《渗流理论》PPT课件.ppt

《《渗流理论》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《渗流理论》PPT课件.ppt（70页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第二章,渗流、流土和湿化,2.1 地下水引发的工程问题2.2 达西定律2.3 流网理论简介2.4 流土、管涌及其防治2.5非饱和土的湿化及其危害,影响,1.4 无粘性土的密实特性,无粘性土的松密程度,力学特性,密实度大,结构稳定、强度大、压缩变形小,密实度小,结构疏松、不稳定、压缩变形大,衡量无粘性土的密实度方法,孔隙比e或孔隙率n,相对密度Dr,现场标准贯入试验测定,土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒的含量,定义:,水是土的一个组成成分，在地下工程中举足轻重。有时我们需要地下水，但更多的是治水。由于水的原因造成重大工程事故并不少见。对地下水的研究是土力学的一个重要内容。,土中通常含有水，土

2、中含水量的变化及土体中水的流动对土特性的影响非常大。有时这种影响可能会带来灾难。水对土特性影响的直观理解为：土的含水量小时，土比较硬；土中适当含水可使散粒土颗粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度，但当土的含水量过大时则会变软。当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流土、地下工程受淹等灾害。,第1节 地下水引发的工程问题,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,渗水压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,第1节 地下水引发的

3、工程问题,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,渗流滑坡,渗流滑坡,渗流作用造成大坝塌方,第2节 地下水引发的工程问题,雨后出现的山体滑坡事故,渗流量渗水压力渗透变形渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,土坡稳定分析,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工边坡渗流,小结,渗流：水在土体孔隙中流动的现象。渗透性：土具有被水等液体透过的性质。渗透力：流经土体的水流对土颗粒和土体施加的作用力。,本章内容 第1节 地下水引发的工程问题 第2节 达西定律 第3节 流网理论简介 第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害,水在土的孔隙中流动，

4、其形式可以分为：层流：水的流速很慢，认为相邻两个水分子运动轨迹相互平行而不混掺。紊流：紊流与层流的意义相反。,第2节 达西定律,层流,紊流,层流,紊流,2.1 渗流定律一、贝努力定律 贝努力定律是指水的流动符合能量守恒原理，如果忽略不计由摩擦等引起的能量损失，则贝努力定律可以用下式表示:,总水头 单位质量水体所具有的能量,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,z：位置水头,u/w：压力水头,V2/(2g)：流速水头0,A点总水头：,B点总水头：,总水头：,水力坡降：,三者的和称为总水头，因为土中的水的流速小，速度水头项忽略不计时:,所以土中水流动的时候，是从位置水头与压力水头

5、的和，即总水头（称之为势）h高的地方向低的地方流。常说的“水从高处向低处流”，在这里不只是位置水头z，还应该加上压力水头，应该理解成为水从总水头（势）h的高处向低处流。,二.渗透试验与达西定律,试验前提：层流,h，Q A，Q L，Q,断面平均流速,水力坡降,1.渗透试验,试验结果,试验装置：如图,试验条件:h1，A，L=const,量测变量:h2，V，T,h=h1-h2,Q=V/T,2.达西定律,渗透定律,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,注意：,A,Av,V：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

6、,A Av,QVA VsAv,k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day,第2节 达西定律,粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度 vcr=,适用条件,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土,两种特例,粘性土：致密的粘土 ii0,v=k(i-i0),第2节 达西定律,三.渗透系数的测定 测定土的渗透系数的方法有:,室内试验测定方法野外试验测定方法,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,第2节 达西定律,1.常水头渗透试验

7、 该试验适用于渗透性大的粗颗粒土。试验装置如图所示，圆柱体试料断面积为A，长度为l，保持水头差h不变，测定经过一定时间t的透水量是V，渗透系数k可根据式导出如下：,第2节 达西定律,例题2.1在图2.2所示的常水头渗透试验（h=45cm，l=25cm）中，若土试样的断面积是120cm2，渗透系数是2.510-2cm/sec，求10sec内土的透水量。解:已知 A=120cm2，k=2.510-2cm/sec，t=10sec，h=45cm，l=25cm 根据常水头渗透试验透水量公式，得10sec内土的透水量为:,cm3,第3节 达西定律,2.变水头渗透试验 该试验适用于:渗透系数较小的细砂及粉砂

