第3章 土的渗透性及渗流

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土力学课件(3土的渗透性与渗流)详解

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

第3章 土的渗透性和渗流

第3章  土的渗透性和渗流
板桩墙
基坑
渗流问题 1.渗流量(降水办法) 2.渗透破坏(流砂)
透水层 不透水层
§3.1 概 述
土坝蓄水后水透
土石坝坝基坝身渗流 过坝身流向下游
防渗体
坝体 浸润线
渗流问题: 1.渗流量? 2.渗透破坏?
透水层
3.渗透力?
不透水层
§3.1 概 述 水井渗流
Q 天然水面
透水层
不透水层
渗流问题: 1.渗流量Q? 2.降水深度?
土愈密实,k值得愈小。试
• 土的密实度
验表明,对于砂土,k值对数与孔
• 土的饱和度
隙比及相对密度呈线性关系;对
• 土的结构和构造 粘性土,孔隙比对k值影响更大。
(2)水的性质
§3.2 土的渗透性
4.影响土的渗透系数主要因素
(1)土的性质
• 粒径大小及级配 • 土的密实度
• 土的饱和度 • 土的结构和构造
第3章 土的渗透性和渗流
§3.1 概

§3.2 土的渗透性
§3.3 土中二维渗流及流网
§3.4 渗透破坏与控制
§3.1 概 述
土是一种三相组成的多孔介质,其孔隙在空 间互相连通。如果存在水位差的作用,水就会在 土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。
水等液体在土体孔隙中
流动的现象称为渗流。
土具有被水等液体透过
k1
h1 L1
k2
h2 L2
已知:L1=L2=40cm, k1= 2k2,故2△h1= △h2 ,
代入△h1+△h2 = △h=30cm得:
△h1=10cm,△h2 = 20cm
由此可知,测压管中的水面将升至右端水面以上10cm处。

3 土力学(permeability)土的渗透性及渗流

3 土力学(permeability)土的渗透性及渗流

各类土的渗透系数
k反映了土渗透性的强弱
砾砂、粗砂 中砂 细砂、粉砂 粉土 粉质黏土 黏土
10-3~10-4 m/s
10-4~10-5 m/s
10-5~10-6 m/s
10-6~10-8 m/s
10-8~10-9 m/s
10-9~10-12 m/s
砂、砾的透水性强,可以起到排水作用; 粘性土的透水性弱,可以起到截水的作用。 砾砂、粗砂、中砂属强透水材料,粉、细砂属中透水性材料, 粉土属弱透水材料,粉质粘土属于基本不透水材料, 粘土属于不透水材料。
不透水层
成层地基竖向等效渗透系数
Equivalent permeability determination- ertical flow in stratified soil
kV eq H H1 H 2 H 3 Hn kV kV kV kV 1 2 3 n
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝
浸润线
渗流量
透水层
不透水层
渗透变形
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
渗水压力
渗流量
基坑
透水层 不透水层
渗透变形
扬压力
水井渗流
Q
天然水面
透水层
渗流量
不透水层
渠道渗流
渗流量
渗流时地下水位
原地下水位
土的渗透性及渗透规律
渗流量
渗透力与渗透变形
渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 多雨地区边坡
依据(b) 达西定律 v = ki Kozen-Carman公式表达式

土的渗透性及水的渗流

土的渗透性及水的渗流

m
kjH j
j 1
三、渗透系数的室内测定
渗透系数不能用理论方法求得,只能通过试验确定。
测定k值室内方法:定水头法、变水头法。
(1)定水头法
保持总水头差Δh不变,在t时间内,量得透过土样的
水量为Q,求k:
注水
根据达西定律
v Q ki k h
t.A
L
k QL A t h
L
h
适用于粗颗粒土,如中砂、粗砂
uA
i h L
△h代表单位重量液体从A点向B点流动时, 为克服阻力而损失的能量。
水力梯度:
水力坡降i 的物理意义为单位渗流长度上的 水力损失。
L为A、B两点间的渗流途径。
2024/11/15
例2-1 如图,求
一.a-a、b-b、c-c静水头 和总水头。
二.a-a至c-c,a-a至b-b,bb至c-c的水头损失;
例题:某基坑在细砂层中开挖,经施工抽水,待水位稳定后, 实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供;细砂层有关 物理力学性质指标如下:
sat 18.7kn / m3
k 4.5102 m m/ s
试求渗透水流的平均速度和 动水力(渗透力),并判断是 否会产生流砂现象?
5.5m
细砂层
分析:1 v ki
v—断面平均渗透速度, 单位m/s或m/d; k—土的渗透系数 单位同v.
流速与水力梯度的 关系-砂土 砂土的水力梯度与 渗透速度呈线性关 系,符合达西渗透 定律。
适用范围:适用于层流范围,如砂土和一般的粘性土, 很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。
单位时间流过土截面A的水量q
流速与水力梯度的关系-粘土
则渗透系数k:
2.3 q lg( r2 )

