土力学-第二章-土的渗流性与渗透规律1 张丙印
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经典土力学课件渗流清华张丙印
水的性质
水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k
饱和度（含气量）：封闭气 泡对k影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
天然土层多呈层状
• 确立各层土的ki • 根据渗流方向确定等效渗流系数
等效渗透系数
多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变
达西定律
渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效
渗透系数
仁者乐山 智者乐水
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性 地基的渗透系数
土的渗透性与渗透规律
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
uB w
u0pa
B
静水 A zB
0 基准面
位置水头：到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
• 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
渗透系数的测定方法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
试验条件: Δh，A，L=const 量测变量: 体积V，t
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
h
k VL
土样
L
Aht
A
Q
适用土类：透水性较大的砂性土
V
室内试验方法-常水头试验法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想
渗流速度
v
vs
v n
其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
达西定律
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
适用条件：层流（线性流动） 水 2.0
水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k
饱和度（含气量）：封闭气 泡对k影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
天然土层多呈层状
• 确立各层土的ki • 根据渗流方向确定等效渗流系数
等效渗透系数
多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变
达西定律
渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效
渗透系数
仁者乐山 智者乐水
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性 地基的渗透系数
土的渗透性与渗透规律
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
uB w
u0pa
B
静水 A zB
0 基准面
位置水头：到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
• 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
渗透系数的测定方法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
试验条件: Δh，A，L=const 量测变量: 体积V，t
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
h
k VL
土样
L
Aht
A
Q
适用土类：透水性较大的砂性土
V
室内试验方法-常水头试验法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想
渗流速度
v
vs
v n
其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
达西定律
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
适用条件：层流（线性流动） 水 2.0
土力学-土的物理性质与土的渗透性习题课2 张丙印
h
A
B 土1
C
D 土2
E
Q
滤网
智者乐水 仁者乐山
对图所示的双层土渗透试验， 试讨论下列情况下可能发生 流土的位置。
1. 渗透系数 k1 << k2 (A、B、C) 2. 渗透系数 k1 >> k2 (E) 3. 其它情况 (A、B、C）或（E）
流土发生位置的判别
13
方法及讨论 – 流网
智者乐水 仁者乐山
智者乐水 仁者乐山
基坑开挖中常遇到的 上层滞水的情况
画出作用在板桩墙上 的水压力分布。
如图中二土层的渗透 性对换则发生什么情 况？
基坑的渗流问题
6
方法及讨论 –水头分布计算方法
基坑
k=5.0×10-6 m/s
相对不 透水层
潜水位
k=5.0×10-3 m/s
相对透水层
10m
智者乐水 仁者乐山
总水头 位置水头
三相组成
22
概念及难点讨论
智者乐水 仁者乐山
土的物理性质指的是什么？ 为描述土的物理性质，引入了哪些指标？ 这些指标中哪些是基本试验指标？ 通常情况下需要几个已知量就能推算出其他物理
量？为什么？什么情况下只需要2个？ 土的各种不同的容重之间有何关系？此关系是否
跟土的含水量有关？
土的物理状态
A O
相对不
C
D
透水层
B 承压水层
E
F
相对不 相透对水不层 透水层
O’
18
方法及讨论 –达西定律
智者乐水 仁者乐山
分析：v = ki k相同时，
