 层 多 呈 层 状 多 个 土 层 用 假 想 单 一 土 层 置 换 ,使 得 其 总 体 的 透 水 性 不 变层 状 地 基 的 等 效 渗 流 系 数 hH1H2H3 Hk1k2k3 xzq1xq3xq2x11 22 不 透 水 层等 效 渗 透 系 数 : iix HkHk 1 kx n 已 知 条 件 : Lhiii ixx qq iHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达 西 定 律 :n 等 效 条 件 : 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

13、iiz kHHk H1H2H3 Hhk1k2k3 xzv 承 压 水kzvvi ihh iHHvi = ki (hi / Hi )i iii kHvh zkvHh i iiiz kHvhhkvHn 已 知 条 件 :n 达 西 定 律 :n 等 效 条 件 : v = kz (h / H )等 效 渗 透 系 数 : 第 二 节 渗 流 力 与 渗 透 稳 定 分 析 渗 流 力 流 土 与 临 界 水 力 坡 降 管 涌 渗 流 破 坏 与 防 治 n h=0 静 水 中 , 土 骨架 只 会 受 到 浮 力 作 用 。n h0 水 头 差 使 水 在流 动 时 , 水 流 受 到 来 自土

14、 骨 架 的 阻 力 , 同 时 流动 的 孔 隙 水 对 土 骨 架 产生 一 个 摩 擦 、 拖 曳 力 。 h1hh2 00 hwL土样滤 网贮水器a b渗 透 力 j: 单 位 土 体 内 土 颗 粒 所 受 的 渗 流作 用 力 , 方 向 与 渗 流 方 向 一 致 渗 流 力 截面积A=1 h2 00 hwL土样滤 网贮水器a b 渗 透 力 -受 力 分 析W W = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L(+ w) + whw R = L n 土 水 整 体 受 力 分 析 -静 水 截面积A=

15、1 W W = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L(+ w) + whw R = L - whn 土 水 整 体 受 力 分 析 -渗 流 h1hh2 00 hwL土样滤 网贮水器a b R = L - whn 土水整体受力分析- 对比h1hh2 00 hwL土样滤 网贮水器a b 静 水 中 的 土 体 渗 流 中 的 土 体向 上 渗 流 存 在 时 , 滤网 支 持 力 减 少R = L 减 少 的 部 分 由 谁 承 担 ?总 渗 透 力 : J=whF 渗 透 力 j: 单 位 土 体 内 土 骨

16、架 所 受 到 的 渗 透 水 流 的 拖 曳 力j = J/V = wh /L = wi 渗 流 力 n 水平渗流力 隔 离 体 左 侧 水 压 力 Ahw 1 隔 离 体 右 侧 水 压 力 Ahw 2JAhAh ww 21 hAAhhJ w )21w(单 位 土 体 内 土 颗 粒 所 受 的 渗 流 作 用 力 ij w F 物 理 意 义 : 单 位 土 体 内 土 骨 架 所 受 到 的 渗 透 水流 的 拖 曳 力 , 它 是 一 种 体 积 力F 大 小 : j = wiF 方 向 : 与 水 力 坡 降 方 向 一 致F 作 用 对 象 : 土 骨 架渗 流 力 的 性 质

17、n 几点说明1) 分 析 渗 流 力 时 , 由 于 渗 流 力 与 土 骨 架 对 渗 透 水 流 的 阻 力 是 作 用 力 与反 作 用 力 的 关 系 , 所 以 必 须 把 土 骨 架 与 水 分 开 来 取 隔 离 。2) 渗 流 力 是 由 于 作 用 在 土 颗 粒 上 沿 渗 流 方 向 的 渗 流 水 压 力 不 等 造 成 的 ,所 以 它 与 浮 力 一 样 , 客 观 上 表 现 为 体 积 力 , 其 方 向 与 渗 流 方 向 一 致 。3) 如 果 渗 流 力 方 向 与 重 力 方 向 一 致 , 渗 流 力 促 使 土 体 压 密 、 强 度 提 高 ,对

