土力学 第3章 土的渗透性.pdf

第1章作业讲解 1 13 1 13 某某土土样的含水样的含水量量为为6 6 天然天然重度为重度为16kN16kN m m3 3 土土粒粒比比重为重为某样的含水为某样的含水为 然重度为然重度为 粒重为粒重为 2 70 若土的孔隙比不变 为使土样能够完全饱和 问1000cm2 70 若土的孔隙比不变 为使土样能够完全饱和 问1000cm3 3 土样中需加多少水 土样中需加多少水 解答 解答 6 0 w 3 0 16mkN 70 2 s G 3 1000cmV 1000cmV gGg V m g ws s s ss1 1 1 0 0 0 w e s 61 10172 1 G s w m m w 0 0 0 0 0 0 0 0 1m m mm m w w w ws w 7887 01 16 61 1017 2 1 1 0 01 0 wgG e ws s S wG ee 0 100 r S 0 00 0 0 00 11w w V gw w mmw V mw 41509 1 1000 161 00 r S 0r 21 29 70 2 7887 0 0 s G e w g w V gw m w s 4 1509 06 1 1000 10 6 1 0 0 0 0 00 wmm sw wmm sw gwwmmmm swww 33 350 6 21 29 4 1509 00 第1章作业讲解 z b 1 15 l b 1 7 l b 1 7l b 1 7 z b 1 15 1 61 8 1 00 19140 1955 1 20 17050 1757 l b 1 7 z b 1 15 1 7 1 00 19345 1 20 1731 l b 1 7 z b 1 15 1 7 0 1781 第三章土的渗透性 第 3 章 土的渗透性 四 川 大 学 水 电 学 院四 川 大 学 水 电 学 院 省岩土工程重点实验室省岩土工程重点实验室省岩土工程重点实验室省岩土工程重点实验室 第三章土的渗透性 内容 3 13 1 概述概述 3 13 1 概述概述 3 2 土的渗透理论 3 2 土的渗透理论 3 33 3 二维渗流与流网二维渗流与流网 3 3 3 3 二维渗流与流网二维渗流与流网 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 5 有效应力原理 3 5 有效应力原理 第三章3 1 概述 碎散性多孔介质多孔介质 渗流渗流 碎散 三相体三相体系系能量差能量差系系 孔隙流体流动孔隙流体流动 土颗粒土中水土颗粒土中水 渗流渗流 水 气等流体在土孔隙或其它透水 性介质 如土工建筑物 中的流动 水 气等流体在土孔隙或其它透水 性介质 如土工建筑物 中的流动 现象现象 渗透性渗透性 土土体等多体等多孔孔介质介质具具有有被水 气被水 气等等流流 渗透性渗透性 体等多介质有体等多介质有等等 体透过的性质体透过的性质 渗透特性渗透特性 应力变形度 非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性 应力 变形 强度 和稳定 饱和土的渗透性饱和土的渗透性 第三章3 1 概述 板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流 渗水压力渗水压力 板桩墙板桩墙 渗水压力渗水压力 渗流量渗流量 基坑基坑 渗流量渗流量 渗透变形渗透变形 基坑基坑 扬压力扬压力 渗透变形渗透变形 透水层透水层 扬压力扬压力 不透水层不透水层 第三章3 1 概述 土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流 土石坝土石坝 防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖 渗流量 浸润线浸润线 渗流量 渗透变形 透水层透水层 渗透变形 透水层透水层 不透水层不透水层不透水层不透水层 第三章3 1 概述 水井渗流水井渗流 Q 水井渗流水井渗流 Q 天然水面天然水面 渗流量渗流量 透水层透水层 渗流量渗流量 不透水层不透水层 第三章3 1 概述 降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡 渗流问题 渗流问题 渗透力 渗透力 入渗过程入渗过程 入渗过程入渗过程 第三章3 2 土的渗透理论 3 1 概述 3 1 概述 3 2 土的渗透理论 3 2 土的渗透理论 3 33 3 二维渗流与流网二维渗流与流网 3 3 3 3 二维渗流与流网二维渗流与流网 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 5 有效应力原理 3 5 有效应力原理 1 1 水力梯度或水力水力梯度或水力坡坡降降 第三章3 2 土的渗透理论 水力梯度或水力降水力梯度或水力降 水头 总能量 水头 总能量 g vu zh w 2 2 A u h z 位置水头 基准面高程 位置水头 基准面高程 A B h1 h2 z w w B u u u w w 压力水头 压力水头 B L zA zB 00 基准面基准面 v2 2g 流速水头 0 流速水头 0 u zh 测管水头测管水头 w 测管水头测管水头 1 1 水力梯度或水力水力梯度或水力坡坡降降 第三章3 2 土的渗透理论 水力梯度或水力降水力梯度或水力降 A点总水头A点总水头 A u h w A A1 u zh A B h1 h2 z w w B u B B点总水头点总水头B L zA zB 00基准面基准面 B u zh B B点总水头点总水头 w B B2 zh hhh h 水力坡降水力坡降水头差水头差 12 hhh L h i 层流层流 相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流状态相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流状态层流层流 