➢ v大，i大，水头线陡 ➢ v小，i小，水头线缓 ➢ v增，i增，水头线上凸 ➢ v减，i减，水头线下凹
土力学第二章 土的渗透性及水的渗流1
第二章土的渗透性及水的渗流引言在许多实际工程中都会遇到渗流问题。
如水利工程中的土坝和闸基、建筑物基础施工中开挖的基坑等。
通常都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定性。
当渗流的流速较大时，水流拖曳土体的渗透力将增大。
渗透力的增大将导致土体发生渗透变形，并可能危及建筑物或周围设施的安全。
因此，在工程设计与施工中，应分析可能出现的渗流情况，必要时采取合理的防渗措施。
图2.1 闸基渗流模拟图2.2 基坑渗流模拟§2.1 土的渗透定律由于土中孔隙是相互连同的，土体孔隙中的自由水会由于总水头差而产生流动，这种土体被水透过的性质，称为土的渗透性(permeability)。
一、渗透模型图2.3 水在土孔隙中的运动图2.4 渗流模型备注以土坝、闸基和基坑等大家熟悉的案例，引出本章要研究的问题，激发同学们的学习兴趣。
121. 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；2. 不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满；3. 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；4. 在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；5. 体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。
二、土中渗流的总水头与水力梯度图2.5 渗流中的位置、压力和总水头液体流动应满足：连续原理和能量方程，即伯努里(D.Bernoulli)方程。
水头：单位重量水体所具有的能量，包括动能和位能。
gv uz h 22++=ωγ A 、B 两点的总水头可分别表示为：g vu z h A AA 221++=ωγg vu z h B BB 222++=ωγ式中A z 、B z —分别表示A 点和B 点相对于任意选定的基准面的高度，代表单位重量液体所具有的位能，故称为位置水头。
B A u u 、—分别为A 点和B 点的水压力，在土力学中称为孔隙水压力。
代表单位重量液体所具有的压力势能。
备 注结合水力学内容介绍。
土力学-第二章-平面渗流与流网1 渗透力与渗透变形1 张丙印
智者乐水 仁者乐山
在流场中，流线和等势线（等 水头线）组成的网格称为流网
流线和等势线正交 绘制流网时，如使相邻流线
的和相邻等势线的 保
持不变，则流网中每一个网 格的边长比均为常数
特别的如取 = ，则每
一网格均为曲边正方形
v
+
l
s
q
+
k h l l
vl
l
q v s s
流网及其特性
6
§2.3 平面渗流与流网 –流网画法及应用
§2.3 平面渗流与流网 –求解方法
智者乐水 仁者乐山
数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程
在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定 条件下，求其近似解
数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，
近年来得到迅速地发展
电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、
直观，可以用于二维问题和三维问题
流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析
vx
φ x
ψ z
vz
φ z
ψ x
智者乐水 仁者乐山
φ x
φ z
ψ x
ψ z
1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程 2）势函数和流函数正交，一点两线的斜率互成负
倒数 3）势函数和流函数是互为共轭的调和函数，两者
均完备 地描述了同一个渗流场
势函数与流函数
5
§2.3 平面渗流与流网 –流网画法及应用
智者乐水 仁者乐山
1）确定边界条件：边界流 线和首尾等势线
2）研究水流的方向：流线 的走向
3）判断网格的疏密大致分 布
4）初步绘制流网的雏形： 正交性、曲边正方形
5）反复修改和检查
第二章土的渗透性和渗流-PPT课件
qy
qx qx dx q x qz z dz
z
q q q y x z Qq ( d x ) d t ( q d y ) d t ( q d z ) d t o u t x y z x y z
§2.2 渗流§2.2.1
渗流连续方程
假定土体孔隙在渗流过程中不变（土骨架不发生变形），孔隙水不 可压缩，则有：
h h 1 q kA 2 kAi Av L
§2.1 土的渗透性§2.1.1
Darcy（达西）定律
其中： q— 流量, 即单位时间内通过砂土试样的水量；m3/s L— 两测管间的垂直距离；m A— 砂土试样断面积；m2 h1、h2—两测管中的水头；m k — 土的渗透系数（m/s），其物理意义即：单位水力梯度下的渗透 速度 (因为当 i = 1，由达西定律知：v = k)。
j-体积力，方向与水流一致 渗透力是造成土中渗透破坏（流土、砂沸等）的根本原因。
§2.2 渗流§2.2.3
渗透力
现讨论下图示土柱：
作用在土柱上的渗透力为：
F j l A i l A w
l A ( ) 重力为： W s a t w
FW 当 即：
iwlAlA '
式中：h=h(x，y，z)-总水头，且总水头=位置水头+压力水头+流速水头 u u v2 h z h z w 又称测管水头 （可略）； w 2g kx，ky，kz-x，y，z三方向的渗透系数 2 2 2 则渗流连续方程可整理为： h h h k k k 0 x y z 2 2 2 又称稳定渗流方程 x y z 对横观各向同性土，kx=ky=kh，kz=kv
——谢康和
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：
土力学第二章土的渗透性及渗流