第三章 土的渗透性及渗流讲解

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

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。

第3章:土的渗透性及渗流

第3章:土的渗透性及渗流

• 基本概念
渗透---土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透 渗透---土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透。 土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透。 渗透性---土体具有被水透过的性质称为渗透性 土体具有被水透过的性质称为渗透性; 渗透性---土体具有被水透过的性质称为渗透性; 渗流---水在土孔隙中的流动问题称为渗流 水在土孔隙中的流动问题称为渗流。 渗流---水在土孔隙中的流动问题称为渗流。 渗透与渗流的基本问题: 渗透与渗流的基本问题: (1)渗流量问题 (2)渗透破坏问题 (3)渗流控制问题
适用:中砂、细砂、粉砂等,粗砂、砾石、卵石等粗颗粒不适用
• 公式应用的假定
• 按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速 , 它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。 它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。实际 上 ,水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速 要大得多, 要大得多,如均质砂土的孔隙率为 n,则他们之间的关系 为
3.3 渗透破坏与控制 水在土中渗透时,由于水具有一定的流速, 水在土中渗透时,由于水具有一定的流速, 必然受到土颗粒的阻力作用。 必然受到土颗粒的阻力作用。根据作用力 与反作用力的原理, 与反作用力的原理,水流必然也对土颗粒 有一个大小相等,方向相反的作用力。 有一个大小相等,方向相反的作用力。 • 渗透力---渗流作用在单位体积土体中土颗 渗透力---渗流作用在单位体积土体中土颗 粒上的作用 作用力 粒上的作用力(kN/m3),作用方向与水流 方向一致。 方向一致。
• 层状地基的等效渗透系数 大多数天然沉积土层是由渗透系数不同的层土所组 宏观上具有非均质性。 成,宏观上具有非均质性。
厚度等效
层状土层
渗透系数等效
单一土层

土的渗透性(最新)

土的渗透性(最新)

3.2 土的渗透性
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 土的饱和度 • 结构和构造
水的温度
水的动力粘滞系数: 温度,水粘滞性,k
(JTJ051-93)采用标准 温度200下的渗透系数:
k20

T 20
kT
影响渗透系数的因数
1.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 含量愈多时,砂土的渗透系数就会大大减小。
ib
i
密实粘土
3.2 土的渗透性 三、渗透系数的测定及影响因素 1. 测定方法
室内试验测定方法 野外试验测定方法
常水头试验法 变水头试验法
井孔抽水试验 井孔注水试验
3.2 土的渗透性
室内试验方法1—常水头试验法
试验装置:如图
试验条件: Δh,A,L=const
h 土样
L
量测变量:渗水量Q,t
能量方程
二.渗透试验与达西定律
渗流速度的规律
三.渗透系数的测定及影响因素
渗透特性
四.层状地基的等效渗透系数 地基的渗透系数
3.2 土的渗透性 一、渗流中的水头与水力坡降
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
3.2 土的渗透性
3.3 二维渗流及流网
3.渗流量计算
A
总水头差: △ H 相邻等势线之间的水头 H
△H
l
b
D
B
损失为:h H / N d
b
l
C
每个流槽的渗流量:
0
0
q Aki (b 1) k h k H b