相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流状态相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流状态 紊流紊流 相邻两个水分子运动的轨迹互相混交 呈不规则运动 相邻两个水分子运动的轨迹互相混交 呈不规则运动 2 达2 达西定律西定律 第三章3 2 土的渗透理论 西定律西定律 1856年 Darcy 对均匀的砂土 进行了一维渗透试验 得出了 1856年 Darcy 对均匀的砂土 进行了一维渗透试验 得出了 层流条件层流条件下 土中渗透速度与 能量 水头 损失之间关系的 下 土中渗透速度与 能量 水头 损失之间关系的 渗透规律渗透规律即即达西定律达西定律 试验条件试验条件 层流层流 恒定流恒定流 渗透规律渗透规律 即即达西定律达西定律 试验条件试验条件 层流层流 恒定流恒定流 试验结果试验结果 达西渗透试验装置达西渗透试验装置 h h1 h2 q V t Q h q A q L h AQ A Q v h iv A q L q L L h i 第三章3 2 土的渗透理论 达西定律达西定律 L h kki A q v 达西定律达西定律 单位时间的渗水量单位时间的渗水量 3 3 q q 单位时间的渗水量单位时间的渗水量 cmcm3 3 s s v v 断面平均渗流速度 cm s 断面平均渗流速度 cm s 在在层流层流状态的渗流中状态的渗流中渗透速度渗透速度 与水力坡降与水力坡降i i的次方成正的次方成正 k 反映土的透水性能的比例系数反映土的透水性能的比例系数称为渗透系数称为渗透系数 物理物理 在在层流层流状态的渗流中状态的渗流中 渗透速度渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i 的的一一次方成正次方成正 比 并与比 并与土的性质土的性质有关 有关 k 反映土的透水性能的比例系数反映土的透水性能的比例系数 称为渗透系数称为渗透系数 物理物理 意义 为意义 为水力梯度水力梯度i i 1时的渗流速度 1时的渗流速度 单位 单位 mm s cm s m s m day y v 假想渗流速度 土体试样全断面的平均渗流速度 假想渗流速度 土体试样全断面的平均渗流速度 v 实际平均渗流速度实际平均渗流速度孔隙断面的平均渗流速度孔隙断面的平均渗流速度vr 实际平均渗流速度实际平均渗流速度 孔隙断面的平均渗流速度孔隙断面的平均渗流速度 q vA vrAr A q rr Ar nA n v nA vA vr 2 达2 达西定律西定律 第三章3 2 土的渗透理论 h kki q v 西定律西定律 L kki A v 适用条件 适用条件 岩岩土工土工程中的程中的绝大绝大多多数数渗渗流流问题问题 包包括砂括砂土土或或一一般粘般粘土土 岩程中的多渗问题岩程中的多渗问题 括砂或般粘括砂或般粘 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 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R Re e 进行判断进行判断进行判断进行判断 10 e v d R R Re e 5时层流 5时层流 R Re e 200时紊流 200 200时紊流 200 R R 5 5时为过渡区时为过渡区 R Re e 5 5时为过渡区时为过渡区 第三章3 2 土的渗透理论 3 测定方法3 测定方法 室内试验测定方法室内试验测定方法 常水头试验法 变水头试验法 常水头试验法 变水头试验法 常水头试验法常水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 井孔抽水试验 井孔注水试验 野外试验测定方法野外试验测定方法 常水头试验法常水头试验法 在整个试验过程中 在整个试验过程中 水头保持不变水头保持不变 常水头法适用于常水头法适用于透水性强的无粘透水性强的无粘 常水头法适用于常水头法适用于透水性强的无粘透水性强的无粘 性土性土 试验条件 试验条件 h A L const 结果整理 量测变量 结果整理 量测变量 Q t Q qt vAt v ki htA QL k i h L 第三章3 2 土的渗透理论 变水头试验法变水头试验法 在整个试验过程中 水头是随着时 间而变化的 适用于 在整个试验过程中 水头是随着时 间而变化的 适用于透水性弱的粘透水性弱的粘 性土性土性土性土 试验条件 试验条件 a A L const 量测变量量测变量 h t 结果整理结果整理 量测变量量测变量 h t t时刻时刻 h dt dh dQi adh 流入量流入量 dQi adh dQo kiAdt k h L Adt 流入量流入量 流出量 流出量 连续条件连续条件dQi dQo连续连续性性条件条件 adh k h L Adt h dh kA aL dt h dh kA aL dt h h t t 2 1 2 1 2 1 12 ln h h ttA aL k 2 1 12 lg 3 2 h h ttA aL k 第三章作业 3 83 8 3 93 9 3 103 10 3 3 12123 31212 第三章3 2 土的渗透理论 野外测定方法野外测定方法 抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法 r 观察井观察井 假定水流是水平流向 假设过水断面上各处水 力梯度为常数 假定水流是水平流向 假设过水断面上各处水 力梯度为常数 单位渗水量q r1 r r2 A 2 rhi dh dr dr dh krhAkiq 2 井dh dr dr khdh r dr q 2 地下水位 测压管水面地下水位 测压管水面 h1 h h2 2 1 2 1 2 h h r r hdhk r dr q 不透水层不透水层 ln 