土力学李广信土的渗透性精讲

1、1 本章特点本章特点 学习要点学习要点 主要难点主要难点 有较严格的理论（水流的一般规律）有较严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒体多孔介质特性）有经验性规律（散粒体多孔介质特性） 注重对物理概念和意义的深入理解注重对物理概念和意义的深入理解 注意土是散粒体（多孔介质）这一特点注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力坡降水头及水力坡降 二维流网及其应用二维流网及其应用 渗透力及其分析方法渗透力及其分析方法 2 土的渗透性和渗流问题 2 2 土的渗透性和渗流问题 碎散性碎散性多孔介质多孔介质 三相体系三相体系 孔隙流体流动孔隙流体流动 渗流渗流 水、气等流体在土体等多孔介质水、

2、气等流体在土体等多孔介质 的孔隙中流动的现象的孔隙中流动的现象 渗透性渗透性 土体等多孔介质具有被水、气等土体等多孔介质具有被水、气等 流体透过的性质流体透过的性质 渗透特性渗透特性 强度特性强度特性 变形特性变形特性 非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性饱和土的渗透性 概述概述 能量差能量差 土颗粒土颗粒土中水土中水 渗流渗流 3 概述 渗流量 渗透变形 土石坝土石坝 防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖 浸润线浸润线 透水层透水层 不透水层不透水层 土石坝坝基坝身渗流 2 土的渗透性和渗流问题 4 渗水压力 扬压力 渗流量 渗透变形 透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 板桩墙板桩

3、墙 板桩围护下的基坑渗流 概述2 土的渗透性和渗流问题 5 渗流量 透水层透水层 不透水层不透水层 天然水面天然水面 水井渗流 漏斗状潜水面漏斗状潜水面 Q 概述2 土的渗透性和渗流问题 6 渗流量 原地下水位原地下水位 渗流时地下水位渗流时地下水位 渠道渗流 概述2 土的渗透性和渗流问题 水位 7 渗流滑坡 渗流滑坡 概述2 土的渗透性和渗流问题 8 渗流 量 渗透变 形 渗水压 力 渗流滑 坡 土的渗透性及渗流规律土的渗透性及渗流规律 二维渗流及流网二维渗流及流网 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 扬压 力 土坡稳定分析土坡稳定分析 挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 多雨

4、地区边坡 概述2 土的渗透性和渗流问题 水位 9 2.1 土的渗透性与渗流规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降 二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律 三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素 四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数 2 土的渗透性和渗流问题 10 A B L 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 板桩墙板桩墙 2 土的渗透性和渗流问题 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降 11 A B L 一渗流中的水头与水力坡降 h1 h2 zA w A u w B u zB h

5、 h 00 基准基准 面面 水力坡降线水力坡降线 g2 vu zh 2 w w A A1 u zh w B B2 u zh 12 hhh w u zh L h i 总水头总水头单位重量水体所具有的能量 z：位置水头：位置水头 u/u/w w：压力水头：压力水头 V2/(2g)：流速水头流速水头00 A点总水头：点总水头：B点总水头：点总水头： 总水头：总水头： 水力坡降：水力坡降： 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 水头差：水头差： 测管水头测管水头 12 二二. . 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律 试验前提试验前提：层流层流 h，Q A，Q

6、 L， Q L h AQ 断面平均流速断面平均流速 水力坡降水力坡降 A Q v L h i iv 1.1.渗透试验渗透试验 试验结果试验结果 试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h1，A，L=const 量测变量量测变量: : h2，V，T h=h1-h2Q=V/T 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 13 2.2.达西定律达西定律 vk i s v vv n 渗透定 律 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。 二. 渗

7、透试验与达西定律 vi 注意：注意： A Av v A n A 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 vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的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 A Av QvA vsAv k: : 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：物理意义：水力坡降水力坡降i1 1时的渗流速度时的渗流速度 单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 14 2. 2. 达西定律达西

8、定律 适用条件：适用条件： 层流（线性流）层流（线性流） 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 二. 渗透试验与达西定律 岩土工程中的绝大多数渗流问岩土工程中的绝大多数渗流问 题，包括砂土或一般粘土，均题，包括砂土或一般粘土，均 属层流范围属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可在粗粒土孔隙中，水流形态可 能会随流速增大呈紊流状态，能会随流速增大呈紊流状态， 渗流不再服从达西定律。渗流不再服从达西定律。 可用雷诺数可用雷诺数Re进行判断：进行判断： Re5时层流时层流 Re 200时紊流时紊流 200 Re 5时为过渡区时为过渡区 10 e v d R

