(完整版)第二章土的渗透性和渗流问题要点

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土渗透性及渗流

土渗透性及渗流
常水头试验法
变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验
渗透系数的室内测定 渗透系数的现场测定
(1) 常水头渗透试验
是指在整个试验过程中保持土样 两端水头不变的渗流实验。
Q vAt kAth / L
QL kT At h
h
A
土样
L Q V
对于黏性土,由于其渗透系数较小故渗水量较小, 用常水头渗透试验不易准确测定。因此,对于 渗透系数小的土可用变水头试验。
w
B
hB
L
zB
水头梯度(坡降) hydraulic gradient
i
hA hB h L L
水流损失与渗流路径长 度之比
二、地下水的运动方式和判别
地下水是指地下水位以下的重力水
按地下水的流线形态分类 1、层流 2、湍流 按水流特征随时间的变化状况分类 1、稳定流运动 2、非稳定流运动 按水流在空间上的分布状况分类 1、一维流动 2、二维流动 3、三维流动
(紊流)
地下水的渗流速度与 水力梯度成非线性关系
两种特例:
(1)粗粒土: ①砾石类土中的渗流常不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s v
v vcr
o
v ki m (m 1)
i
(2)粘性土: 致密的粘土 i > i0 修正:v = k(i - i0 )
o i0
i
五、 渗透系数的测定及其影响因素
渗流问题 土的渗透性 及渗透规律


三、达西定律
四、达西定律的适用范围 五、渗透系数的测定及其影响
因素
1. 水在土中渗流会使土的强度发生变化,引起土体变形,甚至影响建筑地基的 稳定。 2. 在层流渗透情况下,砂土中水的渗流服从达西定律,即水的渗流速度与水力 梯度呈正比。 3. 渗透系数是土的基本力学性能指标之一,用来表征土体被水透过的性能,渗 透系数可通过室内试验或现场试验测定。

土力学 第2章 土的渗透性

土力学 第2章 土的渗透性

n Vv Av 1 Av V A1 A
A > Av
v

vs

v n
Vs=q/Av V=q/A
(3)适用条件
v
层流(线性流):大部分砂土,粉土;
疏松的粘土及砂性较重的粘性土。
o
v=k i
v
v ki (a) 层流 i
(4)两种特例
密实粘性土:近似适用: v=k(i - i0 ) ( i >i0 ) i0:起始水力梯度
选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1,利用式(2-11)计算出相 应的渗透系数k,然后取其平均值作为该土样的渗透系数。
2. 现场井孔抽水试验
(1)室内试验的优缺点 优点:设备简单、操作方便、费用低廉。 缺点:取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土,导致室内
测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。
☆水工建筑物防渗
一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗,延长渗径;下 游通畅渗透水流,减小渗透压力,防止渗透变形。
☆基坑开挖防渗
工程实例:
2003年7月1日,上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍 塌事故,防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、造成 三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。
(2-34)
式中Fs为流土安全系数,通常取1.5~2.0。
பைடு நூலகம்
流土
(2)管涌(潜蚀) 定义:在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中
发生移动并被带出的现象。 长期管涌破坏土的结构,最终导致土体内形成贯通的渗流 管道,造成土体坍陷。
管涌(土体内部细颗粒被带走)
管涌破坏(土体坍塌)
◆判别
①土类条件

