大学精品课件：土力学1-第二章.ppt

1、2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 2.4 2.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题第二章：土的渗透性和渗流问题 2.1 2.1 概述概述 土颗粒土颗粒 土中水土中水 渗流渗流 土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质， 其孔隙在空间互相连通。其孔隙在空间互相连通。 当饱和土中的两点存在能当饱和土中的两点存在能 量差时，水就在土的孔隙量差时，水就在土的孔隙 中从能量高的点向能量低中从能量高的点向能量低 的点流动的点流动 水在土体孔隙中流动的现象称

2、为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性 透水层透水层 不透水层不透水层 土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流 防渗体防渗体 坝体坝体 浸润线浸润线 工程实例工程实例 板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流 透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 板桩墙板桩墙 透水层透水层 不透水层不透水层 天然水面天然水面 水井渗流水井渗流 Q 渠道、河流渗流渠道、河流渗流 原地下水位原地下水位 渗流时地下水位渗流时地下水位 降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 土的渗透性与渗透规律

3、土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 渗透系数的测定及影响因渗透系数的测定及影响因 素素 2.4 2.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题第二章：土的渗透性和渗流问题 位置水头：位置水头：到基准面的竖直距离，到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能所具有的位置势能 压力水头：压力水头：水压力所能引起的自由水压力所能引起的自由 水面的升高，表示单位重量液体所水面的升高，表示单位重量液体所 具有的压力势能具有的压力势能 测管水头：测管水头：测管水面到基准面的垂测管水面到基准面的垂 直距离，等于位置水头和压力水

4、头直距离，等于位置水头和压力水头 之和，表示单位重量液体的总势能之和，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静止液体中各点的测管水头相等 一、位置、压力和测管水头一、位置、压力和测管水头 zA 0 0 A B u0pa w A u zB w B u 基准面基准面 静水静水 2.2 2.2 土的渗透性和土的渗透性和渗透规律渗透规律 位置势能：位置势能： mgz w u mg 压力势能：压力势能： 0 0 基准面基准面 质量质量 m 压力压力 u 流速流速 v z w u 动能：动能： 2 mv 2 1 2 w mv 2 1u mgmgzE 总能量：总能量： 2g vu zh

5、2 w 称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动 的驱动力的驱动力 单位重量水流的能量：单位重量水流的能量： 二、总水头二、总水头 A B L hA zA w A u 基准面基准面 g2 vu zh 2 w w u zh 总水头：总水头：单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力） 流速水头流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0） 渗流的总水头：渗流的总水头： 也称也称测管水

6、头测管水头，是渗流的，是渗流的 总驱动能，渗流总是从水总驱动能，渗流总是从水 头高处流向水头低处头高处流向水头低处 w B BB u zh A A点总水头：点总水头： 三、水力坡降三、水力坡降 A B L hA hB zA w A u w B u zB h h 基准面基准面 水力坡降线水力坡降线 w A AA u zh B B点总水头：点总水头： 二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了 两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力 造成的能量损失造成的能量损失 BA hhh 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失 L h i 四、达西渗透定律四、达西渗透定律 L

7、 A h1 h2 Q Q 透水石 1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城 市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验 L h AQ 或：或： iAkQ 其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积 ik A Q v 达西定律：达西定律：在层流状态的渗流中在层流状态的渗流中，渗透速度渗透速度v与水力坡降与水力坡降i 的一次方成正比的一次方成正比，并与土的性质有关并与土的性质有关 渗透系数渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数反映土的透水性能的比例系数，其物理意义其物理意义 为水力坡降为水力坡降i1时的渗流速度时的渗流速度，单位：单位： cm/s, m/s, m/day 渗

8、透速度渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想也称假想 渗流速度渗流速度 n v vv s 其中，其中，V Vs s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动） 岩土工程中的绝大多数渗流岩土工程中的绝大多数渗流 问题，包括砂土或一般粘土，问题，包括砂土或一般粘土， 均属层流范围均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态在粗粒土孔隙中，水流形态 可能会随流速增大呈紊流状可能会随流速增大呈紊流状 态，渗流不再服从达西定律。态，渗流不再服从达西定律。 可用雷诺数进行判断可用雷诺数进行判断

9、： 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 达西定律达西定律 适用范围适用范围 2.0 1.5 1.0 0.5 0 水 力 坡 降 水 力 坡 降 流速流速 (m/h) h 10 d v R e 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 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 2.4 2.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题第二章：土的渗透性和渗流问题 2.3 2.3 渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水

