土力学地基基础--24土的渗透及渗流.pptx

第二章土的性质及工程分类v土的三相组成土的三相组成v土的物理性质指标土的物理性质指标v土的物理状态指标土的物理状态指标v地基土的工程分类地基土的工程分类v土的渗透性及渗流问题土的渗透性及渗流问题v土的压实特性土的压实特性第五节、土的渗透性及渗流问题第五节、土的渗透性及渗流问题二、土的渗透性与渗透规律二、土的渗透性与渗透规律 三、渗透力及渗透变形三、渗透力及渗透变形一、概述一、概述四、平面渗流与流网四、平面渗流与流网土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。存其孔隙在空间互相连通。存在于地基中的地下水在一定在于地基中的地下水在一定压力差作用下，将透过土中压力差作用下，将透过土中的孔隙发生流动。的孔隙发生流动。F 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性一、概述一、概述工程实例工程实例板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙工程实例工程实例坝基下的渗流坝基下的渗流工程实例工程实例渠道、河流渗流渠道、河流渗流原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位二、土的渗透性与渗透规律二、土的渗透性与渗透规律 J渗流总水头渗流总水头J水力坡降水力坡降J达西定律达西定律J渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 水为什么会流动？水为什么会流动？水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能n 总水头：总水头：单位重量单位重量水体所具有的总水体所具有的总能量能量 位置水头位置水头Z Z：单位重量水体所具有的位置势能（任选基准面）：单位重量水体所具有的位置势能（任选基准面）压力水头压力水头u/w：单位重量单位重量水体所具有的压力势能（水体所具有的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力）流速水头流速水头V2/(2g)：单位重量单位重量水体所具有的动能水体所具有的动能n 渗流的总水头：渗流的总水头：渗流总水头渗流总水头是渗流的总驱动能，渗流是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头总是从水头高处流向水头低处低处由于一般情况下由于一般情况下渗流的速度很小，故忽略流速水头渗流的速度很小，故忽略流速水头V2/(2g)，A A点总水头：点总水头：水力坡降水力坡降ABLhAhBzAzBh h基准面基准面 B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力坡降（水力梯度）水力坡降（水力梯度）i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失例题：例题：在恒定的总水头下，在恒定的总水头下，(1)(1)求水力坡降求水力坡降(2)(2)分别求分别求1-11-1至至2-22-2，2-22-2至至3-33-3截面的水头损失截面的水头损失(3)(3)分别求土样中分别求土样中1-11-1、2-22-2、3-33-3这这3 3个截面的总水头个截面的总水头1 11 12 22 23 33 35cm5cm15cm15cm10cm10cm5cm5cm(4)(4)求求2-22-2截面的孔隙水压力值截面的孔隙水压力值1855年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验或：或：其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积达西定律达西定律渗流速度：渗流速度：达西渗透试验达西渗透试验LAh1h2QQ透水石V流速与水力梯度的关系砂土流速与水力梯度的关系砂土砂土的水力梯度砂土的水力梯度与渗透速度呈线与渗透速度呈线性关系，符合达性关系，符合达西渗透定律。西渗透定律。对于致密的粘土，由于对于致密的粘土，由于弱结合水具有较大的粘弱结合水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值水力梯度达到某一数值后，克服了粘滞阻力以后，克服了粘滞阻力以后，才能发生渗透。我后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度土的起始水力梯度流速与水力梯度的关系粘性土流速与水力梯度的关系粘性土达西定律的适用范围达西定律的适用范围n 适用条件：层流（线性流动）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岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土中的渗流速度很小，均属层流范围符合达西定律中的渗流速度很小，均属层流范围符合达西定律对于卵石、砾石，其孔隙很大：对于卵石、砾石，其孔隙很大：当水力梯度较小时，当水力梯度较小时，渗流速度不大，渗流可认为是层流，渗流速度不大，渗流可认为是层流，符合达西定律符合达西定律当水力梯度较大时，当水力梯度较大时，渗流速度增大，渗流渗流速度增大，渗流呈紊流状态呈紊流状态渗流不再服从达西定律。渗流不再服从达西定律。注意注意按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速平均流速，它假定水在土中的渗透是通过土，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的体截面来进行的。实际上实际上，水在土体中的实际流速要比用达西，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大。他们之间的关系为定律求出的流速要大。他们之间的关系为 其中，其中，V Vs s为实际平均流速为实际平均流速渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法室内试验方法室内试验方法-常水头试验法常水头试验法n 试验条件试验条件:h，A，L=constn 量测变量量测变量:流量流量Q，tn 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土LAh1h2QQ透水石V室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法n 试验条件试验条件:h变化变化 A，a，L=constn 量测变量量测变量:h，tn 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土土样土样At=t1 h1t=t2 h2LQ水头水头测管测管开关开关a土样土样At=t1t=t2 h1 h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内：入流量入流量：dVe=-adh 出流量：出流量：dVo=kiAdt=k(h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo-adh=k(h/L)Adt hdhtt+dt2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法选择几组量测结果选择几组量测结果，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值室内试验方法室内试验方法小结小结2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定公式公式取值取值 h=const h变化变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变使得其总体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层等效渗透系数等效渗透系数:kxn 已知条件已知条件:qx=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律达西定律:n 等效条件等效条件:层状地基的水平等效渗透系数层状地基的水平等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xzQ承压水承压水kzqi=ki(hi/Hi)An 已知条件已知条件:n 达西定律达西定律:n 等效条件等效条件:q=kz(h/H)A等效渗透系数等效渗透系数:例题：已知如图所示参数，例题：已知如图所示参数，求求 与与 .