土的渗透性及渗流课件.ppt
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1、第三章土的渗透性及渗流,第三章土的渗透性及渗流,3.1 概 述,3.2 土的渗透性,3.3 土中二维渗流及流网,3.4 渗透破坏与控制,3.1 概 述3.2 土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网3,土是一种三相组成的多孔介质。其孔隙在空间互相联通。当土中不同位置存在水头差时,土中水就会在头差作用下,通过土中孔隙从水头高的位置流向水头低的位置。水透过土体孔隙的现象成为渗透(percolation) 土具有被水透过的性能称为土的渗透性(permeability)。水在土体孔隙中的流动问题称为渗流(seepage)。土的渗透性对土的强度、变形和稳定都有非常重要的影响。所以,必须对土的渗透性质、水在土
2、中的渗透规律及其与工程的关系进行很好的研究,从而给土工建筑物和地基设计、施工提供必要的资料。,3.1 概 述,土是一种三相组成的多孔介质。其孔隙在空间互相联通。3.1,坝身坝基中的渗流,板桩维护下的基坑渗流,沟渠渗流,水井渗流,图3.1 渗流示意图,坝身坝基中的渗流板桩维护下的基坑渗流沟渠渗流水井渗流图3.1,渗流量问题:基坑开挖或施工围堰的渗水及排水量计算、土坝渗水量计算、水井供水量或排水量计算等。渗透破坏问题:土中渗流会对土颗粒施加渗透力,当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动,产生渗透变形,甚至渗透破坏。如滑坡、溃坝、地下水开采引起地面下沉。渗流控制问题:当渗流量或渗透变形不满足设计要
3、求时,要研究如何采取工程措施进行渗流控制。,土的渗透性研究主要包括以下三个方面:,渗流量问题:基坑开挖或施工围堰的渗水及排水量计算、土坝渗水,管涌的治理,反滤倒渗,反滤围井,蓄水反压,管涌的治理反滤倒渗反滤围井蓄水反压,大家有疑问的,可以询问和交流,可以互相讨论下,但要小声点,大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点,3.2.1 渗流基本概念,水在土中渗流是由水头差引起的。,总水头,水头差,总水头,压力水头,位置水头,: 水压,水力梯度,3.2 土的渗透性,3.2.1 渗流基本概念水在土中渗流是由水头差引起的。总水头,3.2.2 土的层流渗透定律 达西定律,v = k i,式中:
4、,i 水力梯度。,k 渗透系数,cm/s,表示水通过的难易程度,可由试验确定。,v 水在土中的渗透速度,cm/s,是在单位时间内通过单位土截面(cm2)的水量(cm3)。,达西定律中的渗透速度是一种假想的平均流速 ,它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的 。,3.2.2 土的层流渗透定律 达西定律,土的渗透性及渗流-,确定渗透系数k 的方法,室内渗透试验,变水头渗透试验,常水头渗透试验,现场试验,经验值:,各种土的渗透系数参考值,3.2.3 渗透试验及渗透系数,注水试验,抽水试验,确定渗透系数k 的方法室内渗透试验变水头渗透试验常水头渗透试,1. 室内渗透试验测定渗透系数,所以,式中:,q
5、单位时间的透水量, cm3/s,Q透水量, cm3,t 透水时间,s,v 渗流速度, cm/s,A透水断面积, cm2,h 水位差,cm,L 渗流路线长, cm,k渗透系数, cm/s,i 水力梯度,常水头渗透试验,适于渗透性较强的土,1. 室内渗透试验测定渗透系数所以式中:q单位时间的透水量,试验装置,试验装置,所以,土试料的透水量=测压管中水下降的体积,变水头渗透试验,适于渗透性较差的黏性土,所以土试料的透水量=测压管中水下降的体积变水头渗透试验适于渗,试验仪器,试验仪器,地下水位测压管水面,试验井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水层,观察井,所以,现场抽水试验
6、,2. 现场测定渗透系数,地下水位测压管水面试验井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh,3. 影响渗透系数的主要因素,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构,水温,土的构造,土粒粗、大小不均匀、形状越圆滑,K就大;含细粒时,随细粒含量增加K急剧下降。,土越密实,K越小。,一般情况下,饱和度越低,土中孔隙含气泡越多,K就小。,细粒土扰动土样与击实土样的K小于原状土样的。,影响很大。,K与水的重度及粘滞度有关,水温影响重度和黏滞度,20oC为测K的标准水温。,3. 影响渗透系数的主要因素土的粒度成分土的密实度土的饱和度,各种土的渗透系数参考值,各种土的渗透系数及测定方法,各种土的渗透系数参考