18、稳 定 起 着 有 力 的 作 用 ; 如 果 渗 流 力 方 向 与 重 力 近 乎 正 交 , 使 土 体 有 向 下游 方 向 移 动 的 趋 势 , 对 稳 定 就 是 不 利 的 ;4) 如 果 渗 流 力 与 重 力 方 向 正 好 相 反 , 此 时 对 稳 定 是 最 不 利 的 , 特 别 是当 向 上 的 渗 流 力 大 于 土 体 有 效 重 量 时 , 土 粒 将 被 水 流 冲 出 , 如 不 及 时 加 以 防 治 , 将 会 引 起 整 个 建 筑 物 的 失 事 。 流 土 与 临 界 水 力 坡 降n 土 工 建 筑 物 及 地 基 由 于 渗 流 作 用 而

19、 出 现 的 变 形 或 破 坏 称 为渗 透 变 形 或 渗 透 破 坏 。 渗 透 变 形 是 土 工 建 筑 物 发 生 破 坏 的常 见 类 型n 基 本 类 型 : 管 涌 流 土 接 触 流 土 接 触 冲 刷 单 一 土 层 渗 透 变 形 的两 种 基 本 型 式 向 上 渗 流 存 在 时 , 滤 网 支 持力 减 少 。 当 滤 网 支 持 力 为 零时 的 水 力 坡 降 称 为 临 界 水 力梯 度 icr, 它 是 土 体 开 始 发 生流 土 破 坏 时 的 水 力 梯 度 :R = L - wh=0n 临界水力梯度h1hh2 00 hwL土样滤 网贮水器a bic

20、r = h/L =/w i cr取 决 于 土的 物 理 性 质e1 1G ws )( e1 1Gi scr 由 于 n 流 土 : 在 向 上 的 渗 透 作 用 下 , 表 层 局 部 范 围 内 的 土 体 或 颗 粒群 同 时 发 生 悬 浮 、 移 动 的 现 象 。 任 何 类 型 的 土 , 只 要 水 力 坡降 达 到 一 定 的 大 小 , 都 可 发 生 流 土 破 坏 。 crii e1 1Gi scr F 原 因 : 与 土 的 密 实 度 有 关 多 发 生 在 颗 粒 级 配 均 匀 的 饱 和 细 粉 砂 和 粉 土 层 中 , 在 黏 性 土 和 非黏 性 土

21、中 均 可 以 发 生 。黏 性 土 发 生 流 土 破 坏 的 外 观 表 现 为 : 土 体 隆 起 、 鼓 胀 、 浮 动 、 断裂 等 。无 黏 性 土 发 生 流 土 破 坏 的 外 观 表 现 为 : 泉 眼 ( 群 ) 、 砂 沸 、 整 块土 体 翻 滚 直 至 被 渗 流 水 抬 起 等 。 scrFiii Fs: 安 全 系 数 1.52.0 i : 允 许 梯 度F i icr :土 体 发 生 流 土 破 坏n 工 程 设 计 :流 土 可 能 性 的 判 别n 在 自 下 而 上 的 渗 流 逸 出 处 , 任 何 土 , 包 括 粘 性 土 和 无 粘 性土 , 只

22、 要 满 足 渗 透 梯 度 大 于 临 界 水 力 梯 度 这 一 水 力 条 件 ,均 要 发 生 流 土 : F 原 因 内 因 : 有 足 够 多 的 粗 颗 粒 形 成 大 于 细 粒 直 径 的 孔 隙外 因 : 渗 透 力 足 够 大 n 在 渗 流 作 用 下 , 一 定 级 配 的 无 粘 性 土 中 的 细 小 颗 粒 , 通过 较 大 颗 粒 所 形 成 的 孔 隙 发 生 移 动 , 最 终 在 土 中 形 成 与地 表 贯 通 的 管 道 管 涌 流 土 与 管 涌 的 比 较 流 土土 体 局 部 范 围 的 颗 粒 同 时发 生 移 动 管 涌只 发 生 在 水