基坑开挖降水
井点降水
管井降水
2、渗流量的计算问题
水井渗流 Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
2、渗流量的计算问题
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
3、渗流变形的控制问题
土石坝渗流的变形控制 基坑渗流的变形控制 滑坡的渗流稳定问题
降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题
3、渗流变形的控制问题
100
饱和度 sr(%)
温度
粘滞性低
高
渗透系数的换算
k20
kT
T
渗透系数大
二、 渗透系数的测定方法
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法 井孔抽水试验
井孔注水试验
（1）常水头渗透试验constant head permeability test
由Darcy定律 v kTi
P2 = γwh1
R + P2 = W + P1
R + γwh1 = L(γ + γw) + γwhw
R = ? R = γL－ γwΔh
静水中的土体
R = γ L
渗流中的土体 R = γ L－ γwΔh
向上渗流存在时， 滤网支持力减少
总渗透力 J = γwΔh
减少的部分由谁承担？
单位体积的渗透力 j = J/V = γwΔh/L = γwi
可用雷诺数Re进行判断：
雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数
Re＜10时层流 Re ＞100时紊流 100＞ Re ＞10时为过渡区
两种特例：
（1）粗粒土：
v
土力学2.土的渗透性与渗透问题.ppt
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形
(或称渗透破坏)。如土层剥落，地面隆起，细颗放被水带出以及出现
集中渗流通道等。
(一)渗透变形的类型
土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。
1.流土 在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时
发生悬浮、移动的现象称为流土。只要水力坡降达到一定的大小，都会
这意味着引起土的体积压缩和抗剪强度发生变化的原因，并不是作 用在土体上的总应力，而是有效应力。 孔隙水压力并不能使土产 生变形和强度的变化，因为水压力在各个方向相等，均匀作用在每个土 粒上，不会使土颗粒移动，而导致孔隙体积的变化，只能使土颗粒本身 受到浮力。土颗粒本身的压缩模量 E很大，压缩可以忽略不计。另外， 水不能承受剪应力，因此孔隙水压力自身的变化也不会引起土的抗剪强 度的变化。正是因为如此，孔隙水压力也被称为中性应力。但是应当注 意，当总应力保持常数时，孔隙水压力u发生变化将直接引起有效应 力‘发生变化，从而使土体的体积和强度发生变化。
▪ 流逸出处，也可以在土体内部，故也称之为渗流的潜蚀现象
▪ 土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒
▪ 组成和结构,即几何条件；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。
▪ 1.流土可能性的判别
▪
任何土，包括粘性土或无粘性土,在自下而上的渗流逸出处，只要满
▪ 足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。
的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。显然，土粒 本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实际平均流速认应大于v。
一般称v 为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立:
经典土力学课件(渗流清华张丙印)
达西定律: qx=vxH=kx i H q1x
其中，A是试样的断面积
Q
L
Q
h1 h2
仁者乐山 智者乐水
A
透水石
达西渗透试验
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
v Q ki A
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
仁者乐山 智者乐水
试验条件: Q=const
量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？
抽水量Q
井
r2
r1
观察井
h1
h2
不透水层
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
现场测定法－抽水试验
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
计算公式：
A=2rh i=dh/dr
渗透特性 变形特性 强度特性
仁者乐山 智者乐水
• 渗流量 • 扬压力 • 渗水压力 • 渗透破坏 • 渗流速度 • 渗水面位置
土的渗透特性
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4
概述 ✓ 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§2.2 土的渗流性与渗透规律
t=t1
t=t2
h2 水头 测管 开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
பைடு நூலகம்
仁者乐山 智者乐水
在tt+dt时段内：
其中，A是试样的断面积
Q
L
Q
h1 h2
仁者乐山 智者乐水
A
透水石
达西渗透试验
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
v Q ki A
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
