土力学-第三章土的渗透性及渗流.ppt
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1、天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学土力学-第三章土的渗透性及渗流 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学第第3章土的渗透性及渗流章土的渗透性及渗流3.1 概概述述3.2 土的渗透性土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网(了解)土中二维渗流及流网(了解)3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.1概述概述在饱和土中,水充满整个孔隙,当土中不同位置存在水位在饱和土中,
2、水充满整个孔隙,当土中不同位置存在水位在饱和土中,水充满整个孔隙,当土中不同位置存在水位在饱和土中,水充满整个孔隙,当土中不同位置存在水位差时,土中水就会在水位能量作用下,从水位高(即能量高)差时,土中水就会在水位能量作用下,从水位高(即能量高)差时,土中水就会在水位能量作用下,从水位高(即能量高)差时,土中水就会在水位能量作用下,从水位高(即能量高)的位置向水们低(即能量低)的位置的位置向水们低(即能量低)的位置的位置向水们低(即能量低)的位置的位置向水们低(即能量低)的位置流动流动流动流动。vv渗透渗透渗透渗透:液体(如土中水)从物质微孔(如土体孔隙)中透液体(如土中水)从物质微孔(如土体
3、孔隙)中透液体(如土中水)从物质微孔(如土体孔隙)中透液体(如土中水)从物质微孔(如土体孔隙)中透过的现象过的现象过的现象过的现象vv渗透性(透水性):渗透性(透水性):渗透性(透水性):渗透性(透水性):土体具有被液体(如土中水)透过土体具有被液体(如土中水)透过土体具有被液体(如土中水)透过土体具有被液体(如土中水)透过的性质的性质的性质的性质vv渗流:渗流:渗流:渗流:液体(如地下水、地下石油)中的流动问题液体(如地下水、地下石油)中的流动问题液体(如地下水、地下石油)中的流动问题液体(如地下水、地下石油)中的流动问题vv渗流力(渗透力):渗流力(渗透力):渗流力(渗透力):渗流力(渗透
4、力):土中的渗流对土颗粒施加的作用力土中的渗流对土颗粒施加的作用力土中的渗流对土颗粒施加的作用力土中的渗流对土颗粒施加的作用力天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.1概述概述土的渗透性的主要研究内容包括:土的渗透性的主要研究内容包括:土的渗透性的主要研究内容包括:土的渗透性的主要研究内容包括:vv渗流量问题:渗流量问题:渗流量问题:渗流量问题:如基坑的渗水和排水;土堤坝身、坝如基坑的渗水和排水;土堤坝身、坝如基坑的渗水和排水;土堤坝身、坝如基坑的渗水和排水;土堤坝身、坝基土中的渗水量;水井的供水量或排水量。基土中的渗水量;水井的供水量或排水量。基土中的渗水量;水井的供水量或排水量。基
5、土中的渗水量;水井的供水量或排水量。vv渗透破坏问题:渗透破坏问题:渗透破坏问题:渗透破坏问题:当渗透力过大时就会引起土颗粒或当渗透力过大时就会引起土颗粒或当渗透力过大时就会引起土颗粒或当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动,产生渗透变形,甚至渗透破坏。如边土体的移动,产生渗透变形,甚至渗透破坏。如边土体的移动,产生渗透变形,甚至渗透破坏。如边土体的移动,产生渗透变形,甚至渗透破坏。如边坡破坏、地面隆起,堤坝失稳等。坡破坏、地面隆起,堤坝失稳等。坡破坏、地面隆起,堤坝失稳等。坡破坏、地面隆起,堤坝失稳等。vv渗流控制问题:渗流控制问题:渗流控制问题:渗流控制问题:研究工程措施进行渗流控制,以
6、满研究工程措施进行渗流控制,以满研究工程措施进行渗流控制,以满研究工程措施进行渗流控制,以满足渗流量或渗透变形的设计要求。足渗流量或渗透变形的设计要求。足渗流量或渗透变形的设计要求。足渗流量或渗透变形的设计要求。水在土体中的渗流的影响:水在土体中的渗流的影响:水在土体中的渗流的影响:水在土体中的渗流的影响:vv引起水量损失或基坑积水,影响工程进度和收益引起水量损失或基坑积水,影响工程进度和收益引起水量损失或基坑积水,影响工程进度和收益引起水量损失或基坑积水,影响工程进度和收益vv引起土体变形,改变构筑物或地基的稳定条件,影引起土体变形,改变构筑物或地基的稳定条件,影引起土体变形,改变构筑物或地
7、基的稳定条件,影引起土体变形,改变构筑物或地基的稳定条件,影响工程安全。响工程安全。响工程安全。响工程安全。土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学第第3章土的渗透性及渗流章土的渗透性及渗流3.1 概概述述3.2 土的渗透性土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网(了解)土中二维渗流及流网(了解)3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学土的层流渗透定律土的层流渗透定律3.2.2渗流
8、的基本概念渗流的基本概念3.2.1渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数3.2.33.2土的渗透性土的渗透性天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.1渗流的基本概念渗流的基本概念水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的,根据水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的,根据D.伯努利(伯努利(1738)定理。定理。水头水头式中:式中:式中:式中:h h h h总水头总水头总水头总水头,m m m m;v v v v流速流速流速流速,m m m m/s/s/s/s;g g g g重力加速度,重力加速度,重力加速度,重力加速度,m/sm/sm/sm/s2 2 2 2;p p p p水压,水压