9、15 2. 2. 达西定律达西定律 （1）粗粒土：）粗粒土： 砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律 砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s i v o vcr i v o i0 两种特例：两种特例： （2）粘性土：）粘性土： 致密的粘土致密的粘土 i i0, v = k(i - i0 ) (1) m vki m 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 二. 渗透试验与达西定律 16 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方室内试验测定方 法法 野外试验测定方野外试验测定

10、方 法法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验 1. 1. 测定方法测定方法 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 17 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法 三. 渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 结果整理结果整理 试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h，A，L=const 量测变量量测变量: : V，t i=h/L V=Qt=vAt v=ki htA VL k 适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土 2.12

11、.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 h L 土样土样 A V Q 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法 透水性较小的粘性土? 18 三. 渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法 试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h变化变化，A、L=const 量测变量量测变量: : h ，t 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 土样土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头水头 测管测管 开关开关 a 19 三

12、. 渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法 结果整理结果整理: : 理论依据理论依据: : t时刻：时刻： h dt dh dVe= - adh dVo=kiAdt=k (h/L)Adt dVe=dVo 流入量流入量： 流出量：流出量： 连续性条件：连续性条件： -adh =k (h/L)Adt h dh kA aL dt 2 1 th 0h aLdh d kAh 2 1 h h ln kA aL t 2 1 h h ln At aL k 选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值

13、2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 土样土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头水头 测管测管 开关开关 a h dh t t+dt 20 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 优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数 1. 1. 测定方法测定方法三. 渗透系数的测定及影响因素 地下水位地下水位测压管水面测压管水面 井井 抽水量抽水量Q Q r1 r r2 dh dr h1 h h2 不透水层不透水层 观察井观察井 A=2rhi=dh/dr dr dh krh2AkiQ

14、khdh2 r dr Q )hh(k r r lnQ 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 12 hh )r/rln(Q k 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长 实验方法：实验方法： 理论依据：理论依据： 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 积分积分 21 2.影响因素 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 kf() 土土粒粒特特性性、流流体体特特性性 三. 渗透系数的测定及影响因素 饱和度（含气量）饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规

15、律 2 土的渗透性和渗流问题 22 2.2.影响因素影响因素 三. 渗透系数的测定及影响因素 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 粒径大小及级配：粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形 成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。 （1）土粒特性的影响）土粒特性的影响 孔隙比：孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k 一般随孔隙比

16、一般随孔隙比e增大而增大。增大而增大。 矿物成分：矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系 数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石伊里石蒙脱石；塑性指蒙脱石；塑性指 数数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。 结构：结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上， 天然沉积层状粘性土层，常使得天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平 水平 k垂直

17、垂直；在微观结构上，当孔隙 ；在微观结构上，当孔隙 比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。 23 饱和度饱和度 s sr r(%)(%) 渗透系数渗透系数k(10k(10-3 -3cm/s) cm/s) 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 80 90 10080 90 100 饱和度的影响饱和度的影响 流体粘滞性的影响流体粘滞性的影响 温度高温度高 粘滞性低粘滞性低 渗透系数大渗透系数大 封闭气泡对封闭气泡对k影响很大，可影响很大，可 减少有效渗透面积，还可减少有效渗透面积，还可 以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道 2

18、.2.影响因素影响因素 三. 渗透系数的测定及影响因素 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 （2）流体特性的影响）流体特性的影响 24 四四. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数 等效渗透系数 确立各层的确立各层的km 考虑渗流方向考虑渗流方向 天然土层多呈层状天然土层多呈层状 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 25 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x zq1x q3x q2x L 四.层状地基的等效渗透系数 1 1 2 2 不透水层不透水层 水平渗流水平渗流 条件条件: : m

19、h ii L xmx qq m HH 等效渗透系数等效渗透系数: : qx=vxH=kxiH qmx=kmimHm m xmmm H1 kH kk HH 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 26 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z 四.层状地基的等效渗透系数 竖直渗流竖直渗流: v 承压水承压水 条件条件: m vv m hh m HH 等效渗透系数等效渗透系数: : m m m vH h k z k vH h m zm vHvH kk z m m H k H k m zm H11 kH k 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性

20、与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 m mm m h vk H 27 算例算例 day/m100k,m0 . 1H day/m1k,m0 . 1H day/m01. 0k,m0 . 1H 33 22 11 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制 倒数按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制 day/m67.33 H Hk k ii x day/m03. 0 k H H k i i z 四.层状地基的等效渗透系数 2.12.1土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 28 2.1 2.1 土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律