2 1 2 2 1 2 hhk r r q ln rrq 优点 可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 优点 可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 不透水层不透水层 2 1 2 2 12 ln hh rrq k 12 lg 32 rrq k 缺点 费用较高 耗时较长缺点 费用较高 耗时较长 2 1 2 2 12 g 3 2 hh q k 第三章上节知识复习 渗渗流流渗渗 渗透性 水头 总能量 位置水头 压力水头和流速水头 渗透性 水头 总能量 位置水头 压力水头和流速水头 测管水头测管水头测管水头测管水头 水力坡降水力坡降 层流与稳流及判断方法层流与稳流及判断方法 L h i 层流与稳流及判断方法层流与稳流及判断方法 达西定律达西定律 h kki q L kki A q v 渗透系渗透系数 数 单位单位 物物理理意意义义渗透系渗透系单位单位物意物意 达西定律的适用条件 测定方法 常水头试验 达西定律的适用条件 测定方法 常水头试验 htA QL k 变水头试验变水头试验 htA 2 1 12 ln h h ttA aL k 抽水试验抽水试验 2 1 2 2 12 ln hh rrq k 第三章3 2 土的渗透理论 4 影响渗透系数的因素4 影响渗透系数的因素 1 土的粒度成分 1 土的粒度成分 细粒含量愈多 土的渗透性愈小 例如砂土中粉粒及粘粒含量细粒含量愈多 土的渗透性愈小 例如砂土中粉粒及粘粒含量 愈多愈多的渗透系数会减的渗透系数会减愈多愈多时 砂土时 砂土的渗透系数的渗透系数就就会会大大大大减减小 小 2 土的密实度 2 土的密实度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数土的密实土的密实同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数 土的密实土的密实 度增大 孔隙比降低 土的渗透性也减小 度增大 孔隙比降低 土的渗透性也减小 3 土的饱和度 3 土的饱和度 饱和度愈低 渗透系数愈小 原因 土中封闭气体阻塞渗流 通道 使土的渗透系数降低 封闭气体含量愈多 土的渗透 饱和度愈低 渗透系数愈小 原因 土中封闭气体阻塞渗流 通道 使土的渗透系数降低 封闭气体含量愈多 土的渗透 性愈小性愈小 4 水的温度 4 水的温度 kk 20分别为分别为T 和和20 时水的动时水的动 性愈小性愈小 动力粘滞系数随水温发生明显的变化 水温愈高 水的动力粘动力粘滞系数随水温发生明显的变化 水温愈高 水的动力粘 滞系数愈小滞系数愈小土的渗透系数则愈大土的渗透系数则愈大 2020 T T kk T 20分别为分别为T 和和20 时水的动时水的动 力粘滞系数 可查表力粘滞系数 可查表 滞系数愈小滞系数愈小 土的渗透系数则愈大土的渗透系数则愈大 5 土的结构和构造 5 土的结构和构造 第三章3 2 土的渗透理论 5 成层土的等效渗透系数5 成层土的等效渗透系数 1 水平渗透系数 1 水平渗透系数 通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量q H1k1q1x 通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx 应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 n H2 H k2 k Hq2x qx i ixnxxxx qqqqq 1 21 L n iiii 21 H3 k3q3x 平均渗透系数平均渗透系数 n21 iHkq xx 达西定律达西定律 n iHkiHkiHk nn i ix iHkiHkiHkq L 2211 1 整整个个土层与层面土层与层面平平 n Hkk 1个平个平 行的等效渗透系数行的等效渗透系数 i iix Hk H k 1 第三章3 2 土的渗透理论 2 垂直 2 垂直渗透系数渗透系数 根据水流连续定理 通过整个土层根据水流连续定理 通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量的渗流量等于通过各土层的渗流量 qy H1k1 的渗流量等于通过各土层的渗流量的渗流量等于通过各土层的渗流量 nyyyy qqqq L 21 q1y H2 H k2 k Hq2y各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1 i2 in 总的水力坡降为 总的水力坡降为i H3 k3q3y AikAikAikiAk nny L 2211 总水头损失等于各层水总水头损失等于各层水 代入代入 垂直渗透垂直渗透 总水头损失等于各层水总水头损失等于各层水 头损失之和头损失之和 nni HiHiHHi L 2211 代入代入 ikikikHiHiHik LL 22112211 1 垂直渗透垂直渗透 系数系数 nnnny ikikikHiHiHi H k 22112211 整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直 y HHH H k 整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直 的等效渗透系数的等效渗透系数 n n y k H k H k H L 2 2 1 1 第三章3 2 土的渗透理论 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数 算例说明算例说明 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数 x 算例说明算例说明 daym010km01H 11 H1 H H k1 k z daym100km01H