第2章 土的渗透性与渗透变形

第2章 土的渗透性与渗透变形
【解答】 临界水力坡降
d s 1 2.68 1 icr 0.92 1 e 1 0.82
[i ] icr 0.92 0.37 K 2 .5
允许水力坡降
由于实际水力坡降i <[i],故土坝地基出口处土体不会发生 流土破坏
31
渗流工程问题与防治措施
渗流工程问题
土力学中与渗透有关的几个重要内容
土体固结的速度 边坡、挡土墙、堤坝的抗滑稳定性 地下施工时的降水 土坝的抗渗透破坏稳定性
3
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 土石坝 浸润线
透水层
不透水层
4
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层
不透水层
5
水井渗流
Q
天然水面 透水层
不透水层
6
渠道渗流
渗流时地下水位
Qx k xiH
ix
Q
i 1
n
k1iH1 k2iH 2 kniH n
整个土层与层面平 行的等效渗透系数
1 kx H
k H
i 1 i
n
i
20
2.垂直渗透系数
Qy
根据水流连续定理,通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量
H1
H2 H
k1
k2 k3
Q1y
Q2y Q3y
管内减少水量=流经试样水量
-adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
南55渗透仪·
16
3.现场实验——现场抽水实验
以不变的速率连续抽水,形成降水漏斗 假定:水流为水平流向 流向水井的渗流过水断面为同心圆柱面
地下水进入抽水井的流量与抽 水量相等且维持稳定时,测定 相关数据,计算土层平均k

2 土力学 第二章 土的渗透性及水的渗流

2 土力学 第二章 土的渗透性及水的渗流
作用方向与渗流方向一致!
二、临界水力梯度及渗透破坏 当土中水向上渗流时,渗透力垂直向上而与土样重力方向相反,若渗透力 等于土样浮度,即
j = iγ w = γ , 得临界水力梯度: i cr =
γ' γw
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
因此,若土中水向上渗流: ⑴若i>icr,会发生流土破坏,即“管涌”; ⑵若i=icr,流土处于临界状态,即“悬浮”; ⑶若i<icr,不会发生流土破坏。
h = z + hW + hV
由于水在土中渗流的速度一般很小,hv≈0,因此
h = z + hW = z +
u
γw
式中 u为该点的静水压力
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
A、B两点的总水头可分别表示为:
hA = z A +
γω
uA
; hB = z B +
γω
uB
A、B两点间的总水头差:
作业题:P54: 2-7,2-9 补题1:什么是渗透力、临界水力梯度?
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流 §2.1 土的渗透定律
土的渗透性: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、土中渗流的总水头与水力梯度 土中一点的总水头由三项组成:势水头 z、静水头hw和动水头hv,即:
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
二、成层土的平均渗透系数 成层土渗透系数的计算方法见P43 三、渗透系数的室内测定方法 渗透系数k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: 根据达西定律

土的渗透性及渗流

土的渗透性及渗流

x
§2 土旳渗透性和渗流问题 §2.3 平面渗流与流网
一. 平面渗流旳基本方程及求解 1. 基本方程
▪ 连续性条件
dqe vxdz vzdx
dqo
(vx
v x x
dx)dz
(vz
v z z
dz)dx
dqe dqo
vx vz 0 x z
z
vz
vz z
dz
vx
v
x
vx x
dx
vz
x
▪ 达西定律
§2 土旳渗透性和渗流问题 §2.3 平面渗流与流网
二.流网旳绘制及应用
▪ 流 网——渗流场中旳两族相互正交曲线——等势线和流线所形成旳 网络状曲线簇。 ▪ 流 线——水质点运动旳轨迹线。 ▪ 等势线——测管水头相同旳点之连线 。 ▪ 流网法——经过绘制流线与势线旳网络状曲线簇来求解渗流问题。
△h
第二章 土旳渗透性和渗流问题
§2 土旳渗透性和渗流问题
2.1 概述
碎散性
多孔介质
三相体系
孔隙流体流动
能量差
水、气等在土体孔隙中流动旳现象
渗流
土具有被水、气等液体透过旳性质
渗透性
渗透特征 强度特征 变形特征
非饱和土旳渗透性 饱和土旳渗透性
§2 土旳渗透性和渗流问题 2.1 概述 土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 不透水层
土石坝
浸润线
透水层
渗流量 渗透变形
§2 土旳渗透性和渗流问题 2.1概述 板桩围护下旳基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形 扬压力
§2 土旳渗透性和渗流问题 2.1 概述 水井渗流

