第二章-土的渗透性及水的渗流优质课件.ppt
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1、第二章第二章 土的渗透性及水的渗流土的渗透性及水的渗流土的渗透性及水的渗流 第二章3本章特点本章特点学习要点学习要点主要难点主要难点有较严格的理论(水流的一般规律)有较严格的理论(水流的一般规律)有经验性规律(散粒体多孔介质特性)有经验性规律(散粒体多孔介质特性)注重对物理概念和意义的深入理解注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体(多孔介质)这一特点注意土是散粒体(多孔介质)这一特点 水头及水力坡降水头及水力坡降二维流网及其应用二维流网及其应用渗透力及其分析方法渗透力及其分析方法2 土的渗透性及水的渗流 碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等
2、在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性概述概述能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流2 土的渗透性及水的渗流 5水在土体中的渗透,一方面会造成水量的损失,影响工程效益;另一方面将引起土体内部的应力状态的变化,从而改变水工建筑物或地基的稳定条件,严重时还会酿成破坏事故。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。2 土的渗透性及水的渗流 6水的问题水的问题指在工程中由于水本身
3、引起的工程问题,比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题;相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题;另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染,地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。也就是说,水自身的量(涌水量,渗水量)、质(水质)、赋存位置(地下水位)的变化所引起的问题。2 土的渗透性及水的渗流 7土的问题l土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化,从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的影响,在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳;土坝
4、、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故;非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。2 土的渗透性及水的渗流 概述渗流量渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流2 土的渗透性及水的渗流 9渗流作用造成大坝塌方2 土的渗透性及水的渗流 10渗水压力扬压力渗流量渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流概述2 土的渗透性及水的渗流 11渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流漏斗
5、状潜水面漏斗状潜水面Q概述2 土的渗透性及水的渗流 12渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述2 土的渗透性及水的渗流 13渗流滑坡渗流滑坡概述2 土的渗透性及水的渗流 14渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗流稳定土的渗透性及渗流稳定二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形扬压力土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工多雨地区边坡概述2 土的渗透性及水的渗流 15第二章 土的渗透性及水的渗流 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律2.2
6、 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 16层状地基的等效渗透系数野外测定方法抽水试验和注水试验法一渗流中的水头与水力坡降3 渗透力与渗透变形增大i:下游增加透水盖重一个高精度的流网图,需经过多次的修改后才能完成。通解:两个共轭调和函数与上下游水位变化无关 h=const;利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点,按一定比例制作模型,用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线,以达到确定渗流场中渗流要素的目的。相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题;一渗流中的水头与水力坡降其它边界条件:渗出面、自由水面层状地基的等效渗透系数2 土的渗透性及水的渗流
7、量测变量:V,t第二章 土的渗透性及水的渗流Ww=Vvw+Vsw=Lw物理意义:单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,它是体积力管涌指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。另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染,地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。2.1 土的渗透性与渗透规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数17ABL2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 透水层透水
8、层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降2 土的渗透性及水的渗流 18ABL一渗流中的水头与水力坡降h1h2zAwAu wBu zBh h00基准基准面面水力坡降线水力坡降线g2vuzh2w wAA1uzh wBB2uzh 12hhh wuzh Lhi 总水头总水头单位重量水体所具有的能量z:位置水头:位置水头u/u/w w:压力水头:压力水头V2/(2g):流速水头流速水头00A A点总水头:点总水头:B B点总水头:点总水头:总水头:总水头:水力坡降:水力坡降:2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 水头差:水头差:测管水头测管水
