土力学-第三章土的渗透性及渗流共28页
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
❖ 渗透:液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中 透过的现象
❖ 渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过 的性质
❖ 渗流：液体（如地下水、地下石油）中的流动问题 ❖ 渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加的作用力
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.1 概述
土力学
土的渗透性的主要研究内容包括： ❖ 渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝
在大多数情况下，土中水的渗流基 本处于层流状态，即
i h L
vi
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
层流：即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。
达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系
的渗流规律
达西根据实验发现，单位时间内的渗
出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正
比，且与土的透水性质有关
q Ah
L
Δ
写成Leabharlann Baidu式（达西定律表达式）
h1
q kAi 或 v q ki A
式中：q—单位渗水量，cm3/s； v—断面平均渗流速度，cm/s； i—水力梯度或水力坡降； k—土的渗透系数，cm/s
h2
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
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
3.1 概述
土力学
在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水 位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能 量高）的位置向水们低（即能量低）的位置流动。
响工程安全。 土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一
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
3.2 土的渗透性
3.2.1 渗流的基本概念 3.2.2 土的层流渗透定律 3.2.3 渗透试验及渗透系数
土力学
渗透系数k既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算 时必须用到的一个基本参数。测定方法有：室内和现场
1.室内渗透试验测定渗透系数 （1）常水头试验————整个 试验过程中水头保持不变
适用于透水性大（k>10-3cm/s） 的土，例如砂土。
时间t内流出的水量 QqtkiAtkhAt L
Δ
截面积 为A
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.1 渗流的基本概念
土力学
水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据D.伯努利（1738)定理。
式中：
水头
h v2 p z
2g w
h—总水头，m； v—流速，m/s；
g—重力加速度，m/s2；
p—水压，kPa； γw—水的重度，kN/m3； z—基准面高程，m
3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
公式中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，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积
Ar是小于整个断面积A，实际平均流速vr应大于v，一般v称为
假想平均流速。
以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速
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
水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则
水头
h p z
w
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.1 渗流的基本概念
土力学
PA γw
hA
Δh A
PB
γw hB
速度，v
ZA
B
ZB
L
A、B两点的水头差为： hhAhB(P AZA)(P BZA)
w
w
水力梯度i：在含水层中沿水流方 向每单位距离的水头下降值。
观测孔 r2
Q
r r1
r处过水断面积为A=2πrh,假设该处
水力梯度i为常数，且等于地下水位
在该处的坡度时，i=dh/则dr
q=kAi=2πrhkdh/dr
dr
qdr/r=2πkhdh
d
分离变量积分
h
h h1
h2
k＝q
ln(r2 / r1) h22 h12
k＝2.3q
lg(r2 /r1) h22 h12
（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。
达西定律
vki
v
砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系
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
v=ki
O 砂土
v
i
虚直线简化
0
起始水
ib
力坡降
vk(iib)
密实粘土 i
天津城市建设学院土木系岩土教研室
dQ=kiAdt=kAh/Ldt
截面积为A
管内减少水量＝流经试样水量
k＝2.3Ata2 Lt1lghh12
－adh=kAh/Ldt
分离变量 分
积
k＝Ata2 Lt1lnhh12
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
2.现场测定渗透系数
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
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
（1）土的粒度成分
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。
（2）土的密实度
同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比 降低，土的渗透性也减小。
k QL hAt
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
（2）变水头试验————整个试验过程水头随时间变化
截面面积a
适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土
任一时刻t的水头差为h，经
时段dt后，细玻璃管中水位
降落dh，在时段dt内流经试
样的水量
dQ=－adh
在时段dt内流经试样的水量
基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。
❖ 渗透破坏问题：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。如边 坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。
❖ 渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控制，以满 足渗流量或渗透变形的设计要求。
水在土体中的渗流的影响： ❖ 引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益 ❖ 引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影
❖ 渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过 的性质
❖ 渗流：液体（如地下水、地下石油）中的流动问题 ❖ 渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加的作用力
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.1 概述
土力学
土的渗透性的主要研究内容包括： ❖ 渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝
在大多数情况下，土中水的渗流基 本处于层流状态，即
i h L
vi
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
层流：即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。
达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系
的渗流规律
达西根据实验发现，单位时间内的渗
出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正
比，且与土的透水性质有关
q Ah
L
Δ
写成Leabharlann Baidu式（达西定律表达式）
h1
q kAi 或 v q ki A
式中：q—单位渗水量，cm3/s； v—断面平均渗流速度，cm/s； i—水力梯度或水力坡降； k—土的渗透系数，cm/s
h2
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
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
3.1 概述
土力学
在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水 位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能 量高）的位置向水们低（即能量低）的位置流动。
响工程安全。 土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一
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
3.2 土的渗透性
3.2.1 渗流的基本概念 3.2.2 土的层流渗透定律 3.2.3 渗透试验及渗透系数
土力学
渗透系数k既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算 时必须用到的一个基本参数。测定方法有：室内和现场
1.室内渗透试验测定渗透系数 （1）常水头试验————整个 试验过程中水头保持不变
适用于透水性大（k>10-3cm/s） 的土，例如砂土。
时间t内流出的水量 QqtkiAtkhAt L
Δ
截面积 为A
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.1 渗流的基本概念
土力学
水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据D.伯努利（1738)定理。
式中：
水头
h v2 p z
2g w
h—总水头，m； v—流速，m/s；
g—重力加速度，m/s2；
p—水压，kPa； γw—水的重度，kN/m3； z—基准面高程，m
3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
公式中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，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积
Ar是小于整个断面积A，实际平均流速vr应大于v，一般v称为
假想平均流速。
以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速
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
水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则
水头
h p z
w
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.2.1 渗流的基本概念
土力学
PA γw
hA
Δh A
PB
γw hB
速度，v
ZA
B
ZB
L
A、B两点的水头差为： hhAhB(P AZA)(P BZA)
w
w
水力梯度i：在含水层中沿水流方 向每单位距离的水头下降值。
观测孔 r2
Q
r r1
r处过水断面积为A=2πrh,假设该处
水力梯度i为常数，且等于地下水位
在该处的坡度时，i=dh/则dr
q=kAi=2πrhkdh/dr
dr
qdr/r=2πkhdh
d
分离变量积分
h
h h1
h2
k＝q
ln(r2 / r1) h22 h12
k＝2.3q
lg(r2 /r1) h22 h12
（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。
达西定律
vki
v
砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系
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
v=ki
O 砂土
v
i
虚直线简化
0
起始水
ib
力坡降
vk(iib)
密实粘土 i
天津城市建设学院土木系岩土教研室
dQ=kiAdt=kAh/Ldt
截面积为A
管内减少水量＝流经试样水量
k＝2.3Ata2 Lt1lghh12
－adh=kAh/Ldt
分离变量 分
积
k＝Ata2 Lt1lnhh12
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
2.现场测定渗透系数
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
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
（1）土的粒度成分
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。
（2）土的密实度
同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比 降低，土的渗透性也减小。
k QL hAt
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
（2）变水头试验————整个试验过程水头随时间变化
截面面积a
适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土
任一时刻t的水头差为h，经
时段dt后，细玻璃管中水位
降落dh，在时段dt内流经试
样的水量
dQ=－adh
在时段dt内流经试样的水量
基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。
❖ 渗透破坏问题：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。如边 坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。
❖ 渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控制，以满 足渗流量或渗透变形的设计要求。
水在土体中的渗流的影响： ❖ 引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益 ❖ 引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影