第二章土的渗透性及水的渗流

第二章土的渗透性及水的渗流

上层滞水: 埋藏在地表浅处,局部隔水透镜体 上部,且具有自由水面的地下水。
地下水按埋藏 条件分为:
潜水:埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上 的具有自由水面的地下水。
承压水:是指充满于两个稳定隔水层之间的含 水层中的地下水。
3
2.1 概述
不饱和土 饱和土
毛细水(地下水位以上) 地下水位(潜水)
上层滞水
31
解:(1)B截面上v1=v2
h2 h1
h wB h wA
m
h wC=5m
m
B
m
A
m
C
32

v1

k1i1

k1
(hwB 1) 1

k1 (hwB
1)
(1)

v2

k2i2

k2
hwC
1.2 1.2

hwB
(2)

(1)=(2),hwc=5m,有
hwB

3.8k2 1.2k1 1.2k1 k2
于是,根据有效应力原理,a-a平面上的有效应力为
由此可见,在静水条件下,孔隙水应力等于研究平面上单位面积的 水柱重量,与水深成正比,呈三角形分布; 有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量,与土层深度成 正比,也呈三角形分布,而与超出土面以上静水位的高低无关。
三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力
饱和粉土1:i

h l

(2.12
1)
/1
1.12

icr
34
小结
概述
渗流问题
土的渗透性 及渗透规律
渗流中的水头与水力坡降 渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素

土的渗透性和渗流问题

土的渗透性和渗流问题

第二篇 土力学第四章 土的渗透性和渗流问题第一节 概述土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的,而土中的孔隙具有连续的性质,当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时,水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。

渗透:在水头差作用下,水透过土体孔隙的现象渗透性:土允许水透过的性能称为土的渗透性。

水在土体中渗透,一方面会造成水量损失,影响工程效益;另一方面将引起土体内部应力状态的变化,从而改变水土建筑物或地基的稳定条件,甚者还会酿成破坏事故。

此外,土的渗透性的强弱,对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。

本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律,以及渗透力渗透变形等问题。

第二节 土的渗透性一、土的渗透规律——达西定律(一)渗流中的总水头与水力坡降液体流动的连续性原理:(方程式)dw v dw v w w ⎰⎰=2211 2211v w v w =1221w w v v = 表明:通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的;或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。

前提:流体是连续介质流体是不可压缩的;流体是稳定流,且流体不能通过流面流进或流出该元流。

理想重力的能量方程式(伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。

)c gv r p Z =++22饱和土体空隙中的渗透水流,也遵从伯努利方程,并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。

水头:实际上就是单位重量水体所具有的能量。

按照伯努利方程,液流中一点的总水头h ,可以用位置水头Z ,压力水头U/r w 和流速水 头V 2/2g 之和表示,即gv r u Z h w 22++= 4-1 此方程式中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能,而其量纲都是 长度。

教材P37图22表示渗流在水中流经A ,B 两点时,各种水头的相互关系。

按照公式(4-1),A,B 两点的总水头可分别表示为:gv r u Z h A w A A A 22++= gv r u Z h B w B B B 22++= h h h B A ∆+=式中:Z A ,Z B :为A ,B ,两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(位置高度)故称Z 为位置水头。

《土力学》教案——第二章 土的渗透性和渗透问题

《土力学》教案——第二章  土的渗透性和渗透问题

教学内容设计及安排第一节达西定律【基本内容】渗透——在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象。

渗透性——土具有被水透过的性能。

一、达西定律v =ki =k Lh或用渗流量表示为q =vA =kiA式中 v ――渗透速度,cm/s 或m/d ;q ――渗流量,cm 3/s 或m 3/d ;i =h /L ――水力坡降(水力梯度),即沿渗流方向单位距离的水头损失,无因次; h ――试样两端的水头差,cm 或m ; L ――渗径长度;cm 或m ;k ――渗透系数,cm/s 或m/d ;其物理意义是当水力梯度i 等于1时的渗透速度; A ――试样截面积,cm 2或m 2。

