浙大土力学PPT3土的渗透性与渗流共67页
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土力学课件(3土的渗透性与渗流)详解
管内减少水量＝流经试样水量
－adh=kAh/Ldt 分离变量
积分
k＝2.3
aL
At2
t1 lg
h1 h2
k＝
aL
A t2
t1 ln
h1 h2
3、影响渗透系数的主要因素 (1)土的粒度成分
v 土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大
v 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，
(2)土的密实度 土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小 土愈密实渗透系数愈小
(3)土的饱和度 土的饱和度愈低，渗透系数愈小
(4)土的结构 扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度 原状土样的小
(5)水的温度(水的动力粘滞系数) 水温愈高，水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大
k20 kT T 20
(6)土的构造
T、20分别为T℃和20℃时水的动 力粘滞系数，可查表
水平方向的h>垂直方向v
n
qx q1x q2x qnx qix i1
达西定律
qx kxiH
平均渗透系数
q1x k1 qx q2x k2
q3x k3
H1 H2 H H3
n
qix k1iH 1 k 2iH 2 k n iH n
i 1
整个土层与层面平行的渗透系数
k x
1 H
n
kiH i
i1
(2)垂直渗透系数
H
隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
渗透
在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象
渗透性
土体具有被液体透过的性质
土的渗流 土的变形 土的强度
相互关联 相互影响
土力学渗流专题教育课件
dh h1
h
Q 土样 L A
▪成果整顿: 选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应旳k，取平均值
t=t1
t t+dt
t=t2
h2
水头 测管
开关
a
§3.2土旳渗透性与渗透规律--渗透系数旳测定
• 野外测定措施－抽水试验和注水试验法
试验措施： 理论根据：
抽水量Q
A=2πrh i=dh/dr
Q Aki 2rh k dh
k1 0.01m / day k 2 1m / day k 3 100m / day
kx
kiHi 33.67m / day H
按层厚加权平均，由较大值控制
H
kz
0.03m / day Hi
ki
倒数按层厚加权平均，由较小值控制
第三章 土旳渗透性和渗流问题
§3.1 概述√
§3.2 土旳渗透性与渗透规律 √
kx
2h x2
kz
2h z 2
0
2h 2h 0
x2 z2
φ∝ h：势函数
与渗透系数无关
2 2
等价于水头
x2 z2 0
Laplace方程
§3.3平面渗流与流网 --平面渗流旳基本方程及求解
1. 基本方程 流线描述
z
ψ+dψ
ψ
dq
x
2 2 x2 z2 0
-dx vz dz
vx
(x,z)
i
h L
qx qmx
H Hm
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH Σqmx=ΣkmimHm
1
kx H kmHm
1
2 Δh
x
q1x
土力学3-土的渗透性及渗流
10
静水 A zB
0 基准面
zA
0
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
水往低处流
速度v 速度
位置： 位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
流速： 流速：水具有的动能
水往高处“ 水往高处“跑”
压力u 压力
压力： 压力：水所具有的压力势能 也可使水流发生流动
水流动的驱动力
11
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流 板桩墙
基坑
透水层 不透水层
1. 渗流量？ 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 渗透破坏？ 3. 渗水压力？ 渗水压力？
板桩围护下的基坑渗流
工程实例
5
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
Q
天然水面
渗流问题： 渗流问题： 1. 渗流量 ？ 渗流量Q？
透水层
2. 降水深度？ 降水深度？
不透水层
水井渗流
6
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
位置水头Z 水体的位置势能（任选基准面） 位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头p/γw：水体的压力势能（u孔隙水压力） 压力水头 γ 水体的压力势能（ 孔隙水压力） 孔隙水压力 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流 ） 流速水头 ：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
渗流的总水头： 渗流的总水头： h = z +
o ib
i
18
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
3.2.3 渗透系数的测定方法
• 常水头试验法 室内试验方法 • 变水头试验法 • 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
野外试验方法
19
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
静水 A zB
0 基准面
zA
0
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
水往低处流
速度v 速度
位置： 位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
流速： 流速：水具有的动能
水往高处“ 水往高处“跑”
压力u 压力