daym1km01H 33 22 H2 H3 H k2 k3 按层厚加权平均按层厚加权平均由较大值控制由较大值控制daym6733 Hk k ii 按层厚加权平均按层厚加权平均 由较大值控制由较大值控制daym6733 H kx daym030 k H H k i z 由较小值控制由较小值控制 ki 第三章3 2 土的渗透理论 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数 水渗情水渗情直渗情直渗情水水平平渗渗流流情情形垂形垂直渗直渗流流情情形形 条件条件 HHqq ii 21 vvv 条件条件 L h iii ii HHhh 已知已知 121 kHH 2121 kkHH h kik 等效等效 公式公式 iHkq x 1 H h kikv zz H k 公式公式 iix Hk H 1 k i i z k H k 第三章3 3 二维渗流与流网 3 1 概述 3 1 概述 3 2 土的渗透理论 3 2 土的渗透理论 3 33 3 二维渗流与流网二维渗流与流网 3 3 3 3 二维渗流与流网二维渗流与流网 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 5 有效应力原理 3 5 有效应力原理 第三章3 3 二维渗流与流网 1 1 概论概论 h恒定恒定稳定渗流稳定渗流 概论概论 h h h x z v v x z 对单宽dy 1 取一微小单元dx dz对单宽dy 1 取一微小单元dx dz 与时间无关与时间无关 dz v v z z z z dx x v v x x z z x z v x v x x 第三章3 3 二维渗流与流网 2 二2 二维渗维渗流运流运动微分动微分方方程程 dz v v z 维渗动微分程维渗动微分程 z dx v v x dz z vz 连续性条件连续性条件 基本方程基本方程水头描述水头描述 dxvdzvdq x z v x v dx x vx 连续性条件连续性条件 dxvdzvdq zxi dxdz z v vdzdx x v vdq z z x xo x 0 z v x v zx 达西定律达西定律 22 hh 令k k令k kx x k kz z oi dqdq 22 hh 达西定律达西定律 x h kv xx h kv zz 0 22 z h x h h 势函数势函数 0 22 z h k x h k zx z zz 22 22 0 xz h 势函数势函数 与渗透系数无关 等价于水头 与渗透系数无关 等价于水头 设 khzx Laplace方程 描述渗流场内部的测管水 头的分布 是平面稳定渗 描述渗流场内部的测管水 头的分布 是平面稳定渗 的基本式的基本式 xz 等势面是等水头面等势面是等水头面 两条等势面的势值两条等势面的势值 流流的基本的基本方程方程式式之一之一 等势面是等水头面等势面是等水头面 两条等势面的势值两条等势面的势值 差同其水头差成正比 差同其水头差成正比 第三章3 3 二维渗流与流网 2 二2 二维渗维渗流运流运动微分动微分方方程程维渗动微分程维渗动微分程 基本方程基本方程 流线描述流线描述 定义定义流线是流场中的曲线流线是流场中的曲线在这在这 z z 定义定义 流线是流场中的曲线流线是流场中的曲线 在这在这 条曲线上所有各质点的流速矢量都条曲线上所有各质点的流速矢量都 和该曲线相切和该曲线相切 z z v vz 流线的方程流线的方程 z v d zd 和该曲线相切和该曲线相切 x x vx 流线的方程流线的方程 x vdx 0dxvzdv zx v v zx 为某一函数全微分为某一函数全微分 0dvdv zx 存在函数存在函数 称为流称为流 zx 的充要条件为的充要条件为 xz v z v x 存在函数存在函数 称为流称为流 函数 且有 函数 且有 第三章3 3 二维渗流与流网 2 二2 二维渗维渗流运流运动微分动微分方方程程维渗动微分程维渗动微分程 流函数的性质流函数的性质 性质一性质一 流线互不相交流线互不相交在同一条流线上在同一条流线上流函数的值为一流函数的值为一性质一性质一 流线互不相交流线互不相交 在同一条流线上在同一条流线上 流函数的值为一流函数的值为一 常数常数 0ddzdxdxvzdv 0ddz z dx x dxvzdv zx 性质性质二 两二 两条条流流线线流函数流函数的差值等于的差值等于 d z z v 性质性质条线的差值等于条线的差值等于 其间通过的流量其间通过的流量 vx vz b c a和b为两流线间的过水断面 a x z b x dx z dz a和b为两流线间的过水断面 a x z b x dx z dz x x dq a d dx x dz z dxvdzvcbvacvdq zxzx xz 第三章3 3 二维渗流与流网 2 二2 二维渗维渗流运流运动微分动微分方方程程 维渗动微分程维渗动微分程 zx vx Ll方程 d b xz vz 22 22 22 0 Laplace方程 d a 0 hh 22 22 22 ff 0 xz 22 xz 22 0 0 zx 22 22 0 xz 势函数和流函数均满足拉普拉斯方程势函数和流函数均满足拉普拉斯方程 势函数和流函数均满足拉普拉斯方程势函数和流函数均满足拉普拉斯方程 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 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 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 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 第三章3 3 二维渗流与流网 2 二2 二维渗维渗流运流运动微分动微分方方程程维渗动微分程维渗动微分程 求解方法求解方法 22 22 0 xz 22 22 0 xz 基本方程基本方程 