【注意】由上式求出的v 是一种假想的平均流速,假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的。

水在土体中的实际平均流速要比达西定律采用的假想平均流速大。

二、达西定律的适用范围与起始水力坡降对于密实的粘土:由于结合水具有较大的粘滞阻力,只有当水力梯度达到某一数值,克服了结合水的粘滞阻力后才能发生渗透。

起始水力梯度――使粘性土开始发生渗透时的水力坡降。

(a ) 砂土 (b ) 密实粘土 (c )砾石、卵石粘性土渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律而呈非线性关系,如图(b )中的实线所示,常用虚直线来描述密实粘土的渗透规律。

()b i i k v -= (2-3)式中 i b ――密实粘土的起始水力坡降;对于粗粒土中(如砾、卵石等):在较小的i 下,v 与i 才呈线性关系,当渗透速度超过临界流速v cr 时,水在土中的流动进入紊流状态,渗透速度与水力坡降呈非线性关系,如图(c )所示,此时,达西定律不能适用。

第二节 渗透系数及其确定方法【基本内容】一、渗透试验1.常水头试验常水头试验适用于透水性大(k >10-3cm/s )的土,例如砂土。

常水头试验就是在整个试验过程中,水头保持不变。

试验时测出某时间间隔t 内流过试样的总水量V ,根据达西定律At LhkkiAt qt V === 即 hAtVL k =2.变水头试验粘性土由于渗透系数很小,流经试样的总水量也很小,不易准确测定。

土力学2.土的渗透性与渗透问题

土力学2.土的渗透性与渗透问题

三、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
等效方法: • 等效厚度等于各土层之和。 • 等效渗透系数的大小与水流的方向有关。
层状土的渗流
(一)水平向渗流 水平渗流的特点: (1)各层土中的水力坡降i=(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。
1.实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多,但从试验原理上大
体可分为常水头法和变水头法两种。 2.现场测定法 现场研究场地的渗透性,进行渗透系数k值测定时,常用现场并孔抽 水试验或井孔注水试验的方法。
常水头试验
适用于测定透水性 大的砂性土的渗透系数。
变水头试验
适用于测定渗透性 很小的粘性土的渗透系 数。由于粘性土的渗透 水量很少,用常水头试 验不易准确测定。 (二)影响渗透系数的因素 1.土的性质对k值的影响 (1)粒径大小与级配;(2)孔隙比;(3)矿物成分;(4)结构;(5)饱和度。 尤以前两项,即粒径大小和孔隙比对k 的影响最大。 2.渗透水的性质对k值的影响 水的性质对渗透系数k 值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温 度高时,水的粘滞性降低, k值变大:反之k值变小。
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:
Vs= v/n
为了研究的方便,渗流计算中均采用假想的平均流速。
(三)达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律,即渗 流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中,绝 大多数渗流,无论是发生砂土中或一般的粘性土中,均届于层流范围, 故达西定律均可适用。 二、渗透系数的测定和影响因素 渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标,也是渗流计算时 必须用到的一个基本参数。不同种类的土,A值差别很大。因此,准确地 测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (一)渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。

(完整版)第二章土的渗透性和渗流问题要点

(完整版)第二章土的渗透性和渗流问题要点

第二章 土的渗透性和渗流问题第一节 概 述土是多孔介质,其孔隙在空间互相连通。

当饱和土体中两点之间存在能量差时,水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。

水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的性质称为土的渗透性。

土的渗透性是土的重要力学性质之一。

在水利工程中,许多问题都与土的渗透性有关。

渗透问题的研究主要包括以下几个方面:1.渗流量问题。

例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算(图2-la 、b ),基坑开挖时的渗水量及排水量计算(图2-1C ),以及水井的供水量估算(图2-1d )等。

渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。

2.渗透变形(或称渗透破坏)问题。

流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力,这一作用力称为渗透力。

当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动,从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。

渗透变形问题直接关系到建筑物的安全,它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。

由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。

3.渗流控制问题。

当渗流量和渗透变形不满足设计要求时,要采用工程措施加以控制,这一工作称为渗流控制。

渗流会造成水量损失而降低工程效益;会引起土体渗透变形,从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。

因此,研究土的渗透规律、对渗流进行有效的控制和利用,是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。