仁者乐山 智者乐水
试验条件: Q=const
量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？
抽水量Q
井
r2
r1
观察井
h1
h2
不透水层
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
现场测定法－抽水试验
§2.2 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
计算公式：
A=2rh i=dh/dr
渗透特性 变形特性 强度特性
仁者乐山 智者乐水
• 渗流量 • 扬压力 • 渗水压力 • 渗透破坏 • 渗流速度 • 渗水面位置
土的渗透特性
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4
概述 ✓ 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§2.2 土的渗流性与渗透规律
t=t1
t=t2
h2 水头 测管 开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
பைடு நூலகம்
仁者乐山 智者乐水
在tt+dt时段内：
土力学第2章渗流
• （二）过水断面与渗流速度
• 1.过水断面：水在饱和土体中渗流时，在 垂直于渗流方向取一个土体断面，该断面 叫过水断面。过水断面包括土颗粒和孔隙 所占据的面积，平行渗流时为平面，弯曲 渗流时为曲面。
• 2.渗流速度：单位时间通过单位面积渗流 量。在时间t内渗流通过该过水断面（其 面积为A）的渗流量为Q，渗流速度v为：
四、渗透系数的确定
• （一）经验估算法
对于砂性土，太沙基曾提出如下的经验 公式进行估算：
k 2d120e2
式中k：——渗透系数，cm/s； d10——有效粒径，mm； e——土的孔隙比。
几种； 土的渗透系数参考值见表2-1。
（二）试验测定法
常水头
渗透系数测定
室内试验
现场试验
变水头 压缩试验 抽水试验
• 1、室内渗透试验：
• （1）常水头试验：适于透水性大的砂 性土。
q Q kiA t
k Q QL tiA thA
• （2）变水头试验：适于透水性小的粘
性土。
t=t1
h1
水头
测管
水头 测管
h2
t=t2
Q
Q
土样 L
开
土样 L
开
A
关A
关
a
a
k aL ln h1 A(t2 t1) h2
• （2）改变水力条件，降低水力梯度，如 打板桩。
2.渗流（动水）力J计算公式
根据假想水柱隔离体的平衡条件，可得：
J J/ i w
动水力具有以下特征： (1)动水力是一种体积力， 量纲为KN/m3； (2)动水力与水力坡降成正 比； (3)动水力方向与渗流方向 一致。
二、流砂（土）
土力学第二章土的渗透性和渗透问题
三．渗透系数的测定及影响因素
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
A
B
L
h1
h2
zA
zB
Δh
0
0
基准面
水力坡降线
总水头－单位质量水体所具有的能量
流速水头≈0
A点总水头：
B点总水头：
总水头：
水力坡降：
一．渗流中的水头与水力坡降
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
概述
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
概述
Teton坝
渗流量
渗透变形
渗水压力
渗流滑坡
土的渗透性及渗透规律
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
扬压力
土坡稳定分析
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
§2.3 渗透力与渗透变形 Seepage force and seepage deformaton
学习目标
学习基本要求
参考学习进度
学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
掌握土的渗透定律
01
掌握二维渗流及流网绘制
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
A
B
L
h1
h2
zA
zB
Δh
0
0
基准面
水力坡降线
总水头－单位质量水体所具有的能量
流速水头≈0
A点总水头：
B点总水头：
总水头：
水力坡降：
一．渗流中的水头与水力坡降
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
概述
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
概述
Teton坝
渗流量
渗透变形
渗水压力
渗流滑坡
土的渗透性及渗透规律
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
扬压力
土坡稳定分析
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
§2.3 渗透力与渗透变形 Seepage force and seepage deformaton
学习目标
学习基本要求
参考学习进度
学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
掌握土的渗透定律
01
掌握二维渗流及流网绘制
土力学(二) 课件清华大学 张丙印
土压力分布
pp
dE p dz
d
1 2
g
z
2
K
p
dz
g zK p
§3 库仑土压力理论
三. 图解法
§3 库仑土压力理论
2. 库尔曼(C. Culmann)图解法
在图中使力三角形顶点o与墙底A重合，Ri方 向与ACi方向一致
§3 库仑土压力理论
3. 粘性土的图解法
z0
2c
Kag
W中包括 BCDE