9、,水压,水压,kPakPakPakPa;w w w w水的重度,水的重度,水的重度,水的重度,kN/mkN/mkN/mkN/m3 3 3 3;z z z z基准面高程,基准面高程,基准面高程,基准面高程,m m m m水在土中的渗流,速度很慢,因此由速度引起的水头项可以忽略。则水在土中的渗流,速度很慢,因此由速度引起的水头项可以忽略。则水头水头天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学速度,速度,v 3.2.1渗流的基本概念渗流的基本概念ABA、B两点的水头差为:两点的水头差为:水力梯度水力梯度i i:在含水层中沿水流方在含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值。向每单位距离的水头下降值。在
10、大多数情况下,土中水的渗流基在大多数情况下,土中水的渗流基本处于层流状态,即本处于层流状态,即天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学或或3.2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律层流:层流:即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。式中:式中:式中:式中:q q q q单位渗水量单位渗水量单位渗水量单位渗水量,c c c cm m m m3 3 3 3/s/s/s/s;v v v v断面平均渗流速度断面平均渗流速度断面平均渗流速度断面平均渗流速度,c c c cm/sm/sm/sm/s;i i i i水力梯度或水力坡降;水力梯度或水力坡降;水
11、力梯度或水力坡降;水力梯度或水力坡降;k k k k土的渗透系数,土的渗透系数,土的渗透系数,土的渗透系数,cm/scm/scm/scm/s达西定律:达西定律:在层流条件下,土中水渗流速度与能量(水头)损失之间的关系在层流条件下,土中水渗流速度与能量(水头)损失之间的关系的渗流规律的渗流规律h1 h2 达西根据实验发现,达西根据实验发现,单位时间内的渗单位时间内的渗出水量出水量q q与圆筒断面积与圆筒断面积A A和水力梯度和水力梯度i i成正成正比比,且与土的透水性质有关,且与土的透水性质有关写成等式(写成等式(达西定律表达式达西定律表达式)天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学达西定律
12、达西定律砂土砂土的渗透速度与水的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 密实的粘土密实的粘土,需要克,需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透;同时同时渗透系数与水力坡降渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定的规律还偏离达西定律而呈非线性关系律而呈非线性关系 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流,不适用于紊流流,不适用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土3.2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律公式中用的是土样的
13、整个断面积,其中包括了公式中用的是土样的整个断面积,其中包括了土粒骨架所土粒骨架所占的部分面积在内占的部分面积在内,而土粒本身是不透水的,因此,而土粒本身是不透水的,因此过水断面积过水断面积A Ar r是小于整个断面积是小于整个断面积A A,实际平均流速实际平均流速v vr r应大于应大于v v,一般,一般v v称为假称为假想平均流速想平均流速。以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数渗透系数渗透系数k k既是反映土的渗透能力的定量指标,也是渗流计算既是反映土的渗透能力
14、的定量指标,也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。时必须用到的一个基本参数。测定方法测定方法有:有:室内和现场室内和现场1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数时间时间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整个试验过程中水头保持不变验过程中水头保持不变 适用于透水性大(适用于透水性大(k10-3cm/s)的土,例如砂土。的土,例如砂土。截面积截面积为为A A天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学(2)变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h,经经时段时段dt后,
15、细玻璃管中水位后,细玻璃管中水位降落降落dh,在时段在时段dt内流经试内流经试样的水量样的水量 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 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 适用于透水性差,渗透系数适用于透水性差,渗透系数小的粘性土小的粘性土 分离变量分离变量 积积分分 3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数截面积为截面积为A A天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学(地下水位地下水位测压管水面测压管水面)3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数2.2.现场测定渗透系数现场测定渗透
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