第二节 土的渗透性一、土的渗透定律—达西定律(一)渗流中的总水头与水力坡降液体流动除了要满足连续原理外,还必须要满足液流的能量方程,即伯努里方程。

在饱和土体渗透水流的研究中,常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。

水头是指单位重量水体所具有的能量。

按照伯努里方程,液流中一点的总水头h ,可用位置水头Z 、压力水头w uγ和流速水头g v 22之和表示,即 1)-(2 22g v uz h w ++=γ 式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能,其量纲为长度。

土的渗透性与土中渗流详解(图文丰富)[详细]

土的渗透性与土中渗流详解(图文丰富)[详细]
土破坏;而管涌只发生在有一定的级配(如不均匀系数 Cu>10)的无黏性土中,且土中粗颗粒所构成的孔隙直径 必须大于细颗粒的直径。
三、例题分析
• 【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68,孔隙比e=0.82,
下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2,若取安全系数K 为2.5,试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏
密实的粘土,需要克 服结合水的粘滞阻力 后才能发生渗透;同时 渗透系数与水力坡降 的规律还偏离达西定 律而呈非线性关系
达西定律适用于层 流,不适用于紊流
达西定律 v
v ki
v=ki
O 砂土
v
i 虚直线简化
0
起始水
ib
力梯度
v ki ib
密实粘土 i
§2.3
渗透力与渗透变形
• 一、渗透力和临界水力梯度
a
渗流方向近乎水平,使土 粒产生向下游移动的趋势, 对稳定不利
c b
渗流力与重力方向相 反,当渗透力大于土 体的有效重度,土粒 将被水流冲出
2.临界水力梯度icr———使土体开始发生渗透变形的水力梯度
J 当土颗粒的重力与渗透力相等时,土颗粒不受任何
力作用,好像处于悬浮状态,这时的水力梯度即为
临界水力梯度
第2章 土的渗透性与土中渗流
§2.1土中渗流的工程意义 §2.2渗流理论 §2.3渗透力与渗透变形 §2.4渗流工程问题与处理措施
2.1 土中渗流的工程意义
上游
浸润线 下游
流线 等势线
土坝蓄水后水透 过坝身流向下游
隧道开挖时,地下 水向隧道内流动
H
在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象称为渗流
§2.2 渗流理论
3.流土与管涌的区别

土力学 2土的渗透性与渗透问题

土力学  2土的渗透性与渗透问题

流砂
粉细沙随地下水流入基 坑,产生流砂
在基坑开挖和地下结构施工中,必须防止流砂,以 免发生重大基坑坍塌事故。
流砂形成条件:i < icr : i > icr : i = icr :
土体处于稳定状态 土体发生流土破坏 土体处于临界状态
工程经验判断:
➢粘性土中,渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现 表面隆起变形 ;
γwhw+ γwL + j L= γwh1
P2
结论: 渗透力是一种体积力,
其大小与水力梯度成正比。 其方向与渗透方向一致。
j
w (h1
hw L
L)
w h L
wi
二.流砂破坏及其防治
j
w (h1
hw L
L)
w h L
wi
流砂(流土):渗流力的方向自下而上时,若渗流力大 于向下的重力,土发生浮起、悬浮并随水流移动的现象。
i 1
达西定律 qx k xiH
n
qix k1iH1 k2iH 2 kniH n
i 1
整个土层与层面平
行的等效渗透系数
1n
kx
H
ki Hi
i 1
1
q1x q2x q3x
1 L
2 Δh x
z k1 k2
H1 H2 H
k3 2
H3
不透水层
与土层平行向渗流时,平均渗透系数的大小受渗透系数最大的控制
为防止发生渗透破坏,采取适当的措施,进行控制。 所以:主要内容为:渗透规律、渗透系数测定、工程中渗 透破坏类型及控制。
主要内容
2.1 概述 2.2 土的渗透系数及其确定方法 2.3 土的渗流和流网 (只讲概念) 2.4 渗透破坏与控制

土力学-知识单元二(土的渗透性及渗流)

