山东建筑大学土力学第三章(肖).ppt

2019/11/22,1,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。,2019/11/22,2,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,2019/11/22,3,3.1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。,2019/11/22,4,3.2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：,2019/11/22,5,3.2.2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,2019/11/22,6,2、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：,2019/11/22,7,1、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,2019/11/22,8,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,2019/11/22,9,2、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。,2019/11/22,10,（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,2019/11/22,11,5、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,2019/11/22,12,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。,2019/11/22,13,3.3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。,2019/11/22,14,3.3.2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。,2019/11/22,15,3、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：,2019/11/22,16,3.4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,2019/11/22,17,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。,2019/11/22,18,3.4.2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,2019/11/22,19,3.4.3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。,2019/11/22,20,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？,2019/11/22,21,练习,某基坑采用板桩作为支