压力： 压力：水所具有的压力势能 也可使水流发生流动
水流动的驱动力
11
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流 板桩墙
基坑
透水层 不透水层
1. 渗流量？ 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 渗透破坏？ 3. 渗水压力？ 渗水压力？
板桩围护下的基坑渗流
工程实例
5
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
Q
天然水面
渗流问题： 渗流问题： 1. 渗流量 ？ 渗流量Q？
透水层
2. 降水深度？ 降水深度？
不透水层
水井渗流
6
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
位置水头Z 水体的位置势能（任选基准面） 位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头p/γw：水体的压力势能（u孔隙水压力） 压力水头 γ 水体的压力势能（ 孔隙水压力） 孔隙水压力 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流 ） 流速水头 ：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
渗流的总水头： 渗流的总水头： h = z +
o ib
i
18
《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
3.2.3 渗透系数的测定方法
• 常水头试验法 室内试验方法 • 变水头试验法 • 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
野外试验方法
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《土力学》 土力学》 第3章 土的渗透性及渗流
第三章 土的渗透性及渗流讲解
• (5)．土的温度： 温度高, 粘滞阻力小。
• (6)．土的构造： 层理的方向性, 夹层的影响。
• §3 . 3 土中二维渗流及流网
• 3 . 3 . 1 二维渗流方向
• 稳定渗流：渗流场中水头及流速等要素 随时间改变的渗流。
• 3 . 3 . 2 流网的特征与绘制
• 1. 流网的特征
• 流网：由流线和等势线所组成的曲线正交网格。
形甚至渗透破坏； • 渗流控制问题:采用工程措施，使渗流量或渗透变形满足设计
要求。
•
§3 . 2 土的渗透性
3 . 2 . 1 渗流基本概念
(1)．水头：
2
h
p z
(伯努利定理)，土中水渗透速度太小,可
忽略，故有 2g vw
h p z
(2)． 水头差：
h h h ( p A) ( p )
(3)．水力坡度： i h l
3 . 2 . 2 土的层流渗透定律
1．基本概念
（1）流线：水质点的运动切线的连线称为流线；
（2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流；
（3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊 流。
一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程 中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。
h Nd
i (b 1) h b L Nd L
若
b L 1则高渗透量,为
Nf ( h )i Nf
2 Nf
Nd
其中：Nf 为流槽数。Nd为等势线数减1。
• §3 . 4 渗透破坏与控制
(1). 渗透力的作用,土颗粒流失或局部土体位移而产生破坏.如,流 砂和管涌。
《土的渗透性及渗流》课件
PART 04
渗流计算方法
解析法
定义
解析法是通过数学公式推导，直接求解渗流 问题的方法。
优点
可以得出精确解，适用于理论研究和教学。
缺点
对于复杂的地质条件和边界条件，解析法可 能无法得出解或者求解过程非常复杂。
数值法
定义
数值法是通过离散化连续的渗流区域，用数值计算方 法求解渗流问题的方法。
优点
可以处理复杂的地质条件和边界条件，计算精度高。
缺点
计算量大，需要高性能计算机。
实验法
01
02
03
定义
实验法是通过实际测量和 观察来研究渗流问题的方 法。
优点
可以真实反映实际渗流情 况，数据可靠。
缺点
实验成本高，周期长，受 实验条件限制。
PART 05
渗流在工程中的应用
水资源开发与利用
地下水开采
利用土的渗透性，通过打井等方式抽取地下水， 满足生活和农业用水需求。
渗透性差，透水性差，保 水性好。
渗透性好，透水性强，保 水性差。
砂质土
黏质土
壤土
PART 03
渗流理论基础
达西定律
总结词
描述流体在多孔介质中流动的基本规律。
详细描述
达西定律是描述流体在多孔介质中流动的基本规律，指出流速与压力梯度成正 比，与介质阻力成反比。该定律是渗流理论基础的核心，为研究土的渗透性和 渗流提供了基础。
性质
与土的孔隙大小、连通性、数量和分 布有关。
影响渗透性的因素
01
02
03
04
土壤颗粒大小
颗粒越小，孔隙越小，渗透性 越差。
土壤颗粒排列
颗粒排列越紧密，孔隙越少， 渗透性越差。
土力学第三章：土的渗透性和渗流
vA v q vA vs Av vs nA n
孔隙率n ,则Av nA
【例3.2】 某土样采用南 55型渗透仪在实验室进 行渗透系数试验，试验高度为2.0cm ，面积30cm 2 ， 3 40 cm 160 cm 试样水头 ，渗透水量为 24h 共 ，求该土样 的渗透系数？ h 40cm 0 i 【解】水力梯度 L 2cm 20
静水 A zB
0 基准面
测管水头：测管水面到基准面的垂 zA 直距离，等于位置水头和压力水头 0 之和，表示单位重量液体的总势能 在静止液体中各点的测管水头相等
2）水力坡降 水在任意一点的总水头：单位重量水体所具有的能量
v2 h z w 2g uw
uA w
渗流的速度很小，忽略 hA 不计，则总水头：
u w
zA
0
L
B
h2 0
zB
基准面
测管水头
A点总水头： B点总水头： 水头差：
uA h1 z A w
水力坡降：
i h L
u h2 zB B w
h h1 h 2
【例3.1】渗流试验装置如图 a a b b c c 3.2，试求： （1）土样中 、 和 3个截面的压力水头和总水头； （2）截面a a 至 ， 至 及 至 c c的水头损失； c c a a b b b b （3）水在土样中渗流的水力梯度。