23、流 渗 出 的 表 层只 要 渗 透 力 足 够 大 ,可 发 生 在 任 何 土 中破 坏 过 程 短 导 致 下 游 坡 面 产 生 局 部 滑 动 等现 象位 置土 类历 时后 果 土 体 内 细 颗 粒 通 过 粗 粒 形 成的 孔 隙 通 道 移 动可 发 生 于 土 体 内 部 和 渗 流溢 出 处一 般 发 生 在 特 定 级 配 的无 粘 性 土 或 分 散 性 粘 土破 坏 过 程 相 对 较 长导 致 结 构 发 生 塌 陷 或 溃 口 n土 是 否 会 发 生 管 涌 , 取 决 于 土 的 性 质 : 粘 性 土 ( 分 散 性 土 例 外 ) 属 于 非管 涌 土 无

24、 粘 性 土 中 发 生 管 涌 必 须 具 备 相应 的 几 何 条 件 和 水 力 条 件管 涌 可 能 性 的 判 别 较 均 匀 土( Cu10) 几 何 条 件 水 力 条 件n 无 粘 性 土 管 涌 的 判 别 级 配 孔 隙 及 细 粒 判 定非 管 涌 土粗 颗 粒 形 成 的孔 隙 小 于 细 颗 粒不 均匀 土( Cu10) 不 连 续连 续d0=0.25d20 细 粒 含 量 35%细 粒 含 量 25%细 粒 含 量 =25-35%d0 d5d0 = d3-d5 管 涌 土过 渡 型 土非 管 涌 土非 管 涌 土管 涌 土过 渡 型 土F发 生 管 涌 的必 要 条

25、 件 : 粗 颗粒 所 构 成 的 孔 隙直 径 大 于 细 颗 粒直 径 几 何 条 件 水 力 条 件n 无 粘 性 土 管涌 的 判 别F 渗 透 力 能 够带 动 细 颗 粒 在 孔隙 间 滚 动 或 移 动 。可 用 管 涌 临 界 水力 梯 度 表 示 0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icr Cu流土过渡管涌水 力 梯 度 级 配 连 续 土 级 配 不 连 续 土破 坏 梯 度 i cr 0.20-0.40 0.1-0.3允 许 梯 度 i 0.15-0.25 0.1-0.2 伊 斯 托 敏 娜 ( 苏 ) Cu 20时 , icr =0.25-0

26、.30, 考 虑 安 全 系 数 后 : i=0.10-0.15 透水层不透水层防 渗 体 坝 体 浸 润 线 scrFiii F减 小 i: 上 游 延 长 渗 径 下 游 减 小 水 压F增 大 i: 下 游 增 加 透 水 盖 重 改 善 几 何 条 件 : 设 反 滤 层 等 改 善 水 力 条 件 : 减 小 渗 透 坡 降n 防 治 流 土n 防 治 管 涌 渗 流 破 坏 与 防 治 第 三 节 二 维 渗 流 与 流 网 平 面 渗 流 的 基 本 方 程 及 求 解 流 网 的 绘 制 及 应 用 n平 面 问 题 : 渗 流 剖 面 和 产 生渗 流 的 条 件 沿 某 一

27、 个 方 向 不发 生 变 化 , 则 在 垂 直 该 方 向的 各 个 平 面 内 , 渗 流 状 况 完全 一 致 。对 平 面 问 题 , 常 取 dy=1m单位 宽 度 的 一 片 来 进 行 分 析h=h(x,z), v=v(x,z)n 稳 定 渗 流 : 流 场 不 随 时 间 发 生 变 化 的 渗 流 h 平 面 渗 流 的 基 本 方 程 及 求 解 渗 流 的 连 续 性 方 程 单 位 时 间 流 入 单 元 的 水 量 :渗 流 的 连 续 性 方 程 : 单 位 时 间 内 流 出 单 元 的 水 量 : 连 续 性 条 件 : dxdzvx dxxvv xx v z

