第二章 土的渗透性和渗流问题

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1、土的渗透性和渗流问题,第二章,2 土的渗透性和渗流问题,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等液体透过的性质,渗透特性 强度特性 变形特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,概述,能量差,2 土的渗透性和渗流问题,概述,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,2 土的渗透性和渗流问题,概述,渗水压力,扬压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,2 土的渗透性和渗流问题,概述,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,2 土的

2、渗透性和渗流问题,概述,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,2 土的渗透性和渗流问题,概述,渗流滑坡,渗流滑坡,2 土的渗透性和渗流问题,概述,渗流量,渗透变形,渗水压力,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,扬压力,土坡稳定分析,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,一渗流中的水头与水力坡降,二渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,能量方程,渗流速度的规律,渗透特性,四层状地基的等效渗透系数,地基的渗透系数,2 土的渗透性和渗流问题,一渗流中的水头与水力坡降,A,B

3、,L,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,一渗流中的水头与水力坡降,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,2.1 土的渗透性与渗透规律,总水头单位质量水体所具有的能量,z：位置水头,u/w：压力水头,V2/(2g)：流速水头0,A点总水头：,B点总水头：,总水头：,水力坡降：,2.1 土的渗透性与渗透规律,二. 渗透试验与达西定律,试验前提：层流,h，Q A，Q L， Q,断面平均流速,水力坡降,1.渗透试验,2 土的渗透性和渗流问题,试验结果,试验装置：如图,试验条件: h1，A，L=const,量测变量: h2，V，T,h=h1-h2,Q=V/T,2.

4、 达西定律,渗透定律,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,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。,二. 渗透试验与达西定律,注意：,A,Av,V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A Av,QVA VsAv,k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day,2. 达西定律,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,二. 渗透试验与达西定律,粗粒土： 砾石类土中的渗流不符合达西定律

5、砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,适用条件,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,层流（线性流） 大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土,两种特例,粘性土： 致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 ),三. 渗透系数的测定及影响因素,室内试验测定方法 野外试验测定方法,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,1. 测定方法,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,室内试验方法1常水头试验法,三. 渗透系数的测定及影响因素,1. 测定方法,结果整理,试验装置：如图,试验条件: h，A

6、，L=const,量测变量: V，t,i=h/L,V=Qt=vAt,v=ki,适用土类：透水性较大的砂性土,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,三. 渗透系数的测定及影响因素,1. 测定方法,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,试验条件: h变化，A，L=const,量测变量: h ，t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,三. 渗透系数的测定及影响因素,1. 测定方法,室内试验方法2变水头试验法,结果整理:,理论依据:,t时刻： h,t,dh,dVe= - adh,dVo=kiAdt=k

7、 (h/L)Adt,dVe=dVo,流入量：,流出量：,连续性条件：,-adh =k (h/L)Adt,选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算定,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,室内试验方法,1. 测定方法,三. 渗透系数的测定及影响因素,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,野外测定方法抽水试验和注水试验法,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,1. 测定方

8、法,三. 渗透系数的测定及影响因素,地下水位测压管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水层,观察井,A=2rh,i=dh/dr,缺点：费用较高，耗时较长,实验方法：,理论依据：,2.影响因素,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,三. 渗透系数的测定及影响因素,水的动力粘滞系数 饱和度（含气量） 对k影响很大，封闭气泡,四.层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,天然土层多呈层状,H1,H2,H3,H,h,

9、k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,四.层状地基的等效渗透系数,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,1,1,2,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qix=kiiiHi,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,四.层状地基的等效渗透系数,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,vi = ki (hi/Hi),水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,四.层状地基的等效渗透系数,算例

10、说明,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,按层厚加权平均，由较大值控制,倒数层厚加权平均，由较小值控制,四.层状地基的等效渗透系数,2.1 土的渗透性与渗透规律,2 土的渗透性和渗流问题,一渗流中的水头与水力坡降,二渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,能量方程,渗流速度的规律,渗透特性,四层状地基的等效渗透系数,地基的渗透系数,作业 2-1 2-3 2-4 2-5 2-7,2.1 土的渗透性与渗透规律,第二章 土的渗透性和渗流问题,2.2 平面渗流与流网,2.3 渗透力与渗透变形,2.2 平面渗流与流网,Laplace方程,一. 平面渗流的基本方程及求解,连续性

11、条件,假定：,2 土的渗透性和渗流问题,h恒定,稳定渗流,h=h(x,z), v=v(x,z),取单宽： dy=1,与时间无关,达西定律,平面渗流的基本方程,1. 基本方程,一. 平面渗流的基本方程及求解,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,与kx, kz无关 满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数,连续性条件,达西定律,假定,Laplace方程,特点,描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式,1. 基本方程,一. 平面渗流的基本方程及求解,2. 求解方法,确定渗流场内各点的测管水头h的分布,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,基本方程,边界条

12、件,定解条件,一. 平面渗流的基本方程及求解,2. 求解方法,解析方法,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,试验比拟方法 （电比拟方法）,数值方法,图解法 流网近似求解方法,适用于边界条件简单的情况,通解：两个共轭调和函数,势函数(x,z),流函数(x,z),等势线,流线,相互正交,边界条件,特定解,差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛,利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。,理论基础：,解析法的结果,二.流网的绘制及应用,流 网渗流场中的两族相互正交曲线等

13、势线和流线所形成的网络状曲线簇。 流 线水质点运动的轨迹线。 等势线测管水头相同的点之连线 。 流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,基本要求,1. 正交性：流线与等势线必须正交,二.流网的绘制及应用,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,2. 各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形,3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。,A,B,C,D,l,s,H,h,0,0,l,s,二.流网的绘制及应用,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,绘制方法,一个高精度的流网图，需经过多次的修改

14、后才能完成。,根据渗流场的边界条件,确定边界流线和首尾等势线,正交性,曲边正方形,初步绘制流网,流线等势线反复修改，调整,精度较高的流网图,流网特点,与上下游水位变化无关 h=const； 与k无关； 等势线上各点测管水头h相等。,二.流网的绘制及应用,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,测管水头 h,实际应用,确定孔压,确定流速,确定流量,二.流网的绘制及应用,2.2 平面渗流与流网,2 土的渗透性和渗流问题,水力坡降,2.1 土的渗透性与渗透规律,第二章 土的渗透性和渗流问题,2.2 平面渗流与流网,2.3 渗透力与渗透变形,2.3 渗透力与渗透变形,一. 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。,2 土的渗透性和渗流问题,渗透变形,渗透力,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,2.3 渗透力与渗透变形,一. 渗透力,2 土的渗透性和渗流问题,土粒,渗 流,j,2.3 渗透力与渗透变形,2 土的渗透性和渗流问题,一. 渗透力,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R =