21、第二章 土的渗透性和渗流问题 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 29 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 z x z v x v dx x v v x x dz z v v z z hh恒定恒定稳定渗流稳定渗流 h=h(x,z), v=v(x,z) 对单宽对单宽dy=1，取一微小单元，取一微小单元dx, dz 与时间无关与时间无关 2 土的渗透性和渗流问题 x z 30 Laplace方程方程 （基本方程）（基本方程） 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律 流线方程流线方程 假定假定kx=kz 2 土的渗透性和渗流问题

22、2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 流线描述流线描述 水头描述水头描述 势函数的势函数的 基本方程基本方程 流函数的流函数的 基本方程基本方程 势函数势函数 流函数流函数 共轭调和，等值线正交共轭调和，等值线正交 求解（流网）求解（流网） 边界条件边界条件 基本要求基本要求 绘制方法绘制方法 主要特点主要特点 实际应用实际应用 31 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 z x z v x v dx x v v x x dz z v v z z 0 z v x v zx 连续性条件连续性条件 dxvdzvdq zxe dx)dz z v v(dz)dx x v v(dq z z x xo o

23、e dqdq 2 土的渗透性和渗流问题 一一. . 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 1. 基本方程基本方程 水头描述水头描述 32 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 0 z v x v zx z h kv; x h kv zzxx 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律 0 z h x h 2 2 2 2 0 z h k x h k 2 2 z 2 2 x Laplace方程方程 描述渗流场内部的测管水头描述渗流场内部的测管水头 的分布，是平面稳定渗流的的分布，是平面稳定渗流的 基本方程式之一基本方程式之一 2 土的渗透性和渗流问题 假定假定 kx=kz 水头描述水头描述

24、 22 22 0 xz h：势函数：势函数 与渗透系数无关、与渗透系数无关、 等价于水头等价于水头 一. 平面渗流的基本方程及求解 1. 1. 基本方程基本方程 33 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 1. 基本方程基本方程 流线描述流线描述 一. 平面渗流的基本方程及求解 22 22 0 xz x z +d dq l 同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交 l 两条流线流函数的差值等于其间通过的流量两条流线流函数的差值等于其间通过的流量 v vx x v vz z dzdz -dx-dx (x,z) 流线与流速的

25、关流线与流速的关 系系 连续性条件连续性条件 全微分存在的条全微分存在的条 件件 34 0 z h x h 2 2 2 2 22 22 ff 0 xz 22 22 0 xz 22 22 0 xz 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 一. 平面渗流的基本方程及求解 流线描述流线描述1. 1. 基本方程基本方程 Laplace方程方程 1 1）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 2 2）势函数等值线和流函数）势函数等值线和流函数等值线等值线正交，任一点两线的斜率互成负倒数正交，任一点两线的斜率互成负倒数 3 3）势函数和流函数为共轭调和函

26、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 +d +d b a 35 一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 确定渗流场内各点的确定渗流场内各点的 测管水头测管水头h h的分布的分布 基本方程基本方程 边界条件边界条件 定解条件定解条件 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 其它各量其它各量 36 一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 边界条件边界条件 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 板桩墙板桩墙 水头边界条件：水

27、头边界条件：首尾等水头线首尾等水头线1 2 流速边界条件：流速边界条件：边界流线边界流线 3 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 1 1 2 2 37 一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 解析方法解析方法 试验比拟方法试验比拟方法 （电比拟方法）（电比拟方法） 数值方法数值方法 图解法图解法 流网流网近似求解方法近似求解方法 适用于边界条件简单的情况适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数通解：两个共轭调和函数 势函数势函数(x,z)(x,z) 流函数流函数(x,z)(x,z) 等势线等势线 流线流线 相互正交相互正交 边界条件边界条

28、件 特定解特定解 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 利用渗流场和电场均服从利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作方程这一特点，按一定比例制作 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。达到确定渗流场中渗流要素的目的。 理论基础：理论基础： 解析法的结果解析法的结果 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 38 二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 流流 网网渗流场中的两族相互正

29、交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的等势线和流线所形成的 网络状曲线簇。网络状曲线簇。 流流 线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问题。通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。 H h 0 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 39 基本要求基本要求 1. 正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交 二.流网的绘制及应用 H h 0 l s l s 2. 等间隔流线与等间隔等势线形成

