《我的土力学1-第三章剖析》由会员分享,可在线阅读,更多相关《我的土力学1-第三章剖析(61页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形,第三章:土的渗透性和渗流问题,本章提要 本章特点 学习要点,第三章:土的渗透性和渗流问题,土的渗透性和渗透规律 渗透力与渗透变形 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) 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,3.1 概述,土体中的渗流,土是一种碎散的多孔介质,其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时,水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动,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,土石坝坝基坝身渗流,3.1
2、概述- 渗流问题,防渗体,坝体,渗流问题: 1. 渗流量? 2. 渗透破坏? 3. 渗透力?,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,3.1 概述- 渗流问题,渗流问题: 1. 渗流量? 2. 渗透破坏? 3. 渗水压力?,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,渗流问题: 1. 渗流量Q? 2. 降水深度?,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,3.1 概述- 渗流问题,渗流问题: 1. 渗流量? 2. 地下水影响 范围?,渠道、河流渗流,3.1 概述- 渗流问题,原地下水位,渗流时地下水位,3.1 概述- 渗流问题,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题: 1. 渗透力? 2. 入渗过程
3、?,事故实例,渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程 地下工程 边坡工程,渗透特性 变形特性 强度特性,土的渗透特性,3.1 概述- 土渗流特性,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网 3.3 渗透力与渗透变形,第二章:土的渗透性和渗流问题,3.2 土的渗流性与渗透规律,水头与水力坡降 土的渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素 层状地基的等效渗透系数,土的渗透性与渗透规律,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,水流动的驱动力,水往低处流,水
4、往高处“跑”,位置:使水流从位置势能高处流向位置势能低处,流速:水具有的动能 压力:水所具有的压力势能,也可使水流发生流动,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。 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具有的压力势能。 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。 在静止液体中各点的测管水头相等,3.2 土的渗流性与渗透规律,位置、压力和测管水头,压力势能:,动能:,总能量:,称为总水头,是水流动的驱动力,单位重量水流的能量:,3.2 土的渗流性与渗透规律,水流动的驱动力 - 水头,渗
5、流中的水头与水力坡降,3.2 土的渗流性与渗透规律,A,B,L,渗流为水体的流动,应满足液体流动的三大基本方程:连续性方程、能量方程、动量方程,3.2 土的渗流性与渗透规律,总水头:单位重量水体所具有的能量,位置水头Z:水体的位置势能(任选基准面) 压力水头u/w:水体的压力势能(u孔隙水压力) 流速水头V2/(2g):水体的动能(对渗流多处于层流0),渗流的总水头:,渗流问题的水头,也称测管水头,是渗流的总驱动能,渗流总是从水头高处流向水头低处,A点总水头:,3.2 土的渗流性与渗透规律,水力坡降,B点总水头:,二点总水头差:反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失,水力坡降 i:单位渗流长
6、度上的水头损失,达西渗透试验,3.2 土的渗流性与渗透规律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或:,其中,A是试样的断面积,达西定律,3.2 土的渗流性与渗透规律,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 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i1时的渗流速度,单位: cm/s, m/s, m/day 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,Vs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,3.2 土的渗流性与渗透规律,适用条件:层流:粘性流体的互不混掺的层状
7、运动,紊流:速度、压强等流动要素随时间和空间做随机变化,质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。,可用雷诺数进行判断 :,Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,适用条件:层流(线性流动),岩土工程中的绝大多数渗流问题,包括砂土或一般粘土,均属层流范围 在粗粒土孔隙中,水流形态可能会随流速增大呈紊流状态,渗流不再服从达西定律。,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,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,达西定律不再适用,此时:,两种特例,对致密的粘性土,存在起始水力坡降i0 ?,ii0, v=k(
8、i - i0 ),渗透系数的测定方法,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法 野外试验方法,室内试验方法-常水头试验法,试验条件: h,A,L=const 量测变量: 体积V,t,适用土类:透水性较大的砂性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A,a,L=const 量测变量: h,t,适用土类:透水性较小 的粘性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,在tt+dt时段内:,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,室内试验方法小结,3.2 土
9、的渗流性与渗透规律,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h,A,L,V,t,重复试验后,取均值,a,A,L,h,t,不同时段试验,取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,试验条件: Q=const 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,3.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,是土中孔隙直径大小的主要影响因素 因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填,故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此,土的渗透系数常用有效粒径d10来表示,
10、如哈臣公式:,3.2 土的渗流性与渗透规律,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,渗透系数的影响因素,是单位土体中孔隙体积的直接度量 对于砂性土,常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系,如:,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,对粘性土,影响颗粒的表面力 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岭石伊里石蒙脱石 ;当粘土中含有可交换的钠离子越多时,其渗透性将越低 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,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质
11、水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,影响孔隙系统的构成和方向性,对粘性土影响更大 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k垂直 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,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,水的动力粘滞系数: 温度,水粘滞性,k 饱和度(含气量):封闭气泡对k影响很大,可
12、减少有效渗透面积,还可以堵塞孔隙的通道,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,3.2 土的渗流性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层土的ki 根据渗流方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,3.2 土的渗流性与渗透规律,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,3.2 土的渗流性与渗透规律,等效渗透系数:,算例说明,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,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗流
13、性与渗透规律,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,公式,3.2 土的渗流性与渗透规律,小 结,水头与水力坡降 渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素 层状地基的等效渗透系数,总水头=位置水头+压力水头 水头是渗流的驱动力,达西定律 渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件,常水头试验 变水头试验 抽水试验 渗透系数影响因素,水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形,第三章:土的渗透性和渗流问题,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,h=0 静水中,土骨架会受到浮力作用。 h0 水在流动时,水流受到来自土骨架的阻
14、力,同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。,渗透力j:渗透作用中,孔隙水对土骨架的作用力,方向与渗流方向一致,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j:体积力,渗透力j:单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L(+ w) + whw,R = L,土水整体受力分析-静水,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = w
15、h1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L(+ w) + whw,R = L - wh,土水整体受力分析-渗流,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,R = L - wh,土水整体受力分析- 对比,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=wh,渗透力j:单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j = J/V = wh /L = wi,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坡降icr,它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降:,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R = L - wh=0,临界水力坡降,icr = h/L =/w,土水隔离受力分析,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R = L- wh,土骨架受力分析: 有效重量