《土中水的运动规律》PPT课件

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/si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KhI=I1=I2q=q1+q2F=F1+F2=1h1+1h2=h1+h2Kh=Kihi/hi受渗透系数最大的土层控制,竖直向渗流时KVq=q1=q2；F=F1=F2H=H1+H2KV=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