基坑基坑 板桩墙板桩墙 1 基坑基坑 1 2 边界条件边界条件 透水层透水层 不透水层不透水层 水头边界条件水头边界条件首尾等水头线首尾等水头线 2 确定渗流场内各点的 测管水头h的分 确定渗流场内各点的 测管水头h的分布布 水头边界条件水头边界条件 首尾等水头线首尾等水头线1 流速边界条件 边界流线流速边界条件 边界流线 其它边界条件其它边界条件 渗出面渗出面自由水面自由水面 2 3 布布 其它各量其它各量 其它边界条件其它边界条件 渗出面渗出面 自由水面自由水面3 其它各量其它各量 第三章3 3 二维渗流与流网 求解方法求解方法求解方法求解方法 解析方法解析方法 通解通解 两个共轭调和两个共轭调和 势函数势函数 x x z z 等势线等势线 相互正交 适用于边界条件简单的情况适用于边界条件简单的情况 通解通解 两个共轭调和两个共轭调和 函数函数 势函数势函数 流函数 x z 流函数 x z 等势线等势线 流线流线 边界条件 特定解特定解 数值方法数值方法 适用于边界条件简单的情况适用于边界条件简单的情况 边界条件 差分法 有限元方法 精度高 应用愈来愈广泛差分法 有限元方法 精度高 应用愈来愈广泛 试验比拟方法 电比拟方法 试验比拟方法 电比拟方法 利用渗利用渗流流场和场和电电场均场均服从La服从Lap place方lace方程程这一这一特点特点 按按一一定定利用渗场和场均利用渗场和场均p p程特点程特点 按定按定 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 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 图解法图解法流网 近似求解方法流网 近似求解方法 理论基础理论基础 解析法的结果 理论基础理论基础 解析法的结果 第三章3 3 二维渗流与流网 3 流3 流网网的绘的绘制制及及应用应用网制应用网制应用 流网流网 渗流场中的两族相互正交曲线 等势线和流线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 所形成的网络状曲线簇 流线流线 水质点运动的轨迹线 水质点运动的轨迹线 等势线等势线 测管水头相同的点之连线 测管水头相同的点之连线 流网法流网法 通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流 问题 问题 h H 0 第三章3 3 二维渗流与流网 3 流3 流网网的绘的绘制制及及应用应用网制应用网制应用 基本要求基本要求 h l H l s d b l s d a 1 1 正交性正交性 流线与等势线流线与等势线 等水头线等水头线 必须正交必须正交 0 通解 1 1 正交性正交性 流线与等势线流线与等势线 等水头线等水头线 必须正交必须正交 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 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 通解 边正方形 边正方形 dhl c ds b a d d 3 在边界上满足流场边界条件要求 保证解的唯一性 3 在边界上满足流场边界条件要求 保证解的唯一性 第三章3 3 二维渗流与流网 3 流3 流网网的绘的绘制制及及应用应用网制应用网制应用 A h 绘制方法绘制方法 工具工具 铅笔铅笔 橡皮橡皮 B D l s H 根据渗流场的 边界条件 工具工具 铅笔铅笔 橡皮橡皮 B H s 边界条件 C 00 l 确定边界流 线和首尾等 确定边界流 线和首尾等 势线势线势线势线 正交性 初步绘制流初步绘制流 流线流线 等势线等势线 反复修改反复修改 个高精度的流网图个高精度的流网图需经需经 曲边正方 形 初步绘制流初步绘制流 网网 流线流线 等势线等势线 反复修改反复修改 调整 调整 一一个高精度的流网图个高精度的流网图 需经需经 过多次的修改后才能完成 过多次的修改后才能完成 精度较高的流网图精度较高的流网图 第三章3 3 二维渗流与流网 3 流3 流网网的绘的绘制制及及应用应用网制应用网制应用 h l 主要特点主要特点 H l s H l s 0 l 与上下游水位变化无关 h const 与上下游水位变化无关 h const 与与k k无关无关 与与k k无关无关 等势线上各点测管水头h相等 等势线上各点测管水头h相等 第三章3 3 二维渗流与流网 3 流3 流网网的绘的绘制制及及应用应用网制应用网制应用 实际应用实际应用 h l 测管水头测管水头h H s 测管水头测管水头h l Hi 水力坡降水力坡降 0 l s z hh ii ikv 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 0 ii ikv HMkMqq Hks l H kq iii 确定流速确定流速 确定确定流流量量 li 确定量确定量 M 流道数流道数 H h N 相邻等势线间的水头损失相邻等势线间的水头损失 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 1 概述 3 1 概述 3 2 土的渗透理论 3 2 土的渗透理论 3 3 二3 3 二维渗维渗流流与与流流网网 维渗与网维渗与网 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 4 渗透力及渗透破坏类型 有效应力原有效应力原 3 5 3 5 有效应力原有效应力原理理 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 1 1 试验观察试验观察 a b J 试验观察试验观察 h h1 h hw 贮水器贮水器 土粒 h2 00 L 土样 00 滤网滤网 h 0 静水中 土骨架会受到浮力作用静水中 土骨架会受到浮力作用 h 0 水在流动时 水流受到来自土骨架水在流动时 