《土力学第三章》ppt课件

1、123.1 概述概述3.2 土的浸透性土的浸透性3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 浸透破坏与控制浸透破坏与控制3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厉的实际水流的普通规律有较严厉的实际水流的普通规律有阅历性规律散粒体多孔介质特性有阅历性规律散粒体多孔介质特性注重对物理概念和意义的深化了解注重对物理概念和意义的深化了解留意土是散粒体多孔介质这一特点留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浸透力及其分析方法浸透力及其分析方法4碎散性碎散性多孔介多孔介质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、气等在土体孔隙中流动的景象水、气等在土

2、体孔隙中流动的景象浸透性浸透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质浸透特性浸透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的浸透性非饱和土的浸透性饱和土的浸透性饱和土的浸透性3.1 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浸透浸透水、气等在土体孔隙中透过的景象水、气等在土体孔隙中透过的景象5渗流量浸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3.1 概述6渗水压力渗流量浸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墙板桩围护下的基坑渗流3.1 概述7渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面

3、天然水面水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q3.1 概述8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3.1 概述9渗流滑坡渗流滑坡3.1 概述10渗流量浸透破坏渗流控制3.1 概述113.1 概述概述3.2 土的浸透性土的浸透性3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 浸透破坏与控制浸透破坏与控制12ABLh1h2zAwAu wBu zBhh00基准基准面面水力坡降线水力坡降线gvuzhw22 wAA1uzh wBB2uzh 12hhh wuzh Lhi Bernoulli定理：定理：水头单位分量水体所具有的能量水头单位分量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/

4、wu/w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头：流速水头0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头： 水头：水头：水力坡降：水力坡降：水头差：水头差：测管水头测管水头3.2 土的浸透性土的浸透性3.2.1 渗流根本概念渗流根本概念13实验前提：层流实验前提：层流 h，q A，q L， qLhAq断面平均流速断面平均流速水力梯度水力梯度Aqv Lhi iv 层流：相邻两个水分子运动的层流：相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。轨迹相互平行而不混流。实验结果实验结果实验安装：如图实验安装：如图实验条件实验条件: h1: h1，A A，L=constL=const量测变量量测变量

5、: h2: h2，V V，T Th=h1-h2q = Q/t3.2 土的浸透性3.2.2 土的层流浸透定律土的层流浸透定律14达西定律达西定律vk isvvvn 浸透定律在层流形状的渗流中，浸透速度在层流形状的渗流中，浸透速度v v与水力坡降与水力坡降i 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。vi留意：留意：AAvvAnAv：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：实践平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实践平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvqvA vsAvk: 反映土的透水性能的比例系数，称为浸透

6、系数反映土的透水性能的比例系数，称为浸透系数物理意义：水力梯度物理意义：水力梯度i 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/daymm/s, cm/s, m/s, m/day3.2.2 土的层流浸透定律土的层流浸透定律3.2 土的浸透性15 适用条件：适用条件：层流线性流层流线性流 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，包括砂土或普通粘土，均题，包括砂土或普通粘土，均属层流范围属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形状能在粗粒土孔隙中，水流形状能够会随流速增大呈紊流形状，够会随流速增大呈紊流形状，渗流不再服从达西定律。渗流不再服从达西定律。

7、 可用雷诺数可用雷诺数ReRe进展判别：进展判别：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 10ev dR3.2.2 土的层流浸透定律土的层流浸透定律3.2 土的浸透性161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浸透速度砂土中浸透速度 vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0 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,(起始水力坡降起始水力坡降v = k(i - i0 )(1)mvkim3.2.2 土的层流浸透定律土的层流浸透定律3.2 土的浸透性17室内实验测定方室内

8、实验测定方法法野外实验测定方野外实验测定方法法常水头实验法常水头实验法变水头实验法变水头实验法井孔抽水实验井孔抽水实验井孔注水实验井孔注水实验3.2 土的浸透性3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数K：反映土的浸透才干的定量目的。：反映土的浸透才干的定量目的。 浸透计算必需运用的根本参数。浸透计算必需运用的根本参数。181 1、室内浸透实验测定浸透系数、室内浸透实验测定浸透系数常水头实验法常水头实验法结果整理结果整理实验安装：如图实验安装：如图实验条件实验条件: h: h，A A，L=constL=const量测变量量测变量: Q: Q，t ti=h/LQ=qt=vAtv=kihtA

