第二章、土的渗透性和渗流问题2.1+2.2+2.3.doc

第二章、土的渗透性和渗流问题本章提要：土的渗透性和渗透规律平面渗流及流网渗透力与渗透变形本章特点：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）学习要点：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2.1 概述2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 平面渗流与流网2.4 渗透力与渗透变形2.1 概述土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。 F 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性2.2 土的渗流性与渗透规律F 水头与水力坡降 渗流的驱动能量F 土的渗透试验与达西定律 反映渗流特点的定律F 渗透系数的测定及影响因素 土的渗透性F 层状地基的等效渗透系数 地基的渗透系数n 位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能n 压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能n 测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能n 在静止液体中各点的测管水头相等 位置、压力和测管水头 n 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n 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/dayn 渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速达西定律n 适用条件：层流（线性流动）n 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n 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 渗透系数的测定方法 作业：2-1、2-3、2-4、2-5、2-72.3 平面渗流与流网 数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题 流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法 n 流速势或势函数： n 则有： 满足达西定律的渗流问题是一个势流问题n 势函数的特性： 等势面是等水头面 两条等势面的势值差同其水头差成正比势 函 数定义：流线是流场中的曲线，在这条曲线上所有各质点的流速矢量都和该曲线相切 流线的方程：为某一函数全微分的充要条件为连续性方程 存在函数y，称为流函数，且有：n 性质一：流线互不相交，在同一条流线上，流函数的值为一常数 n 性质二：两条流线流函数的差值等于其间通过的流量 a和b为两流线间的过水断面，a(x,z), b(x-dx,z+dz)流函数的性质1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程 2）势函数和流函数正交，一点两线的斜率互成负倒数3）势函数和流函数是互为共轭的调和函数，两者均完备 地描述了同一个渗流场4）当对调边界条件时，势函数和流函数两组曲线可互换势函数与流函数n 在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网n 流线和等势线正交n 流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数（水头）差不变n 流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1 流网及其特性2.3 渗透力与渗透变形n h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。n 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。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 渗透力-试验观察F 物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力F 大小： j = gwiF 方向：与水力坡降方向一致F 作用对象：土骨架n 土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）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和水力条件管涌可能性的判别