土中水的运动规律副本.pptx

1研究渗流主要解决两类问题 渗流量计算问题：深基坑开挖排水问题 渗流稳定与渗流控制问题：产生渗透变形，甚至渗透破坏，如道路边坡破坏、堤坝失稳、地面隆起等 第1页/共23页22.2 土的渗透性土的渗透性 n一、达西定律一、达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的渗的渗透性进行研究透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度与试样水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比的水力梯度成正比渗透试验渗透试验播放播放达西定律达西定律 V=KV=Kh/L=Kih/L=KiK K渗透系数，渗透系数，cm/s icm/s i水力梯度，即沿渗流方向单位距离水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失的水头损失 hh2h1第2页/共23页3讨论：1 1）公式适用于层流情况，一般适用于中、细、粉砂土；2 2）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高 i io o计算。V=KV=K（i-ii-io o）。密实的粘土，需要克服结合密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗水的粘滞阻力后才能发生渗透透;同时渗透系数与水力坡降同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈的规律还偏离达西定律而呈非线性关系非线性关系 起始水力起始水力坡降坡降i0v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土虚直线简虚直线简化化砾土砾土第3页/共23页4二二 渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法时间时间t内流出的水量内流出的水量1.常水头试验常水头试验整个试验过程中整个试验过程中水头保持不变，适用于透水性大砂土（水头保持不变，适用于透水性大砂土（k10-k10-3cm/s3cm/s）。）。hh2h1:测定渗透系数方法测定渗透系数方法试验室测定:常水头试验 变水头试验 现场抽水试验第4页/共23页5 2 2变变水水头头渗渗透透试试验验整整个个试试验验过过程程水水头头随随时时间间变变化化 适适用用于于适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。第5页/共23页6截面截面 面积面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时段，经时段dt后，细玻璃后，细玻璃管中水位降落管中水位降落dh，在时段，在时段dt内流经试样的水内流经试样的水量量 dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAdth/L管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量分离变量 积分积分得得 第6页/共23页73 3现场抽水试验现场抽水试验室内试验时不易取得原状土室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时况时图2-6 现场抽水试验非承压完整井还有其它几种形式？第7页/共23页8水平向渗流时Kh I=I1=I2 q=q1+q2 F=F1+F2=1h1+1h2=h1+h2 Kh=K=Ki ih hi i/h/hi i 受渗透系数最大的土层控制 竖直向渗流时 K KV V q=q1=q2；F=F1=F2 H=H1+H2 K KV V=K=Ki ih hi i/(h/(hi i/K/KI I)受渗透系数最小的土层控制h1h2qFk1k2k1k2q1q2h1h2qh1h24成层土的渗透系数第8页/共23页9（1 1）土的矿物成分：）土的矿物成分：蒙脱石含量，或有机质，则K（2 2）粒度成分：）粒度成分：粗，浑圆均匀则K（3 3）结合水膜厚度）结合水膜厚度,K；厚度，K（4 4）土的结构构造：）土的结构构造：黄土KVKn，夹砂粘土KVKn（5 5）水的沾滞度）水的沾滞度t t：温度T，Rt应进行修正，以10水 为标准渗透系数值K20:K20=kTT/205 5 影响渗透性的因素影响渗透性的因素T、20分别为分别为T和和20时水的动力粘时水的动力粘滞系数，可查表滞系数，可查表 （6）土中气体：含密闭气泡，K第9页/共23页10【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为为30cm2，厚度为，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为，试验开始时的水位差为160cm，经时段，经时段15分钟后，观察得水位差为分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温，试验时的水温为为30，试求试样的渗透系数，试求试样的渗透系数 【解答解答】已知试样截面积已知试样截面积A=30cm，渗径长度，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积，细玻璃管的内截面积 h1=160cm，h2=52cm，t=900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 第10页/共23页11三三 渗流力及流砂与管涌现象 1.渗渗流力流力GD水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为渗流力，也称动水力 h2h1h21L水流流经这段土体，水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损阻力引起的水头损失为失为h土粒对水流的阻力应为土粒对水流的阻力应为 水柱隔离体平衡条件水柱隔离体平衡条件 水柱重力水柱重力 土颗粒对水总的阻力土颗粒对水总的阻力 渗渗透透力力是是一一种种体体积积力力，其其大大小小与与水水力力坡坡降降成成正正比比，作作用用方方向向与与渗渗流流方方向向一一致致，单单位位为为kN/m3（矢量）第11页/共23页122.流砂、管涌与临界水头梯度流砂、管涌与临界水头梯度流砂流砂当向上的G GD D与土的浮重度相等时，即G GD D=I=I=satsat-，这时土颗间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。临界水力坡降临界水力坡降(梯度梯度)土在水下的浮重度土在水下的浮重度G G为为，当向上的，当向上的渗流力渗流力G GD D与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降工程中，将土的临界水力坡降除以某一工程中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降，作为允许水力坡降i。GGD或或第12页/共23页13管涌管涌水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。讨论：1 流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。2 流砂主要发生于细、粉砂及粉质粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。3 管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数 Cu，则Icr，图2-10图2-10 流砂引起破坏示例a)基坑因流砂失稳 b)河堤覆盖层下流砂涌出a)b)第13页/共23页14图2-11 例2-1围护结构坑底hw【解】发生流砂的条件为临界水头梯度因维护结构进入坑底4m，故水渗流路径长:两侧水头差为故承压水位上升后的高度m【例2-1】某某基基坑坑开开挖挖深深8m8m（见见图图2-112-11），地地基基中中存存在在粉粉土土层层，其其饱饱和和重重度度为为20kN/m320kN/m3，在在一一场场爆爆雨雨后后，坑坑底底发发生生了了向向上上涌涌砂砂的的流流砂砂现现象象，经经调调查查发发现现粉粉土土层层中存在承压水，试估算这时承压水头为多高？中存在承压水，试估算这时承压水头为多高？第14页/共23页15流砂现象的防治原则是：减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或水下挖掘；增长渗流路径，如打板桩；钢板桩钢板桩原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水第15页/共23页16在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层设置反滤层第16页/共23页17 23 二维渗流及流网二维渗流及流网 一、二维渗流方程及流网的特征 1 二维渗流方程二维渗流方程流网是由一组流线和一组等势线互相正交组成的网格。在稳定渗流场中，流线表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。等势线是渗流场中势能或水头的等值线。图2-12 平面流网示意图aili流线流线等势线等势线第17页/共23页182流网的特征流网的特征1)流线与等势线互相正交。2)流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数。当长宽比为1时，网格为曲边正方形。3)相邻等势线之间的水头损失相等。4)各个流槽（即各相邻两流线间）的渗流量相等。流网中等势线越密的部位、水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。图2-12 平面流网示意图ailih第18页/共23页19二 流网的绘制及应用 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图。1流网的绘制流网的绘制判定边界条件，图中aa和bb为等势线边界(透水面)；acb、ss为流线边界（不透水面）。先试绘若干条流线(应相互平行，不交叉且是缓和曲线)；流线应与进水面（aa）、出水面(bb)正交，并与不透水面(流线ss)不交叉。加绘等势线。须与流线正交，且每个渗流区的形状接近“方块”。图2-12 平面流网示意图ailih第19页/共23页202流网应用流网应用1)1)相邻等势线间的水头损失hi。2)2)各网格水力梯度ii各网格的渗透速度vi为3）单位渗流量q总渗流量为 4)任意点的孔隙水压力ui等势线的间隔数 等势线宽图2-12 平面流网示意图ailih流槽数第20页/共23页21一 土层中的毛细水土中水的运动形式：5种土的毛细现象指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。毛细现象对工程危害 24 土的毛细性及土的冻胀土的毛细性及土的冻胀 hmax 二 毛细水上升高度及毛细压力上举力：P=S2rcos=2rcos重力：G=Wr2hmax湿润角可取=0 则 hmax=4/(d)海森公式：hc=C/(ed10)第21页/共23页22三 冻土冻胀危害及影响冻胀的因素1冻胀现象及其对工程的危害冻胀现象及其对工程的危害 2影响冻胀的因素：影响冻胀的因素：土的因素；水的因素；温度因素土的因素；水的因素；温度因素第22页/共23页23感谢您的观看。第23页/共23页