9、QLk适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数hL土样土样AVQ 变水头实验法变水头实验法透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土?3.2 土的浸透性19 变水头实验法变水头实验法实验安装：如图实验安装：如图实验条件实验条件: h: h变化，变化，A A，L=constL=const量测变量量测变量: h : h ，t t土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性20结果整理结果整理: :t时辰：时辰： hdtdhdQe=

10、- adhdQo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量：流入量：流出量：流出量：延续性条件：延续性条件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 21th0haLdhdkAh 21hhlnkAaLt 2121lg3 . 2lnhhAtaLhhAtaLk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，取平均值土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关ahdhtt+dt3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性212、 现场测定浸透系数现场测定浸透系数优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较

11、为可靠的平均浸透系数靠的平均浸透系数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 Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层察看察看井井A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 2)(ln212212hhkrrq 212212)/ln(hhrrqk 缺陷：费用较高，耗时较长缺陷：费用较高，耗时较长实验方法：井孔抽水实验方法：井孔抽水积积分分3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性223.影响浸透系数的主要要素 粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比密实度密实度矿物成分矿物成分构造构造kf( 土土粒粒特特性性、流流体

12、体特特性性）饱和度含气量饱和度含气量温度温度水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性23粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响要素；来由粗颗粒构粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响要素；来由粗颗粒构成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小普通由细颗粒所控制。成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小普通由细颗粒所控制。图图3-10b3-10b。1土粒特性的影响土粒特性的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，浸透系数孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，浸透系数k k普通随孔隙比

13、普通随孔隙比e e增大而增大。图增大而增大。图3-10ac3-10ac。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的外表力；不同粘土矿物之间浸透系矿物成分：对粘性土，影响颗粒的外表力；不同粘土矿物之间浸透系数相差极大，其浸透性大小的次序为高岭石数相差极大，其浸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IpIp综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是浸透系数的参数。综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是浸透系数的参数。构造：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，构造：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，天然堆积层状粘性土层，常使得天然堆积层状粘性土层

14、，常使得 k k程度程度 k k垂直；在微观构造上，当孔垂直；在微观构造上，当孔隙比一样时，凝聚构造将比分散构造具有更大的透水性。图隙比一样时，凝聚构造将比分散构造具有更大的透水性。图3-113-11。3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性24饱和度饱和度 sr(%) sr(%)浸透系数浸透系数k(10-3cm/s)k(10-3cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 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浸透系数大浸透系数大 封锁气泡对封锁气泡对k影响很大，可影

15、响很大，可减少有效浸透面积，还可减少有效浸透面积，还可以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道2流体特性的影响流体特性的影响3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性TTkk2020 3土的构造土的构造254.4.浸透系数浸透系数k k的阅历确定方法的阅历确定方法P713.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性265.5.层状地基的等效浸透系数层状地基的等效浸透系数等效浸透系数确立各层的确立各层的kmkm思索渗流方向思索渗流方向天然土层多呈层状天然土层多呈层状3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的

16、浸透性27H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层不透水层程度渗流程度渗流条件条件: :mhiiL xmxqqmHH等效浸透系数等效浸透系数: :qx=vxH=kxiHqmx=kmimHmxmm1kk HH 3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性(3-20)28H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:mvvmhh mHH等效浸透系数等效浸透系数: :mmmvHhk zkvHh mzmvHvHkk zmmHkHk mzmH11kH k mmmmhvkH (3-21)29Kx 按层厚加权平均，由较

17、大值控制按层厚加权平均，由较大值控制Kz 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3.2.3 3.2.3 浸透实验及浸透系数浸透实验及浸透系数3.2 土的浸透性303.1 概述概述3.2 土的浸透性土的浸透性3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 浸透破坏与控制浸透破坏与控制31 3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力h=0 h=0 静水中，土骨架会遭到浮力作用。静水中，土骨架会遭到浮力作用。h0 h0 水在流动时，水流遭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，水流遭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

18、、拖曳力。浸透力浸透力 j j 浸透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。浸透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b3.4 浸透破坏与控制浸透破坏与控制 浸透力浸透力/动水力：动水力： 单位体积土颗单位体积土颗粒所遭到的渗流作粒所遭到的渗流作用力。用力。32h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土土粒粒渗渗 流流j3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸透破坏与控制浸透力与浮力有何区别？浸透力与浮力有何区别？33h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的

19、土体A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸透破坏与控制34h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w)+ whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸

20、透破坏与控制35h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = 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当？减少的部分由谁承当？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浸透力总浸透力J = wh浸透力浸透力 j = J/V = wh/L = wij = wi3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸透破坏与控制36h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的

21、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梯度：临界水力梯度：i = h/L = /wicr = /w L L wh = wh = 0 0e1)1G(ws e11Giscr 3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸透破坏与控制37P2WP1Rh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+ Ww+ J = P2水体的平衡条件水体的平衡条件j = wiwhw+ wL + jwhw+ wL + j L= wh1 L= wh1WJWwJ=R+P2P1P1 = whwP2 = wh1Ww= Vvw+ Vsw= LwiLhL)Lhh(j

22、www1w 土水隔离分析土水隔离分析3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸透破坏与控制38浸透力的性质浸透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所遭到的浸透水流的拖曳力，它是体积力物理意义：单位土体内土骨架所遭到的浸透水流的拖曳力，它是体积力j = wi大小：大小：方向：与方向：与i方向一致均质土与渗流方向一致方向一致均质土与渗流方向一致作用对象：土骨架作用对象：土骨架3.4.1 3.4.1 浸透力浸透力3.4 浸透破坏与控制量纲：量纲：kN/m 3; 根本类型根本类型 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构成条件构成条件 防治措施防治措施 3.4 浸透破坏与控制

23、3.4.2 流砂或流土景象流砂或流土景象40粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体流砂景象流砂景象/流土景象流土景象在向上的渗流力作用下，粒件间有效应力为零，在向上的渗流力作用下，粒件间有效应力为零，颗粒群发生悬浮、挪动的景象。颗粒群发生悬浮、挪动的景象。criiJW0和和土土的的密密实实程程度度有有关关eGiscr 11 渗流渗流缘由：缘由：3.4.2 流砂或流土景象流砂或流土景象3.4 浸透破坏与控制临界水力梯度临界水力梯度Icr:使土发生流砂景象时的水力梯度。使土发生流砂景象时的水力梯度。 scrFiii Fs: 平安系数平安系数1.52.0 i : 允许水力梯度允许水力梯度i i

24、cr :土体处于稳定形状土体处于稳定形状土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界形状土体处于临界形状阅历判别：阅历判别：无压重时：无压重时：3.4.2 流砂或流土景象流砂或流土景象3.4 浸透破坏与控制产生条件：产生条件： 防治措施：防治措施： scrFiii 增大增大ii：下游添加透水盖重：下游添加透水盖重 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 ：上游延伸渗径；：上游延伸渗径； 下游减小水压下游减小水压3.4.2 流砂或流土景象流砂或流土景象3.4 浸透破坏与控制43管管涌涌缘由：缘由：内因内因 有足够多的粗颗粒构

25、有足够多的粗颗粒构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浸透力足够大浸透力足够大 在渗流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒构成的孔隙中挪动，以致在渗流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒构成的孔隙中挪动，以致流失；随着孔隙不断扩展，渗流速度不断添加，较粗的颗粒也相流失；随着孔隙不断扩展，渗流速度不断添加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致在土中构成贯穿的渗流管道，呵斥继被水流逐渐带走，最终导致在土中构成贯穿的渗流管道，呵斥土体塌陷的景象。土体塌陷的景象。管涌管涌破坏3.4.3 管涌和潜蚀景象管涌和潜蚀景象3.4 浸透破坏与控制443.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀景象管涌和潜蚀景象3.4

26、 浸透破坏与控制潜蚀：自然条件下产生的管涌景象。潜蚀：自然条件下产生的管涌景象。包括：机械潜蚀和化学潜蚀。包括：机械潜蚀和化学潜蚀。流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体部分范围的颗粒同时发土体部分范围的颗粒同时发生挪动生挪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需浸透力足够大，可只需浸透力足够大，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部分滑动等导致下游坡面产生部分滑动等景象景象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒经过粗粒构成的土体内细颗粒经过粗粒构成的孔隙通道挪动孔隙通道挪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普通发生在特定级配的无普通发生在特定级配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构造发生塌陷或溃口导致构造发生塌陷或溃口3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀景象管涌和潜蚀景象3.4 浸透破坏与控制较均匀土较均匀土Cu10Cu10管涌管涌几何条件几何条件水力条件水力条件普通发生在无粘性土中普通发生在无粘性土中级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒断定断定非管涌土非管涌土粗