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1、土中水的运动规律土中水的运动规律第二章第二章土力学与基础工程土力学与基础工程电子教案电子教案主讲：孔德成主讲：孔德成学习目标与要求学习目标与要求（1）掌握掌握达西定律及其适用条件、渗透系数达西定律及其适用条件、渗透系数K的的物理意义物理意义;理解理解各种土体中的各种土体中的4渗透规律；渗透规律；了解了解渗透流渗透流速与实际流速的关系。速与实际流速的关系。（2）掌握渗透试验方法和适用条件掌握渗透试验方法和适用条件；理解渗透系；理解渗透系数的影响因素及各种土体数的影响因素及各种土体K的取值范围；了解成层土的取值范围；了解成层土的渗透系数的计算。的渗透系数的计算。（3）掌握渗透力的概念和计算，渗透变
2、形的基本掌握渗透力的概念和计算，渗透变形的基本形式及产生条件形式及产生条件；理解渗透变形的判别方法及其防治；理解渗透变形的判别方法及其防治措施；了解孔隙水应力与有效应力的概念。措施；了解孔隙水应力与有效应力的概念。2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性概述概述强度特性强度特性变形特性变形特性强度特性强度特性变形特性变形特性2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律概述概述土石坝土石
3、坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线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2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律概述概述板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板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2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律概述概述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Q2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律概述概述渠道渗流渠道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2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律概述概述渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡2.1 2.1 土的毛细性土的毛
4、细性 第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2.2 2.2 达西定律达西定律 一、土一、土层中的毛中的毛细水水带土层中由毛细水所湿润的范围称为毛细水带。根据毛细水带的形成条件和分布状况，可分为三种，即正常毛细水带、毛细网状水带和毛细悬挂水带 二、毛二、毛细水水压力力若毛细管内水柱上升到最大高度hmax，根据平衡条件知道管壁与弯液面水分子间引力的合力S等于水的表面张力，若S与管壁间的夹角为，则作用在毛细水柱上的上举力P为P=S2rcos=2rcos 毛细管内上升水柱的重力毛细管内上升水柱的重力G为：为：G=r2hmax 碎石类土，无毛细作
5、用；砂性土，hmax=0.20.3m；粉性土，hmax=0.91.5m；而粘性土的hmax不及粉性土，上升速度也较慢。对于粉砂、粉土和粉质粘土等，毛细现象较显著，毛细水上升高度大，上升速度快。 估算毛细水上升高度的经验公式 C系数系数,与土粒形状和表面洁净情况与土粒形状和表面洁净情况e孔隙比孔隙比d10有效粒径有效粒径2 2 土中水的运动规律土中水的运动规律一达西定律的表达式与适用条件一达西定律的表达式与适用条件ABL2.22.2达西定律达西定律 透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线总水头总水头单位质量水体所具有的能量
6、单位质量水体所具有的能量A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：水力坡降：水力坡降：一达西定律的表达式与适用条件一达西定律的表达式与适用条件UA=UB=空气大气压空气大气压 渗透定律（达西定律）在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i 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。k: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/
7、s, m/s, m/day一达西定律的表达式与适用条件一达西定律的表达式与适用条件砾石类土中的渗流不符合达西定律，砾石类土中的渗流不符合达西定律，属于紊流范畴，采用经验公式，不属于紊流范畴，采用经验公式，不做介绍。做介绍。ivovcrivoi0层流（线性流）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大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )首先要克服首先要克服颗粒间的粘滞阻力颗粒间的粘滞阻力砂土砂土粘性土粘性土二二. . 渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测
8、定方法野外试验测定方法2.2 2.2 达西定律达西定律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2.22.2渗透系数的测定渗透系数的测定 室内试验方法室内试验方法11常水头试验法常水头试验法二二. . 测定方法测定方法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : Q，ti=h/LV=Q/tv=ki适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土整个过程中土样中水头压整个过程中土样中水头压力不变。实验开始后，水力不变。实验开始后，水自上而下流经土样，在渗自上而下流经土样，在渗流稳定后，测得时
9、间流稳定后，测得时间t内流内流经土样的流量经土样的流量Q，同时读，同时读的两水面的水头差。的两水面的水头差。二二. . 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A、L=const量测变量量测变量: : h ，t透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土tt+ t一一. . 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdhdQe= - adhdQo=kiAdt=k (h/
10、L)AdtdQe=dQo流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (h/L)Adt常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件h=consth变化变化算式算式 室内试验方法室内试验方法二二. .测定方法测定方法适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数二二. . 渗透系数的测定渗透系数的测定地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观测观测A=2 rhi=dh/dr缺点：费
11、用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：布置一水井和若干观测井。实验方法：布置一水井和若干观测井。在时间在时间t内抽出内抽出Q的流量，同时测得的流量，同时测得ri和和r2观测井的水头观测井的水头一般采用规范参考值一般采用规范参考值三三. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状土力学水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效推定推定三三. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比（密实度
12、）孔隙比（密实度）矿物成分矿物成分结构结构四四. . 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 l水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数l饱和度（含气量）饱和度（含气量） 对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律2.1 2.1 土的毛细性土的毛细性 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2.2 2.2 达西定律达西定律 渗透力的计算分三种情况1.不饱和土中渗透力2.饱和土中渗透力3.过饱和土中渗透力计算一一. . 渗透力渗透力渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳
13、力，它是体积力拖曳力，它是体积力j = wi（不饱和土）（不饱和土）大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2浮力浮力WP1重力重力j渗透力渗透力静水中的土体静水中的土体A=1R = L 渗流中的土体渗流中的土体一、一、 渗透力渗透力渗透力渗透力=重力重力-浮力浮力+颗粒间阻力（饱和土）颗粒间阻力（饱和土）当渗透力过大时，土中的小颗粒就会处于悬浮状态而失去稳当渗透力过大时，土中的小颗粒就会处于悬浮状态而失去稳定定(颗粒间阻力为颗粒间阻力为0)，形成流砂或流土现象（过饱和土），形成流砂或流土现象（
14、过饱和土）渗流有向上渗流和向下渗流两种，自然界中的渗流绝大部渗流有向上渗流和向下渗流两种，自然界中的渗流绝大部分是向上渗流。分是向上渗流。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1. 基本类型基本类型 流土流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象渗流渗流原因：原因：此时的此时的i称为临界梯度，用称为临界梯度，用 表示表示1.1. 基本类型基本类型 管涌管涌原因：原因：内因内因有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，一定级配的无
15、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。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。管涌管涌破坏1. 基本类型基本类型 流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生只要渗透力足够大，可发生在任何土中在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢可发
16、生于土体内部和渗流溢出处出处一般发生在特定级配的无粘一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口2.2.形成条件形成条件Fs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态流土流土经验判断：经验判断：3. 3. 防治措施防治措施 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降
