土力学李广信土的渗透性精讲

会计学1土力学李广信土的渗透性精讲土力学李广信土的渗透性精讲2本章特点学习要点主要难点有较严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力坡降二维流网及其应用渗透力及其分析方法2 土的渗透性和渗流问题 32 土的渗透性和渗流问题 碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等流体在土体等多孔介质的孔隙中流动的现象渗透性土体等多孔介质具有被水、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概述能量差土颗粒土中水渗流4概述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2 土的渗透性和渗流问题 5渗水压力扬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概述2 土的渗透性和渗流问题 6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概述2 土的渗透性和渗流问题 7渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述2 土的渗透性和渗流问题 水位8渗流滑坡渗流滑坡概述2 土的渗透性和渗流问题 9渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗流规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形扬压力土坡稳定分析挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工多雨地区边坡概述2 土的渗透性和渗流问题 水位102.1 土的渗透性与渗流规律 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四层状地基的等效渗透系数2 土的渗透性和渗流问题 11ABL2.1土的渗透性与渗流规律 透水层不透水层基坑板桩墙2 土的渗透性和渗流问题 一渗流中的水头与水力坡降12ABL一渗流中的水头与水力坡降h1h2zAzBh00基准面水力坡降线总水头单位重量水体所具有的能量z：位置水头u/w：压力水头V2/(2g)：流速水头0A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 水头差：测管水头13二.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，Th=h1-h2Q=V/T2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 142.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。二.渗透试验与达西定律注意：AAvv：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A AvQvA vsAvk: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/day2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 152.达西定律 适用条件：层流（线性流）2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 二.渗透试验与达西定律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Re进行判断：Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区 162.达西定律（1）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0 两种特例：（2）粘性土：致密的粘土 i i0,v=k(i-i0)2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 二.渗透试验与达西定律17三.渗透系数的测定及影响因素 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1.测定方法2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 18 室内试验方法1常水头试验法三.渗透系数的测定及影响因素 1.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:V，ti=h/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 hL土样AVQ 室内试验方法2变水头试验法透水性较小的粘性土?19三.渗透系数的测定及影响因素 1.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，t2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a20三.渗透系数的测定及影响因素 1.测定方法 室内试验方法2变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：hdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(h/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(h/L)Adt选择几组h1,h2,t，计算相应的k，取平均值2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahdhtt+dt21 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1.测定方法三.渗透系数的测定及影响因素 地下水位测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2rhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 积分222.影响因素 粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构三.渗透系数的测定及影响因素 饱和度（含气量）水的动力粘滞系数2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 232.影响因素 三.渗透系数的测定及影响因素 2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。（1）土粒特性的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；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。结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平 k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。24饱和度 sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)876543280 90 100饱和度的影响流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道2.影响因素 三.渗透系数的测定及影响因素 2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题（2）流体特性的影响25四.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的km考虑渗流方向天然土层多呈层状2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 26H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqmx=kmimHm2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 27H1H2H3Hhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 28算例 按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制四.层状地基的等效渗透系数2.1土的渗透性与渗流规律 2 土的渗透性和渗流问题 292.1 土的渗透性与渗流规律 第二章 土的渗透性和渗流问题 2.2 平面渗流与流网 2.3 渗透力与渗透变形 302.2 平面渗流与流网 hh恒定稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)对单宽dy=1，取一微小单元dx,dz与时间无关2 土的渗透性和渗流问题 xz31Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律流线方程假定kx=kz2 土的渗透性和渗流问题 2.2 平面渗流与流网 流线描述水头描述势函数的基本方程 流函数的基本方程 势函数 流函数共轭调和，等值线正交求解（流网）边界条件基本要求绘制方法主要特点实际应用322.2 平面渗流与流网 连续性条件2 土的渗透性和渗流问题 一.平面渗流的基本方程及求解 1.基本方程水头描述332.2 平面渗流与流网 连续性条件 达西定律Laplace方程描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式之一2 土的渗透性和渗流问题 假定 kx=kz 水头描述 h：势函数与渗透系数无关、等价于水头一.平面渗流的基本方程及求解 1.基本方程 342.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 1.基本方程流线描述一.平面渗流的基本方程及求解 xz+ddql 同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交l 两条流线流函数的差值等于其间通过的流量vxvzdz-dx(x,z)流线与流速的关系连续性条件全微分存在的条件352.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 一.平面渗流的基本方程及求解 流线描述1.基本方程 Laplace方程1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程2）势函数等值线和流函数等值线正交，任一点两线的斜率互成负倒数3）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场+d+dba36一.平面渗流的基本方程及求解 2.