1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验 达西定律：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 渗透系数 k: 反映土的透水性 能的比例系数，其物理意义 为水力坡降 i ＝ 1 时的渗流速 度 ， 单 位 ： cm/s, m/s, m/day 渗透速度 v ：土体试样全断面 的平均渗流速度，也称假想
土力学课件--第二章土的渗透性及渗流
点的总水头h可用下式表示：
h = z + u v2
γw 2g
(2-1)
z —位置水头
u w
—压力水头
u h z
w
2
2
g
—流速水头，流速水头近似等于0
它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能。
03.02.2021
土力学课件--第二章土的渗
透性及渗流
几个重要的概念
总水头： h z u
03.02.2021
土力学课件--第二章土的渗 透性及渗流
学习要求
掌握：
1 土的渗透性 2 土的渗流 3 渗透力与渗透破坏 4 渗透系数的测定 5 渗流情况下的孔隙水应力和有效应力的计算
难点：渗流 重点：达西渗透定律;渗流情况下的孔隙水应力和有效应力
的计算
03.02.2021
土力学课件--第二章土的渗 透性及渗流
v vnv e 1e
03.02.2021
土力学课件--第二章土的渗 透性及渗流
二、达西渗透定律的适用条件
达西定律及其适用范围
➢只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律。
➢达西渗透定律的适用界限可以考虑为：
Revd0
满足达西渗透定律的土的平均粒径:
dR e v /0 .5m 2 m
➢对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的
03.02.2021
土力学课件--第二章土的渗 透性及渗流
§ 2.5 渗透系数的测定
渗透系数是直接衡量土的透水性 强弱的一个重要的力学性质指标。 一、实验室内测定渗透系数 可分为：常水头试验和变水头试验 （一）常水头法 是在整个试验过程中，水头保持 不变。常水头法适用于透水性强 的无粘性土。土的渗透系数：
土力学系列土的渗透性和渗流PPT课件
第23页/共47页
流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
第24页/共47页
2021/6/9
变水头渗透试验装置
第25页/共47页
3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
第3页/共47页
图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
第4页/共47页
➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
第5页/共47页
1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
第6页/共47页
2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
第42页/共47页
▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
第43页/共47页
例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
第44页/共47页
（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
第45页/共47页
流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
第24页/共47页
2021/6/9
变水头渗透试验装置
第25页/共47页
3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
第3页/共47页
图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
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➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
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1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
第6页/共47页
2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
第42页/共47页
▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
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例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
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（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
第45页/共47页
土力学-第三章土的渗透性及渗流
观测孔 r2 Q r1 r dr h h2 处过水断面积为A=2 rh,假设该处 A=2π r处过水断面积为A=2πrh,假设该处 水力梯度i为常数， 水力梯度i为常数，且等于地下水位 在该处的坡度时， 在该处的坡度时，i=dh/dr 则
q=kAi=2πrhkdh/dr qdr/r=2πkhdh
分离变量积分
代入
1 k y (i1H1 + i2 H2 + L+ in Hn ) = k1i1 = k2i2 = L = knin H
dh h1
k＝
q ln( r2 / r1 ) π h 22 − h12
q lg( r2 / r1 ) k ＝ 2 .3 π h 22 − h12 现场测试方法还有：孔压静力触探、 现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.3
渗透试验及渗透系数
土力学
3.影响渗透系数的主要因素 3.影响渗透系数的主要因素 （1）土的粒度成分 ） （2）土的密实度 ）