水流受到来自土骨架 渗渗流流 的阻力 同时流动的孔隙水对土骨架产生一 个摩擦 拖曳力 的阻力 同时流动的孔隙水对土骨架产生一 个摩擦 拖曳力 渗渗流流 渗透力渗透力 j 渗流过程中 单位体积土骨架所受到的孔隙水的 渗流作用力 又称 渗流过程中 单位体积土骨架所受到的孔隙水的 渗流作用力 又称动水压力动水压力 方向与渗流方向一致 方向与渗流方向一致 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 2 计算方计算方法土法土骨架骨架 孔隙水总体做隔离体孔隙水总体做隔离体计算方计算方骨架骨架孔隙水总体做隔离体孔隙水总体做隔离体 a b 静水中的土体静水中的土体 h 贮水器贮水器 P1 静水中的土体静水中的土体 h2 hw L土土 W 00 样样 滤网滤网 P2 R A 1 滤网滤网 R W L sat L w PhP1 whw P2 wh2R P2 W P1 R wh2 L w whw R R L 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 2 计算方计算方法土法土骨架骨架 孔隙水总体做隔离体孔隙水总体做隔离体计算方计算方骨架骨架孔隙水总体做隔离体孔隙水总体做隔离体 a b 渗流中的土体 静水中的土体 渗流中的土体 静水中的土体 R L h h h 贮水器贮水器 P1 h1 h2 hw L土 W 00 样 滤网滤网 P2 R A 1 滤网滤网 W L sat L w PhP1 whw P2 wh1R P2 W P1 R wh1 L w whw R R L w h 第三章上节知识复习 影响渗透系影响渗透系数数的因素的因素 土土的粒度成分的粒度成分 密实度密实度 饱 饱和度和度 影响渗透系的因素影响渗透系的因素的粒度成分的粒度成分密实度密实度和度和度 水的温度和结构与构造 水平渗透系数 水的温度和结构与构造 水平渗透系数 n i iix Hk H k 1 1 H i H 1 垂直渗透系数垂直渗透系数 i i z k H H k hh 22 22 i k 0 z h x h 22 22 22 22 0 xz 22 22 0 xz 求解方法求解方法解解 h l 求解方法求解方法 解解 析法 数值法 析法 数值法 电比拟法和流电比拟法和流 H l s 电比拟法和流电比拟法和流 网法网法 l s 渗透力渗透力 0 渗透力渗透力 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 2 计算方计算方法土法土骨架骨架 孔隙水总体做隔离体孔隙水总体做隔离体 a b 计算方计算方骨架骨架孔隙水总体做隔离体孔隙水总体做隔离体 a b P1 h1 h hw 贮水器贮水器 W 1 h2 w L 土土 样样 P2 A 1 00 样样 滤网滤网 R 静水中的土体静水中的土体 R L h R L 渗流中的土体渗流中的土体 向上渗流存在时 滤网支持力向上渗流存在时 滤网支持力 R L w h 渗流中的土体渗流中的土体 减少减少 减少的部分由谁承担 总渗透力 减少的部分由谁承担 总渗透力 J w h 渗透力渗透力 j J V w h L wij wi 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 计算方法土骨架 孔隙水总体做隔离体2 计算方法土骨架 孔隙水总体做隔离体 a b h 贮水器贮水器 P1 h1 h hw 贮水器贮水器 W h2 00 L 土样 P 00 滤网滤网 P2 R A 1 向上渗流存在时向上渗流存在时 滤网支持力减少滤网支持力减少 R L h 渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力 向上渗流存在时向上渗流存在时 滤网支持力减少滤网支持力减少 临界水力坡降临界水力坡降 i 1 1G ws R L w hicr w L w h 0 e1 1G i s i h L w e1 i s cr 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 2 计算方计算方法土法土水隔离分析水隔离分析计算方计算方水隔离分析水隔离分析 P1 a b A 1 P1 W h h hw 贮水器贮水器 W Ww 1 P h1 h2 00 L 土样 JJ P P2 R 00 滤网滤网R P2 P1 Ww J P2 水体的平衡条件水体的平衡条件 P1 whw P2 wh1 Ww Vv w Vs w L w 1w2水体的平衡条件水体的平衡条件 j i whw wL j L wh1 j wi i L h L Lhh j w ww1w 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 渗透力的性质渗透力的性质渗透力的性质渗透力的性质 物理意义物理意义 单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 它它物理意义物理意义 单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 它它 是体积力 是体积力 大大j wi大大小 小 方向方向 与与 i i 方向方向一一致致 均质土与渗流方向均质土与渗流方向一一致致 方向方向与与 方向致方向致 均质土与渗流方向致均质土与渗流方向致 作用对象 作用对象 土骨架 土骨架 课下作业课下作业 课下作业课下作业 找出P93 94中3 3 1 渗透力段中推导过找出P93 94中3 3 1 渗透力段中推导过 程中的错误程中的错误 程中的错误程中的错误 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 3 渗透破坏类型渗透破坏类型渗透破坏类型渗透破坏类型 