土力学-第三章土的渗透性及渗流

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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§3.1 概述
板桩维护下的基坑渗流 坝身坝基中的渗流
水井渗流 沟渠渗流
图3.1 渗流示意图
§3.1 概述 土的渗透性研究主要包括以下三个方面
1. 渗流量问题: 基坑开挖或施工围堰的渗水及排水量计算、土 坝渗水量计算、水井供水量或排水量计算等。 2. 渗透破坏问题: 土中渗流会对土颗粒施加渗透力,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。如滑坡、溃坝、地下水 开采引起地面下沉。 3. 渗流控制问题: 当渗流量或渗透变形不满足设计要求时,要研 究如何采取工程措施进行渗流控制。
达西定律中的渗透速度是一种假想的平 均流速 ,它假定水在土中的渗透是通 过土体截面来进行的 。
第三章 土的渗透性
达西渗透定律的适用条件 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: R
e
vd 1.0(3-5)
满足达西渗透定律的土的平均粒径:
d Re/ v 0.52m m
现场试验
经验值:
变水头渗透试验 抽水试验
注水试验
各种土的渗透系数参考值
土的名称 致密粘土 粉质粘土 粉土、裂隙粘土 粉砂、细砂 中砂 粗砂、砾石 渗透系数 (cm/s) <10-7 10-6~10-7 10-4~10-6 10-2~10-4 10-1~10-2 102~10-1
1. 室内渗透试验测定渗透系数
5. 成层土的等效渗透系数
h
H1 Hi
水平成层土
由达西定律 qix kix iix Ai kix iix H i 1 kix iix H i
qx k x i x
H
k1x
q1x
k ix
k nx
q ix
q nx

i 1
n
Ai k x i x

i 1
n
H i k x ix H
流线、等势线正交
得性质2
q q kh
即表示通过各流槽的流量相等
可知,曲正方形流网特性有: •相邻等势线间的水头损失相等; •各流槽的渗流量相等; •等势线越密的部位,水力梯度越大; •流线越密的部位,流速越大。
3、等势线和流线 设复变函数
§ 3.3.1 二维渗流方程
x iz (i 2 1)
f () ( x, z) i( x, z)
根据正则条件得
2 2 2 2 2 0 2 xz xz x z 2 2 2 2 0 xz xz x 2 z 2
( 3-6)
也就是说,对于比粗砂更细的土来说,达西渗透定律一般是适用的, 而对粗粒土来讲,只有在水力坡降很小的情况下才能适用。
§3.2 土的渗透性
§ 3.2.2 土的层流渗透定律 — 达西定律
§3.2 土的渗透性
确定渗透系数 k 的方法
§ 3.2.3 渗透试验及渗透系数
常水头渗透试验
室内渗透试验
微元体中水的流动
§3.3 土中二维渗流及流网
2、拉普拉斯方程
§ 3.3.1 二维渗流方程
h vz k z z
根据达西定律,对于各向异性土:
h vx k x , x
kx 2h x
2
h vy ky , y
2h y
2
ky
kz
2h z
2
0
设土中水的流动各项同性(kx=ky=kz= k)且k为常数,得
2h x
2

2h y
2

2h z
2
0
(拉普拉斯方程)
§3.3 土中二维渗流及流网
§ 3.3.1 渗流方程
对于X—Z平面内的二维渗流,有 各向异性土:
kx
各项同性土:
2h x
2
kz
2h z
2
0
2h x
2

2h z
2
0
(拉普拉斯方程)
§3.3 土中二维渗流及流网
常水头渗透试验 适于渗透性较强的土
试验装臵:基马式渗透仪(70型渗透仪))
1. 室内渗透试验测定渗透系数
dQ a(dh) k h Adt l
土试料的透水量=测压管中水下降的体积

t2
t1
dt

h2
h1
aL dh kA h
(t 2 t1 )
h aL h2 ln a ln 1 kA h1 h2
所以
h1 aL k ln A(t 2 t1 ) h2
h1 2.3aL k lg A(t 2 t1 ) h2
变水头渗透试验 适于渗透性较差的黏性土
试验仪器:南55型渗透仪
2. 现场测定渗透系数
dh A 2rh, i dr Q dh q Aki k (2rh) t dr
§3.1 概述
滑 坡
§3.1 概述
溃 坝
§3.1 概述
管 涌
§3.1 概述
防渗墙
防渗墙 防渗墙射水法施工
§3.1 概述
管涌的治理
蓄水反压
反滤围井
反滤倒渗
§3.2 土的渗透性
§ 3.2.1 渗流基本概念
水在土中渗流是由水头差引起的。
v2 p 总水头 h z 2g w
p: 水压
r2
r
抽水量Q 试验井
观察井
r1
r2 dh h1 dr h h2
q

