《土中水的运动规律》PPT课件.ppt

1,第二章 土中水的运动规律,概述 土的渗透性 二维渗流及流网 土的毛细性及土的冻胀,主要内容,本章重点：渗透定律、渗透系数、动水力及流砂现象,2,2.1 土的渗透问题概述,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,渗透自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的现象,3,研究渗流主要解决两类问题,渗流量计算问题：深基坑开挖排水问题,渗流稳定与渗流控制问题：产生渗透变形，甚至渗透破坏，如道路边坡破坏、堤坝失稳、地面隆起等,4,2.2 土的渗透性,一、达西定律,1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究,结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,渗透试验播放,达西定律 V=Kh/L=Ki,K渗透系数，cm/s i水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,5,讨论：1）公式适用于层流情况，一般适用于中、细、粉砂土； 2）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高 io计算。 V=K（i-io）。,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,起始水力坡降,6,二 渗透系数及其确定方法,时间t内流出的水量,1.常水头试验整个试验过程中水头保持不变，适用于透水性大砂土（k10-3cm/s）。,:,测定渗透系数方法,试验室测定:常水头试验 变水头试验 现场抽水试验,7,2变水头渗透试验整个试验过程水头随时间变化 适用于适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。,8,截面 面积a,任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量,dQ=adh,在时段dt内流经试样的水量,dQ=kiAdt=kAdth/L,管内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,分离变量 积分得,9,3现场抽水试验室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时,图2-6 现场抽水试验,非承压完整井,还有其它几种形式？,10,水平向渗流时Kh I=I1 = I2 q=q1+q2 F=F1+F2=1h1+1h2=h1+h2 Kh =Kihi/hi 受渗透系数最大的土层控制,竖直向渗流时 KV q =q1=q2；F=F1=F2 H=H1+H2 KV=Kihi/(hi/KI) 受渗透系数最小的土层控制,4成层土的渗透系数,11,（1）土的矿物成分：蒙脱石含量，或有机质，则K （2）粒度成分：粗，浑圆均匀则K （3）结合水膜厚度,K；厚度，K （4）土的结构构造：黄土KVKn，夹砂粘土KVKn （5）水的沾滞度t：温度T，Rt应进行修正，以10水 为标准渗透系数值K20: K20=kTT/20,5 影响渗透性的因素,T、20分别为T和20时水的动力粘滞系数，可查表,（6）土中气体：含密闭气泡，K,12,【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30，试求试样的渗透系数,【解答】,已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积,h1=160cm，h2=52cm，t=900s,试样在30时的渗透系数,13,三 渗流力及流砂与管涌现象,1.渗流力GD水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为渗流力，也称动水力,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h,土粒对水流的阻力应为,水柱隔离体平衡条件,水柱重力,土颗粒对水总的阻力,渗透力是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 （矢量）,14,2.流砂、管涌与临界水头梯度 流砂当向上的GD与土的浮重度相等时，即GD=I= =sat-，这时土颗间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。,临界水力坡降(梯度)土在水下的浮重度G为，当向上的渗流力GD与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降,15,管涌,水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。,讨论：1 流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。 2 流砂主要发生于细、粉砂及粉质粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。 3 管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数 Cu，则Icr，图2-10,16,【解】发生流砂的条件为 临界水头梯度 因维护结构进入坑底4m，故 水渗流路径长: 两侧水头差为 故承压水位上升后的高度m,【例2-1】某基坑开挖深8m（见图2-11），地基中存在粉土层，其饱和重度为20kN/m3，在一场爆雨后，坑底发生了向上涌砂的流砂现象，经调查发现粉土层中存在承压水，试估算这时承压水头为多高？,17,流砂现象的防治原则是： 减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或水下挖掘；,18,在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；,土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等,19,23 二维渗流及流网,一、二维渗流方程及流网的特征 1 二维渗流方程,流网是由一组流线和一组等势线互相正交组成的网格。 在稳定渗流场中，流线表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。等势线是渗流场中势能或水头的等值线。,流线,等势线,20,2流网的特征,1)流线与等势线互相正交。 2)流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数。当长宽比为1时，网格为曲边正方形。 3)相邻等势线之间的水头损失相等。 4)各个流槽（即各相邻两流线间）的渗流量相等。,流网中等势线越密的部位、水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。,h,21,二 流网的绘制及应用,按一定比例绘出结构物和土层的剖面图。,1流网的绘制,判定边界条件，图中aa和bb为等势线边界(透水面)；acb、ss为流线边界（不透水面）。 先试绘若干条流线(应相互平行，不交叉且是缓和曲线)；流线应与进水面（aa）、出水面(bb)正交，并与不透水面(流线ss)不交叉。 加绘等势线。须与流线正交，且每个渗流区的形状接近“方块”。,h,22,2流网应用,1)相邻等势线间的水头损失hi。 2)各网格水力梯度ii,各网格的渗透速度vi为,3）单位渗流量q,总渗流量为,4)任意点的孔隙水压力ui,等势线的间隔数,等势线宽,h,流槽数,23,一 土层中的毛细水 土中水的运动形式：5种 土的毛细现象指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向 上及其他方向移动的现象。 毛细现象对工程危害,24 土的毛细性及土的冻胀,二