coulomb173618061概述?什么是挡土结构物retainingstructure?什么是土压力earthpressure?影响土压力的因素?挡土结构物类型对土压力分布的影响挡土结构物及其土压力概述地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土rigidwall一一挡土结构物挡土墙用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物
２．挡土墙所受土压力的大小并不是 一个常数，而是随位移量的变化而 变化。
§1
1. 静止土压力
支撑土坡的 挡土墙
pp
dE p dz
d
1 2
g
z
2
K
p
dz
g zK p
§3 库仑土压力理论
三. 图解法
§3 库仑土压力理论
2. 库尔曼(C. Culmann)图解法
在图中使力三角形顶点o与墙底A重合，Ri方 向与ACi方向一致
§3 库仑土压力理论
3. 粘性土的图解法
z0
2c
Kag
W中包括 BCDE
coulomb173618061概述?什么是挡土结构物retainingstructure?什么是土压力earthpressure?影响土压力的因素?挡土结构物类型对土压力分布的影响挡土结构物及其土压力概述地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土地下室eeeeeeee支撑土坡的挡土墙堤岸挡土墙地下室侧墙拱桥桥台填土填土填土填土rigidwall一一挡土结构物挡土墙用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性或使部分侧向荷载传递分散到填土上的一种结构物
２．挡土墙所受土压力的大小并不是 一个常数，而是随位移量的变化而 变化。
§1
1. 静止土压力
支撑土坡的 挡土墙
土力学-第二章-土的渗流性与渗透规律3 平面渗流与流网1 张丙印
智者乐水 仁者乐山
广义达西定律：对二维平面渗流，矩阵的广义达西定律为
vx vz
kx
kzx
kxz ix
kz
iz
或简写为：
v ki
[k]一般称之为渗透系数矩阵，它是一个对称矩阵，
也即总有kxz= kzx
渗透性是土体的固有性质，不受坐标系选取的影响。
因此，[k]满足坐标系变换的规则
对应kxz= kzx=0的方向称为渗透主轴方向
广义达西定律（2） 10
§2.3 平面渗流与流网
智者乐水 仁者乐山
两种常用的简化情况：
1. 坐标轴和渗透主轴方向一致，此时kxz=kzx=0
vx
vz
kx
0
0 ix
kz
iz
vx kx ix vz kz iz
2. 对各向同性土体，恒有kxz=kzx=0，且kx=kz=k
vx vz
§2.2 土的渗流性与渗透规律 –等效渗透系数
智者乐水 仁者乐山
已知条件:
ij
i
Δh L
H Hj
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqjx=Σkj ij Hj
等效条件: qx qjx
h
x
1
d=1.0
2
q1x k1 H1 q2x k2 H2 q3x k3 H3
kx H
1
L
2
等效渗透系数:
定律 渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效 渗透系数
智者乐水 仁者乐山
• 总水头=位置水头+压力水头 • 水头是渗流的驱动力
• 达西定律 • 渗透系数、渗透速度 • 达西定律的适用条件
• 常水头试验 • 变水头试验 • 抽水试验 • 渗透系数影响因素
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v
vs
v n
其中，vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
达西定律 30
智者乐水 仁者乐山
uB γw
u0pa
B
静水 A zB
0 基准面
位置水头：到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
uA 压力水头：水压力所能引起的自由
γw
水面的升高，表示单位重量液体所
具有的压力势能
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
25
§2.2 土的渗流性与渗透规律 – 水头
智者乐水 仁者乐山
板桩墙 基坑
A
B L
透水层 不透水层
渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方 程、动量方程
渗流中的水头与水力坡降
26
§2.2 土的渗流性与渗透规律 – 水头
智者乐水 仁者乐山
总水头：单位重量水体所具有的能量
h z u v γw g
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）
渗流的总水头： h z u γw
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
uA γw
hA zA
A
9
§2.1 概述– 基坑渗流问题
智者乐水 仁者乐山
广州京广广场基坑塌方
10
§2.1 概述– 基坑渗流问题
智者乐水 仁者乐山
珠海祖国广场基坑失事
11
§2.1 概述– 水井渗流问题
天然水面
透水层 不透水层
Q
水井渗流
智者乐水 仁者乐山
渗流问题： 1. 渗流量Q？ 2. 降水深度？
12
§2.1 概述– 渠道渗流问题
智者乐水 仁者乐山
v
Q A
k
i
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
渗流速度
智者乐水 仁者乐山
土是一种碎散的多孔介质， 其孔隙在空间互相连通。当 饱和土中的两点存在能量差 时，水就在土的孔隙中从能 量高的点向能量低的点流动
渗流 土颗粒 土中水
水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等流体透过的性质称为土的渗透性
土体中的渗流
5
§2.1 概述 - 土坝渗流问题
智者乐水 仁者乐山
• 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失
i Δh L
水力坡降
28
§2.2 土的渗流性与渗透规律 –达西定律
