山东建筑大学土力学第三章(肖).ppt

2019/5/29,1,第3章 土的渗透性及渗流,基本要求： 掌握土的层流渗透定律及渗透性指标； 熟悉渗透性指标的测试方法及影响因素，渗流时渗水量的计算，渗透破坏与渗流控制问题； 了解二维渗流及流网的概念和应用。,2019/5/29,2,本章内容,3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制,2019/5/29,3,3.1 概述,1、渗透、土的渗透性（透水性）、渗流,土在水头差的作用下具有渗透性。,2、渗流问题,（1）渗流量问题； （2）渗透变形或破坏问题； （3）渗流控制问题。,2019/5/29,4,3.2 土的渗透性,3.2.1 渗流基本概念,水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起。,根据伯努利定理，水头（总能头）为：,水力梯度为 ：,2019/5/29,5,3.2.2 土的层流渗流定律,1、达西定律,试验表明，水通过均匀的砂时，单位时间内的出水量即流量为：,设水流的平均流速 ， 则单位时间内的出水量：,因此：,（达西定律）,关于 及 ： 主要受土性影响，实际流速,2019/5/29,6,2、适用范围层流,对于粗细粒度不同的土，水在土中渗透时的规律不同。关于粘性土中存在起始水力梯度 的说明：,2019/5/29,7,1、室内试验,3.2.2 渗透试验及渗透系数,常水头试验用于粗粒土。变水头试验用于细粒土。,常水头法：,推导：已知 、 、 、 、 ，求试样的,2019/5/29,8,变水头法：,推导：已知玻璃细管的截面积为 ，从 到 时刻渗流水头从 降为 ，试样的面积为 ，长度为 ，求试样的 值,2019/5/29,9,2、现场试验,现场抽水试验测定综合渗透系数，费用较高，费时较长，结果可靠。,在现场设置一个抽水井（直径15cm以上）和两个以上的观测井。边抽水边观察水位情况，当单位时间从抽水井中抽出的水量 稳定，并且抽水井及观测井中的水位稳定之后，测定抽水井和观测井的水位。,2019/5/29,10,（1）粒度成分（粒径和级配）； （2）密实度或孔隙比； （3）饱和度； （4）结构 （5）温度 （6）构造,3、 渗透系数的影响因素,由土的粒径或孔隙比经验地确定。,4、渗透系数 的经验确定方法,2019/5/29,11,5、成层土的渗透系数,（1）水平渗流,研究断面的单宽流量为各层土单宽流量之和，即,各层土的水头损失相同，水力坡降也相同，即,各层土的单位宽度上的流量为,研究断面的单宽流量用等效渗透系数表示为,因此,2019/5/29,12,单位面积上的各层土的流量相等，即,总水头差为：,（2）垂直渗流,用等效渗透系数 表示,因此：,由 控制， 由 控制。,2019/5/29,13,3.3 土中二维渗流及流网,3.3.1 二维渗流方程,1、基本假设,2、渗流方程,（此即著名的拉普拉斯方程。在一定的边界条件下，可以求解出水头场。）,取渗流单元体。根据假设和流量连续即单元体流入水量=流出水量，推导方程。,（1）饱和土体；（2）土颗粒和水不可压缩；（3）土骨架不变形。,2019/5/29,14,3.3.2 流网特征及绘制,1、流网的特征,2、流网的绘制,等势线表示测压管水头齐平的线，流线表示水质点的运动路线。,（1）等势线与流线正交； （2）流线与等势线构成的各网格长宽比为常数，通常 ； （3）相邻等势线之间的水头损失相等； （4）各流槽的渗流量相等。 即正交、等比、等水位差、等流量。,流线越密，流速越大；势线越密，水力坡降越大。找出特殊的流线和等势线，根据正交性调整网格。现以基坑开挖中的隔水板桩为例加以说明。,2019/5/29,15,3、渗流量的计算,总水头损失,等势线条数减1,每个流槽的渗流量：,若b/L构成1，总渗流量为：,流槽的数量，等于流线数减1,势线间水头损失：,2019/5/29,16,3.4 渗透破坏与控制,3.4.1 渗流力,渗透力是渗透水流作用于单位体积土骨架上的力，用 表示。 取渗透试验中的假想水柱为隔离体进行受力分析：,（1）水柱重力，为水重力与土粒浮力反力之和,（2）水柱上、下两端的总水压力 和,（3）土粒对水的阻力 ，与水对土粒的渗流力大小相等，方向相反,2019/5/29,17,根据水柱隔离体的静力平衡条件：,根据 ，并整理后得：,因此，渗流力（动水力）为：,渗透力具有如下性质： （1）体积力（ ）； （2）方向与水流向一致； （3）对于土来说是内力，对于土骨架来说是外力。,2019/5/29,18,3.4.2 流砂或流土,在渗透力的作用下，渗流土体可能发生破坏，即渗透变形。 在级配均匀的饱和细砂、粉砂及粉土中，易发生流砂或流土现象。,临界水力梯度,流土发生在渗流逸出处，从该处取单位体积土骨架，其上作用力有：,临界状态时：,（1）浮重度：,（2）渗透力,防治： （1）减小水头差 （2）增长渗径 （3）压重 （4）加固 或,2019/5/29,19,3.4.3 管涌和潜蚀,对于不均匀的土，渗透力作用下则可能发生管涌或潜蚀现象。 管涌是土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动乃至流失的现象，它是一种渐进性质的破坏：随着孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较大的颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的管道，造成土体下沉、开裂或坍塌。 潜蚀是土中的易溶盐或细颗粒被带走，土结构受破坏。,防治措施： （1）改变水力条件，降低水力梯度； （2）改变几何条件，渗出部位铺设反滤层。,产生条件： （1）几何条件： ，细粒含量一般小于25%； （2）水力条件：渗透力能够带动细颗粒流滚动或移动。,2019/5/29,20,补充例题,解：当抽水时的水力梯度等于临界水力梯度时，管内将产生流砂。,某河流水深2m，河床土层为细砂，其 ，抽水管插入土层3m，管内进行抽水，试问管内水位降低几米会引起流砂？,2019/5/29,21,练习,某基坑采用板