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏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称为渗透变形或渗透破坏渗透变形是土工建筑渗透变形是土工建筑称为渗透变形或渗透破坏称为渗透变形或渗透破坏 渗透变形是土工建筑渗透变形是土工建筑 物发生破坏的常见类型 物发生破坏的常见类型 基基本类型本类型 本类型本类型 流土流土 管管 单一土层渗透变形单一土层渗透变形 管管涌涌 的两种基本型式的两种基本型式 接触流土接触流土接触流土接触流土 接触冲刷 成层土中渗透变形 的两种基本型式 接触冲刷 成层土中渗透变形 的两种基本型式 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 3 渗透破坏类型渗透破坏类型渗透破坏类型渗透破坏类型 1 流砂或流土流砂或流土 在自下而上的渗流发生时在自下而上的渗流发生时渗透力的大小超过土重度渗透力的大小超过土重度致使致使在自下而上的渗流发生时在自下而上的渗流发生时 渗透力的大小超过土重度渗透力的大小超过土重度 致使致使 土粒间的土粒间的有效应力为零有效应力为零 土体的表面隆起 浮动或某颗粒群 悬浮 移动的现象称为流砂 sand boiling 或流土 soil boiling 土体的表面隆起 浮动或某颗粒群 悬浮 移动的现象称为流砂 sand boiling 或流土 soil boiling 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 3 渗透破坏类型渗透破坏类型渗透破坏类型渗透破坏类型 1 流砂或流土流砂或流土 坝体坝体 粘性土k粘性土k1 1 k k2 2 坝体坝体 砂性土k砂性土k2 2 渗流渗流 流沙或流土多发生在颗粒级配均匀的饱和细 粉砂和粉土层 中 主要发生在渗流出口处 流沙或流土多发生在颗粒级配均匀的饱和细 粉砂和粉土层 中 主要发生在渗流出口处 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 土土的临界水力梯度的临界水力梯度的临界水力梯度的临界水力梯度 当竖向渗流力等于土体的有效重量时 土体就处于流土临界状 态 当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯 当竖向渗流力等于土体的有效重量时 土体就处于流土临界状 态 当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯 度时 就会出现流砂现象 以濒临渗透破坏时的水力梯度称为度时 就会出现流砂现象 以濒临渗透破坏时的水力梯度称为 临界水力梯度临界水力梯度 1G 1 1 s ww G ji e w s scr e G nGi 1 1 1 1 w 1 e i ws cr 1 e ww i ii i 土体处于临界状态 i icr cr 土体发生流土破坏 土体发生流土破坏 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 2 管涌管涌 管涌管涌 在渗流作用下 一定级配的无粘性土中的细小颗粒 通过较在渗流作用下 一定级配的无粘性土中的细小颗粒 通过较 大颗粒所形成的孔隙发生移动大颗粒所形成的孔隙发生移动 最终在土中形成与地表贯通最终在土中形成与地表贯通大颗粒所形成的孔隙发生移动大颗粒所形成的孔隙发生移动 最终在土中形成与地表贯通最终在土中形成与地表贯通 的管道 的管道 坝体坝体 在渗透水流作用在渗透水流作用 渗流渗流 在渗透水流作用在渗透水流作用下 细颗粒在粗颗粒形 下 细颗粒在粗颗粒形 成的孔隙中移动流成的孔隙中移动流渗流渗流成的孔隙中移动流成的孔隙中移动流 失失 原因原因 内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因 渗透力足够大 内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因 渗透力足够大 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 2 2 管涌管涌 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 管涌可能性的判别管涌可能性的判别管涌可能性的判别管涌可能性的判别 土是否会发生管涌土是否会发生管涌取决于土的性质取决于土的性质 土是否会发生管涌土是否会发生管涌 取决于土的性质取决于土的性质 粘性土 分散性土例外 属于非管粘性土 分散性土例外 属于非管 涌土涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应无粘性土中发生管涌必须具备相应 无粘性土中发生管涌必须具备相应无粘性土中发生管涌必须具备相应 的的几何条件几何条件和和水力条件水力条件 几何条件 几何条件 发生管涌的发生管涌的必要条件必要条件 粗颗粒所 粗颗粒所 构成的孔隙直径大于细颗粒直径构成的孔隙直径大于细颗粒直径构成的孔隙直径大于细颗粒直径构成的孔隙直径大于细颗粒直径 水力条件 水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间渗透力能够带动细颗粒在孔隙间 滚动或移动滚动或移动 滚动或移动滚动或移动 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 管涌管涌 流土流土 土体局部范围的颗粒同土体局部范围的颗粒同 管涌管涌 现象现象 土体内细颗粒通过粗粒土体内细颗粒通过粗粒土体局部范围的颗粒同土体局部范围的颗粒同 时发生移动时发生移动 只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层 现象现象 位置位置 土体内细颗粒通过粗粒土体内细颗粒通过粗粒 