_土中水的运动规律土的渗透性和渗流问题课件

土土 力力 学学 土的渗透性和渗流问题 第三章 土土 力力 学学 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 3.1 概 述 碎散性多孔介质 三相体系 孔隙流体流动 能量差 土土 力力 学学 浸润线 流线等势线 下游 上游 土坝蓄水后水透 过坝身流向下游 H 隧道开挖时，地下 水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透 土土 力力 学学 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 土土 力力 学学 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 土土 力力 学学 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 土土 力力 学学 渗流量 原地下水位 渗流时地下水位 渠道渗流 土土 力力 学学 渗流滑坡 渗流滑坡 土土 力力 学学 1、渗流量问题 土的渗透性研究内容 基坑开挖时的渗水量及排水量计算；土堤坝、坝基土中的 渗水；水井的供水量或排水量。 土土 力力 学学 2、渗透破坏问题 土中的渗流会对土颗粒施加作用力（渗透力），渗透 力会引起土颗粒的移动或土体的移动，产生渗透破坏。如 边坡破坏、地面破坏、堤坝失稳等。 3、渗透控制问题 如何控制边坡破坏、地面破坏、堤坝失稳等。 土土 力力 学学 3.2 土的毛细性 土的毛细性是指土能够产生毛细现象的性质。土的 毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细微 孔隙向上及向其他方向移动的现象。 土的毛细现象在以下几个方面对工程有影响: 1) 毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一。 2) 对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿。 3) 毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对建筑工 程及农业经济都有很大影响。 土土 力力 学学 1、土层中的毛细水带 (1) 正常毛细水带(又称毛细饱和带) (2) 毛细网状水带 (3) 毛细悬挂水带 土土 力力 学学 图3.1 土层中的毛细水带 土土 力力 学学 2 毛细水上升高度和上升速度 图3.2 土中的毛细升高 土土 力力 学学 3 毛细压力 图3.3 毛细压力示意图 土土 力力 学学 3.3 土的渗透性 一渗流渗流模型 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 土土 力力 学学 (a) 水在土孔隙中的运动轨迹 (b) 理想化的渗透模型 图3.4渗流模型 一渗流模型 (1) 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量 ； (2) 在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等 ； (3) 在相同体积内，渗流模型所受的阻力与真实渗流所受的 阻力相等。 土土 力力 学学 A B L 透水层 不透水层 基坑 板桩墙 土土 力力 学学 A B L h1 h2 zA zB h 00 基准面 水力坡降线 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： 土土 力力 学学 二.渗透试验与达西定律 h，q A，q L， q 断面平均流速 水力坡降 1.渗透试验 试验结果 试验装置：如图 试验条件: h1，A，L=const 量测变量: h2，Q，t h=h1-h2q=Q/t Q 试验前提：层流 水分子运动轨迹平行不混流 土土 力力 学学 2. 达西定律 粗粒土： 砾石类土中的渗流不符合达西定律 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 ) 土土 力力 学学 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 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 土土 力力 学学 室内试验方法1常水头试验法 结果整理 试验装置：如图 试验条件: h，A，L=const 量测变量: Q，t i=h/L Q=qt=vAt v=ki 适用土类：透水性较大的砂性土 土土 力力 学学 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 土土 力力 学学 t t+ t 结果整理: 理论依据:t时刻： h t dh dQe= - adhdQo=kiAdt=k (h/L)Adt dQe=dQo 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 土土 力力 学学 常水头试验变水头试验 条件 已知 测定 算定 取值 h=consth变化 h，A，L Q，t 重复试验后，取均值 a，A，L h，t 室内试验方法 不同时段试验，取均值 适用粗粒土粘性土 土土 力力 学学 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 地下水位测压管水面 井 抽水量Q r1 r2 dh h1 h h2 不透水层 观察井 A=2rhi=dh/dr 缺点：费用较高，耗时较长 实验方法： 理论依据： r 土土 力力 学学 2.影响渗透性的因素 粒径大小及级配 密实度（孔隙比） 矿物成分 结构构造 l水温（动力粘滞系数） l饱和度（含气量） 对k影响很大，封闭气泡 土土 力力 学学 1）土的粒度成分：土粒愈粗，k值也就愈大。其中含有细 类时，含量越多， k值下降越快。 2）土的密实度：土愈密实，k值愈小。 3）土的饱和度：土饱和度愈低，k值愈小。低饱和土中存 在气泡，减小过水断面，堵塞孔道。 4）土的结构：扰动样和击实样的k值比原状样小。 