9、头2 土的渗透性及水的渗流 二二.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律试验前提:层流试验前提:层流h,Q A,Q L,QLhAQ 断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降AQv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置:如图试验装置:如图试验条件试验条件:h1,A,L=const量测变量量测变量:h2,V,Th=h1-h2Q=V/T2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 2.2.达西定律达西定律vk isvvvn 渗透定律在层流状态的渗流中,渗透速度在层流状态的渗流中,渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比,并与土的性质有关
10、。的一次方成正比,并与土的性质有关。二.渗透试验与达西定律vi注意:注意:AAvvAnAv:假想渗流速度,土体试样全断面的平均渗流速度:假想渗流速度,土体试样全断面的平均渗流速度vs:实际平均渗流速度,孔隙断面的平均渗流速度:实际平均渗流速度,孔隙断面的平均渗流速度A AvQvA vsAvk:反映土的透水性能的比例系数,称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数,称为渗透系数物理意义:水力坡降物理意义:水力坡降i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位:单位:mm/s,cm/s,m/s,m/day2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 212.2.达西定律达西定律
11、 适用条件:适用条件:层流(线性流)层流(线性流)2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二.渗透试验与达西定律 岩土工程中的绝大多数渗流问岩土工程中的绝大多数渗流问题,包括砂土或一般粘土,均题,包括砂土或一般粘土,均属层流范围。属层流范围。在粗粒土孔隙中,水流形态可在粗粒土孔隙中,水流形态可能会随流速增大呈紊流状态,能会随流速增大呈紊流状态,渗流不再服从达西定律。渗流不再服从达西定律。可用雷诺数可用雷诺数Re进行判断:进行判断:Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 10ev dR2 土的渗透性及水的渗流 22层流紊流层流紊流2 土的渗透
12、性及水的渗流 232.2.达西定律达西定律(1)粗粒土:)粗粒土:砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0 两种特例:两种特例:(2)粘性土:)粘性土:致密的粘土致密的粘土 i i0,v=k(i-i0)(1)mvkim2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二.渗透试验与达西定律2 土的渗透性及水的渗流 三三.渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方室内试验测定方法法野外试验测定方野外试验测定方法法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽
13、水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验1.1.测定方法测定方法2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 25 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法三.渗透系数的测定及影响因素 1.1.测定方法测定方法结果整理结果整理试验装置:如图试验装置:如图试验条件试验条件:h,A,L=const量测变量量测变量:V,ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk 适用土类:透水性较大的砂性土适用土类:透水性较大的砂性土2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 hL土样土样AVQ 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法
14、透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土?2 土的渗透性及水的渗流 第七次课至此詹第七次课至此詹26三.渗透系数的测定及影响因素 1.1.测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法试验装置:如图试验装置:如图试验条件试验条件:h变化变化,A,L=const量测变量量测变量:h,t2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a2 土的渗透性及水的渗流 27三.渗透系数的测定及影响因素 1.1.测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据:
15、t时刻:时刻:hdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量:流出量:流出量:连续性条件:连续性条件:-adh=k(h/L)AdthdhkAaLdt21lnhhkAaLt21lnhhAtaLk选择几组选择几组h1,h2,t,计算相应的,计算相应的k,取平均值,取平均值2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关ahdhtt+dthdhkAaLt dhht2102 土的渗透性及水的渗流 第七次课至此铁第七次课至此铁 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优
16、点:可获得现场较为可优点:可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数1.1.测定方法测定方法三.渗透系数的测定及影响因素 地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ212212 212212hh)r/rln(Qk 缺点:费用较高,耗时较长缺点:费用较高,耗时较长实验方法:实验方法:理论依据:理论依据:2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 积分积分2 土的渗透性及水的渗流 第七次课至此城第七次课至此城2 土的渗透性
17、及水的渗流土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动1 土的渗透性与渗透规律2 土的渗透性及水的渗流3 渗透力与渗透变形2 土的渗透性及水的渗流方向:与i方向一致(均质土与渗流方向一致)导致结构发生塌陷或溃口物理意义:单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,它是体积力水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题,比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题;描述渗流场内部的测管水头的分布,是平面稳定渗流的基本方程式之一流速边界条件:边界流线1土的渗透性与渗透规律压力水头:水压力所能引起的自由水面的升高,表示单位重量液体所具有的压力势能i i0,v=k(i-i0)可用雷诺数进行判
