第4章_土的渗透性与土中渗流（2015）课件

1 土的渗透性与土中渗流 第 4 章 2 地下水饱和区与基坑的坍塌 3 4 土的渗透性与土中渗流 碎散性多孔介质 三相体系 孔隙流体流动 渗流 水、气等流体在土体等多孔介质 的孔隙中流动的现象 渗透性 土体等多孔介质具有被水、气等 流体透过的性质 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 土颗粒土中水 渗流 4 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 4 土的渗透性与土中渗流 5 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 概述4 土的渗透性与土中渗流 6 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 概述4 土的渗透性与土中渗流 7 渗流量 原地下水位 渗流时地下水位 渠道渗流 概述4 土的渗透性与土中渗流 水位 8 渗流滑坡 渗流滑坡 概述4 土的渗透性与土中渗流 9 渗流量 渗透变形 渗水压力 渗流滑坡 土的渗透性及渗流规律 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 多雨地区边坡 概述4 土的渗透性与土中渗流 水位 10 4.1 土的渗透性与渗流规律 4.2 平面渗流与流网 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 11 4.1 土的渗透性与渗流规律 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 四层状地基的等效渗透系数 4 土的渗透性与土中渗流 12 四面荷花三面柳，一城山色半城湖？ 13 A B L 4.1 土的渗透性与渗流规律 透水层 不透水层 基坑 板桩墙 4 土的渗透性与土中渗流 一渗流中的水头与水力坡降 14 A B L 一渗流中的水头与水力坡降 h1 h2 zA zB h 00 基准面 水力坡降线 总水头单位重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： 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 水头差： 测管水头 15 二. 渗透试验与达西定律 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 l 公元1856年 法国的达西创立地下水渗流理论 的基本定理，称达西定律。 19 世纪上半叶，大多数城市都没有供水 和排水系统，供水依靠马车从城市附近的河流 、井、泉运送。1839 1840 年， Darcy 设 计和主持建造了第戎镇的供水系统，它甚至比 巴黎的供水系统早了20年。为了感谢 Darcy 对家乡的贡献，人们将该镇的中心广场以他的 名字命名。Darcy 拒绝了镇上欲付给他的高额 补偿，他最终得到的好处是他本人及亲属可免 费用水。 1856 年， Darcy 在经过大量的试验 后，于第戎发表了他对孔隙介质中水流的研究 成果，即著名的 Darcy 定律。 Henry Darcy(1803-1858) 16 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 试验结果：基于一系列试验 试验装置：如图 试验条件: h1，A，L=const（一个试验） 量测变量: h2，V，T h=h1-h2Q=V/T 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 17 2. 达西定律 渗透定律 在层流状态的渗流中，渗流速度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 常用单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 18 2. 达西定律 适用条件： 层流（线性流） 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 二. 渗透试验与达西定律 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。 可用雷诺数Re进行判断。 也可用临界流速vcr进行判断。 (:运动粘滞系数） Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区 19 2. 达西定律 （1）粗粒土： 砾石类土中的渗流常不符合达西定律 i v o vcr i v o i0 两种特例： （2）粘性土： 致密的粘土 i i0, v = k(i - i0 ) 4.1土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 二. 渗透试验与达西定律 20 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 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 21 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，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 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 h L 土样 A V Q 室内试验方法2变水头试验法 透水性较小的粘性土? 22 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 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头 测管 开关 a 23 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 dt dh dVe= - adh dVo=kiAdt=k (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 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头 测管 开关 a h dh t t+dt 24 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 1. 测定方法三. 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=2rhi=dh/dr 缺点：费用较高，耗时较长 实验方法： 理论依据： 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 积分 25 2.影响因素 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 三. 渗透系数的测定及影响因素 饱和度（含气量） 水的粘滞系数 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 26 2.影响因素 三. 渗透系数的测定及影响因素 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 粒径大小及级配：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。 （1）土粒特性的影响 孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k 一般随孔隙比e增大而增大。 矿物成分：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；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。 结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上， 天然沉积层状粘性土层，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。 27 饱和度 sr(%) 渗透系数k(10-3cm/s) 8 7 6 5 4 3 2 80 90 100 饱和度的影响 流体粘滞性的影响 温度高 粘滞性低 渗透系数大 封闭气泡对k影响很大，可 减少有效渗透面积，还可 以堵塞孔隙的通道 2.影响因素 三. 渗透系数的测定及影响因素 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 （2）流体特性的影响 28 三. 渗透系数的测定及影响因素 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 29 渗透定律 在层流状态的渗流中，渗流速度v与水力坡降i的一次方成 正比，并与土的性质有关。 达西定律内容回顾 k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 30 四. 层状地基的等效渗透系数 等效渗透系数 确立各层的km 考虑渗流方向 天然土层多呈层状 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 31 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x zq1x q3x q2x L 四.层状地基的等效渗透系数 1 1 2 2 不透水层 条件: 等效渗透系数: qx=vxH=kxiH qmx=kmimHm 4.1土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 水平渗流: 水平层流，等效渗透 系数就是厚度加权 32 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z 四. 层状地基的等效渗透系数 竖直渗流: v 承压水 条件: 等效渗透系数: 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 等效渗透系数的倒数是 各层土渗透系数倒数按厚度加权 33 算例 按层厚加权平均，由较大值控制 倒数按层厚加权平均，由较小值控制 四. 层状地基的等效渗透系数 4.1 土的渗透性与渗流规律 4 土的渗透性与土中渗流 水平方向和垂直方向的等效渗透系数？ H1 H2 H3 H k1 k2 k3 z x 34 4.1 土的渗透性与渗流规律 4.2 平面渗流与流网(自学) 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 35 4.2 平面渗流与流网 h h恒定稳定渗流 h=h(x,z), v=v(x,z) 对单宽dy=1，取一微小单元dx, dz 与y、t无关 4 土的渗透性与土中渗流 x z y各断面几何 物理条件相同 平面渗流 36 4.2 平面渗流与流网 连续性条件 4 土的渗透性与土中渗流 一. 平面渗流的基本方程及求解 1. 基本方程水头描述 37 4.2 平面渗流与流网 连续性条件 达西定律 Laplace方程 描述渗流场内部的测管水头 的分布，是平面稳定渗流的 基本方程式之一 4 土的渗透性与土中渗流 假定 kx=kz 水头描述 h：势函数 与渗透系数无关、 等价于水头 一. 平面渗流的基本方程及求解 1. 基本方程 38 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 1. 基本方程流线描述 一. 平面渗流的基本方程及求解 x z +d dq l 同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交 l 两条流线流函数的差值等于其间通过的流量 vx vz dz -dx (x,z) 流线与流速的关系 连续性条件 全微分存在的条件 39 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 一. 平面渗流的基本方程及求解 流线描述1. 基本方程 Laplace方程 1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程 2）势函数等值线和流函数等值线正交，任一点两线的斜率互成负倒数 3）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场 +d +d b a 40 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 基本方程 边界条件 定解条件 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 其它各量 稳定渗流 41 一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 求解方法 边界条件 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 透水层 不透水层 基坑 板桩墙 水头边界条件：首尾等水头线1 2 流速边界条件：边界流线 3 其它边界条件：渗出面、自由水面 1 1 2 2 42 一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 求解方法 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 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 43 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 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 44 基本要求 1. 正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交 二. 流网的绘制及应用 H h 0 l s l s 2. 等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，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。 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 +d +d b a 通解 数学描述几何表示 45 A B C D l s H h 00 l s 二. 流网的绘制及应用 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 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 工具：纸铅笔橡皮 46 主要特点 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 H h 0 l s l s 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 47 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 水力坡降 H h 0 l s l s 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 M: 流道数H= h/N: 相邻等势线间的水头损失 48 Laplace方程 （基本方程） 连续性条件 达西定律 假定kx=kz 流线方程 水头描述 势函数 流线描述 流函数 共轭、正交 理论基础 边界条件 小结 4.2 平面渗流与流网 4 土的渗透性与土中渗流 求解 平面渗流的基本方程及求 解 流网的绘制及应 用 实际应用 基本要求 主要特点 绘制方法 49 4 渗透力与渗透变形 /topics/idaho/videos#engineering-disasters-teton -dam 50 一. 渗透力 1、试验现象 渗透变形 （渗透破坏） 渗透力 4 土的渗透性与土中渗流 二. 渗透变形（渗透破坏） 2、物理本质 3、计算方法 土水整体分析 土水隔离分析 51 一. 渗透力 1、试验现象 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 。 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 4 土的渗透性与土中渗流 4.3 渗透力与渗透变形 52 一. 渗透力 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 土 粒 渗 流 j 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 渗透力与浮力有何区别？ 2、物理本质 53 h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体 A=1 W = LsatL( + w) P1 = whw P2 = wh2 R = ? R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力 3、计算方法 容器壁光滑 54 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体 A=1 W = LsatL( + w) P1 = whw P2 = wh1 R = ? R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L wh R = L 渗流中的土体 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力土水整体分析3、计算方法 55 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体 A=1 R = L wh R = L 渗流中的土体 向上渗流存在时，滤网支持力减少 减少的部分由谁承担？ 水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力J = wh 渗透力 j = J/V = wh/L = wij = wi 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力土水整体分析3、计算方法 56 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R A=1 R = L wh 渗流中的土体所受滤网支持力 向上渗流存在时，滤网支持力减少 临界水力坡降 i = h/L = /w icr = /w L wh = 0 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力土水整体分析3、计算方法 57 P2 W P1 R 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 + j L= wh1 W J W w J = R + P 2 P 1 P1 = whw P2 = wh1 Ww= Vvw+ Vsw= Lw 土水隔离分析 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力3、计算方法 58 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 i 方向一致（均质土与渗流方向一致） 作用对象：土骨架 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力 59 利用流网求渗透力 复杂条件 总渗透力 大 小：j 网格面积 方 向：与i方向一致（均质土：流线） 作用点：形心 流网较密处i较大，该处渗透力也大 不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同 H h 0 l s l s 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 一. 渗透力 60 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 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 61 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 工程判断： 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 无压重时： 66 较均匀土 （Cu10） 二.渗透变形 2. 形成条件 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 粗粒形成的孔隙 通道小于细粒径 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 4.3 渗透力与渗透变形 4 土的渗透性与土中渗流 67 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 二. 渗透变形 2. 形成条件 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