形成的孔隙通道移动形成的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗可发生于土体内部和渗只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层 要渗透力足够大要渗透力足够大可发可发 位置位置 土类土类 可发生于土体内部和渗可发生于土体内部和渗 流溢出处流溢出处 只只要渗透力足够大要渗透力足够大 可发可发 生在任何土中生在任何土中 土类土类 一般发生在特定级配的无 粘性土或分散性粘土 一般发生在特定级配的无 粘性土或分散性粘土 破坏过程短破坏过程短历时历时破坏过程相对较长破坏过程相对较长 溃溃导致下游坡面产生局部滑 动等 导致下游坡面产生局部滑 动等 后果后果导致结构发生塌陷或导致结构发生塌陷或溃溃口口 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 接触流失接触流失 在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中当当在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中 当当 渗流垂直于层面运动时 将细粒层 渗透系数小 的细渗流垂直于层面运动时 将细粒层 渗透系数小 的细 颗粒带入粗颗粒层颗粒带入粗颗粒层 渗透系数较大层渗透系数较大层 的现象称为接触的现象称为接触颗粒带入粗颗粒层颗粒带入粗颗粒层 渗透系数较大层渗透系数较大层 的现象称为接触的现象称为接触 流失 包括接触管涌和接触流土 流失 包括接触管涌和接触流土 4 接触冲涮接触冲涮 渗流沿着两种不同粒径组成的土层层面发生带走细颗粒渗流沿着两种不同粒径组成的土层层面发生带走细颗粒 的现象 的现象 第三章3 4 渗透力及渗透破坏类型 防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖 防治措施防治措施 土石坝 防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖 浸润线 透水层透水层 i ii 防治流土 不透水层不透水层 防治管涌 s cr F i ii 不透水层不透水层 减小减小i i 上游延长渗径上游延长渗径 改善几何条件改善几何条件 设反滤层等设反滤层等 增大增大游增加透水盖重游增加透水盖重 减小减小i i 上游延长渗径上游延长渗径 下游减小水压下游减小水压 改善水力条件改善水力条件 减小渗透坡减小渗透坡 降降 增大增大 i i 下下游增加透水盖重游增加透水盖重 降降 第三章3 5 有效应力原理 3 1 概述 3 1 概述 3 2 土的渗透理论 3 2 土的渗透理论 3 3 二3 3 二维渗维渗流流与与流流网网 维渗与网维渗与网 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 4 渗透力及渗透破坏类型 3 53 5 有效应力原理有效应力原理 3 3 5 5 有效应力原理有效应力原理 第三章3 5 有效应力原理 1 1 有效应力的概念有效应力的概念1 1 有效应力的概念有效应力的概念 孔隙水压力 孔隙水压力 饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力 又饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力 又 称中性压力称中性压力常以常以u u表示表示 hu 称中性压力称中性压力 常以常以u u表示表示 ww hu 有效应力 有效应力 通过粒间的接触面传递的应力 用表示 通过粒间的接触面传递的应力 用表示 孔隙水压力 有效压力 孔隙水压力 有效压力 方向 方向 无方向性 有方向性 无方向性 有方向性 传递介质 传递介质 孔隙流体 水 土骨架 孔隙流体 水 土骨架 作用 作用 不使土骨架压缩和变形 使土骨架压缩和变形 土体位 移 影响抗剪强度 不使土骨架压缩和变形 使土骨架压缩和变形 土体位 移 影响抗剪强度 第三章3 5 有效应力原理 2 2 有效应力原理有效应力原理a a a a断面竖向力平衡断面竖向力平衡2 2 有效应力原理有效应力原理 uAANA ss a a a a断面竖向力平衡断面竖向力平衡 wS AAA u A A A N ss 1 A N s 有效应力有效应力 A u 1 1 A Aw 1936 Terzaghi 提出有效应力原理提出有效应力原理u 1936 Terzaghi 提出有效应力原理提出有效应力原理 饱和土有效应力原理示意图饱和土有效应力原理示意图 一般情况一般情况 u A 土单元的断面积 土单元的断面积 饱和土有效应力原理示意图饱和土有效应力原理示意图 u Aw As 颗粒接触点的面积 颗粒接触点的面积 孔隙水的断面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积 第三章3 5 有效应力原理 3 3 静水条件下孔隙水压力和有效应力静水条件下孔隙水压力和有效应力3 3 静水条件下孔隙水压力和有效应力静水条件下孔隙水压力和有效应力 C点的应力C点的应力 211 hh sat 2 hu w uhhhhh 1 1221 12satw uhhhhh 第三章3 5 有效应力原理 4 4 稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力4 4 稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力 自上而下渗流自上而下渗流 hhC C点的应力点的应力 21 hh satw 2www uhhh C C点的应力点的应力 2www 第三章3 5 有效应力原理 4 4 稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力4 4 稳定渗流条件下下孔隙水压力和有效应力稳定渗流条