8、。如图所示，圆柱体试样断面积为A，长度为l，在试验中测压管的水位在不断下降，测定从时间t1到t2时测压管的水位h1和h2后，渗透系数可以按照以下的方法求出:设在任意时刻测压管的水位为h(变数)，水力坡降i=h/l。在dt时间内，断面积为A的测压管水位下降了dh,则,第2节 达西定律,dh,dr,野外测定方法抽水试验和注水试验法,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,3.现场抽水试验,地下水位测压管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,h1,h,h2,不透水层,观察井,A=2rh,i=dh/dr,缺点：费用较高，耗时较长,第2节 达西定律,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1

9、x,q3x,q2x,L,1,1,2,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qix=kiiiHi,4.层状地基的等效渗透系数,第2节 达西定律,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,vi=ki(hi/Hi),第2节 达西定律,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数,天然土层多呈层状,第2节 达西定律,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,第2节 达西定律,5.渗透系数的影响因素分析,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构性,水的动力粘滞系数饱和度（含气

10、量）对k影响很大，封闭气泡,第2节 达西定律,例题2.3 某水平堆积而成的成层土的层厚自上而下分别为H1，H2，Hn，水平渗透系数分别是Kx1，Kx2，Kxn，垂直渗透系数分别是Kz1，Kz2，Kzn，如果上下面的总水头差是h。（1）试求水平透水时总水平渗透系数Kx。提示：,（2）试求垂直透水时总垂直渗透系数Kz。提示：,)；,第2节 达西定律,第2节 达西定律,解:(1)水平透水时各层土的水力坡降（或水头差）相等，单位面积上的总水平透水量等于各层透水量之和，即:,，,第3节 达西定律,易知垂直透水时，各层土单位面积上的垂直透水量相等，有:,又因为总垂直透水量为:,故总垂直渗透系数为:,第3节

11、 达西定律,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,倒数层厚加权平均，由较小值控制,第2节 达西定律,本节小结,一渗流中的水头与水力坡降,二渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,能量方程,渗流速度的规律,渗透特性,四层状地基的等效渗透系数,地基的渗透系数,第2节 达西定律,本章内容 第1节 地下水引发的工程问题 第2节 达西定律 第3节 流网理论简介 第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害,第3节 流网理论简介 一、流网性质 由流线和等势线组成的网格叫流网。流线和等势线正交，所以把网格在局部绘制成正方形是很方便的。这里，所谓的正方形，是指图所示的与圆外切的方块形。

12、,为了了解这种正方形流网的性质，如图所示，从流网中取出三个正方形网目A,B,C。设A和B的内接圆直径分别是d1，d2，通过包含A，B在内的流线间的（称为流管）流量不变，根据达西定律q=kiA，有：,式中:(d11）和（d21）表示与流线正交的断面积的单位厚度。由上式得h=h，性质:表示各正方形网格的水头损失相等,即各等高线上水位相等。,第3节 流网理论简介,设C的内接圆直径为d3，比较通过相同的等势线中的两部分A和B的透水量,性质:各流管内的流量是相等的q=q,第3节 流网理论简介,基本要求：,1.正交性：流线与等势线必须正交,二.流网的绘制及应用,2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即

13、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。,第3节 流网理论简介,A,B,C,D,l,s,H,h,0,0,l,s,绘制方法,一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。,根据渗流场的边界条件,确定边界流线和首尾等势线,正交性,曲边正方形,初步绘制流网,流线等势线反复修改，调整,精度较高的流网图,第3节 流网理论简介,流网特点：,1.与上下游水位变化无关 h=const；2.与k无关；3.等势线上各点测管水头h相等。,第4节 流网理论简介,1.测管水头 h,实际应用：,3.确定孔压,4.确定流速,5.确定流量,2.水力坡降,第3节 流网理论简介,例题2.4 在图2.9中