（5）水的温度 ）
粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小， 粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗 透系数则愈大。 透系数则愈大。
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.3
渗透试验及渗透系数
土力学
4.渗透系数k的经验确定方法（自己看书） 4.渗透系数k的经验确定方法（自己看书） 渗透系数 5.成层土的等效渗透系数 5.成层土的等效渗透系数 （1）水平渗透系数 ） 通过整个土层的总渗流量q 通过整个土层的总渗流量 x q1x k1 H1 应为各土层渗流量之总和 qx q2x q3x k2 k3 H2 H H3
q=kAi=2πrhkdh/dr qdr/r=2πkhdh
分离变量积分
代入
1 k y (i1H1 + i2 H2 + L+ in Hn ) = k1i1 = k2i2 = L = knin H
dh h1
k＝
q ln( r2 / r1 ) π h 22 − h12
q lg( r2 / r1 ) k ＝ 2 .3 π h 22 − h12 现场测试方法还有：孔压静力触探、 现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.3
渗透试验及渗透系数
土力学
3.影响渗透系数的主要因素 3.影响渗透系数的主要因素 （1）土的粒度成分 ） （2）土的密实度 ）
（5）水的温度 ）
粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小， 粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗 透系数则愈大。 透系数则愈大。
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.3
渗透试验及渗透系数
土力学
4.渗透系数k的经验确定方法（自己看书） 4.渗透系数k的经验确定方法（自己看书） 渗透系数 5.成层土的等效渗透系数 5.成层土的等效渗透系数 （1）水平渗透系数 ） 通过整个土层的总渗流量q 通过整个土层的总渗流量 x q1x k1 H1 应为各土层渗流量之总和 qx q2x q3x k2 k3 H2 H H3
土力学第三章土的渗透性ppt课件
渗透力
• 渗透力J： 指渗透水流对土颗粒的作用力。 方向：与渗透水流的运动方向一致。
• 单位体积渗透力j： 指总渗透力与试样体积之比。 方向：与总渗透力的方向一致。
j
J V
单位体积渗透力-1
• 土粒对水流的阻力： 水要流过试样，必须克服整个试样内土粒对水流的 阻力所引起的水头损失h， 这时土粒对水流阻力为：F=hA
单位体积渗透力-2
• 总渗透力： 由于土中水的渗透速度很小，流动水体的惯性力可以 不计，根据平衡条件，渗流作用于试样的总渗透力J就 等于试样中土粒对水流的阻力F，只是方向相反，即： J= F=hA
• 总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力。
• 有效应力： 指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 孔隙水压力： 指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 总应力、有效应力和孔隙水压力之间存在关系。
有效应力原理
• 有效应力原理： 指土体在外荷载作用下， 孔隙水压力和有效应力之和始终等于总应力。 孔隙水压力增加，必然引起有效应力减小； 孔隙水压力减小，必然引起有效应力增大， 增加的量和减小的量相等。
有效应力=0
总应力=h1+sath2
孔隙水应力u=h1+h2-h
则有效应力=-u=h2+h
• 与静水条件下比较：
总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力减小h， 而有效应力增加h。
稳定渗流条件下的有效应力原理-2
• 渗流从下到上： • 在a-a平面上：
土的渗透性的概念
• 水的渗透： 指水在水力坡降的作用下，流过土中连通孔隙的现象。
• 土的渗透性： 指土体具有让水透过的性能。
• 水力坡降： 指土体两端的水头与要流过的土体厚度之比。
土力学-第三章土的渗透性及渗流
aL
At2
t1 lg
h1 h2
－adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
k＝
aL
At2
t1 ln
h1 h2
天津城市建设学院土木系岩土教研系数
常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。 对于均质粗粒土层，现场测出的k值比室内试验得出的值要准确
第3章 土的渗透性及渗流
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网（了解） 3.4 渗透破坏与控制
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
第3章 土的渗透性及渗流
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网（了解） 3.4 渗透破坏与控制
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
渗流作用于单位土体的力
j
J AL
whA
AL
i
w
说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.4.2 流砂或流土现象
土力学
渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响
（3）土的饱和度
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。
（4）土的结构
细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、 大小及其分布都改变，k值就不同。扰动与击实土样的k值比原始的要小
（5）水的温度
粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗 透系数则愈大。
h v2 p z
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