高等土力学渗流

第4章 土中水与土中的渗流及其计算4.1 概述概述4.1.1 岩土中的水及其运动岩土中的水及其运动土中水结合水强结合水弱结合水自由水重力水（受重力）毛细水（受重力、毛细作用）气态水：呈水蒸气形态的水固态水：呈冰状态的水（受重力控制，能传递静水压力）4.2 土中水的形态及其对土性的影响土中水的形态及其对土性的影响弱结合水强结合水土颗粒自由水电渗电泳现象粘土颗粒表面电荷粘粒表面双电层与结合水粘土颗粒双电层的厚度解得：双电层厚度：4.2.2 毛细水与土中吸力毛细水与土中吸力1、毛细水和毛细水上升高度2、土中吸力土的吸力：基质吸力 溶质吸力4.3 土的渗透性土的渗透性4.3.1 土中水的势能土中水的势能土中水的总势能：静水压力势；渗流压力势；超静水压力势4.3.2 达西定律达西定律式中：i 水头梯度（水力梯度）渗流平均流速：于是：真实渗流流速：4.3.4 影响土渗透性的因素影响土渗透性的因素1、颗粒骨架对土渗透性的影响1）颗粒组成 粘土：矿物成分，高岭石伊利石蒙脱石 粗粒土：颗粒大小、颗粒形状、颗粒级配2）土的状态 粘土：孔隙比 粗粒土：密实度3）土的结构2、渗透流体的影响1、粗粒土Reynold试验：当Re10时，层流区，200Re5时，过渡区，Re200时，紊流区，适用于：中砂、细砂、粉砂；不适用：粗砂、砾石、卵石等。4.3.5 达西定律的适用范围达西定律的适用范围2、粘性土（非线性渗透）0abcvII04.4 二维渗流与流网二维渗流与流网4.4.1 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程假定土体和水都不可压缩，则单元进出流量应相等，由此可得：流入单元流量：流出单元流量：即：由达西定律：将上式代入连续条件微分方程，可得：对各向同性土，kx=kz，则：4.4.2 流网及其应用流网及其应用1.势函数与流函数引入速度势定义，设势函数则有：根据柯西 黎曼方程：必存在一流函数 其一阶偏导数：将第一式两边对x微分减去第二式两边对z微分，得：将第一式两边对z微分减去第二式两边对x微分，得：2.流网的性质及绘制式（4-36）第一式除以第二式：1、流网及其性质 流网：等势线和流线交织成的网格；流网性质：流网是相互正交的网格；流网为曲边正方形；任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻流线间的单位渗流量相等。2、流网的绘制3、流网的工程应用（1）渗流速度计算任意两等势线间水头差：则所求网格内的渗流速度：（2）渗流量计算单位宽度内总的渗流量：其中：n为流线数量；为任意两相邻流线间的单位渗流量。所以，单位宽度内的总流量为：4、各向异性土与分层土中的流网4.5 有关渗流的一些工程问题有关渗流的一些工程问题4.5.1 渗透力与渗透变形及其防治渗透力与渗透变形及其防治1、渗透力2、渗透变形流砂（流土）管涌3、渗透变形的防治 采用不透水材料或完全阻断渗流路径，或者增加渗透路径，减少水力坡降；在渗流出逸处布置减压、压重或反滤层防止流土和管涌的发生。4.5.2 渗流条件下土坡的稳定渗流条件下土坡的稳定4.5.3 挡土构造物上的土压力和水压力挡土构造物上的土压力和水压力1、静水压力作用下的水土压力1）水土分算2）水土合算2、不同渗流情况下的水土压力3、超静孔隙水压力对水土压力的影响4.6 渗流的数值计算渗流的数值计算4.6.1 渗流的基本微分方程渗流的基本微分方程1、不可压缩土体：2、可压缩土体4.6.2 定解条件定解条件1、第一类边界条件：已知水头2、第二类边界条件：已知流量不透水边界：自由水位线：4.6.4 渗流有限元计算渗流有限元计算