土力学-知识单元二(土的渗透性及渗流)
0 基准面
u w
z
0
位置势能: mgz
压力势能: 动能: 总能量:
mg u w
1 mv2 2 E mgz mg u 1 mv2
w 2
单位重量水流的能量:
h z u v2 w 2g
称为总水头,是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头
知识点一 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
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
w
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
在静止液体中各点的测管水头相等
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
知识点一 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水
土的性质
• 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 • 结构
干容重 d max
1
絮状结构 分散结构
Wop
含水量 w
渗透系数 k
水的性质
含水量 w
渗透系数的影响因素
头高处流向水头低处
uA w
hA zA
A
B L
基准面
渗流问题的水头
知识点一 土的渗流性与渗透规律
仁者乐山 智者乐水

A点总水头: h A
zA
uA
w

B点总水头: h B
zB
uB
w

土力学第二章土的渗透性和渗透问题

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

土力学第二章

土力学第二章
第二章 土的渗透性和渗流问题
2.1 概述 2.2 土的渗透性 2.3 二维渗流与流网
2.4 渗透力与渗透变形
2.1 概述
2.1 概述
碎散性
多孔介质 能量差
土颗粒 土中水 渗流
三相体系
孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性
2.1 概述
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺 盖
1 kx H
kz
1 k j H j (0.0011 0.2 1 101 ) 3.4m/d 3 j 1
3 1 1 1 0.001 0.2 10 0.003m/d
n
k
j 1
H n H j
j
水平渗流kx:渗透系数大的土层起主导作用 竖直渗流kz:渗透系数小的土层起主导作用 kx恒大于kz,实际工程中,一定要注意渗流水流的流向
Q lg(r2 / r1 ) k 2.3 h22 h12
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
2.2 土体的渗透性
4、影响渗透系数的因素
k f (土粒特性、流体特性)
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
2.2 土体的渗透性
2.2 土体的渗透性
2.2.2
渗透系数的测定和影响因素
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
2.2 土体的渗透性
1、常水头试验法
试验条件: Δh,A,L已知 量测变量: V,t 结果整理
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
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第二章 土的渗透性和渗流问题第一节 概 述土是多孔介质,其孔隙在空间互相连通。

当饱和土体中两点之间存在能量差时,水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。

水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的性质称为土的渗透性。

土的渗透性是土的重要力学性质之一。

在水利工程中,许多问题都与土的渗透性有关。

渗透问题的研究主要包括以下几个方面:1.渗流量问题。

例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算(图2-la 、b ),基坑开挖时的渗水量及排水量计算(图2-1C ),以及水井的供水量估算(图2-1d )等。

渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。

2.渗透变形(或称渗透破坏)问题。

流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力,这一作用力称为渗透力。

当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动,从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。

渗透变形问题直接关系到建筑物的安全,它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。

由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。

3.渗流控制问题。

当渗流量和渗透变形不满足设计要求时,要采用工程措施加以控制,这一工作称为渗流控制。

渗流会造成水量损失而降低工程效益;会引起土体渗透变形,从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。

因此,研究土的渗透规律、对渗流进行有效的控制和利用,是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。

第二节 土的渗透性一、土的渗透定律—达西定律(一)渗流中的总水头与水力坡降液体流动除了要满足连续原理外,还必须要满足液流的能量方程,即伯努里方程。

在饱和土体渗透水流的研究中,常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。

水头是指单位重量水体所具有的能量。

按照伯努里方程,液流中一点的总水头h ,可用位置水头Z 、压力水头w uγ和流速水头g v 22之和表示,即 1)-(2 22g v uz h w ++=γ 式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能,其量纲为长度。