30、的流网中，各个网格等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，各个网格 的长宽比的长宽比c应为常数。取应为常数。取c=1，即为曲边正方形即为曲边正方形 3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 +d +d b a dvaa dvbb dhl c ds 通解通解 数学描述数学描述几何表示几何表示 40 A B C D l s H h h 00 l s 二.流网的绘制及应用 绘制方法绘制方法 一个高精度的流网图，需经过一个高精度的流网图，需经过 多次的修改后才能完成。多次的修改后才能

31、完成。 根据渗流场根据渗流场 的边界条件的边界条件 确定边界流线确定边界流线 和首尾等势线和首尾等势线 正交性正交性 曲边正方形曲边正方形 初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整 精度较高的流网图精度较高的流网图 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 工具：工具：铅笔橡皮铅笔橡皮 41 主要特点主要特点 与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 h=const； 与与k无关；无关； 等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h相等。相等。 二.流网的绘制及应用 H h 0 l s l s 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗

32、透性和渗流问题 42 测管水头测管水头 h 实际应用实际应用 l /Hi ）（ z hh ii ikv HMkMqq;Hks l H kq ii i i 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 确定流量确定流量 二.流网的绘制及应用 水力坡降水力坡降 H h 0 l s l s 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 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 43 Laplace方程方程 （基本方程）（基本方程） 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律 假定假定kx=kz 流线方程流线方程 水头描述水头描述 势函数势函数 流线描述流线描

33、述 流函数流函数 共轭、正交共轭、正交 理论基础理论基础 边界条件边界条件 小结 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 求解求解 平面渗流的基本方程及求平面渗流的基本方程及求 解解 流网的绘制及应流网的绘制及应 用用 实际应用实际应用 基本要求基本要求 主要特点主要特点 绘制方法绘制方法 44 作业 2-1 2-3 2-4（B在A、C正中间） 2-5 2-7 45 46 土的渗透性和渗流问题 第二章 作业 2-1，2-3 2-4（B在A、C正中间） 2-5，2-7 提醒：提醒：本周末交第二章作业本周末交第二章作业 47 提示：10月23日习题讨论课 范围：第一、二章

34、内容： 小测验 习题讨论 方法讨论（三相草图法、流网法等） 难点讨论 其它讨论 48 2.1 2.1 土的渗透性与渗流规律土的渗透性与渗流规律 第二章 土的渗透性和渗流问题 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 49 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. 渗透力渗透力 1、试验观察 渗透变形渗透变形 渗透力渗透力 2 土的渗透性和渗流问题 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 2、物理本质 3、计算方法 土水整体分析土水整体分析 土水隔离分析土水隔离分析 50 一一. . 渗透力渗透力 1、试验观察 h

35、=0 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。 h0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨 架产生一个摩擦、拖曳力。架产生一个摩擦、拖曳力。 渗透力渗透力 j j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 2 土的渗透性和渗流问题 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 51 一. 渗透力 h1 h h2 00 hw L 土样土样

36、滤网滤网 贮水器贮水器 a b 土土 粒粒 渗渗 流流 j 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 渗透力与浮力有何区别？渗透力与浮力有何区别？ 2、物理本质 52 h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体静水中的土体 A=1 W = = Lsat sat L( + w) P1 = = whw P2 = = wh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题

37、一. 渗透力 3、计算方法 53 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体静水中的土体 A=1 W = = Lsat sat L( + w) P1 = = whw P2 = = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L( + w) + whw R = L wh R = L 渗流中的土体渗流中的土体 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一. 渗透力 土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法 54 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮

38、水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体静水中的土体 A=1 R = L wh R = L 渗流中的土体渗流中的土体 向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？ 水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = wh 渗透力渗透力 j = J/V = wh/L = wij = wi 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一. 渗透力 土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法 55 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b P

39、2 W P1 R A=1 R = L wh 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，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少 临界水力坡降临界水力坡降 i = h/L = /w icr = /w L wh = 0 e1 )1G( ws e1 1G i s cr 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一. 渗透力 土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法 56 P2 W P1 R h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b A=1 P1+ Ww+ J = P2水体的平衡条件水体的平衡条件 j

40、= wi whw+ wL + j L= wh1 W J Ww J = R + P2 P1 P1 = = whw P2 = = wh1 Ww= Vvw+ Vsw= Lw i L h L )Lhh( j w ww1w 土水隔离分析土水隔离分析 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一. 渗透力3 3、计算方法、计算方法 57 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，它是体积力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力 j = wi大小：大小： 方向：方向：与与 i 方向一致（均质土与方向一致（均质土与渗流方向一

