清华大学土力学-第二章

清华大学土木水利学院岩土工程研究所张丙印《土力学1》之第二章土的渗透性和渗流问题本章提要本章特点学习要点第二章：土的渗透性和渗流问题•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•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）•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本章作业：2-12-32-42-52-7§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渗透力与渗透变形第二章：土的渗透性和渗流问题仁者乐山智者乐水§2.1概述土体中的渗流土颗粒土中水渗流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水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性仁者乐山智者乐水透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流§2.1概述-渗流问题防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例仁者乐山智者乐水板桩围护下的基坑渗流§2.1概述-渗流问题渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例仁者乐山智者乐水渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流Q§2.1概述-渗流问题仁者乐山智者乐水渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响范围？渠道、河流渗流§2.1概述-渗流问题原地下水位渗流时地下水位仁者乐山智者乐水§2.1概述-渗流问题降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例仁者乐山智者乐水•渗流量•扬压力•渗水压力•渗透破坏•渗流速度•渗水面位置•挡水建筑物•集水建筑物•引水结构物•基础工程•地下工程•边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性§2.1概述-土渗流特性§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渗透力与渗透变形第二章：土的渗透性和渗流问题仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律水头与水力坡降土的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土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性地基的渗透系数仁者乐山智者乐水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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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在静止液体中各点的测管水头相等§2.2土的渗流性与渗透规律位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAuzBwBu基准面静水仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能也可使水流发生流动仁者乐山智者乐水位置势能：mgzwumg压力势能：00基准面质量m压力u流速vzwu动能：2mv212wmv21umgmgzE总能量：2gvuzh2w称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：§2.2土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力-水头仁者乐山智者乐水渗流中的水头与水力坡降§2.2土的渗流性与渗透规律ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律ABLhAzAwAu基准面g2vuzh2wwuzh总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处仁者乐山智者乐水wBBBuzh•A点总水头：§2.2土的渗流性与渗透规律水力坡降ABLhAhBzAwAuwBuzBΔh基准面水力坡降线wAAAuzh•B点总水头：•二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失BAhhh•水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失Lhi仁者乐山智者乐水达西渗透试验§2.2土的渗流性与渗透规律LAh1h2QQ透水石1856年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验LhAQ或：iAkQ其中，A是试样的断面积仁者乐山智者乐水ikAQv达西定律§2.2土的渗流性与渗透规律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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i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day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nvvvs其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速仁者乐山智者乐水达西定律的适用范围§2.2土的渗流性与渗透规律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，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。可用雷诺数进行判断：00.51.01.52.02.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)10dvReRe＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区仁者乐山智者乐水达西定律的适用范围§2.2土的渗流性与渗透规律在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：ivoi0两种特例对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0？？ivovcr)1m(kivm)(1mkivmii0,v=k(i-i0)仁者乐山智者乐水渗透系数的测定方法•常水头试验法•变水头试验法•井孔抽水试验•井孔注水试验§2.2土的渗流性与渗透规律室内试验方法野外试验方法仁者乐山智者乐水室内试验方法-常水头试验法试验条件:Δh，A，L=const量测变量:体积V，t适用土类：透水性较大的砂性土§2.2土的渗流性与渗透规律i=Δh/LV=Qt=vAtv=kihtAVLkhL土样AVQ仁者乐山智者乐水室内试验方法-变水头试验法试验条件:Δh变化A，a，L=const量测变量:h，t适用土类：透水性较小的粘性土§2.2土的渗流性与渗透规律土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a仁者乐山智者乐水土样At=t1t=t2h1h2LQ水头测管开关在tt+dt时段内：•入流量：dVe=-adh•出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt•连续性条件：dVe=dVo-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt§2.2土的渗流性与渗透规律室内试验方法-变水头试验法21hhAtaLkln选择几组量测结果，计算相应的k，取平均值仁者乐山智者乐水室内试验方法–小结§2.2土的渗流性与渗透规律常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAVLk不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长观察井仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律212212hhrrQk)/ln()(ln212212hhkrrQA=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQ计算公式：r抽水量Qr1r2h1h2井不透水层dhdrh地下水位≈测压管水面现场测定法－抽水试验仁者乐山智者乐水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。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：210dck§2.2土的渗流性与渗透规律土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构渗透系数的影响因素仁者乐山智者乐水是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk322§2.2土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构仁者乐山智者乐水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；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低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§2.2土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构仁者乐山智者乐水影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，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§2.2土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构仁者乐山智者乐水含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k絮状结构分散结构§2.2土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：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土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律层状地基的等效渗透系数等效渗透系数•确立各层土的ki•根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变仁者乐山智者乐水hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层§2.2土的渗流性与渗透规律等效渗透系数:iixHkH1kkx已知条件:LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi达西定律:等效条件:层状地基的水平等效渗透系数仁者乐山智者乐水层状地基的垂直等效渗透系数§2.2土的渗流性与渗透规律iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvviihhiHHvi=ki(Δhi/Hi)iiiikHvhzkvHhiiiizkHvhhkvH已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh/H)等效渗透系数:仁者乐山智者乐水算例说明daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗流性与渗透规律H1H2H3Hk1k2k3xz仁者乐山智者乐水层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗流性与渗透规律水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效公式LhiiHHqqiii;;......;,121kHHiHkqxiixHkH1kii21HHhhvvv;;......,...;,2121kkHHHhkikvzziizkHHk仁者乐山智者乐水§2.2土的渗流性与渗透规律小结水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的