土力学-土的渗透性及渗流.ppt

第二章 土的渗透性及水的渗流一、土的渗透性permeability及土中渗流seepage1.土的渗透性与工程的关系（1）渗透变形（破坏）问题因渗流造成土体变形甚至破坏。（2）渗流量的问题 土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算；基坑开挖渗水量及排水量计算；水井供水量估算。（3）渗流控制问题 Teton大坝，位于美国爱达荷州的东南部，为高93m的土坝。1976年6月5日该坝完成后第一次蓄水时即发生破坏，造成11人死亡及数百万美元的损失。破坏是由右岸距坝顶约40m处的一个漏洞引起的。渗透变形（破坏）问题 基坑开挖降水井点降水管井降水水头 hydraulic head：单位重量的水所具有的能量。2.土的渗透定律 水 头势水头静水头动水头位置水头压力水头速度水头测压管水头孔隙水压渗流速度土中渗流速度通常较小，可忽略，故有水力梯度（坡降）hydraulic gradient总水头线测压管 piezometer tube单位流程的水头损失。AB 土中渗流和水力梯度3.Darcy渗透定律在层流sheet flow状态下，有Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858)法国工程师（Darcy，1856）（1）试 验（2）Darcy渗透定律平均流速流量土的截面积渗透系数水力梯度Darcy渗透定律是计算分析土的渗流、渗透固结问题的重要基础。渗流速度 seepage velocitya.砂土及一般粘性土b.砾以上的土且水力梯度较大时，形成紊流，故不适用。c.粘性很强的致密粘土，修正为（3）平均流速及渗流速度（4）Darcy定律的适用范围平均流速 discharge velocity土截面渗流为层流适用于砂土二、渗透系数coefficient of permeability及测定方法（1）常水头渗透试验constant head permeability test由Darcy定律并有渗透系数温度修正1.渗透系数测定方法（2）变水头渗透试验 falling head permeability test适用于粘性土 流速计算 水力梯度由Darcy定律 渗透系数(3)现场抽水试验 pump test,permeability test适用于粗颗粒土水力梯度平均流速由Darcy定律水力梯度平均流速（4）渗流速度测定试验适用于粗颗粒土水力梯度平均流速渗流速度由Darcy定律D10 Hazen(1892)2.渗透系数的影响因素（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分有效颗粒尺寸effective grain sizeb.曲率系数Cu对渗透性的影响不大。a.砂土的渗透性由其中的小颗粒控制D5 Kenney(1984)渗透系数d.细粒土的渗透性与液体的极性有关。（Mesri and Olson，1971）水四氯化碳或苯c.渗透系数：蒙脱石伊利石分散结构层状土：不饱和土中气泡对渗透性的影响（2）孔隙比或孔隙率3.成层土的平均渗透系数 水平渗流时总流量等于各土层流量之和（各层的水力梯度相等）竖直渗流时总水头损失等于各土层水头损失之和（各层的流量相等）将土层简化为均质土，便于计算三、渗透力及临界水力梯度b-ba-a?孔隙水土颗粒渗流1.渗透力渗透力 渗透力seepage force土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。临界水力梯度critical hydraulic gradient 有效应力effective stress土颗粒土颗粒之间的作用力。有效应力为0时对应的水力梯度。此时水将发生渗透破坏。2.土的渗透破坏 流 土（流砂quick sand、翻砂 boil sand）在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。发生条件 要 求 管涌 piping 在渗流作用下，土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动以至流失孔隙增大，渗流速度增加粗粒流走贯通的水流通道土体塌陷。发生条件（2）级配（1）无粘性土且满足一定的级配条件（3）水力梯度级配连续 i=0.150.25级配不连续 i=0.100.20水流的状态不随时间而变。四、二维稳定渗流 steady seepage（1）连续方程的建立对稳定流，流入量流出量流入微单元的水量（厚度为1）流出微单元的水量1.二维稳定渗流的连续方程对稳定流，流入量流出量数学上称为Laplace 方程（调和方程 harmonic equation）Pierre Simon de Laplace17491827连续 方程水力梯度水 头对各项同性土（3）势方程和流方程势方程渗流与等势线垂直Cauchy-Riemann方程流方程（2）连续方程的解法 数学解析法 数值解法 试验法（比拟法）图解法与之间满足不透水层板桩或连续墙（4）连续方程的解及流网 flow net流线等势线边 界边 界边 界边 界流 槽（1）满足渗流场的边界条件。（2）等势线与流线正交。（3）流网中四边形网格沿等势线和流线两个方向边长之比值相等（1）各流槽流量相等，且有3.流网的应用（1）水头计算不透水层板桩或连续墙8.014.59.59.018bd123445.2流过每一格的水头损失总的水头损失 流过的网格数总水头势水头压力水头（2）水力梯度计算（3）渗流量计算不透水层板桩或连续墙8.014.59.59.018bd123445.2