土力学 土中水的运动规律.ppt

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1、练习2：某住宅工程地质勘察中取原状土做试验。用天平称50cm3湿土质量为95.15g，烘干后质量为75.05g，土粒比重为2.67。计算此土样的天然密度、干密度、饱和密度、天然含水率、孔隙比、孔隙度以及饱和度。,存在的问题：不会做的、做错的不抄题的；抄题时使用省略号的；两份卷子名字不同字迹相同的；两份卷子同一个名字的,绪论 第一章 土的物理性质与工程分类 第二章 土中水的运动规律 第三章 土体中的应力计算 第四章 土的变形与地基的沉降 第五章 土的抗剪强度 第六章 挡土结构物上的土压力 第七章 地基的承载力 第八章 土坡稳定分析,本章提要 本章特点 学习要点,土的渗透性和渗透规律渗透产生的渗透

2、力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒多孔介质特性）注意对物理概念和意义的把握注意把握土是散粒多孔介质这一特点,第二章 土中水的运动规律,第二章 土中水的运动规律 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等流体透过的性质,渗透特性强度特性变形特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,能量差,土体中的渗流,2.1 概述,内因？外因？,透水层,不透水层,防渗体,坝体,渗流问题：1.渗流量？2.渗透力？3.渗透破坏？,渗流问题土石坝坝基坝身渗流,2

3、.1 概述,渗流问题：1.渗流量？2.渗水压力？3.渗透破坏？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,渗流问题板桩围护下的基坑渗流,2.1 概述,渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,漏斗状潜水面,Q,渗流问题水井渗流,2.1 概述,渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响 范围？,原地下水位,渗流时地下水位,渗流问题渠道、河流渗流,2.1 概述,渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？,渗流问题降雨入渗引起的滑坡,2.1 概述,渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置入渗过程,挡水结构物 集水结构物 引水结构物 基础工程地下工程边坡工程,渗透特性变形特性强度特性,渗流问

4、题土的渗透特性,2.1 概述,第二章 土中水的运动规律 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形,内容,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降二、土的渗透试验与达西定律三、渗透系数的测定及影响因素四、层状地基的等效渗透系数,位置水头、压力水头、测管水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,水流动的驱动力,总水头计算,渗流中的水头与水力坡降,渗流中的水力坡降,渗流中的水头,位置水头Z：到基准面的距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头u/w：水压力所能引起的自由

5、水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的距离，位置水头压力水头，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等,位置水头、压力水头、测管水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,位置水头、压力水头、测管水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,水流动的驱动力,总水头计算,渗流中的水头与水力坡降,渗流中的水力坡降,渗流中的水头,水往低处流,水往高处“跑”,位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处,压力：水所具有的压力势能流速：水所具有的动能,也可使水流发生流动,水流动的驱动力,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,

6、位置水头、压力水头、测管水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,水流动的驱动力,总水头计算,渗流中的水头与水力坡降,渗流中的水力坡降,渗流中的水头,压力势能：,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力；位置水头压力水头流速水头,单位重量水流的总能量：,总水头计算,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,A,B,L,渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程,渗流中的水头与水力坡降,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,位置水头、压力水头、测管水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,水流动的驱动力,总

7、水头计算,渗流中的水头与水力坡降,渗流中的水力坡降,渗流中的水头,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头v2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围。在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。,渗流的总水头：,也称测管水头，是渗流的总驱动能。,渗流中的水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,渗流总是从水头高处流向水头低处,A,B,L,渗流总是从水头高处流向水头低处,位置水头、压力水头、测管水头,2.2 土的渗透性与

8、渗透规律,一、水头与水力坡降,水流动的驱动力,总水头计算,渗流中的水头与水力坡降,渗流中的水力坡降,渗流中的水头,A点总水头：,B点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,渗流中的水力坡降,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等h=0，i=0,内容,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降二、土的渗透试验与达西定律三、渗透系数的测定及影响因素四、层状地基的等效渗透系数,1856 年达西(Darcy)在研究城

9、市供水问题时进行了渗流试验,或：,单位时间、流过单位面积的流量v与水头差成正比，与渗流长度成反比。其中，A：试样的断面积Q：单位时间的流量,二、土的渗透试验与达西定律,2.2 土的渗透性与渗透规律,达西定律：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，并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,2.2 土的渗透性与渗透规律,二、土的渗透试验与达西定律,单位时间、流过单位面积的流量v,渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速