7、值各种土的渗透系数及测定方法,因为各层的水力梯度相等,又整个土层总的单位渗水量qn为各土层单位渗水量之和,由达西定律,所以,5. 成层土的等效渗透系数,水平成层土,特别透水土层和特别不透水土层对整个土层渗透性的影响如何?,因为各层的水力梯度相等又整个土层总的单位渗水量qn为各土层单,所以,垂直成层土,因为整个土层的总水头等于各土层水头之和,又整个土层总的单位渗水量qy与各土层单位渗水量相等,由达西定律,特别透水土层和特别不透水土层对整个土层渗透性的影响如何?,所以垂直成层土因为整个土层的总水头等于各土层水头之和又整个土,水平成层土的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性垂直成层土的平均渗
8、透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性,水平成层土的平均渗透系数将取决于,土的渗透性及渗流-,土的渗透性及渗流-,土的渗透性及渗流-,土的渗透性及渗流-,微元体中水的流动,x,y,z,0,1、连续方程,稳定渗流:渗流场中水头及流速等要素不随时间改变的渗流。,3.3.1 二维渗流方程,3.3 土中二维渗流及流网,流入单元体的流量:,流出单元体的流量:,微元体中水的流动xyz01、连续方程稳定渗流:渗流场中水头及,2、拉普拉斯方程,设土中水的流动各项同性(kx=ky=kz= k)且k为常数,得,(拉普拉斯方程),根据达西定律,对于各向异性土:,2、拉普拉斯方程设土中水的流动各项同性(kx=ky=
9、kz=,各向异性土:,各项同性土:,对于XZ平面内的二维渗流,有,(拉普拉斯方程),各向异性土:各项同性土:对于XZ平面内的二维渗流,有(拉普,设复变函数,根据正则条件得,即,满足二维拉普拉斯方程,3、等势线和流线,设复变函数根据正则条件得即满足二维拉普拉斯方程3、等势线和流,所以,同理,两式相乘得,即流线与等势线正交。,所以同理两式相乘得即流线与等势线正交。,与等势线类似的山的等高线,等势线与流线正交,与等势线类似的山的等高线等势线与流线正交,渗流场中任一点的水头是其坐标的函数,因此求解渗流问题的第一步就是先确定渗流场中各点的水头,亦即求解渗流基本微分方程满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的
10、曲线,一组称为等势线(各点总水头相等),另一组称为流线(表示渗流的方向),等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网只有满足边界条件的那一种流线和等势线的组合形式才是拉普拉斯方程的正确解答,3.3.2 流网特征与绘制,渗流场中任一点的水头是其坐标的函数,因此求解渗流问题的第一步,求解方法:,解析法,数值法,电模拟法,图解法,边界条件比较复杂的渗流,有限差分法(FDM)有限单元法(FEM),简便、快捷、实用,比较精确,但只有在边界条件简单的情况下才能求解,求解方法:解析法数值法电模拟法图解法边界条件比较复杂的渗流有,1. 流网特征,对于各向同性渗流,流网具有下列特征:,流线与等势线彼此正交;,每个网
11、格的长宽比为常数,当长宽比为1时(常用),这时的网格就为曲正方形,流网为曲正方形流网。,曲正方形流网,曲矩形流网,1. 流网特征对于各向同性渗流,流网具有下列特征:流线与等势,曲正方形流网的特性,通过正方形网格A、B的渗流量相等,为:,得性质1,即表示各方格网水头损失相等。,流线、等势线正交,曲正方形流网的特性通过正方形网格A、B的渗流量相等,为:得性,可知,曲正方形流网特性有:,相邻等势线间的水头损失相等;各流槽的渗流量相等;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。,比较通过正方形网格A、C的渗流量,得,得性质2,即表示通过各流槽的流量相等,流线、等势线正交,可知,曲正方形
12、流网特性有:相邻等势线间的水头损失相等;比较通,2. 流网的绘制,(1) 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图;(2) 根据边界条件确定边界上的流线和等势线: 地下水的不透水边界为流线 水面下的透水边界为等势线 水平的地下水位为等势线 建筑物在水下的边界线为流线(3)根据流网特征加绘流线和等势线,尽量采用曲正方形网格 。,上述过程不可能一次就合适,经反复修改调整,直到满足上述条件为止。 根据流网,就可以直观地获得渗流特性的总体轮廓,并可定量求得渗流场中各点的水头,水力坡降、渗流速度和渗流量。,2. 流网的绘制(1) 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图;,确定边界条件:,mb面是一条等势线,压力水
13、头是H1,jn面是一条等势线,压力水头是H2,ff面是对称面,压力水头是(H1-H2)/2,也是一条等势线.,沿板桩的bfj面是一条流线,不透水的mn面也是一条流线,按正交的原则绘流网,绘“正方形”网格,确定边界条件:mb面是一条等势线,压力水头是H1jn面是一条,典型流网,基坑开挖,坝基,坝基,典型流网基坑开挖坝基坝基,设:流入的总水头为H1,流出的总水头为H2,流网数(流管数)为Nf,图中Nf=5,等势线间隔数为Nd,图中Nd=8,由性质1得,由性质2得,所以,(单位厚度流量),3. 渗流量计算,设:流入的总水头为H1 流出的总水头为H2流网,图中:H1=10m,H2=2m,板桩入土深4.
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