对于流经土体中A 、B 二点渗流(图2-2),按照式(2-1),A 、B 两点的总水头可分别表示为:g v u z h gv u z h B w B B A w A A 222221++=++=γγ且 h h h ∆+=21式中,A Z 、B Z — 分别为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z 为位置水头。

u A 、、u B — 分别为A 和B 两点的水压力即孔隙水压力(kN/m 2),代表单位重量液体所具有的压力势能。

将它们除以水的容重w γ(kN/m 3)后,w Au γ和w B u γ就分别代表A 、B 两点孔隙水压力的水柱高度,因此称w u γ为压力水头。

A v 、B v — 分别为A 点和B 点处的渗流流速(m/s ),g 为重力加速度(m/s 2)。

g v 22即代表单位重量液体所具有的动能,故称g v 22为流速水头。

1h 、2h — 分别代表A 点和B 点单位重量液体所具有的总机械能,故称之为总水头。

h ∆— A 、B 二点间的总水头差,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。

另外,我们常将位置水头与压力水头之和w uz γ+称为测压管水头。

如果将二根测压管分别安装在点A 和点B 处时,测压管中的水面将会分别上升至A Z +w A u γ和B Z +w B u γ的标高处。

所以,测压管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能。

饱和土体中两点间是否会出现渗流是由总水头差h ∆(=1h -2h )决定的。

只有当两点间的总水头差h ∆>0时,才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。

由于土中渗流阻力大,流速v 在一般情况下都很小,因此流速水头也很小,为简便起见可以忽略。

这样,渗流中任一点的总水头就可用测压管水头来代替,式(2—1)可简化为5)-(2 w uz h γ+=将土体中A 、B 两点的测压管水头连接起来(图2-2),就得到测压管水头线(又称水力坡降线)。

由于渗流过程中存在能量损失,测压管水头线沿渗流方向下降。

A 、B 两点间的水头损失,可用无量纲的形式来表示,即6)-(2 Lh i ∆= 这里,i 称为水力坡降,L 为A 、B 两点间渗流路径的长度。

水力坡降i 代表单位渗流长度上的水头损失。

(二)渗透试验与达西定律达西利用图2-5所示的试验装置对均匀砂进行了渗流试验,得出了层流条件下,土中水的渗流速度与能量(水头)损失之间的渗流规律,即达西定律。

达西试验装置的主要部分是一个上端开口的直立圆筒,下部放碎石,碎石上放一块多孔滤板,滤板上面放置颗粒均匀的土样,其断面积为A ,长度为L 。

筒的侧壁装有两支测压管,分别设置在土样两端的两个过水断面处。

水由上端进水管注入圆筒,并以溢水管保持简内为恒定水位。

透过土样的水从装有控制阀门的弯管流入容器中。

当筒的上部水面保持恒定以后,通过砂土的渗流是恒定流,测压管中的水面将恒定不变。

取图2—5中的0—0界面为基准面,1h 、2h 分别为上下断面处的测压管水头;h ∆即为渗流流经L 长度砂样后的水头损失。

达西根据对不同类型及长度的土样所进行的试验发现,渗出水流量Q [L 3 T -1]与圆筒断面积A [L 2]和水力坡降i [L L -1]成正比,且与土的透水性质有关,即8)-(2 kAi Q =或 9)-(2 ki AQ v == 式(2一8)或(2一9)称为达西定律。

式中,v —断面平均渗透速度[L T -1],单位mm/s 或m/dayk —土的渗透系数,它反映了土的透水性能的大小。

渗透系数相当于水力坡降i =1时的渗透速度[L T -1],故其量纲与流速相同,mm/s 或m/day 。

达西定律说明,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。

渗透流速v 并不是土孔隙中水的实际平均流速。

在公式推导中采用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。

土粒本身是不能透水的,实际的过水面积A v 应小于A ,从而实际平均流速v s 应大于v 。

一般称v 为达西流速。

v 与v s 的关系可通过水流连续原理建立。

按照水流连续原理,Q=vA=v s A v (2-10)若均质砂土的孔隙率为n (砂土孔隙率为0.28~0.35;粘性土0.6~0.7),则A v =nA ,11)-(2 /n v nAvA v s ==(三)达西定律的适用范围达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失之间关系的规律,即渗流速度v 与水力坡降i 成线性关系只适用于层流范围。