10、度,其中，vv为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,2.2 土的渗透性与渗透规律,二、土的渗透试验与达西定律,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：,Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区,达西定律的适用范围,2.2 土的渗透性与渗透规律,v：平均流速、：运动粘滞系数、d10：有效粒径,二、土的渗透试验与达西定律,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,两种特例,对致密的粘性土，存在起始水力坡降

11、i0？,ii0,v=k(i-i0),达西定律的适用范围,2.2 土的渗透性与渗透规律,二、土的渗透试验与达西定律,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,室内试验方法 野外试验方法,三、渗透系数的测定及影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,试验条件:h，A，L=const 量测变量:体积V，t,适用土类：透水性较大的砂性土,常水头试验法,2.2 土的渗透性与渗透规律,Q：单位时间的流量；V：流量；V=Qt,三、渗透系数的测定及影响因素,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量:h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,土样,A,L,Q,水头测管,开关,a,变水头试验法

12、,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,在tt+dt时段内：,选择几组量测结果，计算相应的k，取平均值,变水头试验法,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,水头差降低了,入流量：,出流量：,连续性条件：,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,室内试验方法小结,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,绪论 第一章 土的物理性质与工程分类 第二章 土中水的运动规律 第三章 土体中的应力计算 第

13、四章 土的变形与地基的沉降 第五章 土的抗剪强度 第六章 挡土结构物上的土压力 第七章 地基的承载力 第八章 土坡稳定分析,第二章 土中水的运动规律 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等流体透过的性质,渗透特性强度特性变形特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,能量差,土体中的渗流,2.1 概述,内因？外因？,水往低处流,水往高处“跑”,位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处,压力：水所具有的压力势能流速：水具有的动能,水流动的驱动力,2.2 土的渗透性

14、与渗透规律,一、水头与水力坡降,压力势能：,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力；位置水头压力水头流速水头,单位重量水流的总能量：,总水头计算,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头v2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围。在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。,渗流的总水头：,也称测管水头，是渗流的总驱动能。,渗流中的水头,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头

15、与水力坡降,渗流总是从水头高处流向水头低处,A点总水头：,B点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,渗流中的水力坡降,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降,静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等h=0，i=0,达西定律：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，并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,2.2 土的渗透性与渗透规律,二、土的渗透试验与达西

16、定律,单位时间、流过单位面积的流量v,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,室内试验方法 野外试验方法,三、渗透系数的测定及影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,室内试验方法小结,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,内容,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降二、土的渗透试验与达西定律三、渗透系数的

17、测定及影响因素四、层状地基的等效渗透系数,是影响土中孔隙直径大小的主要因素粗颗粒形成大孔隙；细颗粒充填大孔隙细颗粒决定土体孔隙的大小土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,对粘性土，影响颗粒的表面力粘土矿物不同，渗透系数相差极大：高岭

18、石伊里石蒙脱石；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数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,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构（片架结构）分散结构（片堆结构）,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,土的性

19、质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,水的运动粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道：饱和度小k小,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,2.2 土的渗透性与渗透规律,三、渗透系数的测定及影响因素,非饱和土，饱和土？,内容,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,2.2 土的渗透性与渗透规律,一、水头与水力坡降二、土的渗透试验与达西定律三、渗透系数的测定及影响因素四、层状地基的

20、等效渗透系数,等效渗透系数,天然土层多呈层状,四、层状地基的等效渗透系数,2.2 土的渗透性与渗透规律,水平等效渗透系数垂直等效渗透系数,各层土的ki,单一土层的k,总体的透水性不变,水平等效渗透系数:,已知条件:,达西定律:,水平等效渗透系数kx,2.2 土的渗透性与渗透规律,四、层状地基的等效渗透系数,L,已知条件:,达西定律:,垂直等效渗透系数:,垂直等效渗透系数kz,2.2 土的渗透性与渗透规律,四、层状地基的等效渗透系数,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,2.2 土的渗透性与渗透规律,四、层状地基的等效渗透系数,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,