10、头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验 室内试验方法室内试验方法 野外试验方法野外试验方法 一、室内试验方法一、室内试验方法- -常水头试验法常水头试验法 试验条件试验条件: : h，A，L=const 量测变量量测变量: 体积体积V，t 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 i=h/L V=Qt=vAt v=ki htA VL k h L 土样土样 A V Q 二、室内试验方法二、室内试验方法- -变水头试验法变水头试验法 试验条件试验条件: :h变化变化 A，a，L=const 量测变量量测变量: h，t 适用

11、土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土 土样土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头水头 测管测管 开关开关 a 土样土样 A t=t1 t=t2 h1 h2 L Q 水头水头 测管测管 开关开关 在在tt+dt时段内：时段内： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo -adh =k (h/L)Adt h dh kA aL dt 2 1 h h t 0 h dh kA aL dt 2 1 h h kA aL t ln h dh t t+dt 2 1 h h At aL

12、 k ln 选择几组量测结果选择几组量测结果 ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值 三、现场测定法抽水试验三、现场测定法抽水试验 抽水量抽水量Q Q r1 r2 h1 h2 井井 不透水层不透水层 试验条件试验条件: : Q=const 量测变量量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长 观察井观察井 2 1 2 2 12 hh rrQ k )/ln( )(ln 2 1 2 2 1 2 hhk r r Q A=2 rh i=dh/dr dr dh k

13、rh2AkiQ khdh2 r dr Q 计算公式：计算公式： r 抽水量抽水量Q Q r1 r2 h1 h2 井井 不透水层不透水层 dh dr h 地下水位地下水位 测压管水面测压管水面 是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小的主要影 响因素响因素 因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大 小一般由细颗粒所控制。因此，小一般由细颗粒所控制。因此， 土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10 来表示，如哈臣公式：来表示，如哈臣公式： 2 10 dck 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小

14、及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 四、渗透系数的影响因素四、渗透系数的影响因素 是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接 度量度量 对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e 与渗透系数与渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如： ) e1 e (fk ) e1 e (fk )e(fk 3 2 2 土的性质土的性质 水的性质水的性质 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 对粘性土，影响颗粒的表面力对粘性土，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极大，其渗透性大

15、小的次序为高 岭石岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石 ；当粘土；当粘土 中含有可交换的钠离子越多时，中含有可交换的钠离子越多时， 其渗透性将越低其渗透性将越低 塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的 参数参数 土的性质土的性质 水的性质水的性质 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 影响孔隙系统的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性， 对粘性土影响更大对粘性土影响更大 在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状 粘性土层，扁平状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常 呈水平排列，

16、常使得呈水平排列，常使得k水平 水平k k垂 垂 直直 在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同 时，凝聚结构将比分散结构具时，凝聚结构将比分散结构具 有更大的透水性有更大的透水性 土的性质土的性质 水的性质水的性质 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 水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数： 温度温度 ，水粘滞性，水粘滞性 ，k 饱和度（含气量）：封闭气饱和度（含气量）：封闭气 泡对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道的通道 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大

17、小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 五、层状地基的等效渗透系数五、层状地基的等效渗透系数 等效渗透系数等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系根据渗流方向确定等效渗流系 数数 天然土层多呈层状天然土层多呈层状 多个土层用假想单一土层置换，多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变使得其总体的透水性不变 h H1 H2 H3 H k1 k2 k 3 x z q1x q3x q2x 1 1 2 2 不透水层不透水层 等效渗透系数等效渗透系数: : iix Hk H 1 k kx 已知条件已知条件: : L h iii ixx qq i HH

18、qx=vxH=kx i H qix=ki ii Hi 达西定律达西定律: : 等效条件等效条件: : 1 1、层状地基的水平等效渗透系数、层状地基的水平等效渗透系数 2 2、层状地基的垂直等效渗透系数、层状地基的垂直等效渗透系数 i i z k H H k H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z v 承压水承压水 kz vvi i hh i HH vi = ki (hi / Hi ) i ii i k Hv h z k vH h i ii i z k Hv hh k vH 已知条件已知条件: : 达西定律达西定律: : 等效条件等效条件: : v = kz (h / H ) 等效渗

19、透系数等效渗透系数: : 算例说明算例说明 daym100km01H daym1km01H daym010km01H 33 22 11 /,. /,. /.,. 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 层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制 daym6733 H Hk k ii x /. daym030 k H H k i i z /. H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 2.4 2.4 渗透力