r1
dr 2k hdh r
h1
h2

地下水位≈测压管水面
不透水层
q ln
r2 k (h2 2 h12 ) r1
所以
k 2.3
2 (h2 h12 )
q lg(r2 / r1 )
现场抽水试验
3. 影响渗透系数的主要因素
h
k
i 1
n
qiy
iy A
Hi
h
i 1
n
ห้องสมุดไป่ตู้所以
ky H
n
i
又整个土层总的单位渗水量qy 与各土层单位渗水量相等 q y qiy

i 1
Hi k iy
特别透水土 层和特别不 透水土层对 整个土层渗 透性的影响 如何?
水平成层土的平均渗透系数将取决于 最透水土层的厚度和渗透性
水温
各种土的渗透系数参考值
土的名称 致密粘土 粉质粘土 粉土、裂隙粘土 粉砂、细砂 中砂 粗砂、砾石 渗透系数 (cm/s) 4. 渗透系数的经验确定方法(自学) <10-7 10-6~10-7 10-4~10-6 10-2~10-4 10-1~10-2 102~10-1
各种土的渗透系数及测定方法
h
总水头
p
w
z
位臵水头
压力水头
水头差 h hA hB
h 水力梯度 i L
§3.2 土的渗透性
§ 3.2.2 土的层流渗透定律 — 达西定律
v=ki
式中: v — 水在土中的渗透速度,cm/s, 是在单位时间内通过单位土截面 (cm2)的水量(cm3)。 i — 水力梯度。 k — 渗透系数,cm/s,表示水通过 的难易程度,可由试验确定。
Hn
因为各层的水力梯度相等
所以 特别透水土 k xix H kixi x H i 层和特别不 i 1 透水土层对 整个土层渗 n kix H i 透性的影响 如何? k x i 1
iix ix
又整个土层总的单位渗水量qn 为各土层单位渗水量之和
qx

n
q
i 1
n

ix
H
5. 成层土的等效渗透系数
Q h q vA kiA k A t L
所以
QL k Aht
式中:q—单位时间的透水量, cm3/s Q—透水量, cm3 t —透水时间,s v —渗流速度, cm/s A—透水断面积, cm2 k—渗透系数, cm/s i —水力梯度 Δh —水位差,cm L —渗流路线长, cm
即 和 满足二维拉普拉斯方程
称为势函数 取 h, 把 h 常数的线叫等势线
h h 1 d dx dz dx dz dx dz (vz dx vx dz) x z z x z x k
在 常数的线上 d 0 所以
即流线与等势线正交。
等势线与流线正交
与等势线类似的山的等高线
§3.3 土中二维渗流及流网
§ 3.3.2 流网特征与绘制 • 渗流场中任一点的水头是其坐标的函数,因此求 解渗流问题的第一步就是先确定渗流场中各点的 水头,亦即求解渗流基本微分方程 • 满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线, 一组称为等势线(各点总水头相等),另一组称 为流线(表示渗流的方向),等势线和流线交织 在一起形成的网格叫流网 • 只有满足边界条件的那一种流线和等势线的组合 形式才是拉普拉斯方程的正确解答
dz
dx
vx
流出单元体的流量:
v y v x dqo (v x )dydz (v y )dxdz x y v x (v z z )dxdy z
0
vy
dy
vy
v y y
y
dy
vx
v x dx x
vz
dqe dqo
v x v y v z 0 x y z
对于各向同性渗流,流网具有下 列特征: • 流线与等势线彼此正交; • 每个网格的长宽比为常数, 当长宽比为1时(常用), 这时的网格就为曲正方形, 流网为曲正方形流网。 曲正方形流网 曲矩形流网
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