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1、第三章 土的渗透性和渗流问题,主要内容：土的渗透性和渗透规律 研究对象：饱和土体,渗漏,“管涌”,一、土的渗透性,（1）水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动 的现象，称为土的渗透,（2）土体被水透过的性能，称为土的渗透性。,（3）土的渗透对工程会产生两个问题：（a）渗漏问题； （b）渗透稳定性问题,二、达西定律及其适用范围,（1）土中水的渗流,渗流：水在土体孔隙中流动的现象。（清华土力学）,水流,渗流：水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象。（冯国栋土力学）,水头：单位重量的水所具有的能量。,水力梯度（坡降）：单位流程总水头的变化,总水头势水头压力水头动水头,最关心的不是水头而
2、是水头差！,土中的水沿着流线方向每前进s的距离，就要有- h的水头损失。,（2）Darcy定律 （法国工程师，1856年提出）,渗透系数，单位：cm/s,式中：v 渗透速度(m/s)；i 水头（力）梯度；k 渗透系数(m/s)；Q 渗透流量(m3/s)A 截面积。,渗透速度,水头梯度,渗透流量,（3）Darcy定律适用范围,（v-i）这种线性关系，只适用于层流渗透速度大时不适用（临界速度ver）, 对于密实的粘性土，坡降（i）小时也不适用（起始坡降 i o）。,在粗粒土中（砾石、卵石和碎石），渗透速度大，线性关系不适用。,Darcy定律的表达式为：,摘自清华-土力学,Darcy定律的表达式为：
3、,紊流,三、渗透系数测定方法及影响因素,（1）测定方法,室内试验,常 水 头,变 水 头,K 10-3cm/s的砂土,渗透系数测定,现场试验,注水试验,抽水试验,k10-3cm/s的砂土,土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 试验开始储水管水头为h0 经过时间t后降为h1 时间dt内水头降低dh，水量为：,变水头渗透试验示意图,变水头渗透试验,另外：,k 10-3cm/s （b）中等透水层： K 10-3 10-5 cm/s （c）弱透水层（相对不透水层）： K 10-6cm/s,渗透系数参考值（来源？）,利用渗透系数判断土层的透水性,（2）影响因素,土颗粒的粒径、级配和矿物成分（大）土
4、的结构和构造孔隙比或孔隙率（大）水的动力粘滞度土的饱和度？,d10含量小于10%的粒径，cm； c经验系数，40-150之间。,（摘自：清华-土力学）,（3）层状土的渗透性,x方向的平均渗透系数Kx（电阻并联）,y方向的平均渗透系数Ky （电阻串联）,水平方向由最大的一层渗透系数决定，垂直方向由最小的一层渗透系数决定。,* 每层土的水力坡降i 相等,* 每层土的水头损失之和等于总的水头损失,水流,水流,四、渗流作用下土的应力状态（摘自：土力学冯国栋，p39）,（1）静水条件下土的有效应力与中性应力,a点的总应力,a点的静水压强,a点的有效应力,孔隙水压力，也叫中性应力,土的强度和变形的变化都只
5、取决于有效应力的变化而不是总应力。,（清华-土力学，96页）,（2）渗透力,定义：单位土体内土颗粒所受的渗流作用力为渗透力 j。体积力，单位：kN/m3,渗流流过土体，土颗粒对水流产生阻力，造成水头损失h。,以水的受力为对象，进行公式推导，详请见：清华土力学，p56-57,（B）渗流向上时的a点有效应力,（3）渗流作用下土的有效应力,（A）渗流向下流动时的a点有效应力,渗透力J,流土示意图,五、渗流对工程稳定性造成的破坏,渗透变形,（1）主要有：流沙（土）和管涌,（2）定义及产生的条件,流土：在向上的渗透水流作用下，表层土均布范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。 管涌：在渗流水流作用
6、下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌。,向上渗流,1,2,H,h,a,流沙（土）临界坡降,临界坡降 icr：使土体开始产生破坏（渗透变形）的水力坡降,渗透变形发生的条件 内因：土的颗粒与结构（几何条件）；外因：水力条件，作用于土体渗透力的大小。,向下的重力,向上的渗透力J,临界坡降取决于土的物理性质,管涌的临界坡降,通过经验和实验总结得出管涌的临界坡降：,其中，d为被冲动的细颗粒粒径，一般小于d5d3，单位 cm；n为砂砾料的孔隙率；k为砂砾料的渗透系数，单位 cm/s。,六、流网及工程中的渗流场计算,流线,等势线（水头相等）,（1）流网：将水流和水头用实线（流线）或虚线（等势线）绘制出来，形成网格状的图形，表示土体中的渗流场。,浸润线,（2）工程中的渗流场计算,工程中的渗流场计算一般采用数值计算方法进行。计算软件有：ANASY 2DFLOW 3DFLOW,大红山尾矿渗流场数值计算结果（2003年）,本章小结,土中渗流现象 土的渗流规律与渗透系数 土中渗流状态下的应力 渗流对工程的影响,感谢大家的莅临！,