21、已知,公式,四、层状地基的等效渗透系数,2.2 土的渗透性与渗透规律,练习6 直径10.0cm，高度15.0cm的砂质土，以10.0cm的水头差进行了常水头渗透试验。测得1分钟的流量为120cm3。试计算平均流速v（cm/s），水力坡降i，土的渗透系数（cm/s）。设土的孔隙比为0.5，则实际流速vv是多少？,【解】,练习7 设用于变水头渗透试验的粘土试样的直径为7.10cm，高度为10.05cm。渗透仪细玻璃管的内径为1.00cm。试验开始时间为10时10分，水头差为142.1cm。试验结束时间为11时20分，水头差为107.4cm。试计算粘土的渗透系数k（cm/s）。,【解】,水头与水力坡

22、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,渗流的总水头=位置水头+压力水头 水头是渗流的驱动力,达西定律渗透系数、渗透速度达西定律的适用条件,常水头试验 变水头试验 渗透系数影响因素,水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数,小结,2.2 土的渗透性与渗透规律,第二章 土中水的运动规律 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形,渗透力临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。,渗透力j：（渗透作用中，）孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗

23、流方向一致,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j：体积力,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力试验观察,总渗透力J土粒对水流的阻力（水流克服阻力的损失（水头损失）（whA）,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力试验观察,J,水流作用于土体的总渗透力：,单位土体内土骨架所受到的渗透力：,二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh2,R=?,R+P2=W+P1,R+wh2=L(+w)+whw,R=L,土水整体受力分析-静水,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力受力

24、分析,滤网承受的力R=？,有效重量w,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh1,R=?,R+P2=W+P1,R+wh1=L(+w)+whw,R=L-wh,土水整体受力分析-渗流,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力受力分析,滤网承受的力R=？,有效重量w,R=L-wh,土水整体受力分析-对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网承受的力减少了,R=L,减少的部分由谁承担？,总渗透力：J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j=J/V=wh/L=wi,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力受力分析,i大，则j大,R=W-J,渗流中的土体,物理意义：单位土体内

25、土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架,2.3 渗透力与渗透变形,渗透力性质,第二章 土中水的运动规律 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形,渗透力临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）,渗流向上时，滤网承受的力减少。滤网承受的力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：,R=L-wh=0,icr=h/L=/w,2.3 渗透力与渗透变形,临界水力坡降,R=W-J=0,孔隙比e大，icr小,第二章 土中水的运动规律 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力

26、与渗透变形,渗透力临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）,土工结构物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工结构物发生破坏的常见类型,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形,基本类型,流土,管涌,形成条件,防治措施,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。,渗流,原因：,与土的密实度有关,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形流土,Fs:安全系数1.52.0,i:允许坡降,i icr:土体处于稳定状态,i=icr:土体处于临界状态,i icr:土体发生流土破坏,工程设计：,在自下而上的渗流逸出处，任何类型的土，只要满足水力坡降大于临界

27、水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形流土可能性的判别,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,渗流,过程演示,1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形管涌,土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的 几何条件（内因）和水力条件（外

28、因）,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形管涌可能性的判别,较均匀土（Cu10）,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒,不均匀土（Cu10）,不连续,连续,d0=0.25d20,细粒含量35%,细粒含量25%,细粒含量=25-35%,d0 d3,d0 d5,d0=d3-d5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,P(%),lgd,骨架,充填料,发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形管涌可能性的判别,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,渗透力能够带动细颗粒在孔

29、隙间滚动或移动可用管涌临界水力坡降表示,0 5 10 15 20 25 30 35,1.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,伊斯托敏娜（苏）,中国学者,Cu 20时,icr，考虑安全系数后：,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形管涌可能性的判别,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,2.3 渗透力

30、与渗透变形,流土与管涌的比较,渗透变形,减小i：上游延长渗径 下游减小水压增大i：下游增加透水 盖重,改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小水力坡降,防治流土,防治管涌,2.3 渗透力与渗透变形,渗透变形防治措施,工程实例渗流问题,土的渗透性及渗透规律,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,渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治,小结,第二章 土中水的运动规律,2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形,第二章完,下次课内容：,第二章的重点：,绪论 第一章 土的物理性质与工程分类 第二章 土中水的运动规律 第三章 土体中的应力计算 第四章 土的变形与地基的沉降 第五章 土的抗剪强度 第六章 挡土结构物上的土压力 第七章 地基的承载力 第八章 土坡稳定分析,