28、 dzzvv zz xz0 x zv vx z d d 1 d 1e x zq v z v x 0d ( d )d 1 ( d )d 1x zx zv vq v x z v z xx z 0d deq q 渗 流 的 运 动 方 程 zhkvxhkv zzxx ; 达西定律:0zhkxhk 22z22x 渗 流 的 运 动 方 程 :F特 例 : 各 向 同 性 均 质 土 体 kx=kz0zhxh 2222 Laplace方 程 , 描 述 渗 流 场内 水 头 的 分 布 , 是 平 面 稳定 渗 流 的 基 本 方 程 Laplace方 程 所 描 述 的 渗 流 问 题 , 应 满 足

29、 以 下 条 件 :( 1) 此 渗 流 属 于 稳 定 流 ;( 2) 渗 流 符 合 达 西 定 律 ;( 3) 渗 透 水 流 流 经 的 介 质 是 不 可 压 缩 的 ;( 4) 描 述 的 是 均 匀 介 质 或 者 是 分 块 均 匀 介 质 的 流 场 。Laplace方 程 表 明 , 渗 流 场 内 任 一 点 水 头 是 其 坐 标 的 函 数 ,知 道 了 水 头 分 布 , 即 可 确 定 渗 流 场 的 其 他 特 征 。 F 数 学 解 析 法 或 近 似 解 析 法 : 求 取 渗 流 运 动 方 程 在 特 定边 界 条 件 下 的 理 论 解 , 或 者 在

30、 一 些 假 定 条 件 下 , 求 其近 似 解F 数 值 解 法 : 有 限 元 、 有 限 差 分 、 边 界 元 法 等 , 近 年 来得 到 迅 速 地 发 展F 电 比 拟 试 验 法 : 利 用 电 场 来 模 拟 渗 流 场 , 简 便 、 直 观 ,可 以 用 于 二 维 问 题 和 三 维 问 题F 流 网 法 : 简 便 快 捷 , 具 有 足 够 的 精 度 , 可 分 析 较 复 杂断 面 的 渗 流 问 题渗 流 分 析 的 方 法 流 网 的 绘 制 及 应 用n 定 义 : 流 线 是 流 场 中 的 曲 线 , 在 这 条 曲 线 上 所 有 各 质 点 的流

31、 速 矢 量 都 和 该 曲 线 相 切 。n 等 势 线 是 渗 流 场 中 势 能 或 水 头 的 等 值 线 。 n 在 流 场 中 , 流 线 和 等 势 线 ( 等 水 头 线 ) 组 成 的 网 格 称 为 流 网 流 线 和 等 势 线 正 交 流 网 中 应 使 相 邻 流 线 间 的 流 函 数 差 和 相 邻 等 势线 间 的 势 函 数 ( 水 头 ) 差 不 变 流 网 中 每 一 网 格 的 边 长 比 为 常 数 , 通 常 取 为 1流 网 的 特 性 : 流 网 的 绘 制1) 按 一 定 比 例 绘 出 结 构 物 和 土 层的 剖 面 图 ;2) 判 定 渗

32、 流 区 的 边 界 条 件 , 如 透水 面 、 不 透 水 面 的 数 量 和 位 置 。3) 先 试 绘 若 干 条 流 线 ( 应 相 互 平行 , 不 交 叉 且 是 缓 和 曲 线 ) ,流 线 应 与 进 水 面 、 出 水 面 正 交 ,并 与 不 透 水 面 接 近 平 行 , 不 交叉 ;4) 加 绘 等 势 线 , 须 与 流 线 正 交 ,且 每 个 渗 流 区 的 形 状 接 近 “ 方 块 ” ;5) 反 复 修 改 和 检 查 。要 点 : 边 界 条 件 、 正 交 性 、 曲 边 正 方 形 、 多 练 习 H=H1-H20H1 H2不 透 水 层 f流 网 的 应 用n 测管水头 h lhi / wzhh )(ikv hkslhkq ii n 确定孔压n 确定渗流速度n 确定流量 n 水力坡降hh hH1-hH1 H1-2h qqqq hkMqMq 流 道 数

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