18、断:3 渗透力与渗透变形孔隙比:是单位土体中孔隙体积的直接度量;Fs:安全系数1.1土的渗透性与渗透规律2 土的渗透性及水的渗流2.影响因素 粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构kf(土土粒粒特特性性、流流体体特特性性)三.渗透系数的测定及影响因素 饱和度(含气量)饱和度(含气量)水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 302.2.影响因素影响因素 三.渗透系数的测定及影响因素 2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 粒径大小及级配:是土中孔隙直径大小的主要影响因素;因由粗颗粒形粒
19、径大小及级配:是土中孔隙直径大小的主要影响因素;因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填,故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。成的大孔隙可被细颗粒充填,故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。(1)土粒特性的影响)土粒特性的影响孔隙比:是单位土体中孔隙体积的直接度量;对于砂性土,渗透系数孔隙比:是单位土体中孔隙体积的直接度量;对于砂性土,渗透系数k一般随孔隙比一般随孔隙比e增大而增大。增大而增大。矿物成分:对粘性土,影响颗粒的表面力;不同粘土矿物之间渗透系矿物成分:对粘性土,影响颗粒的表面力;不同粘土矿物之间渗透系数相差极大,其渗透性大小的次序为高岭石数相差极大,其渗透性大小的次序为高岭石伊里石伊里石
20、蒙脱石;塑性指蒙脱石;塑性指数数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份,常是渗透系数的参数。综合反映土的颗粒大小和矿物成份,常是渗透系数的参数。结构:影响孔隙的构成和方向性,对粘性土影响更大;在宏观构造上,结构:影响孔隙的构成和方向性,对粘性土影响更大;在宏观构造上,天然沉积层状粘性土层,常使得天然沉积层状粘性土层,常使得 k水平水平 k垂直垂直;在微观结构上,当孔隙;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。比相同时,凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。2 土的渗透性及水的渗流 31饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s
21、)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100饱和度的影响饱和度的影响流体粘滞性的影响流体粘滞性的影响温度高温度高粘滞性低粘滞性低渗透系数大渗透系数大封闭气泡对封闭气泡对k影响很大,可影响很大,可减少有效渗透面积,还可减少有效渗透面积,还可以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道2.2.影响因素影响因素 三.渗透系数的测定及影响因素 2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 (2)流体特性的影响)流体特性的影响2 土的渗透性及水的渗流 四四.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的km考虑渗流方向考虑渗流方向天
22、然土层多呈层状天然土层多呈层状2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 33H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件:mhiiL xmxqqmHH等效渗透系数等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqmx=kmimHmxmm1kk HH 2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 34H1H2H3Hhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:mvvmhh mHH等效渗透系数等效渗透系数:mmmvHh
23、k zkvHh mzmvHvHkk zmmHkHk mzmH11kH k 2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 mmmmhvkH 2 土的渗透性及水的渗流 算例算例 day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211 按层厚加权平均,由较大值控制按层厚加权平均,由较大值控制倒数按层厚加权平均,由较小值控制倒数按层厚加权平均,由较小值控制day/m67.33HHkkiix day/m03.0kHHkiiz 四.层状地基的等效渗透系数2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 362.1 2.1
24、土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 第二章 土的渗透性及水的渗流 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 372.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz hh h恒定恒定稳定渗流稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)对单宽对单宽dy=1dy=1,取一微小单元,取一微小单元dx,dzdx,dz与时间无关与时间无关xz2 土的渗透性及水的渗流 38Laplace方程方程(基本方程)(基本方程)连续性条件连续性条件达西定律达西定律流线方程流线方程假定假定kx=kz2.2 平面渗流与流网平面
25、渗流与流网 流线描述流线描述水头描述水头描述势函数的势函数的基本方程基本方程 流函数的流函数的基本方程基本方程 势函数势函数 流函数流函数共轭调和,等值线正交共轭调和,等值线正交求解(流网)求解(流网)边界条件边界条件基本要求基本要求绘制方法绘制方法主要特点主要特点实际应用实际应用2 土的渗透性及水的渗流 392.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 0zvxvzx 连续性条件连续性条件dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 一一.平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 1.基本方程基本方程水头
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