20、与渗透变形渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题第二章：土的渗透性和渗流问题 2.4 2.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 h=0 h=0 静水中，土骨静水中，土骨 架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。 h0 h0 水在流动时，水在流动时， 水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的 阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙 水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩 擦、拖曳力。擦、拖曳力。 h1 h h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：渗透作用中，孔隙水对土骨架 的作用力，方向与渗流方向一致的作用力，方向与渗

21、流方向一致 一、渗透力一、渗透力 h1 h h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 土粒土粒 渗渗 流流 渗透力渗透力 j j：体积力：体积力 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架：单位土体内土骨架 所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力 截面积截面积 A=1 h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体受力分析土水整体受力分析- -静水静水 截面积截

22、面积 A=1 W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w h 土水整体受力分析土水整体受力分析- -渗流渗流 h1 h h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b R = L - w h 土水整体受力分析土水整体受力分析- 对比对比 h1 h h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体 向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤 网支持力减少网支持力减少 R =

23、L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？ 总渗透力：总渗透力： J=J= w w h h 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 j = J/V = w h /L = wi = + W W W w 土水土水 = 土骨架土骨架 + 孔隙水孔隙水 J R J P1 P2 P1 P2 R 土水隔离受力分析土水隔离受力分析 R = L- w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析： 有效重量：有效重量：W =L 总渗透力：总渗透力：J=Lj 滤网的反力：滤网的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析： 水压力：水压力：P1= whw P2

24、= wh1 总渗透力：总渗透力：J =J 水重水重+浮力反力：浮力反力： Ww =Vv w+Vs w=L w 孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡 j = wi 土骨架受力平衡土骨架受力平衡 物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的单位土体内土骨架所受到的 渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 大小：大小： j = j = w wi i 方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致 作用对象：作用对象：土骨架土骨架 渗透力的性质渗透力的性质 向上渗流存在时，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持 力减少。力减少。当滤网支持力为零当滤网支持力为零 时的水力坡降称为时的水力坡

25、降称为临界水力临界水力 坡降坡降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生 流土破坏时的水力坡降：流土破坏时的水力坡降： R = L - w h=0 临界水力坡降临界水力坡降 h1 h h2 0 0 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b icr = h/L = / w e1 1G ws )( e1 1G i s cr 由于由于 icr取决于土取决于土 的物理性质的物理性质 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或 破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工 建筑物发生破坏的常见类型建筑物发生破坏

26、的常见类型 基本类型：基本类型： 管涌管涌 流土流土 接触流土接触流土 接触冲刷接触冲刷 二、渗透变形二、渗透变形 单一土层渗透变形单一土层渗透变形 的两种基本型式的两种基本型式 1 1、渗透变形、渗透变形 - - 流土流土 流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水 力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏 粘性土粘性土k1k2 砂性土砂性土k2 坝体坝体 渗流渗流 cr ii e1 1G i s

27、cr 原因：原因： 与土的密实度有关与土的密实度有关 坝体坝体 2 2、渗透变形、渗透变形 管涌管涌 原因原因 内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通 过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与 地表贯通的管道地表贯通的管道 渗流渗流 过程演示过程演示 1. 在渗透水流作用下，在渗透水流作用下， 细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成 的孔隙中移动流失的孔隙中

28、移动流失 2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流 速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗 颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走 3. 形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道， 造成土体塌陷造成土体塌陷 3 3、流土与管涌的比较、流土与管涌的比较 流土流土 土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发 生移动生移动 管涌管涌 只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大，只要渗透力足够大， 可发生在任何土中可发生在任何土中 破坏过程短破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等 现象现象 位置位置 土类土类 历时历时 后果后果 土体内细颗粒通过粗粒形成

29、土体内细颗粒通过粗粒形成 的孔隙通道移动的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流 溢出处溢出处 一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的 无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口 s cr F i ii Fs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降 i icr :土体发生流土破坏土体发生流土破坏 工程设计：工程设计： 4 4、流土可能性的判别、流土可能性的判别 在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和 无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这 一水力条件，均要发生流土：一水力条件，均要发生流土： 土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非管涌土粘性土（分散性土例外）属于非管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应的无粘性土中发生管涌必须具备相应的几几 何条件何条件和和水力条件水力条件 5 5、管涌可能性的判别、管涌可能性的判别 本章作业：本章作业： P57 2-3，2-5，2-7，2-9