由较大值控制由较大值控制由较小值控制由较小值控制层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律H1H2H3Hk1k2k3xzJ渗流力渗流力J渗透变形渗透变形三、渗透力及渗透变形三、渗透力及渗透变形渗透力渗透力-试验观察试验观察nh=0 h=0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。nh0 h0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：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的作用力，方向与渗流方向一致渗透力的性质渗透力的性质F物理意义：物理意义：单位体积内土骨架所受到的单位体积内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力F大小：大小：j=j=w wi iF方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致F作用对象：作用对象：土骨架土骨架1 1点，渗流力与重点，渗流力与重力方向一致，渗力方向一致，渗流力促使土体压流力促使土体压密，对稳定有利密，对稳定有利2 2点，点，3 3点，渗流点，渗流力与重力方向正力与重力方向正交，对稳定不利交，对稳定不利4 4点，渗流力与重点，渗流力与重力方向相反，对力方向相反，对稳定特别不利稳定特别不利J渗流力渗流力u流土现象流土现象u管涌现象管涌现象J渗透变形渗透变形n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形或渗透破坏。渗透变形或渗透破坏。渗透变形或渗透破坏。渗透变形渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型是土工建筑物发生破坏的常见类型渗透变形渗透变形-流土流土n流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，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。任何类型的土，只要水粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流F 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关Fs:安全系数安全系数1.52.0 i :允许坡降允许坡降F i icr:土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设计：流土可能性的判别流土可能性的判别n在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：一水力条件，均要发生流土：坝体坝体渗透变形渗透变形 管涌管涌F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，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地表贯通的管道渗流渗流过程演示过程演示1.在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷n土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管粘性土（分散性土例外）属于非管涌土涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应无粘性土中发生管涌必须具备相应的的几何条件几何条件和和水力条件水力条件管涌可能性的判别管涌可能性的判别发生管涌的发生管涌的条件条件：F几何条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径几何条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径F水力条件：水力条件：渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施 F减小减小i i：上游延长渗径，或降低水头差：上游延长渗径，或降低水头差F改善下游出口处条件：改善下游出口处条件：下游增加透水反滤盖重下游增加透水反滤盖重反滤铺盖反滤铺盖反滤围井反滤围井n平面问题：平面问题：渗流剖面和产生渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完的各个平面内，渗流状况完全一致。全一致。对平面问题，常取对平面问题，常取dy=1m单单位宽度的一片来进行分析位宽度的一片来进行分析h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关与时间无关n 稳定渗流：稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流流场不随时间发生变化的渗流h平面稳定渗流平面稳定渗流四、平面渗流与流网四、平面渗流与流网渗流的运动方程：渗流的运动方程：LaplaceLaplace方程，方程，描述渗流场内水头的分描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程。布，是平面稳定渗流的基本方程。F数学解析法或近似解析法：数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在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，求其近似解件下，求其近似解F数值解法：数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展年来得到迅速地发展F电比拟试验法：电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、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直观，可以用于二维问题和三维问题F流网法：流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题复杂断面的渗流问题渗流的运动方程的求解方法：渗流的运动方程的求解方法：流网的画法流网的画法1 1）确定边界条件：边界流）确定边界条件：边界流线和首尾等势线线和首尾等势线2 2）研究水流的方向：流线）研究水流的方向：流线的走向的走向3 3）初步绘制流网的雏形：）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形正交性、曲边正方形4 4）反复修改和检查）反复修改和检查 H=H1-H20H1H2不透水层不透水层要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习lsabc defgh H=H1-H20H1H2不透水层不透水层f流网的应用流网的应用n 每一点的水头每一点的水头 hn 确定孔压确定孔压n 确定流速确定流速n 确定流量确定流量n 水力坡降水力坡降hhhH1-hH1H1-2hqqqq流道数流道数ls任意相邻流线间的单位渗流量相等任意相邻流线间的单位渗流量相等:通过渗流区的总单位渗流量为通过渗流区的总单位渗流量为: