My3-土的渗透性及渗流.ppt
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1、土力学原理土力学原理内容回顾内容回顾颗粒级配的工程应用土的压实性土的液塑性土土 力力 学学 原原 理理台州学院建筑工程学院Soil Mechanics土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.1 概述概述p几个基本概念几个基本概念u渗透渗透:液体从物质微也中透过的现象;:液体从物质微也中透过的现象;u渗透性渗透性:土体具有被液体透过的性质,也称透水性;:土体具有被液体透过的性质,也称透水性;u渗流渗流:液体在土孔
2、隙或其他透水性介质中流动问题称:液体在土孔隙或其他透水性介质中流动问题称为渗流。为渗流。p渗透性研究的三个方面渗透性研究的三个方面u渗流量问题渗流量问题u渗透破坏问题渗透破坏问题u渗透控制问题渗透控制问题土力学原理土力学原理土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层3.1 概述概述p土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流涉及渗流量与渗透破坏问题。涉及渗流量与渗透破坏问题。不透水层不透水层土力学原理土力学原理3.1 概述概述p板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙涉及渗流量、渗流压力与渗透破坏问题。涉及渗流量、渗流压力与渗透破
3、坏问题。土力学原理土力学原理3.1 概述概述p水井渗流问题水井渗流问题透水层不透水层天然水面天然水面漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q抽水量涉及渗流量、水力参数问题。涉及渗流量、水力参数问题。土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p水头变化水头变化3.2.1 达西定律达西定律总水头线LzAhA测管测管zBhB基准高程面土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p水头与水力梯度水头与水力梯度u水头:水头:单位重量的水所具
4、有的能量单位重量的水所具有的能量u总水头:总水头:总水头势水头压力水头动水头,亦即:总水头势水头压力水头动水头,亦即:考虑到土中水的流速很小,可以忽略,于是,总水头考虑到土中水的流速很小,可以忽略,于是,总水头可简化为:可简化为:u水力梯度(或坡降):水力梯度(或坡降):单位流径长度上的水头差:单位流径长度上的水头差:称之为称之为测压管水头测压管水头。土力学原理土力学原理p达西定律达西定律3.2 土的渗透性土的渗透性u法国人达西(法国人达西(Darcy)根据试验,得出:在)根据试验,得出:在层流层流条件条件下,土中水渗流速度与水头损失之间的关系,即下,土中水渗流速度与水头损失之间的关系,即达西
5、达西定律:定律:式中,式中,q是单位渗水量,以是单位渗水量,以m3/s计;计;v是断面平均流速,以是断面平均流速,以m/s计;计;i是水力梯度,无量纲;是水力梯度,无量纲;k称为称为渗透系数渗透系数,以,以m/s计;计;A是断面面积,以是断面面积,以m2计;计;土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p达西定律的适用范围达西定律的适用范围v=kiivO O砂土砂土ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化0iv密实粘土密实粘土u较大水力梯度时,达西较大水力梯度时,达西定律定律不能不能适用适用 u密实的粘土,需要克服结合密实的粘土,需要克服结合水的水的粘滞阻力粘滞阻力后才能发生渗后
6、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 u砂土的渗透速度与砂土的渗透速度与较小较小水力梯度之间呈线性关系水力梯度之间呈线性关系 土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性3.2.2 室内室内渗透试验渗透试验p常水头试验常水头试验u时间时间t内流出的水量内流出的水量u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,主要适用于透水水头保持不变,主要适用于透水性大(性大(k10-3 cm/s)的土,例如砂)的土,例如砂土。土。于是可知:于是可知:土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的
7、渗透性p变水头试验变水头试验u 任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h,经时,经时段段dt后,细玻璃管中水位降落后,细玻璃管中水位降落dh,在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量.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=kAh/Ldt 由于管内减少水量就是流经试样水量由于管内减少水量就是流经试样水量adh=kAh/Ldt u适用于透水性差,渗透系数小的适用于透水性差,渗透系数小的粘性土粘性土 于是,可解得:于是,可解得:土力学原理土力学原理3.2.3 渗透系数渗透系数3.2 土的渗透性土的渗透性p影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素u土粒大
8、小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多,土的渗透性愈小,例如砂土中粉粒及粘粒含量细粒含量愈多,土的渗透性愈小,例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时,砂土的渗透系数就会大大减小。愈多时,砂土的渗透系数就会大大减小。u土的密实度土的密实度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数,土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数,土的密实度增大,孔隙比降低,土的渗透性也减小。增大,孔隙比降低,土的渗透性也减小。u土中封闭气体含量土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道,使土的渗透系数降低。封闭气体土中封闭气体阻塞渗流通道,使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多,土的渗透性愈小。含量愈多,土的渗透性愈
9、小。土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素u水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数 动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高,水的动力粘动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高,水的动力粘滞系数愈小,土的渗透系数则愈大。滞系数愈小,土的渗透系数则愈大。式中:式中:kT、k20分别为分别为T和和20时水的动力粘滞系数,可查表时水的动力粘滞系数,可查表。u土的结构与构造土的结构与构造 细粒土的结构一旦扰动,原有的过水通道的形状、大小及其分细粒土的结构一旦扰动,原有的过水通道的形状、大小及其分布就会发生改变,因而渗透系数也会受到影响。布就会发生改变,因而
10、渗透系数也会受到影响。土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p经验确定方法经验确定方法u对于松砂土对于松砂土 式中:式中:d10是有效粒径(是有效粒径(cm),k以以cm/s计计。u对于较密实砂土对于较密实砂土 u对于粘性土对于粘性土 式中:式中:C3和和n是由试验确定的常数是由试验确定的常数。土力学原理土力学原理p成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数3.2 土的渗透性土的渗透性u渗流与层面平行渗流与层面平行 式中:式中:khi是第是第i层土与层面平行的平均渗透系数;层土与层面平行的平均渗透系数;Hi是第是第i层土的层土的厚度;厚度;H是土层总厚度是土层总厚度。u渗流与层面垂直渗
11、流与层面垂直 式中:式中:kvi是第是第i层土与层面垂直的平均渗透系数层土与层面垂直的平均渗透系数。土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网p渗流方程渗流方程拉氏方程拉氏方程3.3.1 二维渗流方程二维渗流方程vzvxzxo 假定水体不可压缩,根据水流连假定水体不可压缩,根据水流连续原理:续原理:dqe=dqo,于是:,于是:再考虑达西定律,则可得再考虑达西定律,则可得:土力学原理土力学原理3.3 土中
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