土的渗透性与土中渗流.ppt

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1、仁者乐山 智者乐水4.2 达西定律n 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）n 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ABLh1h2zAzBh0 0基准面水力坡降线仁者乐山 智者乐水 A点总水头：水力坡降ABLhAhBzAzBh基准面水力坡降线 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 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失4.2 达西定律仁者乐山 智者乐水达西渗透试验LAh1h2

2、QQ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4.2 达西定律试验前提：层流试验结果试验装置：如图试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，V，Th=h1-h2Q=V/Th，Q A，Q L，Q断面平均流速水力坡降仁者乐山 智者乐水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。注意：Av：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQ vA vsAvk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/dayAv 渗透

3、定律仁者乐山 智者乐水达西定律的适用范围4.2 达西定律n 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：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)砾石粗砂中砂细砂极细砂h10d vRe=Re5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 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：ivoi0n 两种特例 对致密的粘性

4、土，存在起始水力坡降i0？ivovcrii0,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4.3 渗透系数的测定方法F 室内试验方法F 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n 试验条件:h，A，L=constn 量测变量:体积V，tn 适用土类：透水性较大的砂性土i=h/LV=Qt=vAtv=kihL土样AVQ仁者乐山 智者乐水室内试验方法-变水头试验法n 试验条件:h 变化 A，a，L=constn 量测变量:h，tn 适用土类：透水性较小 的粘性土土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a仁者乐山

5、智者乐水室内试验方法小结4.3 渗透系数的测定方法常水头试验 变水头试验条件已知测定公式取值h=const h 变化h，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，Lh，t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4.3 渗透系数的测定方法现场测定法抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层n 试验条件:Q=constn 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A=2 rhi=dh/drn 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4.3 渗

6、透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度（含气量）水的动力粘滞系数渗透系数的影响因素 4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水n 是土中孔隙直径大小的主要影响因素n 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：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 4.3渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水n 是单位土体中孔隙体积的直接度量n 对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配

7、孔隙比 矿物成分 结构4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水n 对粘性土，影响颗粒的表面力n 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；n 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4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水n 影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大n 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n 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渗透系数的影响因素 土的性质 水的

8、性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水饱和曲线含水量 w Wop干容重 dmax1含水量 w渗透系数 k絮状结构 分散结构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4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:kxn 已知条件:qx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律:n 等效条件:层状地基的水平等效渗透系数4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水层状地基的垂直等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xzv

9、承压水kzvi=ki(hi/Hi)n 已知条件:n 达西定律:n 等效条件:v=kz(h/H)等效渗透系数:4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水n 算例说明 按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层状地基的等效渗透系数H1H2H3Hk1k2k3xz4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水层状地基的等效渗透系数水平渗流情形 垂直渗流情形条件已知等效公式4.3 渗透系数的测定方法仁者乐山 智者乐水4.4 渗透力与渗透变形 渗透力-试验观察n h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。n h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖

10、曳力。h1hh20 0hwL土样滤网贮水器a b渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致仁者乐山 智者乐水渗透力-试验观察h1hh20 0hwL土样滤网贮水器a b土粒渗 流渗透力 j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水截面积A=1 h20 0hwL土样滤网贮水器ab渗透力-受力分析WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L n 土水整体受力分析-静水4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水渗透力-受力分析截面积A=1WW=L s

11、at L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L-whn 土水整体受力分析-渗流h1hh20 0hwL土样滤网贮水器a b4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水渗透力-受力分析R=L-whn 土水整体受力分析-对比h1hh20 0hwL土样滤网贮水器a b 静水中的土体 渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=L 减少的部分由谁承担？总渗透力：J=whF 渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=wh/L=wi4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力

12、坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=L-wh=0n 临界水力坡降h1hh20 0hwL土样滤网贮水器a bicr=h/L=/w由于icr取决于土的物理性质4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水渗透力-受力分析 渗透力-受力分析4.4 渗透力与渗透变形 P2WP1Rh1hh20 0hwL土样滤网贮水器a bA=1P1+Ww+J=P2水体的平衡条件j=wiwhw+wL+j L=wh1WJWwJ=R+P2P1P1=whwP2=wh1Ww=Vvw+Vsw=Lw仁者乐山 智者乐水渗透力的性质F 物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透

13、水流的拖曳力，它是一种体积力F 大小：j=wiF 方向：与水力坡降方向一致F 作用对象：土骨架4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水n 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型n 基本类型：管涌 流土 接触流土 接触冲刷渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水渗透变形-流土n 流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流F 原因：与土的密实度有关4.4 渗

14、透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水坝体4.4 渗透力与渗透变形 渗透变形 管涌F 原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大 n 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流仁者乐山 智者乐水4.4 渗透力与渗透变形 流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口仁者乐山 智者乐水4.4 渗透力与渗透变形 Fs:安全系数1.52.0 i:允许坡降F i icr:土体发生流土破坏n 工程设计：流土可能性的判别n 在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：仁者乐山 智者乐水4.4 渗透力与渗透变形 n土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别