求解方法 确定渗流场内各点的测管水头h的分布基本方程边界条件定解条件2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 其它各量37一.平面渗流的基本方程及求解 2.求解方法 边界条件2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 透水层不透水层基坑板桩墙水头边界条件：首尾等水头线12 流速边界条件：边界流线3 其它边界条件：渗出面、自由水面112238一.平面渗流的基本方程及求解 2.求解方法 解析方法试验比拟方法（电比拟方法）数值方法图解法 流网近似求解方法 适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数势函数(x,z)流函数(x,z)等势线流线相互正交边界条件特定解差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛 利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。理论基础：解析法的结果2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 39二.流网的绘制及应用 流 网渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流 线水质点运动的轨迹线。等势线测管水头相同的点之连线。流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。Hh02.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 40 基本要求1.正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交二.流网的绘制及应用 Hh0lsls2.等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题+d+dba通解数学描述几何表示41ABCDlsHh00ls二.流网的绘制及应用 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2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 工具：铅笔橡皮42 主要特点与上下游水位变化无关 h=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等。二.流网的绘制及应用 Hh0lsls2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 43测管水头 h 实际应用 确定孔压 确定流速 确定流量二.流网的绘制及应用 水力坡降Hh0lsls2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 M:流道数H=h/N:相邻等势线间的水头损失44Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律假定kx=kz流线方程水头描述势函数 流线描述流函数共轭、正交理论基础边界条件小结2.2 平面渗流与流网 2 土的渗透性和渗流问题 求解平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用实际应用基本要求主要特点绘制方法45作业2-12-32-4（B在A、C正中间）2-52-74647土的渗透性和渗流问题 第二章作业2-1，2-32-4（B在A、C正中间）2-5，2-7提醒：本周末交第二章作业48提示：10月23日习题讨论课范围：第一、二章 内容：小测验 习题讨论 方法讨论（三相草图法、流网法等）难点讨论 其它讨论492.1 土的渗透性与渗流规律 第二章 土的渗透性和渗流问题 2.2 平面渗流与流网 2.3 渗透力与渗透变形 502.3 渗透力与渗透变形 一.渗透力1、试验观察渗透变形渗透力2 土的渗透性和渗流问题 二.渗透变形（渗透破坏）2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水隔离分析51一.渗透力1、试验观察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，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。h1hh200hwL土样滤网贮水器a b2 土的渗透性和渗流问题 2.3 渗透力与渗透变形 52一.渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a b土粒渗 流j2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 渗透力与浮力有何区别？2、物理本质53h200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1W=LsatL(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L 土水整体分析2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力3、计算方法54h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1W=LsatL(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L whR=L 渗流中的土体2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力土水整体分析3、计算方法55h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1R=L whR=L 渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力J=wh渗透力j=J/V=wh/L=wij=wi2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力土水整体分析3、计算方法56h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1RA=1R=L wh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降i=h/L=/wicr=/w L wh=02.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力土水整体分析3、计算方法57P2WP1Rh1hh200hwL土样滤网贮水器a bA=1P1+Ww+J=P2水体的平衡条件j=wiwhw+wL+j L=wh1WJWwJ=R+P2P1P1=whwP2=wh1Ww=Vvw+Vsw=Lw土水隔离分析2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力3、计算方法58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=wi大小：方向：与 i 方向一致（均质土与渗流方向一致）作用对象：土骨架2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力59利用流网求渗透力复杂条件总渗透力大 小：j 网格面积 方 向：与i方向一致（均质土：流线）作用点：形心 流网较密处i较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同Hh0lsls2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 一.渗透力60基本类型 二.渗透变形（渗透破坏）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 2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 61粘性土k1k2砂性土k2坝体1.基本类型 二.渗透变形（渗透破坏）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：2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 和土的密实程度有关621.基本类型 管涌原因：内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因渗透力足够大 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2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 二.渗透变形（渗透破坏）631.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二.渗透变形 2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 642.形成条件Fs:安全系数1.52.0二.渗透变形 i :允许坡降i icr: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：2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 无压重时：65较均匀土（Cu10）二.渗透变形 2.形成条件管涌几何条件水力条件一般发生在无粘性土中级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（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 d5D0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土几何条件P(%)lgd骨架充填料P53d5d32.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 66水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土过渡管涌二.渗透变形 2.形成条件Cu 20时,icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15苏联：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降i0.15-0.250.1-0.22.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 673.防治措施 增大i：下游增加透水盖重 二.渗透变形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2.3 渗透力与渗透变形 2 土的渗透性和渗流问题 68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2 土的渗透性和渗流问题