在水利工程中,绝大多数渗流,无论是发生于砂土中或一般的粘性土中,均属于层流范围,故达西定律均可适用。

但须注意的是,在纯砾等粒径很粗的土中例如堆石体中的渗流,当水力坡降较大时,流态已不再是层流而是紊流,达西定律不再适用,此时渗流速度v 与水力坡降i 之间的关系不再保持直线而变为曲线关系(图2-6a )。

层流进入紊流的界限就为达西定律适用的上限。

一般可用临界流速cr v =0.3~0.5cm/s 来划分这一界限。

当v >v cr 后达西定律可修改为:12)-(2 1 m ki v m <=在粘性很强的致密土体中,渗透特征也偏离达西定律。

此时v ~i 关系(图2-6b )也呈曲线规律,且不通过原点。

使用时,可将曲线简化为如图虚线所示的直线关系。

截距i 0称为起始坡降。

这时,达西定律可修改为:13)-(2 )(0i i k v -=式(2-13)说明,当坡降很小即i< i 0时,没有渗流发生。

因为密实粘土颗粒的外围具有较厚的结合水膜,它占据了土体内部的过水通道(图2-7),因此只有在较大的水力坡降作用下,挤开结合水膜的堵塞后才能发生渗流。

起始水力坡降i 0是用以克服结合水膜阻力所消耗的能量。

i= i 0就是达西定律适用的下限。

二、渗透系数的测定和影响因素渗透系数k 是一个代表土的渗透性强弱的定量指标。

不同种类的土,k 值差别很大。

(一)渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法主要分室内测定和野外现场测定两大类。

1.实验室测定法目前在实验室中测定渗透系数k 的仪器种类和试验方法很多,但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。

常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数,从而水头差也为常数。

试验时(图2-9a ),在透明塑料筒中装填截面为A 、长度为L 的饱和试样,打开阀门,使水自上而下流经试样,并自出水口处排出。

待水头差∆h 和渗出流量Q 稳定后,量测经过一定时间t 内流经试样的水量V ,则vAt Qt V ==根据达西定律ki v =,则At Lh kV ∆= 从而得出 14)-(2 ht A VL k ∆= 常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。

变水头试验法就是试验过程中水头差一直在随时间而变化,其装置示意图见图2-9b 。

水流从一根直立的带有刻度的玻璃管和U 形管自下而上流经土样。

试验时,将玻璃管充水至需要的高度后,开动秒表,测记起始水头差∆h 1,经过时间t 后,再测记终了水头差∆h 2。

通过建立瞬时达西定律,即可推出渗透系数k 的表达式。

设试验过程中任意时刻t 时,作用于试样两端的水头差为∆h ;经过dt 时段后,管中水位下降dh ,则dt 时间内流入试样的水量为dh a dV e ⨯-=,式中a 为玻璃管断面积;右端的负号表示水量随∆h 的减少而增加。

根据达西定律,dt 时间内流出试样的渗流量为:dt A Lh k dt A i k dV o ⨯⨯∆⨯=⨯⨯⨯= 式中,A —试样断面积;L —试样长度。

根据水流连续原理,应有 o e dV dV =,即h dh kA aL dt dt A L h k dh a ∆⨯-=⨯⨯∆⨯=⨯- 等式两边各自积分⎰⎰∆∆∆-=210h h thdh kA aL dt 得: 21ln h h kA aL t ∆∆= 从而得到土的渗透系数:15)-(2 ln 21h h At aL k ∆∆= 改用常用对数表示,则上式可写为16)-(2 lg 3.221h h At aL k ∆∆= 通过选定几组不同的1h ∆、2h ∆值,分别测出它们所需的时间t ,利用式(2-15)或式(2-16)计算它们的渗透系数k ,然后取平均值,作为该土样的渗透系数。

实验室内测定渗透系数k 的优点是设备简单,费用较省。

但是,由于土的渗透性与土的结构有很大的关系,地层中水平方向和垂直方向的渗透性往往不一样;再加之取样时的扰动,不易取得具有代表性的原状土样,特别是砂土。

因此,室内试验测出的k 值常常不能够很好地反映现场中土的实际渗透性质。

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