1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
Q
A
Δh L
或：Q kAi
其中，A是试样的断面积
Q
L
Q
h1 h2
智者乐水 仁者乐山
A
透水石
达西渗透试验
29
§2.2 土的渗流性与渗透规律 –达西定律
B L
基准面
渗流问题的水头
27
§2.2 土的渗流性与渗透规律 – 水头
智者乐水 仁者乐山
•
A点总水头：hA
zA
uA γw
•
B点总水头：hB
zB
uB γw
• 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
uA γw
hA zA
水力坡降线
A
B L
基准面
Δh
uB
γw hB zB
Δh hA hB
• 注意把握土是散粒多孔介质这一特点
2
第二章：本章概要
智者乐水 仁者乐山
本章作业：
2-1 2-2 2-4 2-5 2-7 2-9 2-10（自由选做题）
3
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4
概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§2.1 概述
智者乐水 仁者乐山
原地下水位
渗流时地下水位
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 地下水影响
范围？
渠道或河流渗流
13
§2.1 概述– 滑坡泥石流
智者乐水 仁者乐山
渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程？
降雨入渗引起的滑坡
14
§2.1 概述– 滑坡泥石流
智者乐水 仁者乐山
易贡巨型滑坡
（时间2000年4月9日）
19
§2.1 概述– 渗流问题
• 挡水建筑物 • 集水建筑物 • 引水结构物 • 基础工程 • 地下工程 • 边坡工程
渗透特性 变形特性 强度特性
智者乐水 仁者乐山
• 渗流量 • 扬压力 • 渗水压力 • 渗透破坏 • 渗流速度 • 渗水面位置
土的渗透特性
20
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4
流漫顶溃口
预案三：在右岸山体垭口开溢洪道，改造堆
积体成坝，堰塞湖成库
最终采用预案二
易贡滑坡处理预案
18
§2.1 概述– 滑坡泥石流
智者乐水 仁者乐山
武警部队等700多名抢险人员，奋战
33天，降低堆积体过水高程24.1m， 减少拦存湖水约20亿m3
泄洪时易贡湖库容量已达30多亿立
方米
易贡滑坡处理结果
在静止液体中各点的测管水头相等
位置、压力和测管水头
23
§2.2 土的渗流性与渗透规律 – 水头
水往低处流
速度v
水往高处“跑”
压力u
智者乐水 仁者乐山
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
流速：水具有的动能 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
24
§2.2 土的渗流性与渗透规律 – 水头
《土力学1》之第二章
土的渗透性和渗流问题
张丙印
清华大学土木水利学院 岩土工程研究所
第二章：本章概要
第二章：土的渗透性和渗流问题
本章提要
• 土的渗透性和渗透规律 • 平面渗流及流网 • 渗透力与渗透变形
本章特点 • 有严格的理论（水流的一般规律）
• 有经验性规律（散粒多孔介质特性）
学习要点 • 注意对物理概念和意义的把握
概述 ✓ 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§2.2 土的渗流性与渗透规律
水头与水力坡降 土的渗透试验与
达西定律
渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效
渗透系数
智者乐水 仁者乐山
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性 一维渗流计算
土的渗透性与渗透规律
22
§2.2 土的渗流性与渗透规律 – 水头
§2.1 概述– 滑坡泥石流
智者乐水 仁者乐山
西藏易贡巨型高速滑坡
16
§2.1 概述– 滑坡泥石流
湖水每天上涨50cm！
智者乐水 仁者乐山
易贡巨型滑坡现场
17
§2.1 概述– 滑坡泥石流
智者乐水 仁者乐山
预案一：加强监测，上、下游移民工作，库
满自溢漫顶溃口
预案二：在堆积体最低处开渠引流，水库溢
防渗体
坝体 浸润线
透水层 不透水层
渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？
土石坝坝基坝身渗流
6
§2.1 概述 - 土坝渗流问题
智者乐水 仁者乐山
土坝，高90m， 长1000m， 1975年建成， 次年6月失事
原因
渗透破坏：冲蚀 水力劈裂
土坝渗流破坏实例-Teton坝
7
§2.1 概述 - 土坝渗流问题
规模：滑坡体自3330m的
雪峰滑下，历时10分钟。 堆积体长、宽各约2500m， 均厚60m，体积约3亿m3
西藏
拉萨 雅鲁藏布江
不丹
孟加拉
印度
险情：堵塞易贡藏布成堰
塞湖，湖面积22km2。水
位上涨0.5m/天。预计上
涨至堆积体顶时，拦存湖
缅甸
水将达40亿-60亿m3
滑坡实例 - 易贡巨型滑坡
15
九江大堤决口
1998年8月7日发生管涌险情， 很快形成宽62m的溃口
智者乐水 仁者乐山
1993美国密西西比
堤基管涌
录像： 密西西比 堤基管涌
土堤管涌破坏实例
8
§2.1 概述– 基坑渗流问题
智者乐水 仁者乐山
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
板桩围护下的基坑渗流
智者乐水 仁者乐山
质量 m 压力 uห้องสมุดไป่ตู้流速 v
0 基准面
u γw
z
0
位置势能： mgz
压力势能： 动能：
mg u γw
m v2
总能量： E mg z mg u mv 2 γw
单位重量水流的能量： h z u v2 γw 2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头