5）土中水的温度：渗透系数k与流体的粘滞度有关，粘滞 度与温度有关，公路土工试验规程以20度为标准温度。 6）土的构造：土体中含有夹层时，影响土体的k值。 土土 力力 学学 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 天然土层多呈层状 土土 力力 学学 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x zq1x q3x q2x L 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 总流量 等效渗透系数 土土 力力 学学 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z 竖直渗流: v 承压水 条件: 等效渗透系数:q=vA vi = ki (hi/Hi) 总流量 土土 力力 学学 水平渗流情形垂直渗流情形 条件 已知 等效 推定 层状地基的等效渗透系数 土土 力力 学学 算例说明 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 层状地基的等效渗透系数 土土 力力 学学 3.4 平面渗流与流网 Laplace方程 一. 平面渗流的基本方程及求解 连续性条件 假定 ： h 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 土土 力力 学学 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 n 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 流入水量 流出水量 土土 力力 学学 2. 求解方法 确定渗流场内各点的 测管水头h的分布 基本方程 边界条件 定解条件 土土 力力 学学 解析方法 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 土土 力力 学学 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。 H h 0 土土 力力 学学 基本要求 1. 正交性：流线与等势线必须正交 H h 0 l s l s 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. 相邻等势线间水头损失相等。 4. 各流槽渗流量相等。 土土 力力 学学 A B C D l s H h 00 l s 绘制方法 一个高精度的流网图，需经过 多次的修改后才能完成。 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 土土 力力 学学 三、渗流量计算 由图3-16，若总水头为 ，则相邻等势线之间的水头损失为 为等势线条数减1，图中 则总渗流量： 为流槽数量，等于流线数减1，图中 土土 力力 学学 2.3 渗透力与渗透破坏 一. 渗透力（渗流力：渗 透水流施加于单位土粒上 的拖曳力） 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。 渗透变形 渗透力 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 土土 力力 学学 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 土粒 渗 流 j 土土 力力 学学 P2 W P1 h1 h h2 00 hw L 土 样 滤网 贮水器 a b A=1 P1+ Ww+ J= P2水体的平衡条件 j = wi whw+ wL + jL= wh1 W J Ww J = + P2 P1 P1 = whw P2 = wh1 Ww= Vvw+ Vsw= Lw 土水隔离分析 土粒浮力反力 土土 力力 学学 临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 G J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为 临界水力坡降 或 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数 Fs(23)，作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的 安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内 二.临界水力坡降 土土 力力 学学 渗透力的性质 物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 ，它是体积力。 j = wi大小： 方向：与渗流方向一致 作用对象：土骨架 土土 力力 学学 基本类型 二.渗透变形（渗透破坏） 流土 管涌 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 形成条件 防治措施 土土 力力 学学 粘性土k1 icr : 土体处于稳定状态 土体发生流土破坏 土体处于临界状态 流土 经验判断： 土土 力力 学学 较均匀土 （Cu10） 管涌 几何条件 水力条件 一般发生在无粘性土中 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 d5 d0 = d3-d5 管涌土 过渡型土 非管涌土 非管涌土 管涌土 过渡型土 几何条件 P(%) lgd 骨架充填料 P 5 3 d5d3 土土 力力 学学 水力条件：i icr 5 10 15 20 25 30 35 40 2.0 1.5 1.0 0.5 0 icr Cu 流土过渡管涌 Cu 20时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15 苏联： 中国： 水力坡降级配连续土 级配不连续土 破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3 允许坡降i0.15-0.250.1-0.