14、，H1=11m，H2=2m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是510-4cm/sec，土的比重Gs=2.69，孔隙率n=39%。（1）求图中点A和点B的孔隙水压力。（2）求每1m板桩宽的透水量。,第4节 流网理论简介,解：(1)在图2.9中，流网网格Nd=10，Nf=5，总水头H1H2=112=9m，则每个网格的水头损失 h=9/10=0.9m。A、B两点的孔隙水压力分别为：uA=(5+110.9)9.8=148.0kN/m2 uB=(5+110.99)=77.4kN/m2(2)已知渗透系为510-4cm/sec=0.432m/day，根据公式流网可求得透水量,第4节 流网理论简介,本章

15、内容 第1节 地下水的基本知识 第2节 地下水引发的工程问题 第3节 层流渗透定律 第4节 流网理论简介 第5节 流土、管涌及其防治 第6节 非饱和土的湿化及其危害,1.h=0 静水中，土骨架会受到 浮力作用。2.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架产生一个摩擦、拖曳力。3.渗透力 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。,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,第5节 流土、管涌及其防治 一、渗透力 渗透力:渗流水作用于单位 体积土体上的力（体力).,如图所示，渗透力来源于沿着流线的孔隙水压力的差u。设a为流管的横截面积，则

16、渗透力（单位体积力）推导如下：1.点A、B两端的静水压力分别为：和 2.流管中水柱自重为：3.设单位体积土对渗流水的阻力为T,则土骨架对渗流水的总阻力为：TLa 4.沿水柱方向，列全部作用于水柱上力的平衡方程为：,第5节 流土、管涌及其防治,在图中，存在以下几何关系：,h1=H1-z1；h2=H2-z2,所以渗透力 j 为,当水力坡降i大于或等于某个特定值，正好使渗透力j大于或等于土的有效重量时，土体处于流土状态。称这个特定值icr为临界水力坡降。,第5节 流土、管涌及其防治,式中，Gs和e分别为土颗粒的比重和孔隙比，如取Gs=2.7，当e=0.51.0 时，土的临界水力坡降icr=0.851

17、.13。在工程估算时常近似按icr=1来考虑。,第5节 流土、管涌及其防治,基本类型,二.渗透变形（渗透破坏）在渗透力较大时，土体内会发生流土、管涌等渗透破坏现象。介绍如下：,流土,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,防治措施,第5节 流土、管涌及其防治,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,渗流,原因：,第5节 流土、管涌及其防治,管涌,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因渗透力足够大,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,

18、第5节 流土、管涌及其防治,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,第5节 流土、管涌及其防治,图为发生在上海黄浦江隧道施工中流土带来的灾害。施工中发生渗水后，随后出现大量流砂涌入施工中的隧道，导致中山南路部分地面下沉，建筑倾斜。,第5节 流土、管涌及其防治,图为发生在湖南望城湘江大堤最大的管

19、涌。由于暴雨使湘江水猛长，使土体中的水力坡降增加，加之土结构的几何原因，发生了图中的管涌。沙袋用来提高逸出口水位，以降低水力坡降。此外还抛了一些大的砾石形成反滤层。,第5节 流土、管涌及其防治,流土发生的条件是：在自下而上的渗流逸出处，任何土,包括粘性土或无粘性土,只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件iicr,均要发生流土。管涌发生的条件是：土质条件（必要条件）：不均匀系数 Cu10 的无粘性土；水力条件（目前研究的还很不成熟）：与土的结构状态等关系密切，其水力坡降远小于1。,第5节 流土、管涌及其防治,三、防治流土、管涌的基本措施 防治流土的关键在于控制渗流逸出处的水力坡降,基本措施

