土力学 土的渗透性及渗流ppt课件.ppt

第二章 土的渗透性及渗流问题,一、土的渗透性permeability及土中渗流seepage,2. 土中渗流与工程的关系,（1） 渗透变形（破坏）问题,因渗流造成土体变形甚至破坏。,（2） 渗流量的问题,土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算；,基坑开挖渗水量及排水量计算；,水井供水量估算。,1. 土的渗透性,土中孔隙相互连通，使土具有使水或其他液体通过的性质称为土的渗透性。,基坑开挖中的渗流问题,降水前的地下水位,控制因降水产生的土层变形，避免对周围建（构）筑物、道路、地下管线等产生不良影响。,水头 hydraulic head：单位重量的水所具有的能量。,二、 土的渗透定律Darcy定律,总水头,势水头,静水头,动水头,测压管水头,孔隙水压,渗流速度,1. 渗流中的总水头和水力梯度,（1）基本原则,连续性原理,能量方程（Bernoulli方程）,（2）总水头和水力梯度,位置水头,压力水头,速度水头,土中渗流速度通常较小，可忽略,水力梯度（水力坡降）hydraulic gradient：单位流程的水头损失。,总水头线,测压管 piezometer tube,A,B,流程（渗流路径）,水力梯度,3. Darcy渗透定律,在层流sheet flow状态下，有,（Darcy ，1856）,平均流速,流量,土的截面积,渗透系数,水力梯度,（2）Darcy定律是计算分析土的渗流、渗透固结问题的重要基础。,Henry Philibert Gaspard Darcy (1803-1858) 1803年6月10日出生于法国第戎（Dijon）。他于18391840年设计和主持建造了第戎镇的供水系统（比巴黎早20年）。,砂,滤 板,碎 石,（1）v=q/A称为平均流速 discharge velocity，它不是渗流的真实速度。因为A不是真正的过水面积，而且土中的实际渗流路径是非常复杂的。,cm/s,cm/s,1）砂土及一般黏性土中的渗流通常为层流，故Darcy定律适用。,2）砾及以上的粗粒土在水力梯度较大时形成紊流， Darcy定律不适用。,3）黏性很强的致密黏土，水力梯度较小时不发生渗流，且v-i之间为非线性关系。,（3）Darcy定律的适用范围,（通常，工程中仍近似采用此关系。）,使用时，可简化为,适用于砂土,二、 渗透系数coefficient of permeability及测定方法,（1）常水头渗透试验constant head permeability test,由Darcy定律,由于,可得渗透系数,1. 渗透系数测定方法,温度为T 时的渗透系数,标准温度下的渗透系数,粘滞系数,（2）变水头渗透试验 falling head permeability test,适用于黏性土,2）渗流速度计算,3）水力梯度计算,1）由Darcy定律,4）求渗透系数,水头下降,t1时,t2时,t 时,变水头管的截面积,土样截面积,将、 代入，并积分,水头差,（3）现场抽水试验 pump test, permeability test,适用于粗颗粒土,1）由Darcy定律,抽水井,观测孔1,观测孔2,h,r1,r,r2,h1,h2,粗粒土层,不透水层,2）渗流速度计算,单位时间的抽水量,3）水力梯度计算,4）求渗透系数,将、 代入，并积分,dh,dr,（总水头线）,D5 Kenney (1984),D10 Hazen (1892),2. 渗透系数的影响因素,（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分,有效颗粒尺寸effective grain size,b. 曲率系数Cu对渗透性的影响不大。,a. 砂土的渗透性由其中的小颗粒控制,渗透系数,d. 细粒土的渗透性与液体的极性有关。 （Mesri and Olson， 1971）,水,四氯化碳或苯,c. 渗透系数：蒙脱石伊利石高岭石。,（3）土的结构和构造,（4）土的饱和度,（5）水的动力黏滞度 dynamic coefficient of viscosity,砂 土,黏性土,黏性土：絮凝结构分散结构,层状土：,不饱和土中气泡对渗透性的影响,（2） 孔隙比或孔隙率,3. 成层土的平均渗透系数,水平渗流时,总流量等于各土层流量之和 （各层的水力梯度相等）,竖直渗流时,总水头损失等于各土层水头损失之和（各层的流量相等）,将土层简化为均质土，便于计算,三、 渗透力及临界水力梯度,b-b,a-a,?,渗流,1. 渗透力,总渗透力,渗透力seepage force,土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。,临界水力梯度critical hydraulic gradient,有效应力effective stress,土颗粒之间的作用力。,有效应力为0时对应的水力梯度。此时水将发生渗透破坏。,2. 土的渗透破坏,流 土（流砂quick sand 、翻砂 boil sand）,在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。,发生条件,要 求,管涌 piping,在渗流作用下，土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动以至流失孔隙增大，渗流速度增加粗粒流走贯通的水流通道土体塌陷。,发生条件,（2）级配,（1）无黏性土,且满足一定的级配条件,（3）水力梯度,级配连续 i = 0.150.25,级配不连续 i = 0.100.20,四、 基坑降水设计,1. 降水方案选择,2. 降水参数计算（管井）,（1）计算基坑平面等效半径,矩 形,任意形状,（2）计算基坑影响半径,潜 水,承压水,（3）计算基坑涌水量,潜水和承压水,完整井和非完整井,地表无补给水和有补给水,潜水、完整井、无补给,潜水、非完整井、有补给,承压水、完整井、有补给,（5）计算单井出水量,1沉砂管；2钢筋焊接骨架；3滤网；4管身；5吸水管；6离心泵；7小砾石过滤层；8黏土封口；9混凝土实壁管；10混凝土过滤管；11潜水泵；12出水管,混凝土实壁管,混凝土过滤管,混凝土过滤管,砾石,潜水泵,出水管,井孔,（6）计算所需管井数量,（7）计算井管长度,降水井布置图,水流的状态不随时间而变。,五、二维稳定渗流 steady seepage,（1）连续方程的建立,对稳定流，流入量流出量,流入微单元的水量（厚度为1）,流出微单元的水量,1. 二维稳定渗流的连续方程,对稳定流，流入量流出量,数学上称为Laplace 方程（调和方程 harmonic equation）,Pierre Simon de Laplace17491827,连续 方程,水力梯度,水 头,对各项同性土,（3）势方程和流方程,势方程,渗流与等势线垂直,Cauchy-Riemann方程,流方程,（2）连续方程的解法,数学解析法,数值解法,试验法（比拟法）,图解法,与之间满足,（4）连续方程的解及流网 flow net,流线,等势线,边 界,边 界,边 界,边 界,（1）满足渗流场的边界条件。,（2）等势线与流线正交。,（3）流网中四边形网格沿等势线和流线两个方向边长之比值相等（1）,各流槽流量相等，且有,3. 流网的应用,（1）水头计算,流过每一格的水头损失,总的水头损失,流过的网格数,总水头,势水头,压力水头,（2）水力梯度计算,（3）渗流量计算,