土力学与地基基础第二章.ppt

土中水的运动规律,第二章,土力学与基础工程,电子教案,主讲：孔德成,学习目标与要求,（,1,）,掌握,达西定律及其适用条件、渗透系数,K,的物理意义,;,理解,各种土体中的,4,渗透规律；,了解,渗透流速与实际流速的关系。,（,2,）,掌握渗透试验方法和适用条件,；理解渗透系数的影响因素及各种土体,K,的取值范围；了解成层土的渗透系数的计算。,（,3,）,掌握渗透力的概念和计算，渗透变形的基本形式及产生条件,；理解渗透变形的判别方法及其防治措施；了解孔隙水应力与有效应力的概念。,2,土中水的运动规律,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,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,概述,强度特性,变形特性,强度特性,变形特性,2,土中水的运动规律,概述,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,2,土中水的运动规律,概述,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,透水层,不透水层,基坑,2,土中水的运动规律,概述,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,2,土中水的运动规律,概述,渠道渗流,原地下水位,渗流时地下水位,2,土中水的运动规律,概述,渗流滑坡,渗流滑坡,2.1,土的毛细性,第二章,土中水的运动规律,2.3,渗透力与渗透变形,2.2,达西定律,一、土层中的毛细水带,土层中由毛细水所湿润的范围称为毛细水带。根据毛细水带的形成条件和分布状况，可分为三种，即正常毛细水带、毛细网状水带和毛细悬挂水带,二、毛细水压力,若毛细管内水柱上升到最大高度,h,max,，根据平衡条件知道管壁与弯液面水分子间引力的合力,S,等于水的表面张力,，若,S,与管壁间的夹角为,，则作用在毛细水柱上的上举力,P,为,P,=S2,r,cos,=2,r,cos,毛细管内上升水柱的重力,G,为：,G,=r,2,h,max,碎石类土，无毛细作用,；,砂性土，,h,max,=0.20.3m,；,粉性土，,h,max,=0.91.5m,；,而粘性土的,h,max,不及粉性土，上升速度也较慢,。对于,粉,砂、,粉,土和,粉,质粘土等，毛细现象较显著，毛细水上升高度大，上升速度快。,估算毛细水上升高度的经验公式,C,系数,与土粒形状和表面洁净情况,e,孔隙比,d,10,有效粒径,2,土中水的运动规律,一达西定律的表达式与适用条件,A,B,L,2.2,达西定律,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,A,B,L,h,1,h,2,z,A,z,B,h,0,0,基准面,水力坡降线,总水头,单位质量水体所具有的能量,A,点总水头：,B,点总水头：,水力坡降：,一达西定律的表达式与适用条件,U,A,=U,B,=,空气大气压,渗透定律（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。,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,i,1,时的渗流速度,单位：,mm/s,cm/s,m/s,m/day,一达西定律的表达式与适用条件,砾石类土中的渗流不符合达西定律，属于紊流范畴，采用经验公式，不做介绍。,i,v,o,v,cr,i,v,o,i,0,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,粘性土：,致密的粘土,ii,0,v=,k(i,-i,0,),首先要克服,颗粒间的粘滞阻力,砂土,粘性土,二,.,渗透系数的测定方法,室内试验测定方法,野外试验测定方法,2.2,达西定律,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,2.2,渗透系数的测定,室内试验方法,1常水头试验法,二,.,测定方法,结果整理,试验装置：,如图,试验条件,:,h,，,A,，,L=const,量测变量,:,Q,，,t,i=,h,/L,V,=Q/t,v=,ki,适用土类：,透水性较大的砂性土,整个过程中土样中水头压力不变。实验开始后，水自上而下流经土样，在渗流稳定后，测得时间,t,内流经土样的流量,Q,，同时读的两水面的水头差。,二,.,测定方法,室内试验方法,2,变水头试验法,试验装置：,如图,试验条件,:,h,变化,，,A,、,L=const,量测变量,:,h,，,t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于：,透水性较大的砂性土,t,t+,t,一,.,测定方法,室内试验方法,2,变水头试验法,理论依据,:,t,时刻：,h,t,dh,dQ,e,=-,adh,dQ,o,=,kiAdt,=k(,h/L)Adt,dQ,e,=,dQ,o,流入量,：,流出量：,连续性条件：,-,adh,=k(,h/L)Adt,常水头试验,变水头试验,条件,h,=const,h,变化,算式,室内试验方法,二,.,测定方法,适用,粗粒土,粘性土,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,二,.,渗透系数的测定,地下水位,测压管水面,井,抽水量,Q,r,1,r,r,2,dh,dr,h,1,h,h,2,不透水层,观测,A=2,rh,i=dh/,dr,缺点：费用较高，耗时较长,实验方法：布置一水井和若干观测井。在时间,t,内抽出,Q,的流量，同时测得,ri,和,r2,观测井的水头,一般采用规范参考值,三,.,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层的,k,i,根据渗流方向确定等效渗流系数,天然土层多呈层状,土力学,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,三,.,层状地基的,等效渗透系数,粒径大小及级配,孔隙比（密实度）,矿物成分,结构,四,.,渗透系数的影响因素,水的动力粘滞系数,饱和度（含气量）,对,k,影响很大，封闭气泡,第二章,土中水的运动规律,2.1,土的毛细性,2.3,渗透力与渗透变形,2.2,达西定律,渗透力的计算分三种情况,1.,不饱和土中渗透力,2.,饱和土中渗透力,3.,过饱和土中渗透力计算,一.,渗透力,渗透力的性质,物理意义：,单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j=,w,i,（不饱和土）,大小：,方向：,与渗流方向一致,作用对象：,土骨架,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,P,2,浮力,W,P,1,重力,j,渗透力,静水中的土体,A=1,R=,L,渗流中的土体,一、,渗透力,渗透力,=,重力,-,浮力,+,颗粒间阻力（饱和土）,当渗透力过大时，土中的小颗粒就会处于悬浮状态而失去稳定,(,颗粒间阻力为,0),，形成流砂或流土现象（过饱和土）,渗流有向上渗流和向下渗流两种，自然界中的渗流绝大部分是向上渗流。,粘性土,k,1,k,2,砂性土,k,2,坝体,1.,基本类型,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：,此时的,i,称为临界梯度，用 表示,1.,基本类型,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,1.,基本类型,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,2.,形成条件,F,s,:,安全系数,1.52.,0,i :,允许坡降,i,i,cr,:,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,流土,经验判断：,3.,防治措施,增大,i,：,下游增加透水盖重,防治流土,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,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,