20、是确保实际的逸出坡降不超过允许坡降。防止管涌一般可从下两方面采取措施:1.改变水力条件,降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降。如上游做防渗铺盖或打板桩等；2.改变几何条件,在渗流逸出部位铺设层间关系满足要求的反滤层,是防止管涌破坏的有效措施。,第5节 流土、管涌及其防治,增大i：下游增加透水盖重,防治流土,减小i：上游延长渗径；下游减小水压,防治管涌,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,第5节 流土、管涌及其防治,第5节 流土、管涌及其防治,例题 在图所示的三种试验中,砂的=9.8kN/m3。,试问：(1)试分别求图13（a）和图13（b）中作用于底面AB的应力是多少？(2)在

21、图13（c）中，当h增加到多少时会产生流沙现象？,第5节 流土、管涌及其防治,第5节 流土、管涌及其防治,本章内容 第1节 地下水的基本知识 第2节 地下水引发的工程问题 第3节 层流渗透定律 第4节 流网理论简介 第5节 流土、管涌及其防治 第6节 非饱和土的湿化及其危害,第6节 非饱和土的湿化及其危害 一、非饱和土中的吸力 前面讨论了地下水位以下的水的流动，下面研究一下从地表面到地下水面这部分土中的水。这部分土的孔隙中，通常同时存在着水和空气，呈非饱和状态。而且可以认为，这部分水来源于地表面雨水等的渗透和由于毛细管的作用地下水对它的补充。,土中的孔隙是很复杂的，可以说组成了无数的毛细管。把

22、毛细管用图所示的下部浸水的半径为r的圆管代替，在这个简化的毛细管圆管中，水可以上升到某一高度，把他叫做毛细管作用。毛细管作用是因为水的表面张力作用而产生的现象。,第6节 非饱和土的湿化及其危害,水的表面张力，是因为水分子引力作用产生的沿着水表面的一种张力，可以形象的理解为在水的表面粘有一层薄薄的橡胶膜一样的东西，薄水膜粘在圆管的内壁上，由于表面张力的作用，把圆管内的水向上拉，使水位上升。单位长度的表面张力T的垂直方向的分力与被吸引上来的水的重量平衡，列平衡方程得:,第6节 非饱和土的湿化及其危害,在25C时，水的表面张力T=0.075N/m，水的重度w=9.80KN/cm3如果0，得水面上升高

23、度hc为,式中的hc和r都是以cm 为单位。由上式可知，圆管半径r越小，水面上升高度hc越大，两者呈反比例。实际上土中的孔隙并不是圆管，用与圆管半径r等价的孔隙比e和有效粒径D10(cm)的积来表示，得,式中的C是由土颗粒的粒径和表面粗糙程度等因素决定的系数，C在0.10.5(cm2)的范围内变化。,第6节 非饱和土的湿化及其危害,二、非饱和土的湿化及其危害 土中的含水量的数值对吸力，近而对土的特性有很大的影响。在工程建设中利用在土体中产生的吸力，来方便施工的例子很多。例如在沙漠中进行人工挖土灌注桩施工时，为了不塌孔，可以预先在沙漠上浇水，并让水渗入沙漠中，当沙漠处于非饱和的状态时，即可挖土。按这种方法在塔克拉玛干挖的灌注桩的直径可达1m,深达到8m。相反，因非饱和土浸水而使吸力减少，使土体产生较大的变形，土体软化，称为非饱和土湿化。非饱和土湿化造成的工程事故屡见不鲜。例如每年雨季发生在道路两旁的滑坡等灾害，就是土体浸水湿化等造成的灾害。,第6节 非饱和土的湿化及其危害,小结,工程实例,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,渗流中的水头与水力坡降,渗透试验与达西定律,渗透系数的测定及影响因素,层状地基的等效渗透系数,平面渗流的基本方程及求解,流网的绘制及应用,渗透力：概念与计算,渗透变形：类型，条件，防治,第6节 非饱和土的湿化及其危害,