第四章_土的渗透性与土中渗流课件

仁者乐山 智者乐水 4.2 达西定律 n 总水头：单位重量水体所具有的能量 位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0） n 渗流的总水头： 渗流问题的水头 也称测管水头，是渗流 的总驱动能，渗流总是 从水头高处流向水头低 处 A B L h1 h2 zA zB h 00 基准面 水力坡降线 仁者乐山 智者乐水 A点总水头： 水力坡降 A B L hA hB zA zB h 基准面 水力坡降线 B点总水头： 二点总水头差：反映了 两点间水流由于摩阻力 造成的能量损失 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失 4.2 达西定律 仁者乐山 智者乐水 达西渗透试验 L A h1 h2 Q Q 透水石 1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验 4.2 达西定律 试验前提：层流 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 h，Q A，Q L， Q 断面平均流速 水力坡降 仁者乐山 智者乐水 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。 注意： A 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 Av 渗透定 律 仁者乐山 智者乐水 达西定律的适用范围 4.2 达西定律 n 适用条件：层流（线性流动） 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。可用雷诺数进行 判断 ： 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 达西定律 适用范围 2.0 1.5 1.0 0.5 0 水力坡降 流速 (m/h) 砾石 粗砂 中砂 细砂 极细砂 h 10 dv Re = Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区 仁者乐山 智者乐水 达西定律的适用范围 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时： i v o i0 n 两种特例 对致密的粘性土，存在起始水力 坡降i0 ？ i v o vcr ii0, v=k(i - i0 ) 仁者乐山 智者乐水 渗透系数的测定方法 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 4.3 渗透系数的测定方法 F 室内试验方法 F 野外试验方法 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法-常水头试验法 n 试验条件: h，A，L=const n 量测变量: 体积V，t n 适用土类：透水性较大的砂性土 i=h/L V=Qt=vAt v=ki h L 土样 A V Q 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法-变水头试验法 n 试验条件:h变变化 A，a，L=const n 量测变量: h，t n 适用土类：透水性较小 的粘性土 土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头 测管 开关 a 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法小结 4.3 渗透系数的测定方法 常水头试验变水头试验 条件 已知 测定 公式 取值 h=consth变化 h，A，L V，t 重复试验后，取均值 a，A，L h，t 不同时段试验，取均值 适用粗粒土粘性土 仁者乐山 智者乐水 4.3 渗透系数的测定方法 现场测定法抽水试验 抽水量Q r1 r2 h1 h2 井 不透水层 n 试验条件: Q=const n 量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长 观察井 仁者乐山 智者乐水 A=2rh i=dh/dr n 计算公式： r 抽水量Q r1 r2 h1 h2 井 不透水层 dh dr h 地下水位 测压管水面 现场测定法抽水试验 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数 渗透系数的影响因素 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 是土中孔隙直径大小的主要影 响因素 n 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。因此 ，土的渗透系数常用有效粒径 d10来表示，如哈臣公式： 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 渗透系数的影响因素 4.3渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 是单位土体中孔隙体积的直接 度量 n 对于砂性土，常建立孔隙比e 与渗透系数k之间的关系，如 ： 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 对粘性土，影响颗粒的表面力 n 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 ； n 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 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 影响孔隙系统的构成和方向性 ，对粘性土影响更大 n 在宏观构造上，天然沉积层状 粘性土层，扁平状粘土颗粒常 呈水平排列，常使得k水平k垂直 n 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 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 饱和曲线 含水量 wWop 干容重 d max 1 含水量 w 渗透系数 k 絮状结构 分散结构 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 h H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z q1x q3x q2x 1 1 2 2 不透水层 等效渗透系数: kx n 已知条件 : qx=vxH=kx i H qix=ki ii Hi n 达西定律: n 等效条件: 层状地基的水平等效渗透系数 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 层状地基的垂直等效渗透系数 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z v 承压水 kz vi = ki (hi / Hi ) n 已知条件 : n 达西定律: n 等效条件: v = kz (h / H ) 等效渗透系数: 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 算例说明 按层厚加权平均，由较大值控制 层厚倒数加权平均，由较小值控制 层状地基的等效渗透系数 H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 层状地基的等效渗透系数 水平渗流情形垂直渗流情形 条件 已知 等效 公式 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 4.4 渗透力与渗透变形 渗透力-试验观察 n h=0 静水中，土骨 架会受到浮力作用。 n 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。 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 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 仁者乐山 智者乐水 渗透力-试验观察 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 土粒 渗 流 渗透力 j：体积力 渗透力j：单位土体内土骨架 所受到的渗透水流的拖曳力 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 截面积 A=1h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 ab 渗透力-受力分析 W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh2 = L(+ w) + whw R = L n 土水整体受力分析-静水 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透力-受力分析 截面积 A=1 W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L(+ w) + whw R = L - wh n 土水整体受力分析-渗流 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透力-受力分析 R = L - wh n 土水整体受力分析- 对比 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 静水中的土体 渗流中的土体 向上渗流存在时，滤 网支持力减少 R = L 减少的部分由谁承担？ 总渗透力： J=wh F 渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 j = J/V = wh /L = wi 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 向上渗流存在时，滤网支持 力减少。当滤网支持力为零 时的水力坡降称为临界水力 坡降icr，它是土体开始发生 流土破坏时的水力坡降： 渗透力-受力分析渗透力-受力分析 R = L - wh=0 n 临界水力坡降 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b icr = h/L =/w 由于 icr取决于土 的物理性质 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透力-受力分析渗透力-受力分析 4.4 渗透力与渗透变形 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 仁者乐山 智者乐水 渗透力的性质 F物理意义：单位土体内土骨架所受到的 渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 F大小： j = wi F方向：与水力坡降方向一致 F作用对象：土骨架 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或 破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工 建筑物发生破坏的常见类型 n基本类型： 管涌 流土 接触流土 接触冲刷 渗透变形 单一土层渗透变形 的两种基本型式 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透变形 - 流土 n 流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