41、致）渗流方向一致） 作用对象：作用对象：土骨架土骨架 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一. 渗透力 58 利用流网求渗透力利用流网求渗透力 复杂条件 总渗透力总渗透力 大大 小：小：j 网格面积网格面积 方方 向：向：与与i方向一致（均质土：流线）方向一致（均质土：流线） 作用点：作用点：形心形心 ij 流网较密处流网较密处i i较大，该处渗透力也大较大，该处渗透力也大 不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同 jAsljJ sHsljJ HH i; j ll H h 0 l s l s 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗

42、透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一. 渗透力 59 基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流土流土 管涌管涌 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 形成条件形成条件 防治措施防治措施 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 60 粘性土粘性土k1k2 砂性土砂性土k2 坝体坝体 1.1. 基本类型基本类型 二.渗透变形（渗透破坏） 流土 在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象 cr ii0JW 1 1 s cr G i e 渗流渗流 原因：原因：

43、 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 和土的密实程度有关和土的密实程度有关 61 1.1. 基本类型基本类型 管涌 原因：原因： 内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形 成大于细粒径的孔隙通道成大于细粒径的孔隙通道 外因外因渗透力足够大渗透力足够大 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，最终在土中形成与地表贯通的管道。粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。 管涌 管涌破坏 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题

44、 二.渗透变形（渗透破坏） 62 1. 基本类型基本类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土 土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发 生移动生移动 管涌管涌 只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可 发生在任何土中发生在任何土中 破坏过程短破坏过程短 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 现象现象 位置位置 土类土类 历时历时 后果后果 土体内细颗粒通过粗粒形成的土体内细颗粒通过粗粒形成的 孔隙通道移动孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流 溢出处溢出处 一般发生在特定级配的无一般发生在特定级配

45、的无 粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口 二.渗透变形 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 63 2.2.形成条件形成条件 s cr F i ii Fs: 安全系数安全系数1.52.0 二.渗透变形 i : 允许坡降允许坡降 i icr : 土体处于稳定状态土体处于稳定状态 土体发生流土破坏土体发生流土破坏 土体处于临界状态土体处于临界状态 流土流土 经验判断：经验判断： 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 无压重时：无压重时： 64 较均匀土较均匀

46、土 （CuCu1010） 二.渗透变形 2.2.形成条件形成条件 管涌管涌 几何条件几何条件 水力条件水力条件 一般发生在无粘性土中一般发生在无粘性土中 级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定 非管涌土非管涌土 粗粒形成的孔隙粗粒形成的孔隙 通道小于细粒径通道小于细粒径 不均不均 匀土匀土 （Cu10Cu10） 不连续不连续 连续连续 D D0 0=0.25d=0.25d20 20 细粒含量细粒含量35%35% 细粒含量细粒含量25%25% 细粒含量细粒含量=25-35%=25-35% D D0 0 d d5 5 D D0 0 = d = d3 3-d-d5 5 管涌土管涌土 过渡型土过渡型土

47、非管涌土非管涌土 非管涌土非管涌土 管涌土管涌土 过渡型土过渡型土 几何条件几何条件 P(%) lgd 骨架骨架充填料充填料 P 5 3 d5d3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 65 水力条件：水力条件：i icr 5 10 15 20 25 30 35 40 2.0 1.5 1.0 0.5 0 icr Cu 流土流土过渡过渡管涌管涌 二.渗透变形 2.2.形成条件形成条件 Cu 20时时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15 苏联：苏联： 中国：中国： 水力坡降级配连续土级配不连续土 破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3 允许

48、坡降i0.15-0.250.1-0.2 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 66 3. 3. 防治措施防治措施 s cr F i ii 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 二.渗透变形 防治流土防治流土 土石坝土石坝 防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖 浸润线浸润线 透水层透水层 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； 下游减小水压下游减小水压 防治管涌防治管涌 改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等 改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问

49、题 67 小结 工程实例工程实例 渗流问题渗流问题 土的渗透性土的渗透性 及渗透规律及渗透规律 二维渗流二维渗流 及流网及流网 渗透力与渗透力与 渗透变形渗透变形 渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数 平面渗流的基平面渗流的基 本方程及求解本方程及求解 流网的绘流网的绘 制及应用制及应用 渗透力：渗透力： 概念与计算概念与计算 渗透变形：渗透变形： 类型，条件，防治类型，条件，防治 2 土的渗透性和渗流问题 68 A B L 一渗流中的水头与水力坡降 h1 h2 zA